电气传动及控制基础-第七章 异步电机变频调速系统

,电气传动及控制基础,廖晓钟,第7章 异步电机变频调速系统,7.1 标量控制的变频调速系统7.2 矢量变换控制变频调速系统7.3 直接转矩控制变频调速系统,7.1 标量控制的变频调速系统,主要内容7.1.1 电压频率协调控制的机械特性7.1.2 转差频率控制变频调速系统,1.恒 控制的机械特性同步机械角速度 总漏抗 可以写成,(7.1),7.1.1 电压频率协调控制的机械特性,分析一组机械特性 推导得：,图7.1 恒压频比控制时变频调速的机械特性,(7.3),结论：s很小时，在恒压频比条件下改变频率时，机械特性基本上是一族平行的直线。,7.1.1 电压频率协调控制的机械特性,分析最大转矩,由式可以得到结论：最大转矩 是随着 的降低而减小的。频率 很低时， 太小将限制调速系统的带负载能力。,图7.1 恒压频比控制时变频调速的机械特性,(7.4),7.1.1 电压频率协调控制的机械特性,2.恒 控制时的机械特性,由右图等效电路可以看出,代入电磁转矩的基本关系式得,当s很小时，则,图7.2 异步电机的T型等效电路,(7.5),7.1.1 电压频率协调控制的机械特性,结论：对于一定的 电磁转矩与转差率成比例，亦即这一段机械特性近似为一条直线。,分析式(7.5),当s很小时，机械特性基本上是一族平行的直线,7.1.1 电压频率协调控制的机械特性,对式(7.4)求导数，并令导数为零，可得：,(7.6),(7.7),7.1.1 电压频率协调控制的机械特性,1.转差频率控制的基本原理 提高调速系统性能需采用闭环控制 提高系统动态性能需要控制转矩而异步电机转矩,当 s很小时,转差频率控制的基本思想？,7.1.2 转差频率控制变频调速系统,1.转差频率控制的基本原理,转差频率控制的条件： 恒 即为恒磁通，转差频率控制的条件之一为保持气隙磁通 恒定，可以通过控制励磁电流恒定来实现。,图7.4 异步电机的T型等效电路,图7.3 保持恒定时Is=f（sl）曲线,(7.8),7.1.2 转差频率控制变频调速系统,1.转差频率控制的基本原理,实现转差频率控制的另一个条件是 很小。根据可求得：,(7.9),7.1.2 转差频率控制变频调速系统,2. 转差频率控制变频调速系统,分析一条机械特性,结论：即s很小时，转矩近似与成s正比，机械特性是一段直线。,7.1.2 转差频率控制变频调速系统,系统组成如下图7.5所示。,图7.5 转速闭环、转差频率控制变频调速系统结构图ASR-转速调节器；GF-函数发生器；ACR-电流调节器；UR-整流器；DPI-极性鉴别器；GAB-绝对值变换器；GVF-压频变换器；DRC-环形分配器；AP-脉冲放大器；UI-电流源型逆变器,7.1.2 转差频率控制变频调速系统,系统组成变频器介绍,图7.6 三相逆变器主电路,图7.7 三相逆变器输出电压波形（a）180导通型；（b）120导通型,7.1.2 转差频率控制变频调速系统,工作过程分析,图7.8 转速闭环、转差频率控制变频调速系统结构图,7.1.2 转差频率控制变频调速系统,工作过程分析,图7.9 转差频率控制系统运行特性,图7.10 转差频率控制系统抗负载扰动过程,7.1.2 转差频率控制变频调速系统,SPWM驱动的转差频率控制变频调速系统，原理图如下。,图7.11 SPWM驱动的转差频率控制变频调速系统原理图,7.1.2 转差频率控制变频调速系统,电压正弦PWM逆变器,图7.12 SPWM逆变器主电路（a）主电路；（b）控制原理图,7.1.2 转差频率控制变频调速系统,图7.13 SPWM脉宽调制方法与单极式输出相电压波形（a）正弦调制波与三角波；（b）驱动信号；（c）单极式SPWM输出相电压波形,电压正弦PWM逆变器,7.1.2 转差频率控制变频调速系统,复习思考题6,1.为什么要采用转差频率控制方式？2.转差频率控制的条件是什么？物理系统是如何实现转差频率控制的条件的？3.转差频率控制有什么优缺点？,7.2 矢量变换控制变频调速系统,主要内容7.2.1 矢量变换控制的基本思想7.2.2 矢量变换控制构成举例,7.2.1 矢量变换控制的基本思想,异步电机的多变量数学模型,异步电机的物理模型如右图。为了建立数学模型，一般作如下假设：(1)三相绕组对称，忽略空间谐波，磁势沿气隙圆周按正弦分布。(2)忽略磁饱和，各绕组的自感和互感都是线性的。(3)忽略铁损。(4)不考虑频率和温度变化对绕组的影响。,图7.14 异步电机物理模型,图7.14 异步电机物理模型,(5)无论异步电机转子是绕线式还是鼠笼式，都将它等 效成绕线转子，并折算到定子侧，折算前后的转子每相匝数都相等。(6)不失一般性地，可将多相绕组等效为空间上互差90电角度的两相绕组，即直轴和交轴绕组。,7.2.1 矢量变换控制的基本思想,异步电机的多变量数学模型,定子的电压方程,转子的电压方程,磁链方程为,图7.15 异步电机物理模型,7.2.1 矢量变换控制的基本思想,分析不同绕组产生的相同旋转磁场,比较直流电机和异步电机异步电机的等效直流电机模型,图7.16 等效的交流绕组和直流绕组（a）ABC绕组；（b）、绕组；（c）MT绕组,图7.17 交流电机的坐标变换结构图,7.2.1 矢量变换控制的基本思想,矢量变换控制的基本思想,7.2.1 矢量变换控制的基本思想,图7.18 矢量控制的基本思想,7.2.2 矢量变换控制构成举例,图7.19 矢量控制的基本思想,图7.20 直接磁场定向矢量变换控制变频调速系统ASR-转速调节器；ATR-转矩调节器；AR-磁链调节器；BRT-转速传感器,电流滞环型PWM逆变器,图7.21 滞环控制电流正弦PWM逆变器原理图,图7.22滞环控制电流正弦逆变器输出电压和电流波形,7.2.2 矢量变换控制构成举例,复习思考题7,1.矢量变换控制的基本原理是什么？2.描述产生相同旋转磁场的三个等效绕组及各绕组所加的电流。3.矢量变换控制中如何实现异步电机中等效直流电机转矩和励磁电流的控制？,7.3 直接转矩控制变频调速系统,主要内容7.3.1 直接转矩控制的基本原理7.3.2 直接转矩控制的基本结构,7.3.1 直接转矩控制的基本原理,1. 空间电压矢量的概念三组开关有8种组合8种开关状态对应8种电压状态,1. 空间电压矢量的概念 Park矢量表达式 电压空间矢量在 坐标系中的离散位置,(7.10),7.3.1 直接转矩控制的基本原理,1. 空间电压矢量的概念,7.3.1 直接转矩控制的基本原理,1. 空间电压矢量的概念,7.3.1 直接转矩控制的基本原理,1. 空间电压矢量的概念,逆变器的六个工作电压对应六个不同方向的电压矢量，它们周期性的顺序出现，相邻两个矢量之间相差60。电压空间矢量的幅值不变，都等4E/3.六个电压空间矢量的顶点构成了正六边形的六个顶点。六种状态依次经过1-2-3-4-5-6，空间矢量沿逆时针方向旋转。零状态位于六边形的中心。,7.3.1 直接转矩控制的基本原理,2. 磁链的控制,实现方式难点,7.3.1 直接转矩控制的基本原理,3. 电压空间矢量对电磁转矩的影响,电机的电磁转矩的大小与定子和转子磁链的幅值和两者的夹角有关。当幅值恒定时，通过控制夹角来实对转矩的控制。,7.3.1 直接转矩控制的基本原理,3. 电压空间矢量对电磁转矩的影响,图7.23 电压矢量对转矩的影响（a）工作电压矢量使转矩增加；（b）工作电压矢量使转矩减小,7.3.1 直接转矩控制的基本原理,7.3.2 直接转矩控制系统的基本结构,1. 磁链开环直接转矩控制系