电力拖动自动控制系统运动控制系统

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电力拖动自动控制系统第6章•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。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。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。•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。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”。返回目录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6.2.1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）•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特性分析（续）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。•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6.2.2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。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）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）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。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）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2.恒Eg/1控制下图再次绘出异步电机的稳态等效电路，图中几处感应电动势的意义如下：•Eg—气隙（或互感）磁通在定子每相绕组中的感应电动势；•Es—定子全磁通在定子每相绕组中的感应电动势；•Er—转子全磁通在转子绕组中的感应电动势（折合到定子边）。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’r•异步电动机等效电路EgEsEr•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。特性分析（续）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）特性分析（续）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。特性分析（续）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。•性能比较但是，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。性能比较（续）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）性能比较（续）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）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？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）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则，下面在第6-7节中将详细讨论。4．几种协调控制方式的比较综上所述，在正弦波供电时，按不同规律实现电压－频率协调控制可得不同类型的机械特性。（1）恒压频比（Us/1=Constant）控制最容易实现，它的变频机械特性基本上是平行下移，硬度也较好，能够满足一般的调速要求，但低速带载能力有些差强人意，须对定子压降实行补偿。（2）恒Eg/1控制是通常对恒压频比控制实行电压补偿的标准，可以在稳态时达到rm=Constant，从而改善了低速性能。但机械特性还是非线性的，产生转矩的能力仍受到限制。（3）恒Er/1控制可以得到和直流他励电机一样的线性机械特性，按照转子全磁通rm恒定进行控制，即得Er/1=Constant而且，在动态中也尽可能保持rm恒定是矢量控制系统的目标，当然实现起来是比较复杂的。6.2.3基频以上恒压变频时的机械特性•性能分析在基频以上变频调速时，由于定子电压Us=UsN不变，式（6-4）的机械特性方程式可写成2'rs2122'rs1'r2sNpe)()(3llLLsRsRsRUnT（6-20）性能分析（续）而式（6-10）的最大转矩表达式可改写成（6-21）同步转速的表达式仍和式（6-7）一样。2'rs212ss12sNpmaxe)(123llLLRRUnT•机械特性曲线恒功率调速eTOnN0nc0nb0na0nN1a1b1c1c1b1a1N1由此可见，当角频率提高时，同步转速随之提高，最大转矩减小，机械特性上移，而形状基本不变，如图所示。图6-7基频以上恒压变频调速的机械特性由于频率提高而电压不变，气隙磁通势必减弱，导致转矩的减小，但转速升高了，可以认为输出功率基本不变。所以基频以上变频调速属于