电力拖动自动控制系统第六章(1)

电力拖动自动控制系统第六章（1）主讲教师：解小华学时：64第六章笼型异步电机变压变频调速系统（VVVF系统）--转差功率不变型调速系统本章提要♦变压变频调速的基本控制方式♦异步电动机电压－频率协调控制时的机械特性♦*电力电子变压变频器的主要类型♦变压变频调速系统中的脉宽调制（PWM）技术♦基于异步电动机稳态模型的变压变频调速♦异步电动机的动态数学模型和坐标变换♦基于动态模型按转子磁链定向的矢量控制系统♦基于动态模型按定子磁链控制的直接转矩控制系统第六章笼型异步电机变压变频调速系统（VVVF系统）--转差功率不变型调速系统概述异步电机的变压变频调速系统一般简称为变频调速系统。由于在调速时转差功率不随转速而变化，调速范围宽，无论是高速还是低速时效率都较高，在采取一定的技术措施后能实现高动态性能，可与直流调速系统媲美。因此现在应用面很广，是本篇的重点。§6-1变压变频调速的基本控制方式在进行电机调速时，常须考虑的一个重要因素是：希望保持电机中每极磁通量m为额定值不变。如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；如果过分增大磁通，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。§6-1变压变频调速的基本控制方式•对于直流电机，励磁系统是独立的，只要对电枢反应有恰当的补偿，m保持不变是很容易做到的。•在交流异步电机中，磁通m由定子和转子磁势合成产生，要保持磁通恒定就需要费一些周折了。•定子每相电动势mNs1gΦ44.4SkNfE（6-1）式中：Eg—气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值，单位为V；—定子频率，单位为Hz；—定子每相绕组串联匝数；—基波绕组系数；—每极气隙磁通量，单位为Wb。f1NskNsm§6-1变压变频调速的基本控制方式§6-1变压变频调速的基本控制方式由式（6-1）可知，只要控制好Eg和f1，便可达到控制磁通m的目的，对此，需要考虑基频（额定频率）以下和基频以上两种情况。1.基频以下调速由式（6-1）可知，要保持m不变，当频率f1从额定值f1N向下调节时，必须同时降低Eg，使1gfE常值（6-2）即采用恒值电动势频率比的控制方式。§6-1变压变频调速的基本控制方式•恒压频比的控制方式然而，绕组中的感应电动势是难以直接控制的，当电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压Us≈Eg，则得（6-3）这是恒压频比的控制方式。常值1fUs§6-1变压变频调速的基本控制方式§6-1变压变频调速的基本控制方式但是，在低频时Us和Eg都较小，定子阻抗压降所占的份量就比较显著，不再能忽略。这时，需要人为地把电压Us抬高一些，以便近似地补偿定子压降。带定子压降补偿的恒压频比控制特性示于下图中的b线，无补偿的控制特性则为a线。OUsf1图6-1恒压频比控制特性•带压降补偿的恒压频比控制特性UsNf1Na—无补偿b—带定子压降补偿§6-1变压变频调速的基本控制方式2.基频以上调速在基频以上调速时，频率应该从f1N向上升高，但定子电压Us却不可能超过额定电压UsN，最多只能保持Us=UsN，这将迫使磁通与频率成反比地降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。把基频以下和基频以上两种情况的控制特性画在一起，如下图所示。§6-1变压变频调速的基本控制方式f1N•变压变频控制特性图6-2异步电机变压变频调速的控制特性恒转矩调速UsUsNΦmNΦm恒功率调速ΦmUsf1O§6-1变压变频调速的基本控制方式§6-1变压变频调速的基本控制方式如果电机在不同转速时所带的负载都能使电流达到额定值，即都能在允许温升下长期运行，则转矩基本上随磁通变化，按照电力拖动原理，在基频以下，磁通恒定时转矩也恒定，属于“恒转矩调速”性质，而在基频以上，转速升高时转矩降低，基本上属于“恒功率调速”。§6-2异步电动机电压－频率协调控制时的机械特性本节提要□恒压恒频正弦波供电时异步电动机的机械特性□基频以下电压-频率协调控制时的机械特性□基频以上恒压变频时的机械特性□恒流正弦波供电时的机械特性一、恒压恒频正弦波供电时异步电动机的机械特性第5章式（5-3）已给出异步电机在恒压恒频正弦波供电时的机械特性方程式Te=f(s)。当定子电压Us和电源角频率1恒定时，可以改写成如下形式：2'rs2122'rs'r121spe)()(3llLLsRsRRsUnT（6-4）§6-2异步电动机电压－频率协调控制时的机械特性•特性分析当s很小时，可忽略上式分母中含s各项，则（6-5）也就是说，当s很小时，转矩近似与s成正比，机械特性Te=f（s）是一段直线，见图6-3。sRsUnT'r121spe3§6-2异步电动机电压－频率协调控制时的机械特性当s接近于1时，可忽略式（6-4）分母中的Rr'，则sLLRsRUnTll1])([32'rs212s'r121spe（6-6）即s接近于1时转矩近似与s成反比，这时，Te=f（s）是对称于原点的一段双曲线。§6-2异步电动机电压－频率协调控制时的机械特性•机械特性当s为以上两段的中间数值时，机械特性从直线段逐渐过渡到双曲线段，如图所示。smnn0sTe010TeTemaxTemax图6-3恒压恒频时异步电机的机械特性§6-2异步电动机电压－频率协调控制时的机械特性二、基频以下电压-频率协调控制时的机械特性由式（6-4）机械特性方程式可以看出，对于同一组转矩Te和转速n（或转差率s）的要求，电压Us和频率1可以有多种配合。在Us和1的不同配合下机械特性也是不一样的，因此可以有不同方式的电压－频率协调控制。§6-2异步电动机电压－频率协调控制时的机械特性1.恒压频比控制（Us/1）在第6-1节中已经指出，为了近似地保持气隙磁通不变，以便充分利用电机铁心，发挥电机产生转矩的能力，在基频以下须采用恒压频比控制。这时，同步转速自然要随频率变化。p10260nn（6-7）§6-2异步电动机电压－频率协调控制时的机械特性§6-2异步电动机电压－频率协调控制时的机械特性在式（6-5）所表示的机械特性近似直线段上，可以导出21sper13UnTRs'（6-9）带负载时的转速降落为1p0260snsnn（6-8）§6-2异步电动机电压－频率协调控制时的机械特性由此可见，当Us/1为恒值时，对于同一转矩Te，s1是基本不变的，因而n也是基本不变的。这就是说，在恒压频比的条件下改变频率1时，机械特性基本上是平行下移，如图6-4所示。它们和直流他励电机变压调速时的情况基本相似。§6-2异步电动机电压－频率协调控制时的机械特性所不同的是，当转矩增大到最大值以后，转速再降低，特性就折回来了。而且频率越低时最大转矩值越小，可参看第5章式（5-5），对式（5-5）稍加整理后可得2'rs21s1s21spmaxe)(123llLLRRUnT（6-10）§6-2异步电动机电压－频率协调控制时的机械特性可见最大转矩Temax是随着的1降低而减小的。频率很低时，Temax太小将限制电机的带载能力，采用定子压降补偿，适当地提高电压Us，可以增强带载能力，见图6-4。•机械特性曲线eTOnN0n03n02n01nN1111213131211N1图6-4恒压频比控制时变频调速的机械特性补偿定子压降后的特性§6-2异步电动机电压－频率协调控制时的机械特性图6-5异步电动机稳态等效电路和感应电动势Us1RsLlsL’lrLmR’r/sIsI0I’r2.恒Eg/1控制异步电机的稳态等效电路EgEsEr§6-2异步电动机电压－频率协调控制时的机械特性气隙（或互感）磁通在定子每相绕组中的感应电动势定子全磁通在定子每相绕组中的感应电动势转子全磁通在转子绕组中的感应电动势（折合到定子边）•特性分析如果在电压－频率协调控制中，恰当地提高电压Us的数值，使它在克服定子阻抗压降以后，能维持Eg/1为恒值（基频以下），则由式（6-1）可知，无论频率高低，每极磁通m均为常值。§6-2异步电动机电压－频率协调控制时的机械特性§6-2异步电动机电压－频率协调控制时的机械特性由等效电路可以看出2'r212'rg'rlLsREI（6-11）代入电磁转矩关系式，得2'r2122'r'r121gp'r2'r212'r2g1pe33llLsRRsEnsRLsREnT（6-12）§6-2异步电动机电压－频率协调控制时的机械特性利用与前相似的分析方法，当s很小时，可忽略式（6-12）分母中含s项，则sRsEnT'r121gpe3（6-13）这表明机械特性的这一段近似为一条直线。§6-2异步电动机电压－频率协调控制时的机械特性当s接近于1时，可忽略式（6-12）分母中的Rr'2项，则sLsREnTl132'r1'r21gpe（6-14）s值为上述两段的中间值时，机械特性在直线和双曲线之间逐渐过渡，整条特性与恒压频比特性相似。•性能比较对比式（6-4）和式（6-12）可以看出，恒Eg/1特性分母中含s项的参数要小于恒Us/1特性中的同类项，也就是说，s值要更大一些才能使该项占有显著的份量，从而不能被忽略，因此恒Eg/1特性的线性段范围更宽。§6-2异步电动机电压－频率协调控制时的机械特性§6-2异步电动机电压－频率协调控制时的机械特性将式（6-12）对s求导，并令dTe/ds=0，可得恒Eg/1控制特性在最大转矩时的转差率'r1'rmlLRs（6-15）和最大转矩'r21gpmaxe123lLEnT（6-16）§6-2异步电动机电压－频率协调控制时的机械特性值得注意的是，在式（6-16）中，当Eg/1为恒值时，Temax恒定不变，如下图所示，其稳态性能优于恒Us/1控制的性能。这正是恒Eg/1控制中补偿定子压降所追求的目标。•机械特性曲线eTOnN0n03n02n01nN1111213131211N1Temax恒Eg/1控制时变频调速的机械特性§6-2异步电动机电压－频率协调控制时的机械特性3.恒Er/1控制如果把电压－频率协调控制中的电压再进一步提高，把转子漏抗上的压降也抵消掉，得到恒Er/1控制，那么，机械特性会怎样呢？由此可写出sREI/'rr'r（6-17）§6-2异步电动机电压－频率协调控制时的机械特性§6-2异步电动机电压－频率协调控制时的机械特性代入电磁转矩基本关系式，得'r121rp'r2'r2r1pe33RsEnsRsREnT（6-18）现在，不必再作任何近似就可知道，这时的机械特性完全是一条直线，见图6-6。0s10Te•几种电压－频率协调控制方式的特性比较图6-6不同电压－频率协调控制方式时的机械特性恒Er/1控制恒Eg/1控制恒Us/1控制abc§6-2异步电动机电压－频率协调控制时的机械特性§6-2异步电动机电压－频率协调控制时的机械特性显然，恒Er/1控制的稳态性能最好，可以获得和直流电机一样的线性机械特性。这正是高性能交流变频调速所要求的性能。现在的问题是，怎样控制变频装置的电压和频率才能获得恒定的Er/1呢？§6-2异步电动机电压－频率协调控制时的机械特性按照式（6-1）电动势和磁通的关系，可以看出，当频率恒定时，电动势与磁通成正比。在式（6-1）中，气隙磁通的感应电动势Eg对应于气隙磁通幅值m，那么，转子全磁通的感应电动势Er就应该对应于转子全磁通幅值rm：rmNs1rΦ44.4skNfE（6-19）§6-2异步电动机电压－频率协调控制时的机械特性由此可见，只要能够按照转子全磁通幅值rm=Constant进行控制，就可以获得恒Er/1了。这正是矢量控制系统所遵循的原