在异步电机变压变频调速系统中

第六章笼型异步电动机变压变频调速系统-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变频调速转速开环恒压频比控制调速系统——通用变频器-异步电动机调速系统转速闭环转差频率控制的变压变频调速系统转速开环恒压频比控制调速系统引言直流电机的主磁通和电枢电流分布的空间位置是确定的，而且可以独立进行控制，交流异步电机的磁通则由定子与转子电流合成产生，它的空间位置相对于定子和转子都是运动的，除此以外，在笼型转子异步电机中，转子电流还是不可测和不可控的。因此，异步电机的动态数学模型要比直流电机模型复杂得多，在相当长的时间里，人们对它的精确表述不得要领。好在不少机械负载，例如风机和水泵，并不需要很高的动态性能，只要在一定范围内能实现高效率的调速就行，因此可以只用电机的稳态模型来设计其控制系统。如果要求更高一些的调速范围和起制动性能，可以采用转速闭环转差频率控制的方案。本节中将分别介绍这两类基于稳态数学模型的变压变频调速系统。转速开环恒压频比控制调速系统异步电机的稳态数学模型如本章第6.2节所述，为了实现电压-频率协调控制，可以采用转速开环恒压频比带低频电压补偿的控制方案，这就是常用的通用变频器控制系统。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•概述现代通用变频器大都是采用二极管整流和由快速全控开关器件IGBT或功率模块IPM组成的PWM逆变器，构成交-直-交电压源型变压变频器，已经占领了全世界0.5-500KVA中、小容量变频调速装置的绝大部分市场。所谓“通用”，包含着两方面的含义：（1）可以和通用的笼型异步电机配套使用；（2）具有多种可供选择的功能，适用于各种不同性质的负载。转速开环恒压频比控制调速系统1.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6-37绘出了一种典型的数字控制通用变频器-异步电动机调速系统原理图。主电路——由二极管整流器UR、PWM逆变器UI和中间直流电路三部分组成，一般都是电压源型的，采用大电容C滤波，同时兼有无功功率交换的作用。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：为了避免大电容C在通电瞬间产生过大的充电电流，在整流器和滤波电容间的直流回路上串入限流电阻（或电抗），通上电源时，先限制充电电流，再延时用开关K将其短路，以免长期接入时影响变频器的正常工作，并产生附加损耗。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由于二极管整流器不能为异步电机的再生制动提供反向电流的通路，所以除特殊情况外，通用变频器一般都用电阻吸收制动能量。减速制动时，异步电机进入发电状态，首先通过逆变器的续流二极管向电容C充电，当中间直流回路的电压（通称泵升电压）升高到一定的限制值时，通过泵升限制电路使开关器件导通，将电机释放的动能消耗在制动电阻上。转速开环恒压频比控制调速系统图6-38三相二极管整流电路的输入电流波形进线电抗器——二极管整流器虽然是全波整流装置，但由于其输出端有滤波电容存在，因此输入电流呈脉冲波形，如图6-38所示。这样的电流波形具有较大的谐波分量，使电源受到污染。为了抑制谐波电流，对于容量较大的PWM变频器，都应在输入端设有进线电抗器，有时也可以在整流器和电容器之间串接直流电抗器。还可用来抑制电源电压不平衡对变频器的影响。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~URUIR0R1R2RbVTbKR0R1RbR2控制电路——现代PWM变频器的控制电路大都是以微处理器为核心的数字电路，其功能主要是接受各种设定信息和指令，再根据它们的要求形成驱动逆变器工作的PWM信号，再根据它们的要求形成驱动逆变器工作的PWM信号。微机芯片主要采用8位或16位的单片机，或用32位的DSP。PWM信号产生——可以由微机本身的软件产生，由PWM端口输出，也可采用专用的PWM生成电路芯片。检测与保护电路——各种故障的保护由电压、电流、温度等检测信号经信号处理电路进行分压、光电隔离、滤波、放大等综合处理，再进入A/D转换器，输入给CPU作为控制算法的依据，或者作为开关电平产生保护信号和显示信号。信号设定——需要设定的控制信息主要有：U/f特性、工作频率、频率升高时间、频率下降时间等，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一种是在微机中存储多条不同斜率和折线段的U/f函数，由用户根据需要选择最佳特性；另一种办法是采用霍耳电流传感器检测定子电流或直流回路电流，按电流大小自动补偿定子电压。但无论如何都存在过补偿或欠补偿的可能，这是开环控制系统的不足之处。给定积分——由于系统本身没有自动限制起、制动电流的作用，因此，频率设定信号必须通过给定积分算法产生平缓升速或降速信号，升速和降速的积分时间可以根据负载需要由操作人员分别选择。实现补偿的方法有两种：tff*ufu斜坡函数U/f曲线脉冲发生器驱动电路工作频率设定升降速时间设定电压补偿设定PWM产生图6-39PWM变压变频器的基本控制作用综上所述，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问题的提出前节所述的转速开环变频调速系统可以满足平滑调速的要求，但静、动态性能都有限，要提高静、动态性能，首先要用转速反馈闭环控制。转速闭环系统的静特性比开环系统强，这是很明显的，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。•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运动方程式提高调速系统动态性能主要依靠控制转速的变化率d/dt，根据基本运动方程式，控制电磁转矩就能控制d/dt，因此，归根结底，调速系统的动态性能就是控制转矩的能力。peLddJnTTt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，需要控制的是电压（或电流）和频率，以便提高动态性能。转速闭环转差频率控制调速系统怎样能够通过控制电压（电流）和频率来控制电磁转矩呢?主要从三个方面加以分析1转差频率控制的基本概念2.稳态模型的转差频率控制规律3.组成系统1.转差频率控制的基本概念直流电机的转矩与电枢电流成正比，控制电流就能控制转矩，因此，把直流双闭环调速系统转速调节器的输出信号当作电流给定信号，也就是转矩给定信号。在交流异步电机中，影响转矩的因素较多，控制异步电机转矩的问题也比较复杂。转速闭环转差频率控制调速系统将按照第6.2.2节恒Eg/1控制（即恒m控制）时的电磁转矩公式（6-12）为'1rgep'2222'21r1r3lRnETRsLs（6-12）11sNssNs1smmNsmg14.444.4422πΦΦΦEfNkNkNk转速闭环转差频率控制调速系统代入上式，得'221repsNs'22'2r1r22m32ΦlssRTnNkRL（6-59）令s=s1，并定义为转差角频率；，是电机的结构常数；22mpsNs32KnNk转速闭环转差频率控制调速系统则当电机稳态运行时，s值很小，因而s也很小，只有1的百分之几，可以认为sLlr'Rr'，则转矩可近似表示为'srm'2'2rsmre2()ΦlRKRLT转速闭环转差频率控制调速系统m2esm'rΦTKR（6-61）式（6-61）表明，在s值很小的稳态运行范围内，如果能够保持气隙磁通m不变，异步电机的转矩就近似与转差角频率s成正比。这就是说，在异步电机中控制s，就和直流电机中控制电流一样，能够达到间接控制转矩的目的。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转矩，这就是转差频率控制的基本概念。2.基于异步电机稳态模型的转差频率控制规律上面分析所得的转差频率控制概念是在转矩近似公式（6-61）上得到的，当s较大时，就得采用式（6-60）的精确转矩公式。m2esm'rΦTKR（6-61）'srm'2'2rsmre2()ΦlRKRLT可以看出：•在s较小的稳态运行段上，转矩Te基本上与s成正比，•当Te达到其最大值Temax时，s达到smax值。smaxsmTemaxTemsTe0图6-40按恒Φm值控制的Te=f(s)特性转速闭环转差频率控制调速系统•对于式（6-60），取dTe/ds=0可得emax'mrm22lΦTLK（6-63）'rrsmax'rrllRRLL（6-62）转速闭环转差频率控制调速系统'srm'2'2rsmre2()ΦlRKRLT在转差频率控制系统中，只要给s限幅，使其限幅值为rsmsmaxrlRL（6-64）就可以基本保持Te与s的正比关系，也就可以用转差频率控制来代表转矩控制。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（6-65）转速闭环转差频率控制调速系统上述规律是在保持m恒定的前提下才成立的，于是问题又转化为，如何能保持m恒定？Us1RsLlsL’lrLmR’r/sIsI0I’rEgEsEr我们知道，按恒Eg/1控制时可保持m恒定。在下面图6-5的等效电路中可得：图6-5异步电动机稳态等效电路和感应电动势sgs1ss11s1sgs()()llIERLjjUIREL由此可见，要实现恒Eg/1控制，须在Us/1=恒值的基础上再提高电压Us以补偿定子电流压降。如果忽略电流相量相位变化的影响，不同定子电流时恒Eg/1控制所需的电压-频率特性Us=f(1,Is)如下图所示。转速闭环转差频率控制调速系统图6-41不同定子电流时恒控制所需的电压-频率特性1OsUUs/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上述关系表明，只要Us和1及Is的关系符合上图所示特性，就能保持Eg/1恒定，也就是保持m恒定。这是转差频率控制的基本规律之二。（2）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，就能保持气隙磁通m恒定。转速闭环转差频率控制调速系统总结起来，转差频率控制的规律是：（1）在s≤sm的范围内，转矩Te基本上与s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系统组成控制原理性能评价转速闭环转差频率控制调速系统•系统组成sUsIFBS电压型逆变器M3~ASRs11saUsbUscU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PWM转速闭环转差频率控制调速系统•控制原理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原理图如图6-42所示。•频率控制——转速调节器ASR的输出信号是转差频率给定s*，与实测转速信号相加，即得定子频率给定信号1*，即**s1（6-66）转速闭环转差频率控制调速系统•电压控制——由1和定子电流反馈信号Is从微机存储的Us=f(1,Is)函数中查得定子电压给定信号Us*，用Us*和1*控制PWM电压型逆变器，即得异步电机调速所需的变压变频电源。转速闭环转差频率控制调速系统•性能评价式（6-66）所示的转差角频率s*与实测转速信号相加后得到定子频率输入信号1*这一关系是转差频率控制系统突出的特点或优点。它表明，在调速过程中，实际频率1随着实际转速同步地上升或下降，有如水涨而船高，因此加、减速平滑而且稳定。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节器ASR饱和，系统能用对应于sm的限幅转矩Tem进行控制，保证了在允许条件下的快速性。**s1（6-66）由此可见，转速闭环转差频率控制的交流变压变频调速系统能够象直流电机双闭环控制系统那样具有较好的静、动态性能，是一个比较优越的控