1、第六章第六章 笼型异步电动机变压变频调速系笼型异步电动机变压变频调速系统统-转差功率不变型系统转差功率不变型系统6.5 基于异步电动机稳态模型的变压基于异步电动机稳态模型的变压 变频调速变频调速p转速开环恒压频比控制调速系统转速开环恒压频比控制调速系统通通用变频器用变频器-异步电动机调速系统异步电动机调速系统p转速闭环转差频率控制的变压变频调速转速闭环转差频率控制的变压变频调速系统系统转速开环恒压频比控制调速系统转速开环恒压频比控制调速系统 引言引言 直流电机的直流电机的主磁通主磁通和电枢和电枢电流电流分布的分布的空间位空间位置置是是确定的确定的，而且可以独立进行控制，交流异步，而且可以独立进
2、行控制，交流异步电机的磁通则由电机的磁通则由定子定子与与转子电流转子电流合成产生，它的合成产生，它的空间位置相对于定子和转子都是空间位置相对于定子和转子都是运动运动的，除此以的，除此以外，在外，在笼型笼型转子异步电机中，转子转子异步电机中，转子电流电流还是还是不可不可测测和和不可控的不可控的。因此，异步电机的。因此，异步电机的动态数学动态数学模型模型要比要比直流电机模型直流电机模型复杂得复杂得多多，在相当长的时间里，在相当长的时间里，人们对它的精确表述不得要领。人们对它的精确表述不得要领。好在不少机械负载，例如好在不少机械负载，例如风风机机和和水泵水泵，并不需要很高的，并不需要很高的动态性能，
3、只要在一定范围动态性能，只要在一定范围内能实现高效率的内能实现高效率的调速调速就行，就行，因此可以只用电机的因此可以只用电机的稳态模稳态模型型来设计其控制系统。来设计其控制系统。如果要求更高一些的调速如果要求更高一些的调速范围范围和和起制动起制动性能，性能，可以采用转速可以采用转速闭环闭环转差频率控制的方案。转差频率控制的方案。本节中将分别介绍这本节中将分别介绍这两类两类基于稳态数学模型基于稳态数学模型的变压变频调速系统。的变压变频调速系统。转速开环恒压频比控制调速系统转速开环恒压频比控制调速系统异步电机的异步电机的稳态数学稳态数学模型如本章第模型如本章第6.26.2节所述，节所述，为了实现为
4、了实现电压电压-频率频率协调控制，可以采用转速协调控制，可以采用转速开开环环恒压频比带低频电压补偿的控制方案，这就是恒压频比带低频电压补偿的控制方案，这就是常用的常用的通用通用变频器控制系统。变频器控制系统。转速开环恒压频比控制调速系统转速开环恒压频比控制调速系统6.5.1 转速开环恒压频比控制调速系统转速开环恒压频比控制调速系统 概述概述 现代现代通用通用变频器大都是采用二极管整流和由变频器大都是采用二极管整流和由快速全控开关器件快速全控开关器件 IGBT 或功率模块或功率模块IPM 组成的组成的PWM逆变器，构成交逆变器，构成交-直直-交电压源型变压变频器，交电压源型变压变频器，已经占领了
5、全世界已经占领了全世界0.5-500KVA 中、小容量变频中、小容量变频调速装置的调速装置的绝大部分绝大部分市场。市场。所谓所谓“通用通用”，包含着两方面的，包含着两方面的含义含义：（1 1）可以和）可以和通用通用的的笼型笼型异步电机配套使异步电机配套使用；用；（2 2）具有）具有多种多种可供选择的功能，适用于可供选择的功能，适用于各种不同性质的各种不同性质的负载负载。转速开环恒压频比控制调速系统转速开环恒压频比控制调速系统 1.系统组成系统组成M3电压检测泵升限制电流检测温度检测电流检测单片机显示设定接口PWM发生器驱动电路URUIR0R1R2RbVTbKR0R1RbR2图图6-376-37
6、绘出了一种典型的数字控制通用变频器绘出了一种典型的数字控制通用变频器-异步电动异步电动机调速系统原理图。机调速系统原理图。l 主电路主电路由二极管整流由二极管整流器器UR、PWM逆变器逆变器UI和和中间直流中间直流电路三部分组成，电路三部分组成，一般都是一般都是电压源型电压源型的，采的，采用大电容用大电容C滤波，同时兼滤波，同时兼有有无功功率交换无功功率交换的作用。的作用。M3电压检测泵升限制电流检测温度检测电流检测单片机显示设定接口PWM发生器驱动电路URUIR0R1R2RbVTbKR0R1RbR2限流电阻限流电阻：为了避免大电容：为了避免大电容C C在通电在通电瞬间瞬间产生产生过过大大的的
7、充电电流充电电流，在整流器和滤波电容间的直，在整流器和滤波电容间的直流回路上串入流回路上串入限流电阻限流电阻（或电抗），通上电（或电抗），通上电源时，先源时，先限制限制充电电流，再延时用开关充电电流，再延时用开关K K将其将其短路，以免长期接入时短路，以免长期接入时影响影响变频器的正常工变频器的正常工作，并产生附加作，并产生附加损耗损耗。M3电压检测泵升限制电流检测温度检测电流检测单片机显示设定接口PWM发生器驱动电路URUIR0R1R2RbVTbKR0R1RbR2由于二极管整流由于二极管整流器不能为异步电机的器不能为异步电机的再生再生制动提供制动提供反向反向电电流的流的通路通路，所以除，所以
8、除特特殊殊情况外，情况外，通用变频通用变频器器一般都用一般都用电阻电阻吸收吸收制动能量。制动能量。减速减速制动制动时，时，异步电机进入异步电机进入发电发电状态，首先通过逆状态，首先通过逆变器的续流变器的续流二极管二极管向电容向电容C C充电，当充电，当中间直流回路的电中间直流回路的电压（通称压（通称泵升电压泵升电压）升高到一定的限制升高到一定的限制值时，通过值时，通过泵升泵升限限制电路使开关器件制电路使开关器件导通导通，将电机释放，将电机释放的动能消耗在的动能消耗在制动制动电阻电阻上。上。转速开环恒压频比控制调速系统转速开环恒压频比控制调速系统图图6-38 6-38 三相二极管整流电路的输入电
9、流波形三相二极管整流电路的输入电流波形u进线电抗器进线电抗器 二极管整流器虽然是二极管整流器虽然是全波全波整流整流装置，但由于其输出端有滤波电容存在，因此装置，但由于其输出端有滤波电容存在，因此输入电流呈输入电流呈脉冲脉冲波形，如图波形，如图6-386-38所示。所示。这样的电流波形具有较大的这样的电流波形具有较大的谐波谐波分量，使电源受到分量，使电源受到污染污染。为了抑制为了抑制谐波谐波电流，对于容量较电流，对于容量较大的大的PWMPWM变频器，都应在输入端设有变频器，都应在输入端设有进线进线电抗器，有时也可以在电抗器，有时也可以在整流器整流器和和电容器电容器之间之间串接串接直流电抗器。还可
10、用直流电抗器。还可用来来抑制抑制电源电压不平衡电源电压不平衡对对变频器的影变频器的影响。响。M3电压检测泵升限制电流检测温度检测电流检测单片机显示设定接口PWM发生器驱动电路URUIR0R1R2RbVTbKR0R1RbR2l 控制电路控制电路现代现代PWMPWM变频器的控制电路大都是变频器的控制电路大都是以以微处理器微处理器为为核心核心的数字电路，其功能主要是接的数字电路，其功能主要是接受各种设定受各种设定信息信息和和指令指令，再根据它们的要求形成，再根据它们的要求形成驱动逆变器工作的驱动逆变器工作的PWMPWM信号信号，再根据它们的要求，再根据它们的要求形成驱动逆变器工作的形成驱动逆变器工作
11、的PWMPWM信号。微机芯片主要信号。微机芯片主要采用采用8 8位位或或1616位位的单片机，或用的单片机，或用3232位位的的DSPDSP。PWMPWM信号产生信号产生可以由可以由微机本身的微机本身的软件软件产生，由产生，由PWMPWM端口输出，也可采用端口输出，也可采用专用的专用的PWMPWM生成电路芯片。生成电路芯片。u检测与保护电路检测与保护电路各种故障的保护由各种故障的保护由电压电压、电电流流、温度温度等检测信号经信号处理电路进行等检测信号经信号处理电路进行分压分压、光电光电隔离、隔离、滤波滤波、放大放大等综合处理，再进入等综合处理，再进入A/DA/D转换器，输入给转换器，输入给CP
12、UCPU作为控制算法的依据，或者作为控制算法的依据，或者作为开关电平产生作为开关电平产生保护信号保护信号和和显示信号显示信号。u信号设定信号设定需要设定的控制信息主要有：需要设定的控制信息主要有：U U/f f 特性、特性、工作工作频率、频率、频率升高频率升高时间、时间、频率下降频率下降时间时间等，还可以有一系列特殊功能的设定。等，还可以有一系列特殊功能的设定。转速开环恒压频比控制调速系统转速开环恒压频比控制调速系统一种是在微机中存储多条不同一种是在微机中存储多条不同斜率斜率和和折线段折线段的的U/fU/f 函数，由用户根据需要选择函数，由用户根据需要选择最佳最佳特性；特性；另一种办法是采用另
13、一种办法是采用霍耳霍耳电流传感器检测定子电电流传感器检测定子电流或直流回路流或直流回路电流电流，按电流大小自动补偿定子，按电流大小自动补偿定子电压电压。但无论如何都存在过补偿或欠补偿的可。但无论如何都存在过补偿或欠补偿的可能，这是能，这是开环开环控制系统的控制系统的不足不足之处。之处。u给定积分给定积分由于系统本身没有自动限制由于系统本身没有自动限制起、制起、制动电流动电流的作用，因此，频率的作用，因此，频率设定设定信号必须通过给信号必须通过给定定积分算法积分算法产生产生平缓升速平缓升速或或降速降速信号，信号，升速升速和和降降速速的积分时间可以根据负载需要由的积分时间可以根据负载需要由操作人员
14、操作人员分别分别选择。选择。实现补偿的方法有实现补偿的方法有两种两种：tff*ufu斜坡函数斜坡函数U/f U/f 曲线曲线脉冲发生器脉冲发生器驱动驱动电路电路工作频工作频率设定率设定升降速升降速时间设定时间设定电压补偿设定电压补偿设定PWM产生产生图图6-39 PWM变压变频器的基本控制作用变压变频器的基本控制作用 综上所述，综上所述，转速开环恒压频比控制调速系统转速开环恒压频比控制调速系统转速闭环转差频率控制调速系统转速闭环转差频率控制调速系统 问题的提出问题的提出 前节所述的前节所述的转速开环转速开环变频调速系统可以满足变频调速系统可以满足平滑调速平滑调速的要求，但的要求，但静、动态静、
15、动态性能都有限，要性能都有限，要提提高静高静、动态动态性能，首先要用性能，首先要用转速转速反馈闭环控制。反馈闭环控制。转速闭环系统的静特性转速闭环系统的静特性比比开环系统开环系统强强，这是很明，这是很明显的，但是，是否能够提高系统的动态性能呢？显的，但是，是否能够提高系统的动态性能呢？还得进一步探讨一下。还得进一步探讨一下。电力传动的基本控制规律电力传动的基本控制规律任何电力拖动自动控制系统都服从于基本任何电力拖动自动控制系统都服从于基本运运动动方程式方程式 提高提高调速系统动态性能主要调速系统动态性能主要依靠依靠控制转速的控制转速的变化率变化率 d d /d/dt t ，根据基本运动方程式，
16、控制，根据基本运动方程式，控制电磁转矩就能控制电磁转矩就能控制 d d /d/dt t ，因此，归根结底，因此，归根结底，调速系统的动态性能就是控制调速系统的动态性能就是控制转矩转矩的能力的能力。peLddJnTTt转速闭环转差频率控制调速系统转速闭环转差频率控制调速系统 在异步电机变压变频调速系统中，需要控制在异步电机变压变频调速系统中，需要控制的是的是电压电压（或电流）和（或电流）和频率频率，以便，以便提高提高动态性能。动态性能。转速闭环转差频率控制调速系统转速闭环转差频率控制调速系统怎样能够通过怎样能够通过控制电控制电压（电流）压（电流）和和频率频率来控制来控制电磁转矩电磁转矩呢呢?主要
17、从三个方面加以分析主要从三个方面加以分析1 1转差频率控制的转差频率控制的基本概念基本概念2.2.稳态模型的转差频率控制稳态模型的转差频率控制规律规律 3.3.组成组成系统系统1.转差频率控制的基本概念转差频率控制的基本概念 直流电机的直流电机的转矩转矩与电枢与电枢电流电流成成正比正比，控制电，控制电流就能控制流就能控制转矩转矩，因此，把直流双闭环调速系统，因此，把直流双闭环调速系统转速调节器的输出信号当作转速调节器的输出信号当作电流电流给定信号，也就给定信号，也就是是转矩转矩给定信号。给定信号。在交流异步电机中，在交流异步电机中，影响影响转矩的因素转矩的因素较多较多，控，控制异步电机转矩的问
18、题也制异步电机转矩的问题也比较复杂比较复杂。转速闭环转差频率控制调速系统转速闭环转差频率控制调速系统将将 按照第按照第6.2.26.2.2节恒节恒 E Eg g /1 1 控制（即恒控制（即恒 m m 控制）时的电磁转矩公式控制）时的电磁转矩公式（6-126-12）为为 1rgep222221r1r3lRnETRsLs（6-12）11sNssNs1smmNsmg14.444.4422Ef N kN kN k转速闭环转差频率控制调速系统转速闭环转差频率控制调速系统代入上式，得代入上式，得 221repsNs222r1r22m32lssRTn N kRL（6-59）令令 s s=s s 1 1 ，
19、并定义为转差角频率；，并定义为转差角频率；，是电机的结构常数；，是电机的结构常数；22mpsNs32Kn N k转速闭环转差频率控制调速系统转速闭环转差频率控制调速系统则则 当电机稳态运行时，当电机稳态运行时，s s 值很小，因而值很小，因而 s s也很小，只有也很小，只有 1 1的百分之几，可以认的百分之几，可以认 为为 s s L Ll lr r R Rr r ，则转矩可近似表示为，则转矩可近似表示为srm22rsmre2()lRKRLT转速闭环转差频率控制调速系统转速闭环转差频率控制调速系统 m2esmrTKR（6-61）式式（6-616-61）表明，在表明，在s s 值很小的稳态值很小
20、的稳态运行范围内，如果能够保持气隙磁通运行范围内，如果能够保持气隙磁通 m m不不变，异步电机的转矩就近似与转差角频率变，异步电机的转矩就近似与转差角频率 s s 成正比。这就是说，在异步电机中控制成正比。这就是说，在异步电机中控制 s s ，就和直流电机中控制，就和直流电机中控制电流电流一样，能够一样，能够达到间接控制达到间接控制转矩转矩的目的。的目的。转速闭环转差频率控制调速系统转速闭环转差频率控制调速系统控制转差频率就代表控制控制转差频率就代表控制转转矩矩，这就是转差频率控制，这就是转差频率控制的的基本概念基本概念。2.基于异步电机稳态模型的转差频率控制规基于异步电机稳态模型的转差频率控
21、制规律律 上面分析所得的转差频率控制概念是在上面分析所得的转差频率控制概念是在转矩近似公式转矩近似公式（6-616-61）上得到的，当上得到的，当 s s 较大较大时，就得采用式时，就得采用式（6-606-60）的精确转矩公式。的精确转矩公式。m2esmrTKR（6-61）srm22rsmre2()lRKRLT可以看出：可以看出：在在 s s 较小的稳态运较小的稳态运行段上，转矩行段上，转矩 T Te e基本基本上与上与 s s 成正比，成正比，当当T Te e 达到其最大值达到其最大值T Temaxemax 时，时，s s 达到达到 smaxsmax值。值。smaxsmTemaxTemsTe
22、0图图6-40 6-40 按恒按恒m m值控制的值控制的 T Te e=f=f(s s )特性特性 转速闭环转差频率控制调速系统转速闭环转差频率控制调速系统 对于式对于式（6-606-60），），取取 d dT Te e/d/d s s=0=0 可得可得 emaxmrm22lTLK（6-63）rrsmaxrrllRRLL（6-62）转速闭环转差频率控制调速系统转速闭环转差频率控制调速系统srm22rsmre2()lRKRLT 在转差频率控制系统中，只要给在转差频率控制系统中，只要给 s s 限限幅，使其限幅值为幅，使其限幅值为 rsmsmaxr lRL（6-64）就可以基本保持就可以基本保持
23、T Te e与与 s s 的正比关系，也的正比关系，也就可以用就可以用转差频率转差频率控制来代表控制来代表转矩转矩控制。控制。这是转差频率控制的基本规律之一。这是转差频率控制的基本规律之一。转速闭环转差频率控制调速系统转速闭环转差频率控制调速系统（6-65）转速闭环转差频率控制调速系统转速闭环转差频率控制调速系统上述规律是在保持上述规律是在保持 m m恒定的恒定的前提下才成立的，于是问题又前提下才成立的，于是问题又转化为，如何能保持转化为，如何能保持 m m 恒定？恒定？Us1RsLlsLlrLmRr/sIsI0IrEgEsEr我们知道，按恒我们知道，按恒 E Eg g/1 1 控制时可保持控
24、制时可保持 m m恒定。在下面恒定。在下面图图6-56-5的等效电路中可得：的等效电路中可得：图图6-5 6-5 异步电动机稳态等效异步电动机稳态等效电路电路和感应和感应电动势电动势sgs1ss11s1sgs()()llIERLjjUI REL 由此可见，要实现恒由此可见，要实现恒 E Eg g/1 1控制，须在控制，须在U Us s/1 1=恒值恒值的基础上再提高电压的基础上再提高电压 U Us s 以补偿定子电流以补偿定子电流压降。压降。如果忽略电流相量相位变化的影响，不同定如果忽略电流相量相位变化的影响，不同定子电流时恒子电流时恒 E Eg g/1 1 控制所需的电压控制所需的电压-频率
25、特性频率特性 U Us s =f f(1 1,I Is s)如下图所示。如下图所示。转速闭环转差频率控制调速系统转速闭环转差频率控制调速系统图图6-41 6-41 不同定子电流时恒控制所需的电压不同定子电流时恒控制所需的电压-频率特频率特性性1OsUUs/1=Const.Eg/1=Const.定子电流增大的趋势转速闭环转差频率控制调速系统转速闭环转差频率控制调速系统上述关系表明，只要上述关系表明，只要 U Us s 和和 1 1及及 I Is s 的关系符的关系符合上图所示特性，就能保持合上图所示特性，就能保持 E Eg g/1 1 恒定，也恒定，也就是保持就是保持 m m 恒定。恒定。这是转
26、差频率控制的基这是转差频率控制的基本规律之二。本规律之二。（2）在不同的定子电流值时，按上图的函数关系）在不同的定子电流值时，按上图的函数关系 Us=f(1,Is)控制定子电压和频率，就能保持气控制定子电压和频率，就能保持气 隙磁通隙磁通 m恒定。恒定。转速闭环转差频率控制调速系统转速闭环转差频率控制调速系统总结起来，转差频率控制的总结起来，转差频率控制的规律规律是：是：（1）在）在 s sm 的范围内，转矩的范围内，转矩 Te 基本上与基本上与 s 成正比，条件是气隙磁通不变。成正比，条件是气隙磁通不变。3.转差频率控制的变压变频调速系统转差频率控制的变压变频调速系统p系统组成系统组成p控制
27、原理控制原理p性能评价性能评价转速闭环转差频率控制调速系统转速闭环转差频率控制调速系统系统组成系统组成sUsIFBS电电压压型型逆逆变变器器M3 ASRs11saUsbUscU图图6-42 转差频率控制的转速闭环变压变频调速系统结构原理图转差频率控制的转速闭环变压变频调速系统结构原理图PWM转速闭环转差频率控制调速系统转速闭环转差频率控制调速系统 控制原理控制原理 实现上述转差频率控制规律的转速闭环实现上述转差频率控制规律的转速闭环变压变频调速系统结构变压变频调速系统结构原理图原理图如如图图6-426-42所所示。示。频率控制频率控制转速调节器转速调节器ASRASR的输出信号是的输出信号是转差
28、频率给定转差频率给定 s s*，与实测转速信号，与实测转速信号 相相加，即得定子频率给定信号加，即得定子频率给定信号 1 1*，即，即 *s1（6-66）转速闭环转差频率控制调速系统转速闭环转差频率控制调速系统 电压控制电压控制由由 1和定子电流反馈信号和定子电流反馈信号 Is 从微机存储的从微机存储的 Us=f(1,Is)函数中查得定函数中查得定子电压给定信号子电压给定信号 Us*，用，用 Us*和和 1*控制控制PWM电压型逆变器，即得异步电机调速所电压型逆变器，即得异步电机调速所需的变压变频电源。需的变压变频电源。转速闭环转差频率控制调速系统转速闭环转差频率控制调速系统 性能评价性能评价
29、 式式（6-666-66）所示的转差角频率所示的转差角频率 s s*与实与实测转速信号测转速信号 相加后得到定子频率输入信号相加后得到定子频率输入信号 1 1*这一关系是转差频率控制系统突出的这一关系是转差频率控制系统突出的特特点点或或优点优点。它表明，在调速过程中，实际频。它表明，在调速过程中，实际频率率 1 1随着实际转速随着实际转速 同步地上升或下降，同步地上升或下降，有如水涨而船高，因此有如水涨而船高，因此加、减速平滑而且稳加、减速平滑而且稳定定。转速闭环转差频率控制调速系统转速闭环转差频率控制调速系统同时，由于在动态过程中转速调同时，由于在动态过程中转速调节器节器ASRASR饱和，系
30、统能用对应于饱和，系统能用对应于 smsm 的限幅转矩的限幅转矩T Temem 进行控制，保证了在进行控制，保证了在允许条件下的允许条件下的快速性快速性。*s1（6-66）由此可见，由此可见，转速闭环转差频率控制转速闭环转差频率控制的交流变的交流变压变频调速系统能够象压变频调速系统能够象直流直流电机双闭环控制系统电机双闭环控制系统那样具有那样具有较好的静、动态性能较好的静、动态性能，是一个比较优越，是一个比较优越的控制策略，结构也不算复杂。的控制策略，结构也不算复杂。转速闭环转差频率控制调速系统转速闭环转差频率控制调速系统 然而，它的静、动态性能还然而，它的静、动态性能还不能不能完全达到完全达
31、到直流直流双闭环系统的双闭环系统的水平水平，存在差距的原因有以，存在差距的原因有以下几个方面：下几个方面：（1）在分析转差频率控制规律时，是从异步电机）在分析转差频率控制规律时，是从异步电机稳态等效电路稳态等效电路和和稳态转矩公式稳态转矩公式出发的，所谓的出发的，所谓的“保持磁通保持磁通 m恒定恒定”的结论也只在稳态情况下的结论也只在稳态情况下才能成立。在动态中才能成立。在动态中 m如何变化还没有深入研如何变化还没有深入研究，但究，但肯定肯定不会恒定，这不得不影响系统的实际不会恒定，这不得不影响系统的实际动态性能。动态性能。转速闭环转差频率控制调速系统转速闭环转差频率控制调速系统（2）Us=f
32、(1,Is)函数关系中只抓住了定子电函数关系中只抓住了定子电流的流的幅值幅值，没有控制到电流的，没有控制到电流的相位相位，而在动态中，而在动态中电流的电流的相位相位也是影响也是影响转矩变化转矩变化的因素。的因素。（3）在频率控制环节中，取）在频率控制环节中，取 1=s+，使频率，使频率得以与得以与转速同步转速同步升降，这本是升降，这本是 转差频率控制的转差频率控制的优点优点。然而，如果转速检测信号。然而，如果转速检测信号不准确不准确或存在或存在干干扰扰，也就会直接给频率造成，也就会直接给频率造成误差误差，因为所有这些，因为所有这些偏差偏差和干扰都以和干扰都以正反馈正反馈的形式毫无衰减地传递到的形式毫无衰减地传递到频率频率控制信号控制信号上来了。上来了。讲作业讲作业习题：习题：要求：要求：1.按时交作业，过期不改；按时交作业，过期不改；2.书写认真，文字整齐，抄题目；书写认真，文字整齐，抄题目；3.数据精确到小数点后两位；数据精确到小数点后两位；4.不会做可以空着，不需要抄袭；不会做可以空着，不需要抄袭；5.可以几人讨论后一起答题，作业本上注可以几人讨论后一起答题，作业本上注明。明。
