chp4基于稳态模型的异步电动机调速系统.ppt

1、第四章基于稳态模型的异步电动机调速系统,一、变压变频调速的基本原理： 1、异步电动机稳态数学模型： 3个假设条件：忽略空间和时间谐波；忽略磁饱和；忽略铁损。 电动机T型等效电路：图4-1,一般情况下，Lm比Lls大得多，因此，忽略励磁电流（断开Lm支路），获得电动机简化等效电路：图4-2，根据简化电路可以获得电路方程和机械特性方程。 电路方程： 折合到定子侧转子相电流：式（4-1），简化方程：式（4-2） 机械特性：式（4-3）、图4-3 临界转差率sm：式（4-4） 最大转矩Tem：式（4-5）,2、变压变频调速基本原理： 变压变频调速是改变同步转速的一种调速方法。 为达到良好的控制效果，常

2、采用电压频率协调控制。 三相异步电机定子的相电动势的有效值是： 式中，Eg:气隙磁通在定子每相中感应电罢势有效值； f1:定子频率； Ns:定子每相绕组串联匝数； kNs:基波绕组系数； m:每极气极隙磁通量，单位为Wb。 只要控制好Eg和f1，便可达到控制磁通m的目的。,（1）基频以下调速: 保持m不变，当频率f1从额定值f1n向下调节时，必须同时降代Eg，使 Eg/f1=常数 即采用恒定的电动势频率的控制方式。 Eg难于控制，当Eg较大时，忽略定子绕组漏磁阻压降，使： U1/f1=常数 恒压频比控制方式 调速中和Ia均不变 恒转矩调速,(2) 基频以上调速 在基频以上调速时，频率可以从f1

3、n往地增高，f1N增加时，U1不能比UIN更高，最多只能保持U1=UIN 这样迫使m和f成反比降低，即相当于直流电机的弱磁升速。属于恒功率调速 (3) 电压频率协调控制：,（4）电压频率协调控制下的机械特性 恒压恒频时的机械特性： 临界转矩：,在基频f1N以下采用恒压频比控制时，电磁转矩可改写为： s很小时，忽略分母中所含各项，则Te与s成正比， n与Te成正比（P.140）。可见，当Us/1为恒值时，对于同一转矩Te，n基本不变。即在恒压频比条件下改变频率1时，机械特性基本上是平行下移的近似直线。 临界转矩可改写为： 临界转矩随1的降低而减小。见图4-6。,在基频f1N以上变频调速时，Us=

4、UsN，机械特性可写为： 临界转矩可写为： 可见，当频率提高时，同步转速随之提高，临界转矩减小，机械特性上移。见图4-6,二、交流PWM变频技术 1、变频器： 由电力电子器件构成的静止式功率变换器。由主回路（包括整流器、中间直流环节、逆变器）和控制回路组成。,分类：交-直-交变频器：,交-交变频器：,交-直-交变频器主电路结构： 图4-10 交-直-交变频器主电路结构（L滤波） 现代变频器多采用脉宽调制技术（PWM）。基本思想：控制逆变器中电力电子器件的开通或关断，输出电压为高度相等、宽度按一定规律变化的脉冲序列。 （1）正弦脉冲宽度调制（SPWM）： （2）电流跟踪PWM（CFPWM） （3

5、）电压空间矢量PWM（SVPWM）,2、SPWM正弦波脉宽调制： 1964年，德国的A.Schnung提出了脉宽调制变频的思想，把通讯系统中的调制技术应用于交流变频。 以频率与期望的输出电压波相同的正弦波作为调制波，以频率比期望波高得多的等腰三角波作为载波，当调制波与载波相交时，由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得高度相等、宽度按正弦规律变化的脉冲序列。,三相SPWM变频器电路原理： 三相SPWM逆变器双极性SPWM波形分析如图4-12。 普通SPWM变频器输出电压带有一定的谐波分量。为降低谐波分量，减少电动机转矩脉动，在SPWM基础上衍生出“消除指定次数谐波”的PWM控制技术。

6、,3、电流跟踪PWM（CFPWM）控制技术： SPWM控制目标：输出电压接近正弦波，电流因负载而异。 CFPWM控制目标：使输出电流接近正弦波。 CFPWM跟踪控制：图4-13。把希望输出的电流波形iA*作为指令信号，把实际波形iA作为反馈信号，通过两者的瞬时值比较来决定逆变电路各开关器件的通断，使实际的输出跟踪指令信号变化 控制方法：在原主电路基础上采用电流闭环控制（电流滞环跟踪），使实际电流快速跟随给定值，稳态时实际电流接近正弦波形。,基本原理(以A相为例）: 把指令电流iA*和实际输出电流iA的偏差iA*-iA作为滞环比较器的输入，通过比较器的输出控制器件VT1和VT4的通断。 VT1（

7、或VD1）通时，i增大 VT4（或VD4）通时，i减小 通过环宽为2h的滞环比较器的控制，iA就在iA*+DI和iA*-DI的范围内，呈锯齿状地跟踪指令电流iA*。,参数的影响： # 滞环环宽对跟踪性能的影响：环宽过宽时，开关频率低，跟踪误差大；环宽过窄时，跟踪误差小，但开关频率过高，开关损耗增大。 # 电抗器L的作用：L大时，i变化率小，跟踪慢； L小时，i变化率大，开关频率过高。 电路特点： （1）硬件电路简单； （2）实时控制，电流响应快； （3）不用载波，输出电压波形中不含特定频率的谐波； （4）闭环控制，是各种跟踪型PWM变流电路的共同特点。,三相电流跟踪型PWM逆变电路：,4、交流

8、PWM变频器-电动机系统的特殊问题：,PWM变频器的输出电压是一系列等高不等宽的脉冲序列。该脉冲序列可以分解为基波和一系列谐波分量，基波产生恒定的电磁转矩，而谐波分量则会带来一些负面效应。 （ 1）转矩脉动： 三相对称电压的PWM波可用傅氏级数表示（式4-81）故三相电流也可以用基波和谐波分量表示（式4-82），其谐波分量产生脉动转矩（式4-86）。k次谐波产生相应的转矩分量。K越大，谐波电流较小，脉动转矩不大，可忽略。 PWM控制时，应抑制脉动转矩分量。 （2）电压变化率： 电动机由三相平衡电压供电时，线电压UAB的变化率,采用PWM方式供电时，线电压的跳变幅值为Ud，几乎在瞬间完成，因此电

9、压变化率非常大。 过大的电压变化率将在电动机绕组产生较大的漏电流，不利于电动机正常运行；还将产生很大的电磁辐射，对其他仪器设备造成电磁干扰。 采用多重化技术，可有效降低电压变化率，但变频主回路和控制回路都将复杂的多。 （3）能量回馈与泵升电压： 电动机工作在回馈制动状态时，机械能转换为电能，因PWM为不控整流，单向性造成直流侧电压升高。 （4）对电网的污染： 存在较大的滤波电容，交流电压大于电容电压时，才有充电电流通过输入电流呈脉冲形状，存在很大谐波分量，电源受污染。,三、 转速开环变压变频调速系统： 如图为系统结构原理图。UR是可控整流器，用电压控制环节控制它的输出直流电压；USI是电压源逆

10、变器，用频率控制它的输出频率。电压和频率控制采用同一个控制信号Uabs，以保证二者协调。,由于转速控制是开环的，系统本身没有自动限制启、制动电流的作用，即不能让阶跃的转速给信号U*直接加到电压和频率控制系统上，否则将产生很大的冲击电流而使电源跳闸。为了解决这个问题，在给定信号U*和电压、频率的控制信号Uabs 之间设置了给定积分器GI和绝对值变换器GAB。 该调速系统的机械特性如图4-6。在负载扰动下，转速开环变压变频调速系统存在转速降落，属于有静差调速系统，调速范围有限，常用于调速性能要求不高的风机、水泵类场合。,数字控制通用变频器-异步电动机调速系统：,主电路：由二极管整流器UR、PWM逆

11、变器UI和中间直流电路三部分组成，一般都是电压源型的，采用大电容C滤波，同时兼有无功功率交换的作用。 限流电阻：为了避免大电容C在通电瞬间产生过大的充电电流，在整流器和滤波电容间的直流回路上串入限流电阻（或电抗），通上电源时，先限制充电电流，再延时用开关K将短路，以免长期接入时影响变频器的正常工作，并产生附加损耗。 泵升限制电路：由于二极管整流器不能为异步电机的再生制动提供反向电流的通路，所以除特殊情况外，通用变频器一般都用电阻吸收制动能量。减速制动时，异步电机进入发电状态，首先通过逆变器的续流二极管向电容C充电，当中间直流回路的电压（通称泵升电压）升高到一定的限制值时，通过泵升限制电路使开关

12、器件导通，将电机释放的动能消耗在制动电阻上。为了便于散热，制动电阻器常作为附件单独装在变频器机箱外边。,进线电抗器 ：二极管整流器虽然是全波整流装置，但由于其输出端有滤波电容存在，因此输入电流呈脉冲波形，这样的电流波形具有较大的谐波分量，使电源受到污染。为了抑制谐波电流，对于容量较大的PWM变频器，都应在输入端设有进线电抗器，有时也可以在整流器和电容器之间串接直流电抗器。还可用来抑制电源电压不平衡对变频器的影响。 控制电路：现代PWM变频器的控制电路大都是以微处理器为核心的数字电路，其功能主要是接受各种设定信息和指令，再根据它们的要求形成驱动逆变器工作的PWM信号，再根据它们的要求形成驱动逆变

13、器工作的PWM信号。微机芯片主要采用8位或16位的单片机，或用32位的DSP，现在已有应用RISC的产品出现。,PWM信号产生：可以由微机本身的软件产生，由PWM端口输出，也可采用专用的PWM生成电路芯片。 检测与保护电路：各种故障的保护由电压、电流、温度等检测信号经信号处理电路进行分压、光电隔离、滤波、放大等综合处理，再进入A/D转换器，输入给CPU作为控制算法的依据，或者作为开关电平产生保护信号和显示信号。 信号设定：需要设定的控制信息主要有：U/f 特性、工作频率、频率升高时间、频率下降时间等，还可以有一系列特殊功能的设定。由于通用变频器-异步电动机系统是转速或频率开环、恒压频比控制系统

14、，低频时，或负载的性质和大小不同时，都得靠改变 U / f 函数发生器的特性来补偿，使系统达到恒定，甚至恒定的功能（见第6.2.2节），在通用产品中称作“电压补偿”或“转矩补偿”。,四、转速闭环转差频率控制的变压变频调速系统： 1、系统结构：,图4-38有2个转速反馈控制。 内环：正反馈，将转速调节器ASR（PI调节器）的输出信号（给定转差频率s*）与实际转速相加，得到定子给定频率信号1*，同时由1*和当前定子电流Is求得定子电压给定信号Us*,用Us*和1*控制PWM变频器，即得到异步电动机调速所需的定子电压和频率。 外环：由于内环正反馈是不稳定结构，需设置转速负反馈外环，才能使系统稳定运行。,2、转差频率控制系统的特点： 在调速过程中，实际频率1随着实际转速同步地上升或