1、第第4 4章章 交流传动控制系统交流传动控制系统-1-第第4 4章章 交流传动控制系统交流传动控制系统 第第4 4章章 交流传动控制系统交流传动控制系统-2- 本章分别论述交流异步电动机与同步电动机的调本章分别论述交流异步电动机与同步电动机的调速方法。异步电动机的控制方法很多，本章选择五种具速方法。异步电动机的控制方法很多，本章选择五种具有典型意义的系统：有典型意义的系统：1）交流调压调速系统及其在软启动中的应用；）交流调压调速系统及其在软启动中的应用；2）基于稳态模型的恒压频比变压变频调速系统；）基于稳态模型的恒压频比变压变频调速系统；3）基于转子磁场定向的高性能变压变频调速系统；）基于转子
2、磁场定向的高性能变压变频调速系统； 4）基于直接转矩控制的高性能变压变频调速系统；）基于直接转矩控制的高性能变压变频调速系统；5）对新兴的风力发电以及特大功率传动等有应用价值）对新兴的风力发电以及特大功率传动等有应用价值的双馈控制系统。的双馈控制系统。第第4 4章章 交流传动控制系统交流传动控制系统-3- 同步电动机的控制方法也很多，本章选择三种具有同步电动机的控制方法也很多，本章选择三种具有典型意义的系统：典型意义的系统：1）同步电动机按定子磁链定向的矢量控制调速系统；）同步电动机按定子磁链定向的矢量控制调速系统；2）永磁同步电动机按转子位置定向的矢量控制系统；）永磁同步电动机按转子位置定向
3、的矢量控制系统；3）直流无刷同步电动机控制系统。）直流无刷同步电动机控制系统。 第第4 4章章 交流传动控制系统交流传动控制系统-4-4.1 4.1 交流异步电动机调压控制系统交流异步电动机调压控制系统 第第4 4章章 交流传动控制系统交流传动控制系统-5- 电动机的模型已在第电动机的模型已在第2 2章作了介绍，此外等效电路章作了介绍，此外等效电路也是电动机建模的一种方法。由于早期的交流异步电动也是电动机建模的一种方法。由于早期的交流异步电动机调压控制系统都采用异步电动机的稳态等效电路模型，机调压控制系统都采用异步电动机的稳态等效电路模型，后来发展的高性能的交流调速系统则是基于异步电动机后来发
4、展的高性能的交流调速系统则是基于异步电动机的动态等效电路模型，其实异步电动机的稳态等效电路的动态等效电路模型，其实异步电动机的稳态等效电路可以由其动态等效电路推导出来。为此，本节首先介绍可以由其动态等效电路推导出来。为此，本节首先介绍异步电动机在任意旋转异步电动机在任意旋转d-qd-q坐标系上的动态等效电路，坐标系上的动态等效电路，由此推导出的变压控制系统所需的稳态等效电路，进而由此推导出的变压控制系统所需的稳态等效电路，进而讨论变压调速原理、系统组成和性能分析，并介绍了变讨论变压调速原理、系统组成和性能分析，并介绍了变压 调 速 系 统 在 交 流 电 动 机 软 起 动 中 的 应 用 。
5、压 调 速 系 统 在 交 流 电 动 机 软 起 动 中 的 应 用 。 第第4 4章章 交流传动控制系统交流传动控制系统-6-4.1.1 4.1.1 异步电动机在任意旋转坐标系的动态等效电路异步电动机在任意旋转坐标系的动态等效电路 第第4 4章章 交流传动控制系统交流传动控制系统-7- 必须注意的是，图中的异步电动机动态等效电路有必须注意的是，图中的异步电动机动态等效电路有几个假定条件：几个假定条件：) ) 忽略空间谐波，设三相绕阻对称，在空间互差忽略空间谐波，设三相绕阻对称，在空间互差120120 电角度所产生的磁动势沿气隙周围按正弦规律分布；电角度所产生的磁动势沿气隙周围按正弦规律分布
6、；) ) 忽略磁饱和，认为各绕组的自感和互感都是恒定的；忽略磁饱和，认为各绕组的自感和互感都是恒定的；) ) 忽略铁损；忽略铁损；) ) 不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响。不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响。 动态等效电路仅仅忽略了空间谐波，并没有忽略时动态等效电路仅仅忽略了空间谐波，并没有忽略时间谐波，因此动态等效电路中的电压、电流及磁链可以间谐波，因此动态等效电路中的电压、电流及磁链可以是任意波形。是任意波形。第第4 4章章 交流传动控制系统交流传动控制系统-8- 由动态等效电路同样可得到由动态等效电路同样可得到d d- -q q坐标系上的电压电坐标系上的电压电流方程式：流方
7、程式： sdssdqssmdqsmsdsqdqssssdqsmmsqrdmdqrmrrdqrrrdrqdqrmmdqrrrrrquRL pLL pLiuLRL pLL piuL pLRL pLiuLL pLRL pi（4-1）定子等效两相绕组的自感定子等效两相绕组的自感 转子等效两相绕组的自感转子等效两相绕组的自感 sms lLLLrmr lLLL第第4 4章章 交流传动控制系统交流传动控制系统-9- 应该注意，两相等效绕组的互感应该注意，两相等效绕组的互感L Lm m是原三相绕组中是原三相绕组中任意两相间最大互感的任意两相间最大互感的3/23/2倍。倍。 这是因为用两相绕组等这是因为用两相绕
8、组等效地替代了三相绕组的缘故。效地替代了三相绕组的缘故。 第第4 4章章 交流传动控制系统交流传动控制系统-10-4.1.2 4.1.2 交流异步电动机的变压控制系统交流异步电动机的变压控制系统4.1.2.1 4.1.2.1 交流异步电动机的稳态等效电路交流异步电动机的稳态等效电路 交流异步电动机的变压控制系统是基于异步电动机交流异步电动机的变压控制系统是基于异步电动机稳态等效电路的。稳态等效电路的。 先从两相静止坐标系（先从两相静止坐标系（dqsdqs=0=0，dqrdqr=-=-r r）上的动态模型推导异步电动机的稳态等效电）上的动态模型推导异步电动机的稳态等效电路。对于稳态运行状态，动态
9、等效模型中所有的变量都路。对于稳态运行状态，动态等效模型中所有的变量都是正弦波形，是正弦波形，q q轴和轴和d d轴的变量互差轴的变量互差9090 ， 可以得到如下可以得到如下关系式关系式sdsqFjFrdrqFjF第第4 4章章 交流传动控制系统交流传动控制系统-11-现将微分算子现将微分算子p p用下式替代用下式替代 sdqsspjj（4-4）将以上三式代入动态模型的电压方程（将以上三式代入动态模型的电压方程（4-14-1）可得）可得 sqs sqss sqsm rqssssqsmsqrq()luRijLijL iRjLijLiirqrsrrqsmsqrq()luRjLijLiiss （4
10、-5）（4-6） 由于两相静止坐标系的由于两相静止坐标系的q q轴可以与三相静止坐标系轴可以与三相静止坐标系的任意一轴重合，因此式（的任意一轴重合，因此式（4-54-5）和（）和（4-64-6）可以看成）可以看成异异步电动机任一相的稳态等效模型步电动机任一相的稳态等效模型。 第第4 4章章 交流传动控制系统交流传动控制系统-12- 由式（由式（4-54-5）和（）和（4-64-6）可画出异步电动机的稳态等）可画出异步电动机的稳态等效电路，如图效电路，如图4-24-2所示。所示。 异步电动机稳态等效电路也有异步电动机稳态等效电路也有与动态等效电路类似的假定条件，除此之外，稳态等效与动态等效电路类
11、似的假定条件，除此之外，稳态等效电路还忽略了时间谐波。电路还忽略了时间谐波。 第第4 4章章 交流传动控制系统交流传动控制系统-13- 由于笼型转子异步电机应用非常广泛，以下推导都由于笼型转子异步电机应用非常广泛，以下推导都假定假定U Ur r=0=0。 由稳态等效电路可以写出各稳态电流的关系由稳态等效电路可以写出各稳态电流的关系式式 smrIII（4-7） 一般情况下一般情况下L Lm m L Llsls，为推导简便可忽略铁损和励，为推导简便可忽略铁损和励磁电流，即令磁电流，即令I Im m =0 =0，则有，则有 ssr222rsssrllUIIRRLLs（4-8）第第4 4章章 交流传动
12、控制系统交流传动控制系统-14-异步电动机的电磁转矩为异步电动机的电磁转矩为 2ppsr2emrer22ms2rssssr33/llnn U RsPRTIsRRLLs（4-9）2emrr3/PI Rsmsp/n电磁功率电磁功率 同步机械角转速同步机械角转速 式（式（4-94-9）就是异步电动机的机械特性方程式。它）就是异步电动机的机械特性方程式。它表明，当转速或转差率一定时，电磁转矩与定子电压的表明，当转速或转差率一定时，电磁转矩与定子电压的平方成正比，因此改变定子外加电压就可以改变机械特平方成正比，因此改变定子外加电压就可以改变机械特性的函数关系，从而改变电动机在一定负载转矩下的转性的函数关
13、系，从而改变电动机在一定负载转矩下的转速。速。 第第4 4章章 交流传动控制系统交流传动控制系统-15-4.1.2.2 4.1.2.2 交流异步电动机的变压调速方法交流异步电动机的变压调速方法 过去改变交流电压的方法多用自耦变压器或带直流过去改变交流电压的方法多用自耦变压器或带直流励磁绕组的饱和电抗器，自从电力电子技术兴起以后，励磁绕组的饱和电抗器，自从电力电子技术兴起以后，这些笨重的电磁装置就被晶闸管交流调压器取代了。图这些笨重的电磁装置就被晶闸管交流调压器取代了。图4-34-3给出了一个采用双向晶闸管组成交流调压器给出了一个采用双向晶闸管组成交流调压器TVCTVC，其，其主电路分别用主电路
14、分别用3 3个双向晶闸管串接在三相电路中。个双向晶闸管串接在三相电路中。 其调压方式一般采用相位控制模式，由调压控制信其调压方式一般采用相位控制模式，由调压控制信号号UcUc通过脉冲触发电路通过脉冲触发电路GTGT控制控制TVCTVC的输出交流电压变化。的输出交流电压变化。 此外，如果此外，如果TVCTVC的主电路由可关断的开关器件构成，的主电路由可关断的开关器件构成，可采用斩控方式来调节输出交流电压。可采用斩控方式来调节输出交流电压。 第第4 4章章 交流传动控制系统交流传动控制系统-16-第第4 4章章 交流传动控制系统交流传动控制系统-17-4.1.2.3 4.1.2.3 异步电动机变压
15、调速的机械特性异步电动机变压调速的机械特性 将式（将式（4-94-9）对）对s s求导，并令求导，并令 , ,可求出最可求出最大转矩及其对应的转差率大转矩及其对应的转差率ed/d0Ts rmax222sssrllRsRLL2psemax222sssssr32lln UTRRLL（4-10）（4-11）第第4 4章章 交流传动控制系统交流传动控制系统-18- 由式（由式（4-104-10）和（）和（4-114-11）可见，异步电动机变压调）可见，异步电动机变压调速时，其电磁转矩速时，其电磁转矩T Te e及最大转矩及最大转矩T Temaxemax随定子电压随定子电压U Us s下降下降成平方比的
16、下降，而最大转差成平方比的下降，而最大转差s smaxmax则保持不变。则保持不变。第第4 4章章 交流传动控制系统交流传动控制系统-19- 为了能在恒转矩负载下扩大调速范围，并使电动机为了能在恒转矩负载下扩大调速范围，并使电动机能在较低转速下运行而不至于过热，就要求电动机转子能在较低转速下运行而不至于过热，就要求电动机转子有较高的阻值，这样的电动机在变电压时机械特性如图有较高的阻值，这样的电动机在变电压时机械特性如图4-54-5所示。这种电动机又称作所示。这种电动机又称作交流力矩电动机交流力矩电动机。 第第4 4章章 交流传动控制系统交流传动控制系统-20- 综上分析，采用普通异步电动机的变
17、电压调速时，综上分析，采用普通异步电动机的变电压调速时，调速范围很窄，采用高转子电阻的力矩电动机虽然可以调速范围很窄，采用高转子电阻的力矩电动机虽然可以增大调速范围，但其机械特性又变软，因而当负载变化增大调速范围，但其机械特性又变软，因而当负载变化时转速波动很大。由此说明，开环控制很难解决这些问时转速波动很大。由此说明，开环控制很难解决这些问题，为了提高调速精度需要采用闭环控制。题，为了提高调速精度需要采用闭环控制。 第第4 4章章 交流传动控制系统交流传动控制系统-21-4.1.3 4.1.3 转速反馈闭环控制的异步电动机变压调速系统转速反馈闭环控制的异步电动机变压调速系统1 1系统组成与工
18、作原理系统组成与工作原理 第第4 4章章 交流传动控制系统交流传动控制系统-22-2 2系统静态结构与静特性系统静态结构与静特性 根据系统原理图，可以画出如图根据系统原理图，可以画出如图4-7a4-7a所示的系统静所示的系统静态结构框图，图中，态结构框图，图中，K Ks s为为GTGT和和TVCTVC装置的放大系数，且有装置的放大系数，且有K Ks s= =U Us s/ /U Uc c；K Kn n为转速反馈系数，即为转速反馈系数，即K Kn n= =U Un n/ /n n ；转速调节器；转速调节器ASRASR根据其采用何种控制策略而定；根据其采用何种控制策略而定；n n = =f f（U
19、 Us s，T Te e）由式）由式（4-94-9）给出，为一非线性函数。）给出，为一非线性函数。第第4 4章章 交流传动控制系统交流传动控制系统-23- 如果采用如果采用PIPI调节器，系统稳态时，调节器，系统稳态时，U Un n* *= =U Un n，T Te e= =T TL L，实现无静差控制。系统的静特性如图实现无静差控制。系统的静特性如图4-7b4-7b所示。所示。 异步电动机闭环变压调速系统不同于直流电动机闭异步电动机闭环变压调速系统不同于直流电动机闭环变压调速系统的地方在于：环变压调速系统的地方在于： 静特性左右两边都有极静特性左右两边都有极限，不能无限延长，它们是额定电压限
20、，不能无限延长，它们是额定电压U UsNsN下的机械特性和下的机械特性和最小输出电压最小输出电压U Usminsmin下的机械特性。下的机械特性。 当负载变化时，如果当负载变化时，如果电压调节到极限值，闭环系统便失去控制能力，系统的电压调节到极限值，闭环系统便失去控制能力，系统的工作点只能沿着极限开环特性变化。工作点只能沿着极限开环特性变化。 第第4 4章章 交流传动控制系统交流传动控制系统-24-3 3系统近似动态结构框图系统近似动态结构框图 如果对系统进行动态分析和设计，需要给出动态结如果对系统进行动态分析和设计，需要给出动态结构框图。这里考虑到异步电动机变压调速适用于性能要构框图。这里考
21、虑到异步电动机变压调速适用于性能要求不高的场合，仅采用异步电动机的简化模型。根据系求不高的场合，仅采用异步电动机的简化模型。根据系统原理图画出的近似动态结构如图统原理图画出的近似动态结构如图4-84-8所示，图中各个所示，图中各个环节的传递函数取自第二章的式（环节的传递函数取自第二章的式（2-712-71）、（）、（2-812-81）、）、（2-832-83）和（）和（2-1062-106），这里），这里ASRASR采用采用PIPI调节器。按此动调节器。按此动态结构，如果已知系统各个环节的参数，可以进行系统态结构，如果已知系统各个环节的参数，可以进行系统分析；如果给定被控对象参数及系统性能指标
22、，可以设分析；如果给定被控对象参数及系统性能指标，可以设计计ASRASR调节器参数以满足系统要求。调节器参数以满足系统要求。 第第4 4章章 交流传动控制系统交流传动控制系统-25-第第4 4章章 交流传动控制系统交流传动控制系统-26-4.1.4 4.1.4 变压控制在异步电动机软起动中的应用变压控制在异步电动机软起动中的应用 除了调速系统外，异步电动机的变压控制在软起动除了调速系统外，异步电动机的变压控制在软起动器中也得到了广泛的应用，本节主要介绍它们的基本原器中也得到了广泛的应用，本节主要介绍它们的基本原理。理。 对于小容量异步电动机，只要供电网络和变压器的对于小容量异步电动机，只要供电
23、网络和变压器的容量足够大（一般要求比电机容量大倍以上），而供容量足够大（一般要求比电机容量大倍以上），而供电线路并不太长电线路并不太长 （起动电流造成的瞬时电压降落低于（起动电流造成的瞬时电压降落低于10%10%15%15%），可以直接通电起动，操作也很简便。对于），可以直接通电起动，操作也很简便。对于容量大一些的电机，问题就不这么简单了。容量大一些的电机，问题就不这么简单了。第第4 4章章 交流传动控制系统交流传动控制系统-27- 根据式（根据式（4-84-8）和式（）和式（4-94-9）的电流和转矩方程式，）的电流和转矩方程式，异步电动机在工频供电且刚起动时，异步电动机在工频供电且刚起动时
24、，s s=1=1，电流和转矩，电流和转矩公式可以简化为公式可以简化为 ss_str_st222srssr()llUIIRRLL2ppsr2e_str_str222sssrssr33llnn U RTIRRRLL（4-12）（4-13）第第4 4章章 交流传动控制系统交流传动控制系统-28- 由以上两式不难看出，在一般情况下，异步电动机由以上两式不难看出，在一般情况下，异步电动机的起动电流比较大，而起动转矩并不大，其机械特性如的起动电流比较大，而起动转矩并不大，其机械特性如图图4-94-9所示。所示。 第第4 4章章 交流传动控制系统交流传动控制系统-29- 对于一般的笼型电动机，起动电流和起动
25、转矩对对于一般的笼型电动机，起动电流和起动转矩对其额定值的倍数大约为其额定值的倍数大约为 s_stIstsN4 7IKIe_stTsteN0.9 1.3TKT（4-14）（4-15）起动电流倍数：起动电流倍数： 起动转矩倍数：起动转矩倍数： 第第4 4章章 交流传动控制系统交流传动控制系统-30- 由于中、大容量电动机的起动电流大，使电网压降由于中、大容量电动机的起动电流大，使电网压降过大，会影响其他用电设备的正常运行，甚至使该电动过大，会影响其他用电设备的正常运行，甚至使该电动机本身根本起动不起来。这时必须采取措施来降低其起机本身根本起动不起来。这时必须采取措施来降低其起动电流，常用的办法是
26、降压起动。动电流，常用的办法是降压起动。 由式（由式（-12-12）可知，当电压降低时，起动电流将）可知，当电压降低时，起动电流将随电压成正比地降低，从而可以避开起动电流冲冲击。随电压成正比地降低，从而可以避开起动电流冲冲击。但是式（但是式（4-134-13）又表明，）又表明， 起动转矩与电压的平方成正起动转矩与电压的平方成正比，起动转矩的减小将比起动电流的降低更快，降压起比，起动转矩的减小将比起动电流的降低更快，降压起动时会出现起动转矩够不够的问题。动时会出现起动转矩够不够的问题。 第第4 4章章 交流传动控制系统交流传动控制系统-31- 传统的降压起动方法有：星三角（传统的降压起动方法有：
27、星三角（ ）起动、）起动、定子串电阻起动、自耦变压器降压起动等。它们都是一定子串电阻起动、自耦变压器降压起动等。它们都是一级降压起动，起动过程中电流有两次冲击，其幅值都比级降压起动，起动过程中电流有两次冲击，其幅值都比直接起动电流低，而起动时间略长。直接起动电流低，而起动时间略长。 现在随着交流调速系统的广泛应用，开发了专门的现在随着交流调速系统的广泛应用，开发了专门的软起动器来限制起动电流。目前的软起动器一般采用晶软起动器来限制起动电流。目前的软起动器一般采用晶闸管交流调压器，完成起动后可用接触器旁路晶闸管，闸管交流调压器，完成起动后可用接触器旁路晶闸管，以免晶闸管不必要地长期工作。起动电流
28、可视起动时所以免晶闸管不必要地长期工作。起动电流可视起动时所带负载的大小进行调整，以获得最佳的起动效果。带负载的大小进行调整，以获得最佳的起动效果。 下面讲述软起动器常用的几种控制模式。下面讲述软起动器常用的几种控制模式。 第第4 4章章 交流传动控制系统交流传动控制系统-32-1.1.电压控制模式电压控制模式电压控制模式是软起动器的基本控制模式，其起动电压控制模式是软起动器的基本控制模式，其起动控制过程如图控制过程如图4-104-10所示。通常设置两个参数：起始电压所示。通常设置两个参数：起始电压（或起始转矩）及爬坡时间。这种控制模式是一种开环（或起始转矩）及爬坡时间。这种控制模式是一种开环
29、控制模式。基于电压控制模式的软起动器可以直接利用控制模式。基于电压控制模式的软起动器可以直接利用交流变压器来实现，主电路结构简单且成本低廉，系统交流变压器来实现，主电路结构简单且成本低廉，系统控制只需设置不同的调压模式，并按一定的时序给定电控制只需设置不同的调压模式，并按一定的时序给定电压指令，控制简易方便。压指令，控制简易方便。 第第4 4章章 交流传动控制系统交流传动控制系统-33-第第4 4章章 交流传动控制系统交流传动控制系统-34- 当负载略重或静摩擦转矩较大时，可在电压控制模当负载略重或静摩擦转矩较大时，可在电压控制模式上添加突跳起动，即在刚起动时给电动机施加很高的式上添加突跳起动
30、，即在刚起动时给电动机施加很高的电压脉冲以缩短起动时间，这种采用强脉冲电压控制模电压脉冲以缩短起动时间，这种采用强脉冲电压控制模式的起动过程如图式的起动过程如图4-11a4-11a所示。有些软起动器还可同时所示。有些软起动器还可同时设定两种电压爬坡速率以适应变化的负载，采用双斜坡设定两种电压爬坡速率以适应变化的负载，采用双斜坡控制模式的起动过程如图控制模式的起动过程如图4-11b4-11b所示。所示。 第第4 4章章 交流传动控制系统交流传动控制系统-35-第第4 4章章 交流传动控制系统交流传动控制系统-36- 2.2.电流控制模式电流控制模式 但是由于电动机的输入阻抗随转速变化，因此仅靠但
31、是由于电动机的输入阻抗随转速变化，因此仅靠电压控制不能很好地限制起动电流。为解决这一问题，电压控制不能很好地限制起动电流。为解决这一问题，发展了电流控制模式。目前市场上的大多数软起动器都发展了电流控制模式。目前市场上的大多数软起动器都具有电流闭环控制能力。在起动过程中能控制电流的幅具有电流闭环控制能力。在起动过程中能控制电流的幅值并保持恒定，其起动过程如图值并保持恒定，其起动过程如图4-124-12所示。突跳起动也所示。突跳起动也适用于电流控制模式。适用于电流控制模式。第第4 4章章 交流传动控制系统交流传动控制系统-37-第第4 4章章 交流传动控制系统交流传动控制系统-38- 电流控制有很
32、多电流控制有很多种方法，这里只介绍种方法，这里只介绍较简单的一种，其原较简单的一种，其原理如图理如图4-134-13所示。所示。 第第4 4章章 交流传动控制系统交流传动控制系统-39- 3. 3. 转矩控制模式转矩控制模式 在有些应用场合如带式输送，输送机如果承受太大在有些应用场合如带式输送，输送机如果承受太大的转矩，会造成皮带内应力过大，的转矩，会造成皮带内应力过大， 从而减少皮带的寿从而减少皮带的寿命，严重时甚至拉断皮带。这时候希望软起动器能够运命，严重时甚至拉断皮带。这时候希望软起动器能够运行在转矩控制模式，使电动机的起动转矩能够得到某种行在转矩控制模式，使电动机的起动转矩能够得到某种
33、程度的控制。目前有少数几家公司的软起动产品提供转程度的控制。目前有少数几家公司的软起动产品提供转矩控制模式。矩控制模式。 第第4 4章章 交流传动控制系统交流传动控制系统-40- 图图4-144-14是典型的软起动器转矩控制原理框图，实现是典型的软起动器转矩控制原理框图，实现转矩控制的关键是要有准确的转矩估计以构成闭环，并转矩控制的关键是要有准确的转矩估计以构成闭环，并设置转矩调节器设置转矩调节器ATRATR以消除转矩给定信号与检测信号的以消除转矩给定信号与检测信号的误差。较简单的转矩估计是计算有功功率，扣除定子损误差。较简单的转矩估计是计算有功功率，扣除定子损耗后，根据式耗后，根据式 计算电
34、动机的平均电磁计算电动机的平均电磁转矩。转矩。 更好的方法是根据电动机的磁链模型由转矩方程式更好的方法是根据电动机的磁链模型由转矩方程式计算，在转矩控制模式下，当负载恒定时可以保证净加计算，在转矩控制模式下，当负载恒定时可以保证净加速转矩近似恒定。速转矩近似恒定。 2eacsss3/TPI R第第4 4章章 交流传动控制系统交流传动控制系统-41-第第4 4章章 交流传动控制系统交流传动控制系统-42- 4. 4.转速控制模式转速控制模式 上述的带式传输机的最佳解决方案是采用转速闭环上述的带式传输机的最佳解决方案是采用转速闭环控制的起动方案。系统结构如图控制的起动方案。系统结构如图4-64-6
35、所示，所示， 通过转速闭通过转速闭环控制，软起动器能满足许多应用场合的要求，如线性环控制，软起动器能满足许多应用场合的要求，如线性加减速、加减速、S S形曲线加减速、线性流量控制及形曲线加减速、线性流量控制及S S形曲线流量形曲线流量控制等。控制等。 第第4 4章章 交流传动控制系统交流传动控制系统-43-4.2 4.2 交流异步电动机变压变频控制系统交流异步电动机变压变频控制系统 第第4 4章章 交流传动控制系统交流传动控制系统-44- 前一节介绍的交流异步电动机的变压调速系统虽然前一节介绍的交流异步电动机的变压调速系统虽然结构简单，控制方便和成本低廉，但是这种调速方法存结构简单，控制方便和
36、成本低廉，但是这种调速方法存在以下问题：在以下问题： 1 1）由于随着电压的降低，电动机的输出转矩成平）由于随着电压的降低，电动机的输出转矩成平方的减少，使系统调速范围小；方的减少，使系统调速范围小； 2 2）系统的静态模型的非线性，带来转速调节器设）系统的静态模型的非线性，带来转速调节器设计困难，影响系统的静态精度；计困难，影响系统的静态精度； 3 3）系统采用近似动态模型，工作点范围受限，使）系统采用近似动态模型，工作点范围受限，使固定调节器参数难以满足高动态性能的要求。固定调节器参数难以满足高动态性能的要求。第第4 4章章 交流传动控制系统交流传动控制系统-45- 为克服上述困难，需要采
37、用变压变频调速方法。交为克服上述困难，需要采用变压变频调速方法。交流异步电动机的变压变频控制系统分两类：基于稳态模流异步电动机的变压变频控制系统分两类：基于稳态模型的和基于动态模型的。前者适用于对动态性能要求不型的和基于动态模型的。前者适用于对动态性能要求不高的场合，如风机、水泵类负载。高性能的交流异步电高的场合，如风机、水泵类负载。高性能的交流异步电动机的变压变频控制系统都是基于动态模型的。动机的变压变频控制系统都是基于动态模型的。 本节详细论述两种典型的基于动态模型的高性能变本节详细论述两种典型的基于动态模型的高性能变压变频控制系统：压变频控制系统： 按转子磁场定向的矢量控制系统按转子磁场
38、定向的矢量控制系统 直接转矩控制系统直接转矩控制系统 第第4 4章章 交流传动控制系统交流传动控制系统-46-4.2.1 4.2.1 变压变频调速的控制模式及其机械特性变压变频调速的控制模式及其机械特性 变压变频调速的基本控制策略需根据其频率控制的变压变频调速的基本控制策略需根据其频率控制的范围而定，而实现基本的控制策略，又可选用不同的控范围而定，而实现基本的控制策略，又可选用不同的控制模式。类似于他励直流电动机的调速分为基速以下采制模式。类似于他励直流电动机的调速分为基速以下采用保持磁通恒定条件下的变压调速，基速以上采用弱磁用保持磁通恒定条件下的变压调速，基速以上采用弱磁升速两种控制策略，异
39、步电动机变压变频调速也划分为升速两种控制策略，异步电动机变压变频调速也划分为基频以下调速和基频以上调速两个范围，采用不同的基基频以下调速和基频以上调速两个范围，采用不同的基本控制策略。本控制策略。第第4 4章章 交流传动控制系统交流传动控制系统-47-4.2.1.1 4.2.1.1 基本思路基本思路 交流异步电动机调速也应考虑的一个重要因素，就交流异步电动机调速也应考虑的一个重要因素，就是希望保持电动机中每极磁通量为额定值不变。这是因是希望保持电动机中每极磁通量为额定值不变。这是因为如果磁通太弱，没有充分利用铁心；如果过分增大磁为如果磁通太弱，没有充分利用铁心；如果过分增大磁通，又会使铁心饱和
40、。但是，不同于他励直流电动机励通，又会使铁心饱和。但是，不同于他励直流电动机励磁回路独立，易于保持其恒定，如何在交流异步电动机磁回路独立，易于保持其恒定，如何在交流异步电动机控制中保持磁通恒定是实现变频变压调速的先决条件。控制中保持磁通恒定是实现变频变压调速的先决条件。第第4 4章章 交流传动控制系统交流传动控制系统-48- 考虑到三相异步电动机定子每相电动势的有效值与考虑到三相异步电动机定子每相电动势的有效值与定子频率和每极气隙磁通量的积成正比，即有定子频率和每极气隙磁通量的积成正比，即有gssNsm4.44Ef N k（4-16）气隙磁通在定子每相中气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值感
41、应电动势的有效值 每极气隙磁通量每极气隙磁通量 在式（在式（4-164-16）中）中N Ns s和和k kNsNs是常数，因此只要控制好是常数，因此只要控制好E Eg g和和f fs s，便可达到控制磁通的目的。，便可达到控制磁通的目的。 对此需要考虑基频对此需要考虑基频（额定频率）以下和基频以上两种情况。（额定频率）以下和基频以上两种情况。 第第4 4章章 交流传动控制系统交流传动控制系统-49-4.2.1.2 4.2.1.2 基频以下的恒磁通调速基频以下的恒磁通调速 在基频以下调速时，根据式（在基频以下调速时，根据式（4-164-16），要保持），要保持m m不不变，当定子频率变，当定子频
42、率f fs s从额定值从额定值f fsNsN向下调节时，必须同时降向下调节时，必须同时降低低E Eg g，使二者同比例下降，即应采用电动势频率比为恒，使二者同比例下降，即应采用电动势频率比为恒值的控制方式。值的控制方式。第第4 4章章 交流传动控制系统交流传动控制系统-50- 然而，从图然而，从图4-154-15所示的笼型转子异步电动机等效电所示的笼型转子异步电动机等效电路可见，绕组中的感应电动势是难以直接控制的，为达路可见，绕组中的感应电动势是难以直接控制的，为达到这一目的有三种控制模式：到这一目的有三种控制模式： 1.1.恒压频比控制模式恒压频比控制模式 分析图分析图4-154-15的等效
43、电路可以发现，当电动机的电动的等效电路可以发现，当电动机的电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，从而势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，从而认为定子相电压认为定子相电压 ，因此可以采用恒压频比的控，因此可以采用恒压频比的控制模式，即有制模式，即有sgUEssU常值（4-17）第第4 4章章 交流传动控制系统交流传动控制系统-51- 恒恒U Us s/ / s s控制模式因需要同时改变异步电动机供电电控制模式因需要同时改变异步电动机供电电源的电压和频率，应按照如图源的电压和频率，应按照如图4-164-16所示的控制曲线实施所示的控制曲线实施控制。图中，曲线控制。图中，曲线为标准
44、的恒压频比控制模式；曲线为标准的恒压频比控制模式；曲线为有定子压降补偿的恒压频比控制模式，通过外加一为有定子压降补偿的恒压频比控制模式，通过外加一个补偿电压个补偿电压U Ucoco来提高初始定子电压，以克服低频时定子来提高初始定子电压，以克服低频时定子阻抗上压降所占比重增加不能忽略的影响。在实际应用阻抗上压降所占比重增加不能忽略的影响。在实际应用中，由于负载的变化，所需补偿的定子压降也不一样，中，由于负载的变化，所需补偿的定子压降也不一样，应备有不同斜率的补偿曲线，以供选择。应备有不同斜率的补偿曲线，以供选择。 第第4 4章章 交流传动控制系统交流传动控制系统-52-第第4 4章章 交流传动控
45、制系统交流传动控制系统-53- 采用恒压频比控制的系统特性如图采用恒压频比控制的系统特性如图4-174-17所示，正如所示，正如式（式（4-94-9）所描述的那样，）所描述的那样， 由于电磁转矩与定子电压的由于电磁转矩与定子电压的平方正比，随着电压和频率的降低，电动机的输出转矩平方正比，随着电压和频率的降低，电动机的输出转矩有较大的减少，因此在低频时需要加定子电压补偿。但有较大的减少，因此在低频时需要加定子电压补偿。但是即便如此，恒压频比控制模式在低频时带负载的能力是即便如此，恒压频比控制模式在低频时带负载的能力仍然有限，使其调速范围受到限制并影响系统性能。仍然有限，使其调速范围受到限制并影响
46、系统性能。 第第4 4章章 交流传动控制系统交流传动控制系统-54- 2.2.恒定子电动势频比控制模式恒定子电动势频比控制模式 再次分析图再次分析图4-154-15的异步电动机的等效电路，可以发的异步电动机的等效电路，可以发现：假如能够进一步提高定子电压，完全补偿定子阻抗现：假如能够进一步提高定子电压，完全补偿定子阻抗的压降，就能实现恒定子电动势频比的控制模式，即有的压降，就能实现恒定子电动势频比的控制模式，即有gsE常值（4-18）gr222rsr lEIRLs（4-19）转子电流：转子电流：第第4 4章章 交流传动控制系统交流传动控制系统-55-代入电磁转矩关系式，可得代入电磁转矩关系式，
47、可得 2pg2srrerp2222ssrsr33lnEsRRTInsRsL（4-20）在式（在式（4-204-20）中对）中对s s求导，并令求导，并令d dT Te e/d/ds s=0=0，可得最大转矩，可得最大转矩及对应的最大转差率及对应的最大转差率 rmaxsr lRsL2gemaxpsr312lETnL（4-21）（4-22）第第4 4章章 交流传动控制系统交流传动控制系统-56- 由式（由式（4-214-21）可见）可见s smaxmax与定子频率与定子频率 s s成反比，即随成反比，即随着着 s s降低，降低，s smaxmax将增大，而式（将增大，而式（4-224-22）表示最
48、大转矩因）表示最大转矩因E Eg g/ / s s保持恒值而不变，这说明特性曲线应从额定曲线平保持恒值而不变，这说明特性曲线应从额定曲线平行下移。行下移。 根据式（根据式（4-204-20）、（）、（4-214-21）和（）和（4-224-22）画出的的机）画出的的机械特性如图械特性如图4-184-18所示，可见采用恒所示，可见采用恒E Eg g/ /f fs s控制模式的系统控制模式的系统稳态性能优于恒压频比控制模式，这也正是在恒压频比稳态性能优于恒压频比控制模式，这也正是在恒压频比控制模式中采用定子压降补偿所带来的好处。控制模式中采用定子压降补偿所带来的好处。第第4 4章章 交流传动控制系
49、统交流传动控制系统-57-第第4 4章章 交流传动控制系统交流传动控制系统-58- 3.3.恒转子电动势频比控制模式恒转子电动势频比控制模式 进一步研究图进一步研究图4-154-15的等效电路，可以设想如果能够的等效电路，可以设想如果能够通过某种方式直接控制转子电动势，使其按照恒转子电通过某种方式直接控制转子电动势，使其按照恒转子电动势频比进行控制，即有动势频比进行控制，即有rsE常值（4-23）rrr/EIRs转子电流：转子电流：（4-24）第第4 4章章 交流传动控制系统交流传动控制系统-59-而电磁转矩则变为而电磁转矩则变为 2p2srrerpssr33nsRETInsR（4-25） 由
50、式（由式（4-254-25）可知，当采用恒）可知，当采用恒 E Er r/ / s s 控制模式时，控制模式时，异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性T Te e= =f f（s s）变为线性关系，）变为线性关系， 其特其特性曲线如图性曲线如图4-194-19所示，是一条下斜的直线，获得与直流所示，是一条下斜的直线，获得与直流电动机相同的稳态性能。这也正是高性能交流调速系统电动机相同的稳态性能。这也正是高性能交流调速系统想要达到的目标。想要达到的目标。 第第4 4章章 交流传动控制系统交流传动控制系统-60-第第4 4章章 交流传动控制系统交流传动控制系统-61- 比较三种控制模式，显然比较
