1、第七章第七章 交交-直直-交变频调速系统交变频调速系统 7.1.1 转差频率控制的基本思想转差频率控制的基本思想转差频率控制系统是一种模拟控制拖动转矩，近似保持控制过程中磁通恒定的转速闭环变频调速方案，理论上可以获得与直流电动机闭环调速系统相似的调速性能。三相异步电动机的电磁转矩可以表示为22cosmmTCI11112mNNCm N Kp忽略铁损耗时三相异步电动机的稳态等效电路见图7-1。图图7-1 忽略铁损耗的异步电动机稳态等效电路忽略铁损耗的异步电动机稳态等效电路折算到定子侧的转子相电流 1122222221212EsEIrrsLLs定子每相感应电动势 1111111122NmNmEf N
2、 KN K2222222221212cosrrsrrsLLs经整理，并且定义转差角频率s=s1得 222222smmsrTKrL211112mNNKm N Kp当气隙磁通m为常数，且电机参数定时。电磁转矩T是转差角频率s的函数。图图7-2 恒磁通时的恒磁通时的 曲线曲线sTf令dT/ds=0，可求得对应于最大转矩Tm的转差角频率相应的最大转距为稳态运行时，s很小，s也很小，这是一条过原点的直线。2222smrrLL222mmmKTL22smmTKr由此可见，当s很小时，如能保持气隙磁通m不变，电磁转矩T基本上与转差角频率s成正比，如同他励直流电动机的电磁转矩与电枢电流成正比一样。因此，可以通过
3、控制转差角频率从来控制异步电动机的电磁转矩。7.1.2 m恒定对定子电流的控制要求恒定对定子电流的控制要求可以通过控制定子电流I1，来保持I0(即m)恒定。102III101mEIjL12212EIrjLs消去 ，得 2I221022()smsrjLLIIrjL222221022222()smsrLLIIrL图图7-3 满足满足m恒定条件的恒定条件的I1=f（s）函数函数7.1.3 转差频率控制的转速闭环变频转差频率控制的转速闭环变频调速系统调速系统图图7-4 转差频率控制的转速闭环电流型变频调速系统结构原理图转差频率控制的转速闭环电流型变频调速系统结构原理图7.2 谐振型交谐振型交-直直-交
4、变频调速系统交变频调速系统1谐振直流环节变频器供电的异步电动机磁场定向控制系统图图7-6 逻辑控制电路逻辑控制电路图图7-7 逻辑控制电路的输出波形逻辑控制电路的输出波形2谐振直流环节变频器供电的无换向器异步电动机调速系统图图7-8 谐振直流环节变频器供电的无换向器异步电动机调速系统原理图谐振直流环节变频器供电的无换向器异步电动机调速系统原理图7.3 PWM控制的交控制的交-直直-交变频调速系统交变频调速系统7.4 7.4 异步电动机矢量控制的交异步电动机矢量控制的交-直直-交变频调速系统交变频调速系统1电流型逆变器利用电流模型法的矢量控制系统2电流型逆变器利用电压模型法的矢量控制系统3电压型
5、逆变器转矢量控制系统在M、T坐标系中，在复平面上用复数写出与电动机定子电压有关的方程为 11 12LiMi212 2MiL i11 1111Ui rPj11 11 1211 112Ui rPLiPMijLijMi2212 212LMiL iM iiM2112MMiiiL22211 11111111 11212211MMMMMUi rPLijLiPijiL LL LL1 1111111 1MMi rPL ijL iLLPiji由于，111MTUUjU111MTiiji1111111111111111MMMTMTTTMTUiiL PiL iLLPiUi iL PiL iLLPi1111MMMUir
6、L Pi1111TTTUi rL Pi11111MTMUL iLLPi11111TMTUL iLLPi111111MMMTTTUUUUUU图图7-14 解耦电路框图解耦电路框图7.5 7.5 永磁同步电动机矢量控制的交永磁同步电动机矢量控制的交-直直-交变频调速系统交变频调速系统7.5.1 概述在分析永磁同步电动机矢量控制时，假设不考虑磁路饱和效应，将永久磁铁等效为一个恒流源励磁，采用固定转子d、q坐标系统，设转子电流空间矢量 ir=Irf=常数转子上没有阻尼绕组，在使用表面磁铁型永磁同步电动机时，电机气隙较大，磁极的凸极效应可以忽略不计，因此直轴励磁电感等于交轴励磁电感Lmd=Lmq=Lm。
7、因为气隙较大，同步电感Ls=Ls+Lm也较小，电枢反应也可以忽略不计，由磁铁产生磁通与定子绕组相交链的磁链，就等于励磁磁链空间矢量。7.5.2 永磁同步电动机的电磁转矩图图7-15 永磁电动机、电流、磁链空间矢量图永磁电动机、电流、磁链空间矢量图333sin222Nmrf sqNF sqNmrfssrTp L I ipip L Ii7.5.3 永磁同步电动机转子磁链定向矢量控制图图7-16 永磁电动机基速范围内永磁电动机基速范围内 7-17 永磁电动机弱磁范围内运永磁电动机弱磁范围内运行时电流矢量图行时电流矢量图 运行时电流矢量图运行时电流矢量图永磁同步电动机电压方程式为 将F代入上式，得 r
8、jsss ssmrdiduR iLLi edtdtrjsss ssFdiduR iLedtdtrjsss ssFdiuR iLjedt稳态时用时间相量写出电压方程式在没有电流直轴分量（）时存在直轴分量（）时 00sssssssUR Ij L IEZ IE0sdI0ssssURj LIE0sdI0ssssqsssdURj LIRj LIE图图7-18 永磁电动机稳态时相量图永磁电动机稳态时相量图图图7-19 电流控制型电流控制型PWM逆变器驱动永磁同步电动机线路原理图逆变器驱动永磁同步电动机线路原理图7.5.4 永磁同步电动机转子磁链定向矢量控制系统图图7-20 永磁同步电动机转子磁链定向矢量控
9、制系统框图永磁同步电动机转子磁链定向矢量控制系统框图（1）电流限制环节is最大值是受逆变器承受能力限制的。为了满足弱磁运行要求，就要有isd分量，有了isd分量，isq分量 就要减少，其最大值要受限制。1/222maxsqssdiii（2）时间滞后补偿环节 时间滞后效应如图7-21所示，本来在d、q坐标系统是按电流矢量幅值为is，角度为s作为电流矢量给定值加以控制，但是由于控制回路动作总是需要时间的，当信号起作用时，电流矢量又向前旋转了角，所以 电流矢量给定值要加以时间滞后补偿。*jssii e1*jtjsssii ei e11cossinsdsqijitjt由于 cos1t1 sin1t1t
10、故 *1*1sdsdsqsqsqsdiitiiiti7.6 7.6 直接转矩控制的交直接转矩控制的交-直直-交变频交变频调速系统调速系统7.6.1异步电动机直接转矩控制（DSC）系统的基本组成磁链自控制磁链自控制的任务是选择正确的区段，以形成六边形磁链。转矩调节转矩调节环实现转矩直接自控制。磁链调节磁链调节环实现对磁链幅值的直接自控制。开关信号选择开关信号选择单元综合来自磁链控制环节、转矩调节环和磁链调节环的三种开关控制信号，形成正确的电压开关信号，以实现对电压空间矢量的正确选择。开关频率调节开关频率调节环控制逆变器的开关频率及转矩容差的大小。异步电动机的数学模型异步电动机的数学模型包括磁链模
11、型和转矩模型。它可以由不同的方案来实现，对输入量也可以有不同的处理和要求。转速调节转速调节环实现对转速的调节。转矩给定值可由转速调节器的输出得到，也可由单独给定得到。7.6.2 磁链自控制磁链自控制磁链自控制的任务是识别磁链运动轨迹的区段，且给出正确的磁链开关信号，以产生相应的电压空间矢量，控制磁链按六边形运动轨迹正确地旋转。磁链自控制任务的执行单元以磁链自控制单元为主，配合坐标变换器和开关信号选择单元，共同完成此项任务。1定子磁链沿六边形轨迹正转和反转时各信号之间的关系图图7-23 六边形磁链正转和反转时各量之间的关系六边形磁链正转和反转时各量之间的关系2磁链开关信号正确选择的实现 图图7-
12、24 反转示意图反转示意图 图图7-25 由由磁链产生的磁链开关信号磁链产生的磁链开关信号为此必须采取措施，以实现反转的功能。首先从坐标变换器着手，-坐标系与三相坐标系之间的关系如下：sAss2123Bss2123C图图7-26 坐标变换器图坐标变换器图 图图7-27 倒相后倒相后三相坐标与三相坐标与-坐标系的关系坐标系的关系倒相之后的坐标关系代表着反转的方向，如下：sA)2123(ssB)2123(ssCAACBBC7-26所示的坐标变换器中，所加入的正转、反转控制信号称之为P/N信号。P/N信号的意义如下：P/N1 时为正转，称为P运转（定子磁链空间矢量逆时针旋转）。P/N0时为反转，称为
13、N运转（定子磁链空间矢量顺时针旋转）。P/N信号由P/N调节器提供。图图7-28 磁链开关信号的磁链开关信号的P/N转换过程转换过程 3低速时磁链的正反转 图图7-29 磁链自控制的原理框图磁链自控制的原理框图图图7-30 磁链分量、符号比较器信号和磁链开关信号波形磁链分量、符号比较器信号和磁链开关信号波形7.6.3 转矩调节转矩调节 转矩调节的任务是实现对转矩的直接控制。直接转矩控制的名称即由此而来。本节对转矩调节作较全面的分析。为了控制转矩，转矩调节必须具备两个功能：（1）用转矩两点式调节器直接调节转矩。（2）用P/N调节器，在调节转矩的同时，控制定子磁链的旋转方向。1转矩两点式调节器 （
14、1）转矩两点式调节器调节过程转矩调节器的结构与磁链自控制单元一样，也是采用施密特触发器，只是容差不同。转矩调节器的容差是m，且可调。图图7-31 转矩两点式调节器转矩两点式调节器图图7-32 转矩两点式调节器的调节过程转矩两点式调节器的调节过程（2）定子磁链空间矢量最大轨迹速度定子磁链沿六边形运行时，在轴的最大变化量是 。当逆变器的直流电压恒定且等于2E时，其轴电轴电压分量也恒定，幅值为4E/3。由磁链与电压之间的积分关系得6343200TEs3/20sETs0033009322ssETs为理想空载角速度，s2nsnp/60。可以确定定子磁链的最大变化率为 这是定子磁链空间矢量最大的轨迹速度。
15、ETs3463200max（3）定子磁链空间矢量的平均轨迹速度在稳定情况下，定子磁链和转子磁链以相同的平均角速度旋转。由于转子磁链顶点的运动轨迹近似为圆形，而定子磁链的顶点沿六边形轨迹旋转，因此定子磁链空间矢量的平均轨迹速度在区段内各处是不相同的。图图7-33 平均轨迹速度的确定平均轨迹速度的确定如果角速度s恒定，则有 常数 s为定子磁链空间矢量与中线的夹角。式中，为定子磁链的平均轨迹速度。sBsssscos0ssBcos)()(sssss20cos)()3030(s（4）由转矩调节所决定的逆变器频率的估计当，得转矩最大值为 sinrsmeiKT90rsmeiKTmax空载时，若忽略损耗，则平
16、均转矩为零，定子磁链模值与转子磁链模值相等（sr）。得到最大动态转矩为 2maxeimsTK取最大动态转矩的一半为基准值Teik212eikmsTK则得动态转矩的标么值为 式中，(t)为定子磁链与转子磁链的夹角。)(sin2tTTTeikeieidtts)()(当定子磁链的角速度为理想空载转速时，因平均转矩为零（理想空载情况下），Tei等于Teid，所以在(t)较小时，采用近似公式sinxx可得转矩公式 当定子磁链停止不动时 tts)()()(sin2tTei tTsei)(2 tTei2 2)(221eiseimTTttt msmf1)(2msmf41max,ssssmmff1442max,
17、图图7-35 空载时转矩的脉动频率空载时转矩的脉动频率（5）转矩的上升与下降时间)(2seiganTt)1(40seiganTTtseigabTTt40图7-36 在转矩给定值从零变化到80%TN时，转矩的上升和下降时间与转速的关系2 P/N调节器在转矩调节中采用P/N调节器，可以加快转矩调节过程。P/N调节器控制定子磁链的反向旋转，以实现转矩的迅速减小。P/N调节器与转矩调节器有相同的结构，它也是由施密特触发器组成，也有调节容差。但P/N调节器的容差P/N大于转矩调节器的容差m。图图7-37 完整的转矩调节器完整的转矩调节器 图图7-38 定子磁链空间矢量旋转方向改定子磁链空间矢量旋转方向改
18、变时变时 的动态转矩波形的动态转矩波形7.6.4 磁链调节磁链调节磁链调节的任务是对磁链量进行调节。由于定子电阻压降的影响，在较低转速时，定子磁链幅值将减小。低频时，定子磁链幅值减小。磁链调节部分包括磁链调节和检测磁链幅值大小得磁链幅值构成单元。1磁链调节器磁链电压是指这样的定子电压空间矢量，它的主要作用是加大定子磁链幅值。对磁链电压的选择有两种：一种是与磁链运动轨迹成60角的电压空间矢量；另一种是成120角的电压空间矢量。图图7-39 磁链两点式调节器磁链两点式调节器图图7-40 磁链两点式调节的原理磁链两点式调节的原理)sin(232ttTei图图7-41 磁链电压作用下转矩减小的波形图磁
19、链电压作用下转矩减小的波形图3磁链幅值构成单元为了进行磁链调节，必须检测磁链量，这由磁链模值构成单元来完成。对于六边形磁链，磁链量由来A(t)、B(t)和C(t)构成。由于三个磁链分量对称，则有A(t)B(t)+C(t)0所以定子磁链的模值为s0.5(ABC)式中，s是定子磁链模值；A、B、C是定子磁链各分量的模值。对于圆形磁链，定子磁链模值为s 22)()(ss7.6.5 电压状态的选择电压状态的选择磁链自控制单元提供磁链开关信号，以确定定子磁链空间矢量旋转的正确区段；转矩调节器提供转矩开关信号，以实现高性能转矩调节；磁链调节器提供磁链量开关信号，以保持磁链幅值恒定。如何综合磁链开关信号、转矩开关信号、磁链量开关信号以及正反转P/N信号、零状态电压信号，以实现正确的电压选择，这是开关信号选择单元的任务。1电压状态的选择图图7-42 磁链开关信号与电压开关信号之间的控制顺序关系磁链开关信号与电压开关信号之间的控制顺序关系2电压状态选择的实现7.7 交交-直直-交电流型无换向器电动机交电流型无换向器电动机调速系统调速系统7.7.1 控制系统控制系统7.7.2 变频器主电路参数的选择与计算变频器主电路参数的选择与计算图图7-45 交交-直直-交电流型无换向器电动机主电路交电流型无换向器电动机主电路
