天津大学 运动控制系统(二)课件 第七章.ppt

1、1,第七章,电力拖动自动控制系统 运动控制系统,笼型异步电动机变压变频调速系统 转差功率不变型调速系统,2,异步电动机的变压变频调速系统一般简称为变频调速系统。 由于在调速时转差功率不随转速而变化，调速范围宽，无论是高速还是低速时效率都较高，在采取一定的技术措施后能实现高动态性能，可与直流调速系统媲美。因此现在应用面很广，是本篇的重点。,引言,3,第7章笼型异步电动机变压变频调速系统,7.1 变压变频调速的基本原理 7.2 异步机电压频率协调控制时的机械特性 7.3 *电力电子变压变频器的主要类型 7.4 变压变频调速系统中的PWM技术 7.5 基于异步电动机稳态模型的变压变频调速 7.6 异

2、步电动机的动态数学模型和坐标变换 7.7 基于动态模型按转子磁链定向的矢量控制系统 7.8 基于动态模型按定子磁链控制的直接转矩控制系统,4,第7章笼型异步电动机变压变频调速系统,7.1 变压变频调速的基本原理 7.2 异步机电压频率协调控制时的机械特性 7.3 *电力电子变压变频器的主要类型 7.4 变压变频调速系统中的PWM技术 7.5 基于异步电动机稳态模型的变压变频调速 7.6 异步电动机的动态数学模型和坐标变换 7.7 基于动态模型按转子磁链定向的矢量控制系统 7.8 基于动态模型按定子磁链控制的直接转矩控制系统,5,在进行电机调速时，常须考虑的一个重要因素是：希望保持电机中每极磁通

3、量 m 为额定值不变。 如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；如果过分增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。 对于直流电机，励磁系统是独立的，只要对电枢反应有恰当的补偿，m 保持不变是很容易做到的。 在交流异步电机中，磁通m由定子和转子磁势合成产生，要保持磁通恒定就需要费一些周折了。,变压变频调速的目的：保持磁通不变,6,（6-1）,Eg 气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值(V) ； f1定子频率(Hz)； Ns定子每相绕组串联匝数； kNs基波绕组系数； m每极气隙磁通量（Wb）。,气隙磁通m在定子每相绕组的电动势,7,（6-1）,气

4、隙磁通m在定子每相绕组的电动势,由上式可知，只要控制好Eg和f1，便可达到控制磁通m的目的。实际中，需要考虑两种情况： 基频(额定频率f1N)以下 基频(额定频率f1N)以上,8,第7章笼型异步电动机变压变频调速系统,7.1 变压变频调速的基本原理 7.2 异步机电压频率协调控制时的机械特性 7.3 *电力电子变压变频器的主要类型 7.4 变压变频调速系统中的PWM技术 7.5 基于异步电动机稳态模型的变压变频调速 7.6 异步电动机的动态数学模型和坐标变换 7.7 基于动态模型按转子磁链定向的矢量控制系统 7.8基于动态模型按定子磁链控制的直接转矩控制系统,Q1 基频以下调速 Q2 基频以上

5、调速,9,7.1 变压变频调速的基本原理 7.2 异步机电压频率协调控制时的机械特性 7.3 *电力电子变压变频器的主要类型 7.4 变压变频调速系统中的PWM技术 7.5 基于异步电动机稳态模型的变压变频调速 7.6 异步电动机的动态数学模型和坐标变换 7.7 基于动态模型按转子磁链定向的矢量控制系统 7.8基于动态模型按定子磁链控制的直接转矩控制系统,Q1 基频以下调速 Q2 基频以上调速,第7章笼型异步电动机变压变频调速系统,10,基频以下调速,由式可知，要保持m不变，当频率f1从额定值 f1N 向下调节时，必须同时降低Eg，使,即采用电动势频率比为恒值或恒气隙磁通m的控制方式。,（6-

6、2）,11,基频以下调速,然而，绕组中的感应电动势是难以直接控制的，当电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压 Us Eg，则得,这是恒压频比的控制方式。,（6-3）,m恒定,12,在低频时，Us和Eg都较小，定子阻抗压降所占的份量就比较显著，不能忽略。,带定子电压补偿的恒压频比控制特性,13,这时，需要人为地把电压Us抬高一些，以便近似地补偿定子阻抗压降称低频补偿或低频转矩提升。,带定子电压补偿的恒压频比控制特性,14,7.1 变压变频调速的基本原理 7.2 异步机电压频率协调控制时的机械特性 7.3 *电力电子变压变频器的主要类型 7.4 变压变频调速系统中的PWM

7、技术 7.5 基于异步电动机稳态模型的变压变频调速 7.6 异步电动机的动态数学模型和坐标变换 7.7 基于动态模型按转子磁链定向的矢量控制系统 7.8基于动态模型按定子磁链控制的直接转矩控制系统,Q1 基频以下调速 Q2 基频以上调速,第7章笼型异步电动机变压变频调速系统,15,基频以上调速,在基频以上调速时，频率从向上升高，受到 电机绝缘耐压 磁路饱和 的限制，定子电压Us不能随之升高，最多只能保持额定电压UsN不变(Us=UsN) 这将导致磁通与频率成反比地降低，使得异步电动机工作在弱磁状态,16,把基频以下和基频以上两种情况的控制特性画在一起，如下图所示。,所谓“恒转矩”和“恒功率”调

8、速方式，是指在不同运行转速条件下，当转子电流达到其额定值IrN时，所允许的转矩或功率不变，是电机能长期承受的限度。,17,把基频以下和基频以上两种情况的控制特性画在一起，如下图所示。,实际的转矩和功率究竟是多少，取决于电机所带具体的负载形式。,18,把基频以下和基频以上两种情况的控制特性画在一起，如下图所示。,基频以下 由于磁通m恒定，则允许输出转矩Te恒定 “恒转矩”调速,19,把基频以下和基频以上两种情况的控制特性画在一起，如下图所示。,基频以上 弱磁调速，转速升高，m减少，则允许输出转矩Te减少，输出功率Pm基本不变 “恒功率”调速,20,7.1 变压变频调速的基本原理 7.2 异步机变

9、压变频调速的机械特性 7.3 *电力电子变压变频器的主要类型 7.4 变压变频调速系统中的PWM技术 7.5 基于异步电动机稳态模型的变压变频调速 7.6 异步电动机的动态数学模型和坐标变换 7.7 基于动态模型按转子磁链定向的矢量控制系统 7.8基于动态模型按定子磁链控制的直接转矩控制系统,Q1 恒压恒频正弦波供电时异步机的机械特性 Q2 基频以下恒压频比调速的机械特性 Q3 基频以上恒压变频调速的机械特性 Q4 基频以下的电压补偿控制 Q5 恒流正弦波供电时的机械特性(*),第7章笼型异步电动机变压变频调速系统,21,7.1 变压变频调速的基本原理 7.2 异步机变压变频调速的机械特性 7

10、.3 *电力电子变压变频器的主要类型 7.4 变压变频调速系统中的PWM技术 7.5 基于异步电动机稳态模型的变压变频调速 7.6 异步电动机的动态数学模型和坐标变换 7.7 基于动态模型按转子磁链定向的矢量控制系统 7.8基于动态模型按定子磁链控制的直接转矩控制系统,Q1 恒压恒频正弦波供电时异步机的机械特性 Q2 基频以下恒压频比调速的机械特性 Q3 基频以上恒压变频调速的机械特性 Q4 基频以下的电压补偿控制 Q5 恒流正弦波供电时的机械特性,第7章笼型异步电动机变压变频调速系统,22,7.1 变压变频调速的基本原理 7.2 异步机变压变频调速的机械特性 7.3 *电力电子变压变频器的主

11、要类型 7.4 变压变频调速系统中的PWM技术 7.5 基于异步电动机稳态模型的变压变频调速 7.6 异步电动机的动态数学模型和坐标变换 7.7 基于动态模型按转子磁链定向的矢量控制系统 7.8基于动态模型按定子磁链控制的直接转矩控制系统,Q1 恒压恒频正弦波供电时异步机的机械特性 恒压恒频机械特性方程式 恒压恒频机械特性分析 恒压恒频机械特性曲线,第7章笼型异步电动机变压变频调速系统,23,7.1 变压变频调速的基本原理 7.2 异步机变压变频调速的机械特性 7.3 *电力电子变压变频器的主要类型 7.4 变压变频调速系统中的PWM技术 7.5 基于异步电动机稳态模型的变压变频调速 7.6

12、异步电动机的动态数学模型和坐标变换 7.7 基于动态模型按转子磁链定向的矢量控制系统 7.8基于动态模型按定子磁链控制的直接转矩控制系统,Q1 恒压恒频正弦波供电时异步机的机械特性 恒压恒频机械特性方程式 恒压恒频机械特性分析 恒压恒频机械特性曲线,第7章笼型异步电动机变压变频调速系统,24,异步电机在恒压恒频正弦波供电时的机械特性方程式：,(6-4),当定子电压 Us 和电源角频率 1 恒定时，可以改写成如下形式：,(5-3),恒压恒频的机械特性方程式,25,7.1 变压变频调速的基本原理 7.2 异步机变压变频调速的机械特性 7.3 *电力电子变压变频器的主要类型 7.4 变压变频调速系统

13、中的PWM技术 7.5 基于异步电动机稳态模型的变压变频调速 7.6 异步电动机的动态数学模型和坐标变换 7.7 基于动态模型按转子磁链定向的矢量控制系统 7.8基于动态模型按定子磁链控制的直接转矩控制系统,Q1 恒压恒频正弦波供电时异步机的机械特性 恒压恒频机械特性方程式 恒压恒频机械特性分析 恒压恒频机械特性曲线,第7章笼型异步电动机变压变频调速系统,26,当s很小时，可忽略分母中含s各项,(6-5),当s接近于1时，可忽略分母中s的常数项和一次项,(6-6),即转矩近似与s成反比，这时，Te=f(s)是对称于原点的一段双曲线。,恒压恒频的机械特性分析,也就是说，转矩近似与s成正比，机械特

14、性 Te=f(s)是一段直线,27,理想空载转差率s0和理想空载转速n0（Te=0）,临界转差率sm,恒压恒频的机械特性分析,恒压恒频时，系统的理想空载转差率为0，理想空载转速等于同步转速。,临界最大转矩Tem,28,7.1 变压变频调速的基本原理 7.2 异步机变压变频调速的机械特性 7.3 *电力电子变压变频器的主要类型 7.4 变压变频调速系统中的PWM技术 7.5 基于异步电动机稳态模型的变压变频调速 7.6 异步电动机的动态数学模型和坐标变换 7.7 基于动态模型按转子磁链定向的矢量控制系统 7.8基于动态模型按定子磁链控制的直接转矩控制系统,Q1 恒压恒频正弦波供电时异步机的机械特

15、性 恒压恒频机械特性方程式 恒压恒频机械特性分析 恒压恒频机械特性曲线,第7章笼型异步电动机变压变频调速系统,29,恒压恒频的机械特性曲线,图6-3 恒压恒频机械特性曲线,当s为以上两段的中间数值时，机械特性从直线段逐渐过渡到双曲线段，如图所示。,30,恒压恒频的机械特性曲线,图6-3 恒压恒频机械特性曲线,当s为以上两段的中间数值时，机械特性从直线段逐渐过渡到双曲线段，如图所示。,31,7.1 变压变频调速的基本原理 7.2 异步机变压变频调速的机械特性 7.3 *电力电子变压变频器的主要类型 7.4 变压变频调速系统中的PWM技术 7.5 基于异步电动机稳态模型的变压变频调速 7.6 异步

16、电动机的动态数学模型和坐标变换 7.7 基于动态模型按转子磁链定向的矢量控制系统 7.8基于动态模型按定子磁链控制的直接转矩控制系统,Q1 恒压恒频正弦波供电时异步机的机械特性 Q2 基频以下恒压频比调速的机械特性 Q3 基频以上恒压变频调速的机械特性 Q4 基频以下的电压补偿控制 Q5 恒流正弦波供电时的机械特性,第7章笼型异步电动机变压变频调速系统,32,7.1 变压变频调速的基本原理 7.2 异步机变压变频调速的机械特性 7.3 *电力电子变压变频器的主要类型 7.4 变压变频调速系统中的PWM技术 7.5 基于异步电动机稳态模型的变压变频调速 7.6 异步电动机的动态数学模型和坐标变换

17、 7.7 基于动态模型按转子磁链定向的矢量控制系统 7.8基于动态模型按定子磁链控制的直接转矩控制系统,Q2 基频以下恒压频比调速的机械特性 机械特性特征（n0，n，Tem） 机械特性曲线 从转差功率Ps分析调速类型,第7章笼型异步电动机变压变频调速系统,33,7.1 变压变频调速的基本原理 7.2 异步机变压变频调速的机械特性 7.3 *电力电子变压变频器的主要类型 7.4 变压变频调速系统中的PWM技术 7.5 基于异步电动机稳态模型的变压变频调速 7.6 异步电动机的动态数学模型和坐标变换 7.7 基于动态模型按转子磁链定向的矢量控制系统 7.8基于动态模型按定子磁链控制的直接转矩控制系

18、统,Q2 基频以下恒压频比调速的机械特性 机械特性特征（n0，n，Tem） 机械特性曲线 从转差功率Ps分析调速类型,第7章笼型异步电动机变压变频调速系统,34,(6-4),基频以下采用恒压频比控制，异步电动机机械特性方程式为,电动机同步转速n1随定子侧电源输入频率f1变化而变化,恒压频比控制的理想空载（Te=0）转差率s0和转速n0为：,机械特性特征（n0，n，Tem）,35,当s较小时，恒压频比调速机械特性近似为：,考虑恒转矩负载，则恒压频比调速时的转速降n为,由此可见，恒压频比调速时，考虑恒转矩负载，转速降落n基本不变；在恒压频比条件下，把频率f1向下调节时，机械特性基本上是平行下移的。

19、,或,36,(6-10),（5-5）,临界转矩,可见，临界转矩 Tem 是随着的 1 降低而减小的。 当频率很低时，Tem太小将削弱电动机的带载能力，采用低频定子压降补偿，适当地提高电压Us，可以增强带载能力。,等价,临界转矩,临界转差率,37,7.1 变压变频调速的基本原理 7.2 异步机变压变频调速的机械特性 7.3 *电力电子变压变频器的主要类型 7.4 变压变频调速系统中的PWM技术 7.5 基于异步电动机稳态模型的变压变频调速 7.6 异步电动机的动态数学模型和坐标变换 7.7 基于动态模型按转子磁链定向的矢量控制系统 7.8基于动态模型按定子磁链控制的直接转矩控制系统,Q2 基频以

20、下恒压频比调速的机械特性 机械特性特征（n0，n，Tem） 机械特性曲线 从转差功率Ps分析调速类型,第7章笼型异步电动机变压变频调速系统,38,异步电动机恒压频比调速的机械特性曲线（基频以下）,图6-4 恒压频比控制时变频调速的机械特性,当同步频率f1下降时 理想空载转速下降； 机械特性平行下移； 最大转矩减小；,39,7.1 变压变频调速的基本原理 7.2 异步机变压变频调速的机械特性 7.3 *电力电子变压变频器的主要类型 7.4 变压变频调速系统中的PWM技术 7.5 基于异步电动机稳态模型的变压变频调速 7.6 异步电动机的动态数学模型和坐标变换 7.7 基于动态模型按转子磁链定向的

21、矢量控制系统 7.8基于动态模型按定子磁链控制的直接转矩控制系统,Q2 基频以下恒压频比调速的机械特性 机械特性特征（n0，n，Tem） 机械特性曲线 从转差功率Ps分析调速类型,第7章笼型异步电动机变压变频调速系统,40,从转差功率分析调速类型,在基频以下恒压频比调速时，转差功率为,显然，考虑恒转矩负载时，转差功率基本不变，与电动机转速无关。 转差功率不变型,41,7.1 变压变频调速的基本原理 7.2 异步机变压变频调速的机械特性 7.3 *电力电子变压变频器的主要类型 7.4 变压变频调速系统中的PWM技术 7.5 基于异步电动机稳态模型的变压变频调速 7.6 异步电动机的动态数学模型和

22、坐标变换 7.7 基于动态模型按转子磁链定向的矢量控制系统 7.8基于动态模型按定子磁链控制的直接转矩控制系统,Q1 恒压恒频正弦波供电时异步机的机械特性 Q2 基频以下恒压频比调速的机械特性 Q3 基频以上恒压变频调速的机械特性 Q4 基频以下的电压补偿控制 Q5 恒流正弦波供电时的机械特性,第7章笼型异步电动机变压变频调速系统,42,7.1 变压变频调速的基本原理 7.2 异步机变压变频调速的机械特性 7.3 *电力电子变压变频器的主要类型 7.4 变压变频调速系统中的PWM技术 7.5 基于异步电动机稳态模型的变压变频调速 7.6 异步电动机的动态数学模型和坐标变换 7.7 基于动态模型

23、按转子磁链定向的矢量控制系统 7.8基于动态模型按定子磁链控制的直接转矩控制系统,Q3 基频以上恒压变频调速的机械特性 机械特性特征（n0，n，Tem） 机械特性曲线 从转差功率Ps分析调速类型,第7章笼型异步电动机变压变频调速系统,43,7.1 变压变频调速的基本原理 7.2 异步机变压变频调速的机械特性 7.3 *电力电子变压变频器的主要类型 7.4 变压变频调速系统中的PWM技术 7.5 基于异步电动机稳态模型的变压变频调速 7.6 异步电动机的动态数学模型和坐标变换 7.7 基于动态模型按转子磁链定向的矢量控制系统 7.8基于动态模型按定子磁链控制的直接转矩控制系统,Q3 基频以上恒压

24、变频调速的机械特性 机械特性特征（n0，n，Tem） 机械特性曲线 从转差功率Ps分析调速类型,第7章笼型异步电动机变压变频调速系统,44,基频以上变频调速时，定子电压Us只能保持UsN不变（Us=UsN），异步电动机机械特性方程式为,电动机同步转速n1随定子侧电源输入频率f1变化而变化,理想空载（Te=0）转差率s0和转速n0为：,机械特性特征（n0，n，Tem）,45,当s较小时，基频以上变频调速械特性近似为：,基频以上变频调速时的转速降n为,由此可见，基频以上变频调速时，考虑恒转矩负载，转速降落n与同步频率f1的平方成正比；随着频率f1的提高，斜率将变大（ n 变大），机械特性越软。,或

25、,46,可见，基频以上变频调速的临界转矩Tem是随着的 1 增大而减小的。,临界转矩表达式,临界转差率,47,7.1 变压变频调速的基本原理 7.2 异步机变压变频调速的机械特性 7.3 *电力电子变压变频器的主要类型 7.4 变压变频调速系统中的PWM技术 7.5 基于异步电动机稳态模型的变压变频调速 7.6 异步电动机的动态数学模型和坐标变换 7.7 基于动态模型按转子磁链定向的矢量控制系统 7.8基于动态模型按定子磁链控制的直接转矩控制系统,Q3 基频以上恒压变频调速的机械特性 机械特性特征（n0，n，Tem） 机械特性曲线 从转差功率Ps分析调速类型,第7章笼型异步电动机变压变频调速系

26、统,48,当同步频率f1提高时 理想空载转速提高； 机械特性上移，变软； 最大转矩减小；,图6-7 基频以上恒压变频调速的机械特性,基频以上恒压变频调速的机械特性曲线,49,基频以下：恒压频比调速 基频以上：恒压变频调速,异步电动机变频调速的机械特性曲线,50,7.1 变压变频调速的基本原理 7.2 异步机变压变频调速的机械特性 7.3 *电力电子变压变频器的主要类型 7.4 变压变频调速系统中的PWM技术 7.5 基于异步电动机稳态模型的变压变频调速 7.6 异步电动机的动态数学模型和坐标变换 7.7 基于动态模型按转子磁链定向的矢量控制系统 7.8基于动态模型按定子磁链控制的直接转矩控制系

27、统,Q3 基频以上恒压变频调速的机械特性 机械特性特征（n0，n，Tem） 机械特性曲线 从转差功率Ps分析调速类型,第7章笼型异步电动机变压变频调速系统,51,从转差功率分析调速类型,在基频以上恒压变频调速时，转差功率为,显然，考虑恒功率负载时（Te1=常数），转差功率基本不变，与电动机转速无关。 转差功率不变型,52,7.1 变压变频调速的基本原理 7.2 异步机变压变频调速的机械特性 7.3 *电力电子变压变频器的主要类型 7.4 变压变频调速系统中的PWM技术 7.5 基于异步电动机稳态模型的变压变频调速 7.6 异步电动机的动态数学模型和坐标变换 7.7 基于动态模型按转子磁链定向的

28、矢量控制系统 7.8基于动态模型按定子磁链控制的直接转矩控制系统,Q1 恒压恒频正弦波供电时异步机的机械特性 Q2 基频以下恒压频比调速的机械特性 Q3 基频以上变频调速的机械特性 Q4 基频以下的电压补偿控制 Q5 恒流正弦波供电时的机械特性,第7章笼型异步电动机变压变频调速系统,53,在基频以下运行时，采用恒压频比的控制方法具有控制简便的优点。 但负载的变化时定子压降不同，将导致磁通改变，须采用定子压降补偿控制。 根据定子电流的大小改变定子电压，以保持磁通恒定。,基频以下变频调速的核心原理：保持磁通恒定,54,再次绘出异步电动机的T型稳态等效电路。为了使参考极性与电动状态下的实际极性相吻合

29、，感应电动势采用电压降的表示方法，由高电位指向低电位。,图6-5 异步电动机T型稳态等效电路和感应电动势,三种磁通和感应电动势（折算后）,55,异步电动机T型稳态等效电路和感应电动势,三种磁通和感应电动势（折算后）,定子全磁通ms在定子每相绕组中的感应电势,气隙磁通m在定子每相绕组中的感应电势,转子全磁通mr在转子每相绕组中的感应电势,56,7.1 变压变频调速的基本原理 7.2 异步机变压变频调速的机械特性 7.3 *电力电子变压变频器的主要类型 7.4 变压变频调速系统中的PWM技术 7.5 基于异步电动机稳态模型的变压变频调速 7.6 异步电动机的动态数学模型和坐标变换 7.7 基于动态

30、模型按转子磁链定向的矢量控制系统 7.8基于动态模型按定子磁链控制的直接转矩控制系统,Q4 基频以下的电压补偿控制 恒定子磁通ms控制 恒气隙磁通m控制 恒转子磁通mr控制 四种变压变频控制方式比较,第7章笼型异步电动机变压变频调速系统,57,7.1 变压变频调速的基本原理 7.2 异步机变压变频调速的机械特性 7.3 *电力电子变压变频器的主要类型 7.4 变压变频调速系统中的PWM技术 7.5 基于异步电动机稳态模型的变压变频调速 7.6 异步电动机的动态数学模型和坐标变换 7.7 基于动态模型按转子磁链定向的矢量控制系统 7.8基于动态模型按定子磁链控制的直接转矩控制系统,Q4 基频以下

31、的电压补偿控制 恒定子磁通ms控制 恒气隙磁通m控制 恒转子磁通mr控制 四种变压变频控制方式比较,第7章笼型异步电动机变压变频调速系统,58,保持定子磁通ms恒定：Es/f1=常数 电动势Es不好直接控制，能够直接控制的只有定子电压Us，而Us与Es的关系是,控制思想,补偿定子电阻压降，可保持Es/f1=常数，就能够得到恒定子磁通ms。,59,恒定子磁通控制的机械特性方程式,忽略励磁电流I0，转子电流为,机械特性方程式,60,电动机同步转速n1随定子侧电源输入频率f1变化而变化,理想空载（Te=0）转差率s0和转速n0为：,机械特性特征（n0，n，Tem）,61,当s较小时，恒定子磁通控制的

32、机械特性近似为：,当s较大时，恒定子磁通控制的机械特性近似为,由此可见，恒定子磁通控制的机械特性在s较小的区域，近似为直线特性；s较大的区域近似为双曲线特性；s取中间值时，在直线和双曲线之间逐渐过渡；其特性与恒压频比控制的机械特性相似，基本上随f1降低平行下移。,或,62,令dTe/ds=0，可求出恒定子磁通控制的临界转差率,恒定子磁通控制的临界转矩为,恒ms控制的临界最大转矩恒定不变，与转速无关,63,恒定子磁通控制方式的机械特性曲线,当同步频率f1提高降低时 理想空载转速n0下降 机械特性平行下移 临界转差率s0增大 临界最大转矩Tem恒定不变，与转速无关,恒定子磁通控制方式的机械特性曲线

33、,64,恒压频比控制机械特性方程,恒定子磁通控制机械特性方程,两式相比可知，当Us/1=Es/1时，恒定子磁通控制时转矩表达式的分母小于恒压频比控制特性中的同类项。,恒ms控制方式的机械特性比恒Us/f1控制方式更硬,s相同,Te相同,恒定子磁通控制与恒压频比控制特性比较,65,恒压频比控制的临界转差率,恒定子磁通控制的临界转差率,比较,与恒压频比控制方式相比，恒定子磁通控制的线性调速范围更宽。,f1相同,恒定子磁通控制与恒压频比控制特性比较,66,恒压频比控制的临界转矩,恒定子磁通控制的临界转矩,比较,恒压频比控制的临界转矩随同步频率降低而下降 恒定子磁通控制的临界转矩恒定不变，与转速无关

34、恒气隙磁通控制的临界转矩大于恒定子磁通控制方式,恒定子磁通控制与恒压频比控制特性比较,67,7.1 变压变频调速的基本原理 7.2 异步机变压变频调速的机械特性 7.3 *电力电子变压变频器的主要类型 7.4 变压变频调速系统中的PWM技术 7.5 基于异步电动机稳态模型的变压变频调速 7.6 异步电动机的动态数学模型和坐标变换 7.7 基于动态模型按转子磁链定向的矢量控制系统 7.8基于动态模型按定子磁链控制的直接转矩控制系统,Q4 基频以下的电压补偿控制 恒定子磁通ms控制 恒气隙磁通m控制 恒转子磁通mr控制 四种变压变频控制方式比较,第7章笼型异步电动机变压变频调速系统,68,保持气隙

35、磁通m恒定：Eg/f1=常数 Eg不好直接控制，能够直接控制的只有定子电压Us，而Us与Eg的关系是,控制思想,要保持Eg/f1=常数，能够得到恒定子磁通m，除了需要补偿定子电阻压降，还应补偿定子漏抗压降。,69,恒气隙磁通控制的机械特性方程式,忽略励磁电流I0，转子电流为,机械特性方程式,70,电动机同步转速n1随定子侧电源输入频率f1变化而变化,理想空载（Te=0）转差率s0和转速n0为：,机械特性特征（n0，n，Tem）,71,当s较小时，恒气隙磁通控制的机械特性近似为：,当s较大时，恒气隙磁通控制的机械特性近似为,由此可见，恒气隙磁通控制的机械特性在s较小的区域，近似为直线特性；s较大

36、的区域近似为双曲线特性；s取中间值时，在直线和双曲线之间逐渐过渡；其特性与恒压频比控制的机械特性相似，基本上随f1降低平行下移。,或,72,令dTe/ds=0，可求出恒气隙磁通控制的临界转差率,恒气隙磁通控制的临界转矩为,恒m控制的临界最大转矩恒定不变，与转速无关,73,恒气隙磁通控制方式的机械特性曲线,同步频率f1降低时 理想空载转速n0下降 机械特性平行下移 临界转差率s0增大 临界最大转矩Tem恒定不变，与转速无关,恒气隙磁通控制方式的机械特性曲线,恒m控制与ms控制具有的共同特点,74,恒气隙磁通控制机械特性方程,恒定子磁通控制机械特性方程,两式相比可知，当Es/1=Eg/1时，恒气隙

37、磁通控制时转矩表达式的分母小于恒定子磁通控制中的同类项。,恒m控制方式的机械特性比恒ms控制方式更硬,s相同,Te相同,恒气隙磁通控制与恒定子磁通控制特性比较,75,恒定子磁通控制的临界转差率,恒气隙磁通控制的临界转差率,比较,与恒ms控制方式相比，恒m控制的线性调速范围更宽,f1相同,恒气隙磁通控制与恒定子磁通控制特性比较,76,恒气隙磁通控制的临界转矩恒定不变，与转速无关 恒定子磁通控制的临界转矩恒定不变，与转速无关 恒气隙磁通控制的临界转矩大于恒定子磁通控制方式,恒定子磁通控制的临界转矩,恒气隙磁通控制的临界转矩,比较,恒气隙磁通控制与恒定子磁通控制特性比较,77,7.1 变压变频调速的

38、基本原理 7.2 异步机变压变频调速的机械特性 7.3 *电力电子变压变频器的主要类型 7.4 变压变频调速系统中的PWM技术 7.5 基于异步电动机稳态模型的变压变频调速 7.6 异步电动机的动态数学模型和坐标变换 7.7 基于动态模型按转子磁链定向的矢量控制系统 7.8基于动态模型按定子磁链控制的直接转矩控制系统,Q4 基频以下的电压补偿控制 恒定子磁通ms控制 恒气隙磁通m控制 恒转子磁通mr控制 四种变压变频控制方式比较,第7章笼型异步电动机变压变频调速系统,78,保持转子全磁通mr恒定：Er / f1=常数 Er不好直接控制，能够直接控制的只有定子电压Us，而Us与Er的关系是,控制

39、思想,要保持Er/f1=常数，能够得到恒转子全磁通mr，除了需要补偿定子侧阻抗压降外，还应补偿转子漏抗压降。,79,恒转子全磁通控制的机械特性方程式,忽略励磁电流I0，转子电流为,机械特性方程式,80,电动机同步转速n1随定子侧电源输入频率f1变化而变化,理想空载（Te=0）转差率s0和转速n0为：,机械特性特征（n0，n，Tem）,81,由此可见，恒转子全磁通控制的机械特性Te=f(s)完全是一条直线，其特性随着同步频率f1降低平行下移，可以获得和直流电动机一样的线性机械特性，这正是高性能交流变频调速所要求的稳态性能。,或,恒转子全磁通控制的电磁转矩方程,82,显然，恒转子全磁通控制方式的机

40、械特性不存在临界转矩点，全范围为稳定的线性调速区； 与其他三种方式（恒压频比控制，恒定子磁通控制，恒气隙磁通控制）相比较，恒转子全磁通控制方式的线性调速范围最宽，带载能力最强。,83,恒转子全磁通控制方式的机械特性曲线,恒转子全磁通控制的机械特性,同步频率f1降低时 理想空载转速n0下降 机械特性平行下移 不存在临界转矩点 全范围为稳定的线性调速区,恒mr控制与直流他励电动机调压调速特性相同,84,恒转子全磁通控制机械特性方程,恒气隙磁通控制机械特性方程,两式相比可知，当Eg/1=Er/1时，恒转子全磁通控制时转矩表达式的分母小于恒气隙磁通控制中的同类项。,恒mr控制方式的机械特性比恒m控制方

41、式更硬,s相同,Te相同,恒转子磁通控制与恒气隙磁通控制特性比较,85,7.1 变压变频调速的基本原理 7.2 异步机变压变频调速的机械特性 7.3 *电力电子变压变频器的主要类型 7.4 变压变频调速系统中的PWM技术 7.5 基于异步电动机稳态模型的变压变频调速 7.6 异步电动机的动态数学模型和坐标变换 7.7 基于动态模型按转子磁链定向的矢量控制系统 7.8基于动态模型按定子磁链控制的直接转矩控制系统,Q4 基频以下的电压补偿控制 恒定子磁通ms控制 恒气隙磁通m控制 恒转子磁通mr控制 四种变压变频控制方式比较,第7章笼型异步电动机变压变频调速系统,86,四种变频调速方式的共同点：

42、理想空载转速随同步频率f1降低而降低 机械特性均随着同步频率f1的降低平行下移,a）恒压频比控制 b）恒定子磁通控制 c）恒气隙磁通控制 d）恒转子磁通控制,异步电动机在四种变压变频控制方式的机械特性曲线,87,电磁转矩比较,恒压频比控制,恒定子磁通控制,恒气隙磁通控制,恒转子全磁通控制,机械特性越硬,88,临界转差率比较,恒压频比控制,恒定子磁通控制,恒气隙磁通控制,恒转子全磁通控制,线性调速范围越宽,不存在临界转差率,89,临界转矩比较,恒压频比控制,恒定子磁通控制,恒气隙磁通控制,恒转子全磁通控制,临界转矩越大,不存在临界转矩,90,稳态性能比较,恒压频比控制,恒定子磁通控制,恒气隙磁通

43、控制,恒转子全磁通控制,稳态性能越佳,低速时性能较差，需适当提高定子电压，提升转矩,虽然改善了低速性能，但机械特性还是非线性的，仍受到临界转矩的限制，调速范围受限。,可以获得与直流他励电动机一样的线性机械特性，性能最佳。,91,实现比较（定子压降补偿）,恒压频比控制,恒定子磁通控制,恒气隙磁通控制,恒转子全磁通控制,控制越复杂，越不容易实现,低速时需要适当提高定子电压,92,以上所分析的机械特性都是在正弦波电压供电下的情况。如果电压源含有谐波，将使机械特性受到扭曲，并增加电机中的损耗。因此在设计变频装置时，应尽量减少输出电压中的谐波。,最后应该指出,93,7.1 变压变频调速的基本原理 7.2

44、 异步机变压变频调速的机械特性 7.3 *电力电子变压变频器的主要类型 7.4 变压变频调速系统中的PWM技术 7.5 基于异步电动机稳态模型的变压变频调速 7.6 异步电动机的动态数学模型和坐标变换 7.7 基于动态模型按转子磁链定向的矢量控制系统 7.8基于动态模型按定子磁链控制的直接转矩控制系统,Q1 恒压恒频正弦波供电时异步机的机械特性 Q2 基频以下恒压频比调速的机械特性 Q3 基频以上变频调速的机械特性 Q4 基频以下的电压补偿控制 Q5 恒流正弦波供电时的机械特性(*),第7章笼型异步电动机变压变频调速系统,94,在变频调速时，保持异步电机定子电流的幅值恒定，叫作恒流控制。 电流

45、幅值恒定是通过带PI调节器的电流闭环控制实现的，这种系统不仅安全可靠而且具有良好的动静态性能。 恒流供电时的机械特性与上面分析的恒压机械特性不同，现进行分析。,95,7.1 变压变频调速的基本原理 7.2 异步机变压变频调速的机械特性 7.3 *电力电子变压变频器的主要类型 7.4 变压变频调速系统中的PWM技术 7.5 基于异步电动机稳态模型的变压变频调速 7.6 异步电动机的动态数学模型和坐标变换 7.7 基于动态模型按转子磁链定向的矢量控制系统 7.8基于动态模型按定子磁链控制的直接转矩控制系统,Q5 恒流正弦波供电时的机械特性 机械特性表达式 机械特性特征 机械特性曲线 机械特性比较：

46、恒流供电和恒压供电,第7章笼型异步电动机变压变频调速系统,96,7.1 变压变频调速的基本原理 7.2 异步机变压变频调速的机械特性 7.3 *电力电子变压变频器的主要类型 7.4 变压变频调速系统中的PWM技术 7.5 基于异步电动机稳态模型的变压变频调速 7.6 异步电动机的动态数学模型和坐标变换 7.7 基于动态模型按转子磁链定向的矢量控制系统 7.8基于动态模型按定子磁链控制的直接转矩控制系统,Q5 恒流正弦波供电时的机械特性 机械特性表达式 机械特性特征 机械特性曲线 机械特性比较：恒流供电和恒压供电,第7章笼型异步电动机变压变频调速系统,97,电流幅值为,（6-22）,转子电流计算

47、,设电流波形为正弦波，即忽略电流谐波，由异步电动机T型等效电路在恒流供电情况下可得：,98,（6-23）,恒流正弦供电的机械特性方程式,恒流供电机械特性方程式,99,7.1 变压变频调速的基本原理 7.2 异步机变压变频调速的机械特性 7.3 *电力电子变压变频器的主要类型 7.4 变压变频调速系统中的PWM技术 7.5 基于异步电动机稳态模型的变压变频调速 7.6 异步电动机的动态数学模型和坐标变换 7.7 基于动态模型按转子磁链定向的矢量控制系统 7.8基于动态模型按定子磁链控制的直接转矩控制系统,Q5 恒流正弦波供电时的机械特性 机械特性表达式 机械特性特征 机械特性曲线 机械特性比较：

48、恒流供电和恒压供电,第7章笼型异步电动机变压变频调速系统,100,电动机同步转速n1随定子侧电源输入频率f1变化而变化,理想空载（Te=0）转差率s0和转速n0为：,机械特性特征（n0，n，Tem）,101,当s较小时，恒流正弦波供电的机械特性近似为：,当s较大时，恒流正弦波供电的机械特性近似为,由此可见，恒流正弦波供电的机械特性在s较小的区域，近似为直线特性；s较大的区域近似为双曲线特性；s取中间值时，在直线和双曲线之间逐渐过渡；其特性与恒压源供电变频调速机械特性相似，基本上随同步频率f1降低平行下移。,或,102,（6-23）,临界转差率为,取dTe/dt = 0，可求出恒流机械特性的临界

49、转矩：,（6-24）,（6-25）,临界转矩及临界转差率,103,按上式绘出不同电流Is、不同频率1下的恒流机械特性如图所示。,图6-8 恒流供电时异步电动机的机械特性,机械特性曲线,104,7.1 变压变频调速的基本原理 7.2 异步机变压变频调速的机械特性 7.3 *电力电子变压变频器的主要类型 7.4 变压变频调速系统中的PWM技术 7.5 基于异步电动机稳态模型的变压变频调速 7.6 异步电动机的动态数学模型和坐标变换 7.7 基于动态模型按转子磁链定向的矢量控制系统 7.8基于动态模型按定子磁链控制的直接转矩控制系统,Q5 恒流正弦波供电时的机械特性 机械特性表达式 机械特性比较：恒

50、流供电和恒压供电,第7章笼型异步电动机变压变频调速系统,105,图6-3 恒压供电机械特性,图6-8 恒流供电机械特性,106,比较恒压供电机械特性和恒流供电机械特性可得以下结论： (1) 恒流机械特性与恒压机械特性的形状相似，都有理想空载转速点（s0=0）和最大转矩点(sm, Tem）。,107,(2) 两类特性的特征有所不同， Lls Lm sm|Is=const sm|Us=const 恒流机械特性的线性段比较平，而最大转矩处形状很尖。,108,(3) 恒压机械特性的最大转矩与频率相关，而恒流机械特性的最大转矩值与频率无关，恒流变频时最大转矩不变，但改变定子电流时，最大转矩与电流的平方成

51、正比。,109,(4) 由于恒流控制限制了电流Is，而恒压供电时随着转速的降低Is会不断增大，所以在额定电流时 Tem|Is =constTem|Us=const 但并不影响恒流供电系统承担短时过载的能力，因为过载时可以短时加大Is，以产生更大的转矩。,110,基于稳态模型的变频调速总结,电压Us与频率1是变频器异步电动机调速系统的两个独立的控制变量，在变频调速时需要对这两个控制变量进行协调控制。 在基频以下，有四种协调控制方式。采用不同的协调控制方式，得到的系统稳态性能不同，其中恒转子磁通mr控制的性能最好，控制方式也最难实现。 在基频以上，采用保持额定电压不变的恒功率弱磁调速方法。,111

52、,第7章笼型异步电动机变压变频调速系统,7.1 变压变频调速的基本原理 7.2 异步机电压频率协调控制时的机械特性 7.3 *电力电子变压变频器的主要类型 7.4 变压变频调速系统中的PWM技术 7.5 基于异步电动机稳态模型的变压变频调速 7.6 异步电动机的动态数学模型和坐标变换 7.7 基于动态模型按转子磁链定向的矢量控制系统 7.8 基于动态模型按定子磁链控制的直接转矩控制系统,112, 引言,对于异步电机的变压变频调速，必须具备能够同时控制电压幅值和频率的交流电源，而电网提供的是恒压恒频的电源，因此应该配置变压变频器，又称VVVF装置。 最早的VVVF装置是旋转变频机组，即由直流电动

53、机拖动交流同步发电机，调节直流电动机的转速就能控制交流发电机输出电压和频率。 自从电力电子器件获得广泛应用以后，旋转变频机组已经无例外地让位给静止式的变压变频器，一般称为变频器。,113,7.1 变压变频调速的基本原理 7.2 异步机变压变频调速的机械特性 7.3 *电力电子变压变频器的主要类型 7.4 变压变频调速系统中的PWM技术 7.5 基于异步电动机稳态模型的变压变频调速 7.6 异步电动机的动态数学模型和坐标变换 7.7 基于动态模型按转子磁链定向的矢量控制系统 7.8基于动态模型按定子磁链控制的直接转矩控制系统,Q1 交-直-交和交-交变压变频器 Q2 电压源型和电流源型逆变器（*

54、） Q3 180导通型和120导通型逆变器（*）,第7章笼型异步电动机变压变频调速系统,114,7.1 变压变频调速的基本原理 7.2 异步机变压变频调速的机械特性 7.3 *电力电子变压变频器的主要类型 7.4 变压变频调速系统中的PWM技术 7.5 基于异步电动机稳态模型的变压变频调速 7.6 异步电动机的动态数学模型和坐标变换 7.7 基于动态模型按转子磁链定向的矢量控制系统 7.8基于动态模型按定子磁链控制的直接转矩控制系统,Q1 交-直-交和交-交变压变频器 Q2 电压源型和电流源型逆变器（*） Q3 180导通型和120导通型逆变器（*）,第7章笼型异步电动机变压变频调速系统,11

55、5,7.1 变压变频调速的基本原理 7.2 异步机变压变频调速的机械特性 7.3 *电力电子变压变频器的主要类型 7.4 变压变频调速系统中的PWM技术 7.5 基于异步电动机稳态模型的变压变频调速 7.6 异步电动机的动态数学模型和坐标变换 7.7 基于动态模型按转子磁链定向的矢量控制系统 7.8基于动态模型按定子磁链控制的直接转矩控制系统,Q1 交-直-交和交-交变压变频器 变频器的类型和基本结构 PWM交直交变压变频器 普通交直交变压变频器（SCR） 交交变压变频器,第7章笼型异步电动机变压变频调速系统,116,7.1 变压变频调速的基本原理 7.2 异步机变压变频调速的机械特性 7.3

56、 *电力电子变压变频器的主要类型 7.4 变压变频调速系统中的PWM技术 7.5 基于异步电动机稳态模型的变压变频调速 7.6 异步电动机的动态数学模型和坐标变换 7.7 基于动态模型按转子磁链定向的矢量控制系统 7.8基于动态模型按定子磁链控制的直接转矩控制系统,Q1 交-直-交和交-交变压变频器 变频器的类型和基本结构 PWM交直交变压变频器 普通交直交变压变频器（SCR） 交交变压变频器,第7章笼型异步电动机变压变频调速系统,117,从整体结构上看，电力电子变压变频器可分为交-直-交和交-交两大类。 交-直-交变频器：先将恒压恒频的交流电整成直流，再将直流电逆变成电压与频率均为可调的交流

57、，称作间接变频。 交-交变频器：将恒压恒频的交流电直接变换为电压与频率均为可调的交流电，无需中间直流环节，称作直接变频。,118,7.1 变压变频调速的基本原理 7.2 异步机变压变频调速的机械特性 7.3 *电力电子变压变频器的主要类型 7.4 变压变频调速系统中的PWM技术 7.5 基于异步电动机稳态模型的变压变频调速 7.6 异步电动机的动态数学模型和坐标变换 7.7 基于动态模型按转子磁链定向的矢量控制系统 7.8基于动态模型按定子磁链控制的直接转矩控制系统,Q1 交-直-交和交-交变压变频器 变频器的类型和基本结构 PWM交直交变压变频器 普通交直交变压变频器（SCR） 交交变压变频

58、器,第7章笼型异步电动机变压变频调速系统,119,图6-9 交-直-交（间接）变压变频器,由于这类变压变频器在恒压恒频交流电源和变压变频交流输出之间有一个“中间直流环节”，所以又称间接式的变压变频器。,交-直-交变压变频器,120,具体的整流和逆变电路种类很多，当前应用最广的是由二极管组成不控整流器和由全控型功率开关器件组成的脉宽调制（PWM）逆变器，简称PWM变压变频器。,121,PWM变压变频器常用的全控型功率开关器件有：MOSFET，IGBT，GTO和替代GTO的电压控制器件如IGCT、IEGT等。,交-直-交PWM变压变频器主回路结构图（三相全桥式）,122,PWM变压变频器特点,在主

59、电路整流和逆变两个单元中，只有逆变单元可控，通过它同时调节电压和频率，结构简单。采用全控型的功率开关器件，只通过驱动电压脉冲进行控制，电路也简单，效率高。,123,PWM变压变频器特点,输出电压波形虽是一系列的PWM波，但由于采用了恰当的PWM控制技术，正弦基波的比重较大，影响电机运行的低次谐波受到很大的抑制，因而转矩脉动小，提高了系统的调速范围和稳态性能。,124,PWM变压变频器特点,逆变器同时实现调压和调频，动态响应不受中间直流环节滤波器参数的影响，系统的动态性能也得以提高。 采用不可控的二极管整流器，电源侧功率因数较高，且不受逆变输出电压大小的影响。,125,PWM变压变频器特点,缺点: 由于二极管整流装置的单向导电特性，当电动机工作在回馈制动状态时能量不能回馈至电网，造成直流侧电压上升，称作泵升电压。,126,PWM变频器直流母线供电,采用直流母线供电给多台逆变器，可以减少整流装置的电力电子器件，逆变器从直流母线上汲取能量，还可以通过直流母线来实现能量平衡，提高整流装置的工作效率。,图5-