1、 第第 7 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 2023-5-20A1 第第 7 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 2023-5-20A2 在进行电机调速时，常须考虑的一个重要因素是：在进行电机调速时，常须考虑的一个重要因素是：希望保持电机中每希望保持电机中每极磁通量极磁通量 m为额定值不变为额定值不变。如果磁通太弱，不能充分利用电机的铁心，会。如果磁通太弱，不能充分利用电机的铁心，会造成浪费；而如果过分增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁造成浪费；而如果过分增大磁
2、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。电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。第第 7 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 2023-5-20A3电机定子电动势平衡方程式：电机定子电动势平衡方程式：定子每相电动势定子每相电动势：第第 7 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 A42023年5月20日星期六 为了保持磁通保持不变，在频率下调时，须使为了保持磁通保持不变，在频率下调时，须使E1/f1=常数，但由于常数，但由于E1是是定子反电动势，无法
3、直接进行检测和控制，而定子反电动势，无法直接进行检测和控制，而U1可以方便地检测和控制，可以方便地检测和控制，因此，在额定频率以下调频，即因此，在额定频率以下调频，即f1f1n调频时，同时下调加在定子绕组上的调频时，同时下调加在定子绕组上的电压，即电压，即U/f控制方式，如果使控制方式，如果使U1/f1=常数，称恒常数，称恒U/f控制。控制。若在额定频率以上调频时，若在额定频率以上调频时，U1就不能跟着上调了，因为电机定子绕组就不能跟着上调了，因为电机定子绕组上的电压不允许超过额定电压，即必须保持上的电压不允许超过额定电压，即必须保持U1=U1n不变，额定频率以上进行不变，额定频率以上进行调频
4、属弱磁调速。调频属弱磁调速。第第 7 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 A52023年5月20日星期六如调节如调节f1使使f1=f f1n,同时相应调节同时相应调节U1，使，使U1=f U1n，则，则设在额定频率设在额定频率f1n时，定、转子漏电抗为时，定、转子漏电抗为xn=x1n+x2n,则有则有 第第 7 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 A62023年5月20日星期六图图7-1 U1/f1=常数控制方式下的机械特性曲线常数控制方式下的机械特性曲线这族曲线具有如下两个
5、特点：这族曲线具有如下两个特点：1）在忽略）在忽略r1情况下，机械特性曲线族之间近似平行。情况下，机械特性曲线族之间近似平行。2）当转速较高时，最大拖动转矩近似不变。）当转速较高时，最大拖动转矩近似不变。3）转速较低的情况下，）转速较低的情况下，Tm将明显下降。将明显下降。第第 7 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 A72023年5月20日星期六 在恒在恒U/f控制方式下，由于控制方式下，由于E1在在U1中的比重随中的比重随f1下降而减小，从而造成在下降而减小，从而造成在低频低速时主磁通和电磁转矩低频低速时主磁通和电磁转矩Tm下降较
6、多。下降较多。Tm大幅减小，严重影响电机在大幅减小，严重影响电机在低速时的带负载能力。为避免这种情况，可适当提高调压比低速时的带负载能力。为避免这种情况，可适当提高调压比ku(U1=kuU1n)，使调压比使调压比ku大于调频比大于调频比kf(f1=kf f1n)，即相对提高，即相对提高U1的值使得的值使得E1的值增加，的值增加，从而保证从而保证E1/f1=常数，最终使电动机的最大转矩得到补偿。由于这种方法是常数，最终使电动机的最大转矩得到补偿。由于这种方法是通过提高通过提高U1/f1比值使比值使Tm得到补偿的，因此这种方法被称为电压补偿，也称得到补偿的，因此这种方法被称为电压补偿，也称转矩提升
7、。转矩提升。第第 7 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 A82023年5月20日星期六图图7-2 电压补偿后，额定频率以下电机机械特性曲线电压补偿后，额定频率以下电机机械特性曲线 第第 7 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 A92023年5月20日星期六图图7-3 变频器的变频器的U/f控制曲线控制曲线 第第 7 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 A102023年5月20日星期六图图7-4 电压补偿后电机全频范
8、围内机械特性曲线电压补偿后电机全频范围内机械特性曲线 第第 7 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 A112023年5月20日星期六图图7-5 典型的数字控制通用变频器典型的数字控制通用变频器-异步电动机调速系统原理图异步电动机调速系统原理图 第第 7 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 A122023年5月20日星期六 转速开环变频调速系统虽然可以满足平滑调速的要求，但改变转速开环变频调速系统虽然可以满足平滑调速的要求，但改变的是同步转速，调速精度比较低，系统静、动态性能都
9、有限，要提的是同步转速，调速精度比较低，系统静、动态性能都有限，要提高静、动态性能需要进行转速闭环控制。高静、动态性能需要进行转速闭环控制。转差频率控制是在闭环运算中力图维持磁通恒定来实现电磁转转差频率控制是在闭环运算中力图维持磁通恒定来实现电磁转矩和转差频率近似线性，通过控制转差频率从而实现电磁转矩线性矩和转差频率近似线性，通过控制转差频率从而实现电磁转矩线性可控的一种闭环控制方法。可控的一种闭环控制方法。第第 7 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 A132023年5月20日星期六 转速开环变频调速系统虽然可以满足平滑调速的要求，
10、但改变转速开环变频调速系统虽然可以满足平滑调速的要求，但改变的是同步转速，调速精度比较低，系统静、动态性能都有限，要提的是同步转速，调速精度比较低，系统静、动态性能都有限，要提高静、动态性能需要进行转速闭环控制。高静、动态性能需要进行转速闭环控制。转差频率控制是在闭环运算中力图维持磁通恒定来实现电磁转转差频率控制是在闭环运算中力图维持磁通恒定来实现电磁转矩和转差频率近似线性，通过控制转差频率从而实现电磁转矩线性矩和转差频率近似线性，通过控制转差频率从而实现电磁转矩线性可控的一种闭环控制方法。可控的一种闭环控制方法。第第 7 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张
11、幻灯片 返回目录返回目录 A142023年5月20日星期六定义定义s=s1为转差角频率，则有为转差角频率，则有 第第 7 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 A152023年5月20日星期六 基于上述推导，获得转差频率控制的基本思想是：只要在控制过程中，保基于上述推导，获得转差频率控制的基本思想是：只要在控制过程中，保证：证：1)限制转差角频率的最大值限制转差角频率的最大值sm；2)保持主磁通保持主磁通 m恒定。恒定。控制转差角频率控制转差角频率s，就能实现电磁转矩与转差频率成比例的近似线性控制。，就能实现电磁转矩与转差频率成比例的近
12、似线性控制。第第 7 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 A162023年5月20日星期六图图7-7 转差频率控制规律的转速闭环变压变频调速系统结构原理图转差频率控制规律的转速闭环变压变频调速系统结构原理图 第第 7 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 A172023年5月20日星期六 众所周知，直流电动机双闭环调速系统具有优良的动、静态调众所周知，直流电动机双闭环调速系统具有优良的动、静态调速特性，其根本原因在于作为控制对象的他励直流电动机的电磁转速特性，其根本原因在于作为
13、控制对象的他励直流电动机的电磁转矩能够容易地进行控制。那么，作为变频调速的控制对象矩能够容易地进行控制。那么，作为变频调速的控制对象交流交流电动机是否可以模仿直流电动机转矩控制规律而加以实现呢？电动机是否可以模仿直流电动机转矩控制规律而加以实现呢？20世纪世纪70年代初德国学者年代初德国学者Blaschkle等人首先提出矢量控制变换等人首先提出矢量控制变换实现了这种控制思想。矢量控制成功解决了交流电动机电磁转矩的实现了这种控制思想。矢量控制成功解决了交流电动机电磁转矩的有效控制，使异步电动机可以像他励直流电动机那样控制，从而实有效控制，使异步电动机可以像他励直流电动机那样控制，从而实现交流电机
14、高性能控制，故矢量控制又称解耦控制或矢量变换控制。现交流电机高性能控制，故矢量控制又称解耦控制或矢量变换控制。它可以应用于异步电机和同步电机传动系统。它可以应用于异步电机和同步电机传动系统。第第 7 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 A182023年5月20日星期六图图7-8 他励直流电动机的物理模型他励直流电动机的物理模型1.与直流传动类比与直流传动类比 第第 7 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 A192023年5月20日星期六图图7-9 等效的交流电动机绕组和直流电
15、动机物理模型等效的交流电动机绕组和直流电动机物理模型1.与直流传动类比与直流传动类比 第第 7 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 A202023年5月20日星期六图图7-10 异步电动机坐标变换结构图异步电动机坐标变换结构图2.矢量控制的概念矢量控制的概念 既然异步电机经过坐标变换可以等效成直流电机，那么模仿直流电机的控既然异步电机经过坐标变换可以等效成直流电机，那么模仿直流电机的控制策略，得到直流电机的控制量，经过相应的坐标反变换，就能够控制异步电制策略，得到直流电机的控制量，经过相应的坐标反变换，就能够控制异步电机了。由于进行坐
16、标变换的是电流机了。由于进行坐标变换的是电流(代表磁动势代表磁动势)的空间矢量，所以这样通过坐的空间矢量，所以这样通过坐标变换实现的控制系统就叫作矢量控制系统标变换实现的控制系统就叫作矢量控制系统(Vector Control System)，控制系，控制系统的原理结构如统的原理结构如7-11所示。所示。第第 7 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 A212023年5月20日星期六图图7-11 矢量控制结构图矢量控制结构图 第第 7 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 A22
17、2023年5月20日星期六图图7-12 带转矩内环的转速、磁链闭环的电流滞环带转矩内环的转速、磁链闭环的电流滞环SPWM矢量控制系统矢量控制系统 第第 7 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 A232023年5月20日星期六 经典的经典的SPWM控制着眼于使变频器输出的电压接近正弦波，并未顾控制着眼于使变频器输出的电压接近正弦波，并未顾及输出电流的波形。实际交流电动机需要输入三相正弦电流，其最终目及输出电流的波形。实际交流电动机需要输入三相正弦电流，其最终目的是在电动机空间形成圆形的旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩。如的是在电动机空间
18、形成圆形的旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩。如果对准这一目标，把逆变器和交流电动机视为一体，按照跟踪圆形旋转果对准这一目标，把逆变器和交流电动机视为一体，按照跟踪圆形旋转磁场来控制逆变器的工作，其效果应该更好。这种控制方法称作磁场来控制逆变器的工作，其效果应该更好。这种控制方法称作“磁链磁链跟踪控制跟踪控制”，由于磁链的轨迹是交替使用不同的电压空间矢量得到的，由于磁链的轨迹是交替使用不同的电压空间矢量得到的，所以又称作所以又称作“电压空间矢量电压空间矢量PWM(Space Vector PWMSVPWM)控制。控制。直接转矩控制系统直接转矩控制系统(DTC)是利用电压空间矢量是利用电压空间矢量
19、PWM(SVPWM)通过磁通过磁链、转矩的直接控制、确定逆变器的开关状态来实现的。链、转矩的直接控制、确定逆变器的开关状态来实现的。第第 7 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 A242023年5月20日星期六交流电动机绕组的电压、电流、磁链交流电动机绕组的电压、电流、磁链等物理量都是随时间变化的，分析时常等物理量都是随时间变化的，分析时常用时间相量来表示，但如果考虑到它们用时间相量来表示，但如果考虑到它们所在绕组的空间位置，也可以如图所在绕组的空间位置，也可以如图7-13所所示，定义为空间矢量示，定义为空间矢量uA0，uB0，uC0
20、。图图7-13 交流电机电压空间矢量交流电机电压空间矢量 第第 7 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 A252023年5月20日星期六 上式表明，当磁链幅值一定时，定子电压的大小与上式表明，当磁链幅值一定时，定子电压的大小与 1(或供电电压频率或供电电压频率)成正比，其方成正比，其方向则与磁链矢量正交，即磁链圆的切线方向，向则与磁链矢量正交，即磁链圆的切线方向，如图如图7-14所示，当磁链矢量在空间旋转一周所示，当磁链矢量在空间旋转一周时，电压矢量也连续地按磁链圆的切线方向运动时，电压矢量也连续地按磁链圆的切线方向运动2 弧度，其轨
21、迹与磁链圆重合。这样，电弧度，其轨迹与磁链圆重合。这样，电动机旋转磁场的轨迹问题就可转化为电压空间矢量的运动轨迹问题。动机旋转磁场的轨迹问题就可转化为电压空间矢量的运动轨迹问题。第第 7 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 A262023年5月20日星期六图图7-14 旋转磁场与电压空间矢量旋转磁场与电压空间矢量 的运动轨迹的运动轨迹图图7-15 三相逆变器三相逆变器-异步电动机异步电动机 调速系统主电路的原理图调速系统主电路的原理图 第第 7 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回
22、目录 A272023年5月20日星期六 第第 7 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 A282023年5月20日星期六 第第 7 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 A292023年5月20日星期六 第第 7 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 A302023年5月20日星期六如前所述，电压矢量的积分是磁通矢如前所述，电压矢量的积分是磁通矢量，一个由电压空间矢量运动所形成的量，一个由电压空间矢量运动所形成的正六边形轨
23、迹也可以看作是异步电动机正六边形轨迹也可以看作是异步电动机定子磁链矢量端点的运动轨迹，如图定子磁链矢量端点的运动轨迹，如图7-17所示。所示。图图7-17 异步电动机定子磁链矢量异步电动机定子磁链矢量 与电压空间矢量与电压空间矢量 第第 7 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 A312023年5月20日星期六图图7-18 逼近圆形时的磁链增量轨迹逼近圆形时的磁链增量轨迹图图7-19 两个矢量线性组合后的电压矢量两个矢量线性组合后的电压矢量us 第第 7 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回
24、目录返回目录 A322023年5月20日星期六 第第 7 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 A332023年5月20日星期六 直接转矩控制系统直接转矩控制系统是继矢量控制系统之后发展起是继矢量控制系统之后发展起来的另一种高动态性能的交流电动机变压变频调速系来的另一种高动态性能的交流电动机变压变频调速系统。在它的转速环里面，利用转矩反馈直接控制电动统。在它的转速环里面，利用转矩反馈直接控制电动机的电磁转矩，它也因此得名。机的电磁转矩，它也因此得名。第第 7 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 A342023年5月20日星期六图图7-20 直接转矩控制交流调速系统框图直接转矩控制交流调速系统框图
