基于稳态模型的异步电动机调速系统-13电二.ppt

电力拖动自动控制系统 运动控制系统,第5章,基于稳态模型的异步电动机调速系统,基于稳态模型的异步电动机调速,在基于稳态模型的异步电动机调速系统中，采用稳态等值电路来分析异步电动机在不同电压和频率供电条件下的转矩与磁通的稳态关系和机械特性，并在此基础上设计异步电动机调速系统。,基于稳态模型的调速方法,常用的基于稳态模型的异步电动机调速方法有调压调速和变压变频调速两类。,5.1 异步电动机稳态数学模型和调速方法,异步电动机稳态数学模型包括异步电动机稳态等值电路和机械特性，两者既有联系，又有区别。稳态等值电路描述了在一定的转差率下电动机的稳态电气特性。机械特性则表征了转矩与转差率（或转速）的稳态关系。,5,设起动时旋转磁场方向如图为逆时针，磁场转速n1,转子导体静止，与旋转磁场之间存在着相对运动，根据右手定则,转子绕组内电动势和电流方向如图：上进下出,根据左手定则，载流转子导体受力，形成电磁转矩T，方向如图，驱动转子逆时针旋转。,三相异步电动机的基本工作原理回顾,转子转速n总是小于旋 转磁场的转速n1。所以称为异步电动机,异步电动机稳态数学模型,转差率与转速的关系,或,电动机极对数,供电电源频率,同步转速,异步电动机稳态等效电路,图5-1 异步电动机T型等效电路,假定条件：忽略空间和时间谐波，忽略磁饱和，忽略铁损,模拟电阻，等效负载电阻,转子实际电阻,异步电动机稳态等效电路,图5-2 异步电动机简化等效电路,忽略励磁电流,异步电动机稳态等效电路,简化等效电路的相电流,异步电动机的机械特性,异步电动机传递的电磁功率,机械同步角速度,异步电动机的机械特性,异步电动机的电磁转矩（机械特性方程式）,异步电动机的机械特性,对s求导，并令,可求出临界转差率：对应最大转矩的转差率,将sm代入转矩计算公式可得最大转矩，又称临界转矩,异步电动机的机械特性,将机械特性方程式分母展开,异步电动机的机械特性,当s很小时，忽略分母中含s各项,转矩近似与s成正比，机械特性近似为直线,异步电动机的机械特性,当s较大时，忽略分母中s的一次项和零次项,转矩近似与s成反比，机械特性是一段双曲线,异步电动机的机械特性,异步电动机由额定电压、额定频率供电，且无外加电阻和电抗时的机械特性方程式，称作固有特性或自然特性。,图5-3 异步电动机的机械特性,异步电动机的调速方法与气隙磁通,异步电动机的调速方法所谓调速，就是人为地改变机械特性的参数，使电动机的稳定工作点偏离固有特性，工作在人为机械特性上，以达到调速的目的。,异步电动机的调速方法,由异步电动机的机械特性方程式,可知，能够改变的参数可分为3类：电动机参数、电源电压和电源频率（或角频率）。,异步电动机的气隙磁通,三相异步电动机定子每相电动势的有效值,忽略定子绕组电阻和漏磁感抗压降,异步电动机的气隙磁通,气隙磁通,为了保持气隙磁通恒定，应使,或近似为,5.2 异步电动机调压调速,保持电源频率为额定频率，只改变定子电压的调速方法称作调压调速。由于受电动机绝缘和磁路饱和的限制，定子电压只能降低，不能升高，故又称作降压调速。,异步电动机调压调速,调压调速的基本特征：电动机同步转速保持额定值不变,气隙磁通,随定子电压的降低而减小，属于弱磁调速。,5.2.1 异步电动机调压调速的主电路,图5-4 晶闸管交流调压器调速,TVC双向晶闸管交流调压器a)不可逆电路b)可逆电路,5.2.2 异步电动机调压调速的机械特性,可调,调压调速的机械特性表达式,电磁转矩与定子电压的平方成正比,5.2.2 异步电动机调压调速的机械特性,临界转差率保持不变,理想空载转速保持为同步转速不变,5.2.2 异步电动机调压调速的机械特性,临界转矩,随定子电压的减小而成平方比地下降,5.2.2 异步电动机调压调速的机械特性,图5-5 异步电动机调压调速的机械特性,5.2.2 异步电动机调压调速的机械特性,带恒转矩负载时，普通笼型异步电动机降压调速时的稳定工作范围为,调速范围有限，图中A、B、C为恒转矩负载在不同电压时的稳定工作点。带风机类负载运行，调速范围可以稍大一些，图中D、E、F为风机类负载在不同电压时的稳定工作点。,5.2.2 异步电动机调压调速的机械特性,带恒转矩负载工作时，定子侧输入的电磁功率,故电磁功率恒定不变，与转速无关。,均为常数,5.2.2 异步电动机调压调速的机械特性,转差功率,随着转差率的加大而增加。带恒转矩负载的降压调速就是靠增大转差功率、减小输出功率来换取转速的降低。增加的转差功率全部消耗在转子电阻上，这就是转差功率消耗型的由来。,5.2.2 异步电动机调压调速的机械特性,增加转子电阻值，临界转差率加大，可以扩大恒转矩负载下的调速范围，这种高转子电阻电动机又称作交流力矩电动机。缺点是机械特性较软。,图5-6 高转子电阻电动机（交流力矩电动机）在不同电压下的机械特性,5.2.3 闭环控制的调压调速系统,要求带恒转矩负载的调压系统具有较大的调速范围时，往往须采用带转速反馈的闭环控制系统。,图5-7 带转速负反馈闭环控制的交流调压调速系统,5.2.3 闭环控制的调压调速系统,当系统带负载稳定时，如果负载增大或减小，引起转速下降或上升，反馈控制作用会自动调整定子电压，使闭环系统工作在新的稳定工作点。按照反馈控制规律，将稳定工作点连接起来便是闭环系统的静特性。,5.2.3 闭环控制的调压调速系统,静特性左右两边都有极限，它们是额定电压下的机械特性和最小输出电压下的机械特性。,图5-8 转速闭环控制的交流调压调速系统静特性,降压控制应用,三相异步电动机直接接电网起动时，起动电流比较大，而起动转矩并不大。,降压控制应用,中、大容量电动机的起动电流大，会使电网压降过大，影响其它用电设备的正常运行，甚至使该电动机本身根本起动不起来。必须采取措施来降低其起动电流，常用的办法是降压起动。,*软起动器,当电压降低时，起动电流将随电压成正比地降低，从而可以避开起动电流冲击的高峰。起动转矩与电压的平方成正比，起动转矩的减小将比起动电流的降低更多，降压起动时又会出现起动转矩不够的问题。降压起动只适用于中、大容量电动机空载（或轻载）起动的场合。,5.3 异步电动机变压变频调速,变压变频调速是改变异步电动机同步转速的一种调速方法，同步转速随频率而变化,5.3.1 变压变频调速的基本原理,异步电动机的实际转速,稳态速降,随负载大小变化,气隙磁通控制,只要控制,便可控制气隙磁通,基频以下调速,当异步电动机在基频（额定频率）以下运行时，如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；如果磁通过大，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时还会因绕组过热而损坏电机。最好是保持每极磁通量为额定值不变。,基频以下调速,当频率从额定值向下调节时，必须使,基频以下应采用电动势频率比为恒值的控制方式。,基频以下调速,恒压频比的控制方式 Eg难以确定，当电动势值较高时，忽略定子电阻和漏感压降，认为,基频以下调速,低频补偿（低频转矩提升）低频时，比较小，定子电阻和漏感压降所占的份量比较显著，不能再忽略。人为地把定子电压抬高一些，以补偿定子阻抗压降，称作低频补偿。负载大小不同，需要补偿的定子电压也不一样。,基频以下调速,通常在控制软件中备有不同斜率的补偿特性，以供用户选择。a无补偿 b带定子电压补偿,图5-9 恒压频比控制特性,基频以上调速,在基频以上调速时，频率从向上升高，受到电机绝缘耐压和磁路饱和的限制，定子电压不能随之升高，最多只能保持额定电压不变。这将导致磁通与频率成反比地降低，使得异步电动机工作在弱磁状态。,变压变频调速,图5-10 异步电动机变压变频调速的控制特性,5.3.2 变压变频调速时的机械特性,基频以下采用恒压频比控制 异步电动机机械特性方程式改写为,基频以下调速,当s很小时，忽略上式分母中含s各项，,则,基频以下调速,对于同一转矩，转速降落基本不变,在恒压频比的条件下把频率向下调节时，机械特性基本上是平行下移的。,基频以下调速,临界转矩,随着频率的降低而减小。当频率较低时，电动机带载能力减弱，采用低频定子压降补偿，适当地提高电压，可以增强带载能力。,改写成,基频以下调速,转差功率,与转速无关，故称作转差功率不变型。,基频以上调速,电压不能从额定值再向上提高，只能保持不变，机械特性方程式可写成,临界转矩表达式,基频以上调速,临界转差,当s很小时，忽略上式分母中含s各项,或,基频以上调速,带负载时的转速降落,对于相同的电磁转矩，角频率越大，转速降落越大，机械特性越软，与直流电动机弱磁调速相似。,基频以上调速,转差功率,带恒功率负载运行时,转差功率基本不变。,变压变频调速时的机械特性,图5-11 异步电动机变压变频调速机械特性,变压变频调速,在基频以下，由于磁通恒定，允许输出转矩也恒定，属于“恒转矩调速”方式。在基频以上，转速升高时磁通减小，允许输出转矩也随之降低，由于转速上升，允许输出功率基本恒定，属于“近似的恒功率调速”方式。,5.3.3 基频以下电压补偿控制,在基频以下运行时，采用恒压频比的控制方法具有控制简便的优点。但负载的变化时定子压降不同，将导致磁通改变，须采用定子电压补偿控制。根据定子电流的大小改变定子电压，以保持磁通恒定。,5.3.3 基频以下电压补偿控制,图5-12 异步电动机等值电路和感应电动势,三种感应电动势,定子全磁通在定子每相绕组中的感应电动势,转子全磁通在转子每相绕组中的感应电动势（折合到定子边）,气隙磁通在定子每相绕组中的感应电动势,三种磁通,恒定子磁通控制,保持定子磁通恒定：,定子电动势不好直接控制，能够直接控制的只有定子电压，按,补偿定子电阻压降，就能够得到恒定子磁通。,常值,恒定子磁通控制,忽略励磁电流，转子电流,电磁转矩,恒压频比控制时的转矩式,两式相比可知，恒定子磁通控制时转矩表达式的分母小于恒压频比控制特性中的同类项。当转差率s相同时，采用恒定子磁通控制方式的电磁转矩大于恒压频比控制方式。或者说，当负载转矩相同时，恒定子磁通控制方式的转速降比恒压频比方式小。,恒定子磁通控制时的转矩表达式,恒定子磁通控制,临界转差率,临界转矩,频率变化时，恒定子磁通控制的临界转矩恒定不变。,恒压频比控制时的临界转差率表达式,恒定子磁通控制时的临界转差率表达式,恒压频比控制时的临界转矩表达式,恒定子磁通控制时的临界转矩表达式,比较可知恒定子磁通控制的临界转差率大于恒压频比控制方式。恒定子磁通控制的临界转矩也大于恒压频比控制方式。,恒气隙磁通控制,保持气隙磁通恒定：,定子电压,除了补偿定子电阻压降外，还应补偿定子漏抗压降。,常值,恒气隙磁通控制,转子电流,电磁转矩,恒气隙磁通控制,临界转差率,临界转矩,与恒定子磁通控制方式相比较，恒气隙磁通控制方式的临界转差率和临界转矩更大，机械特性更硬。,恒定子磁通控制,恒转子磁通控制,保持转子磁通恒定：,定子电压,除了补偿定子电阻压降外，还应补偿定子和转子漏抗压降。,常值,恒转子磁通控制,转子电流,电磁转矩,恒转子磁通控制,机械特性完全是一条直线，可以获得和直流电动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稳态性能。,不同控制方式下的机械特性,图5-13 异步电动机在不同控制方式下的机械特性,a）恒压频比控制b）恒定子磁通控制c）恒气隙磁通控制 d）恒转子磁通控制,不同控制方式的比较,恒压频比控制最容易实现，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，低速时需适当提高定子电压，以近似补偿定子阻抗压降。,恒定子磁通、恒气隙磁通和恒转子磁通的控制方式均需要定子电压补偿，控制要复杂一些。恒定子磁通和恒气隙磁通的控制方式虽然改善了低速性能。但机械特性还是非线性的，仍受到临界转矩的限制。恒转子磁通控制方式可以获得和直流他励电动机一样的线性机械特性，性能最佳。,5.4 电力电子变压变频器,异步电动机变频调速需要电压与频率均可调的交流电源，常用的交流可调电源是由电力电子器件构成的静止式功率变换器，一般称为变频器。,5.4 电力电子变压变频器,交-直-交变频器：先将恒压恒频的交流电整成直流，再将直流电逆变成电压与频率均为可调的交流，称作间接变频。交-交变频器：将恒压恒频的交流电直接变换为电压与频率均为可调的交流电，无需中间直流环节，称作直接变频。,5.4 电力电子变压变频器,图5-14 变频器结构示意图,a）交-直-交变频器b）交-交变频器,脉冲宽度调制技术,现代变频器中用得最多的控制技术是脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation），简称PWM。基本思想是控制逆变器中电力电子器件的开通或关断，输出电压为幅值相等、宽度按一定规律变化的脉冲序列，用这样的高频脉冲序列代替期望的输出电压。,5.4.1 PWM变频器主回路,图5-15 交-直-交变频器主回路结构图,先将工频交流电源通过不可控整流桥变换成直流，再通过逆变器变换成可控频率和电压的交流。中间的滤波环节为减少直流电压脉动而设置。,面积等效原理 是PWM控制技术的重要理论基础。原理内容：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量即指窄脉冲的面积。效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。,正弦波脉宽调制技术,用PWM波代替正弦半波 将正弦半波看成是由N个彼此相连的脉冲宽度为/N，但幅值顶部是曲线且大小按正弦规律变化的脉冲序列组成的。把上述脉冲序列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积（冲量）相等，这就是PWM波形。,按照波形面积相等的原则，每一个矩形波的面积与相应位置的正弦波面积相等，因而这个序列的矩形波与期望的正弦波等效。这种调制方法称作正弦波脉宽调制（Sinusoidal pulse width modulation，简称SPWM），这种序列的矩形波称作SPWM波。,应用PWM控制技术的变压变频器一般都是电压源型的，它可以按需要方便地控制其输出电压，为此前述的PWM控制技术都是以输出电压近似正弦波为目标的。电流波形则因为负载的性质和大小而异。,但是，在电流电机中，实际需要保证的应该是正弦波电流，因为在交流电机绕组中只有通入三相平衡的正弦电流才能使合成的电磁转矩为恒定值，不含脉动分量。因此，若能对电流实行闭环控制，以保证其正弦波形，显然将比电压开环控制能够获得更好的性能。,5.4.4 电流跟踪PWM（CFPWM）控制技术,电流跟踪PWM（CFPWM，Current Follow PWM）的控制方法是：在原来主回路的基础上，采用电流闭环控制，使实际电流快速跟随给定值。在稳态时，尽可能使实际电流接近正弦波形，这就能比电压控制的SPWM获得更好的性能。,图5-19 电流滞环跟踪控制的A相原理图,电流控制器是带滞环的比较器，环宽为2h。将给定电流与输出电流进行比较，电流偏差超过h时，经滞环控制器HBC控制逆变器上（或下）桥臂的功率器件动作，使输出电流给定值之间的偏差保持在范围内，在正弦波上下作锯齿状变化。,电流滞环跟踪控制时的电流波形,问题的提出,经典的SPWM控制主要着眼于使变压变频器的输出电压尽量接近正弦波，并未顾及输出电流的波形。而电流滞环跟踪控制则直接控制输出电流，使之在正弦波附近变化，这就比只要求正弦电压前进了一步。然而交流电动机需要输入三相正弦电流的最终目的是在电动机空间形成圆形旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩。,5.4.5 电压空间矢量PWM（SVPWM）控制技术,把逆变器和交流电动机视为一体，以圆形旋转磁场为目标来控制逆变器的工作，这种控制方法称作“磁链跟踪控制”，磁链轨迹的控制是通过交替使用不同的电压空间矢量实现的，所以又称“电压空间矢量PWM（SVPWM，Space Vector PWM）控制”。,A，B，C分别表示在空间静止不动的电机定子三相绕组的轴线，它们在空间互差120o 三相定子相电压分别加在三相绕组上，可定义为三个电压空间矢量uA0，uB0，uC0。,电压空间矢量,1.空间矢量的定义,电压空间矢量的相互关系,定子电压空间矢量：uA0、uB0、uC0 的方向始终处于各相绕组的轴线上，而大小则随时间按正弦规律脉动，时间相位互相错开的角度也是120。,电压空间矢量的相互关系（续）,合成空间矢量：由三相定子电压空间矢量相加合成的空间矢量 us,的合成矢量,与定子电压空间矢量相仿，可以定义定子电流和磁链的空间矢量 Is 和s。,2.电压与磁链空间矢量的关系,定子电流空间矢量,定子磁链空间矢量,每一相的电压平衡方程式（由法拉第电磁感应定律推出）,三相的电压平衡方程式相加,2.电压与磁链空间矢量的关系,式中,us 定子三相电压合成空间矢量；is 定子三相电流合成空间矢量；s 定子三相磁链合成空间矢量。,合成空间矢量表示的电压方程式为,近似关系,当电动机转速不是很低时，定子电阻压降所占的成分很小，可忽略不计，则定子合成电压与合成磁链空间矢量的近似关系为,或,磁链轨迹,当电动机由三相平衡正弦电压供电时，电动机定子磁链幅值恒定，其空间矢量以恒速旋转，磁链矢量顶端的运动轨迹呈圆形（一般简称为磁链圆）。这样的定子磁链旋转矢量可用下式表示。,其中 m是磁链s的幅值，1为其旋转角速度。,合成磁势矢量的端点轨迹是个圆，。.查烽炜电机及拖动（第4版）顾绳谷电机与拖动网页Ac-motor.swf,上式表明，当磁链幅值一定时，us的大小与供电电压频率1成正比，其方向则与磁链矢量正交，即磁链圆的切线方向，,磁场轨迹与电压空间矢量运动轨迹的关系,如图所示，当磁链矢量在空间旋转一周时，电压矢量也连续地按磁链圆的切线方向运动2弧度，其轨迹与磁链圆重合。这样，电动机旋转磁场的轨迹问题就可转化为电压空间矢量的运动轨迹问题。,旋转磁场与电压空间矢量的运动轨迹,3.正六边形空间旋转磁场,（1）电压空间矢量运动轨迹 在变压变频调速系统中异步电机由三相PWM逆变器供电，供电电压和三相平衡正弦电压有所不同，三相逆变器-异步电动机调速系统主电路的原理图如下。为了便于理解，图中六个功率开关器件都用开关符号代替。,三相逆变器-异步电动机调速系统主电路原理图,电机正常工作需要三相同时供电，所以在任一时刻一定有处于不同桥臂下的三个器件同时导通，而相应桥臂的另三个器件则处于关断状态。,“上管导通“1”状态“下管导通“0”状态。,对应于111和000这两个状态的矢量，称为零矢量，零矢量的幅值为零。其余六种开关状态为非零矢量。,开关工作状态,6 种有效开关状态；2 种无效状态（因为逆变器这时并没有输出电压）：上桥臂开关 VT1、VT3、VT5 全部导通下桥臂开关 VT2、VT4、VT6 全部导通开关控制模式 输出的每个周期中6 种有效的工作状态各出现一次。逆变器每隔2/6（/3）时刻就切换一次工作状态（即换相），而在这/3 时刻内则保持不变。,设工作周期从100状态开始，这时VT1、VT6、VT2导通，各相对直流电源中点O的电压幅值为 UAO=Ud/2 UBO=UCO=-Ud/2,由图可知，三相的合成空间矢量为 u1，其幅值等于Ud，方向沿A轴。存在的时间是/3。,（b）工作状态100的合成电压空间矢量,u1 存在的时间为/3，在这段时间以后，工作状态转为110。这时VT1、VT3、VT2导通，各相对直流电源中点O的电压幅值为：,UCO=-Ud/2 UBO=UAO=Ud/2,合成空间矢量变成图中的 u2，其幅值等于Ud，它在空间上滞后于u1 的相位为/3 弧度，存在的时间也是/3。,（c）工作状态110的合成电压空间矢量,（d）每个周期的六边形合成电压空间矢量,依此类推，随着逆变器工作状态的切换，电压空间矢量的幅值不变，而相位每次旋转/3，直到一个周期结束。这样，在一个周期中 6 个电压空间矢量共转过 2 弧度，形成一个封闭的正六边形，如图所示。,（2）定子磁链矢量端点的运动轨迹,六拍逆变器供电时电动机电压空间矢量与磁链矢量的关系,设在逆变器工作开始时定子磁链空间矢量为1，在第一个/3 期间，电动机上施加的电压空间矢量为图中的 u1，按照式 可以写成,也就是说，在/3 所对应的时间 t 内，施加 u1的结果是使定子磁链 1 产生一个增量，其幅值|u1|与成正比，方向与u1一致，最后得到图示的新的磁链，而,依此类推，在一个周期内，6个磁链空间矢量呈放射状，矢量的尾部都在O点，其顶端的运动轨迹也就是6个电压空间矢量所围成的正六边形。,如前分析，我们可以得到的结论是：如果交流电动机仅由常规的六拍阶梯波逆变器供电，磁链轨迹便是六边形的旋转磁场，这显然不象在正弦波供电时所产生的圆形旋转磁场那样能使电动机获得匀速运行。如果想获得更多边形或逼近圆形的旋转磁场，就必须在每一个期间内出现多个工作状态，以形成更多的相位不同的电压空间矢量。为此，必须对逆变器的控制模式进行改造。,线性组合法的基本思路,图6-31 逼近圆形时的磁链增量轨迹,如果要逼近圆形，可以增加切换次数，设想磁链增量由图中的11，12，13，14 这4段组成。这时，每段施加的电压空间矢量的相位都不一样，可以用基本电压矢量线性组合的方法获得。,将占据/3的定子磁链矢量轨迹等分为N个小区间，每个小区间所占的时间,定子磁链矢量轨迹为正6N边形，轨迹更接近于圆，谐波分量小，能有效减小转矩脉动。,在每个小区间内，定子磁链矢量的增量为,图5-31 期望的定子磁链矢量轨迹,非基本电压矢量，必须用两个基本矢量合成。,SVPWM控制的特点,8个基本输出矢量，6个有效工作矢量和2个零矢量，在一个旋转周期内，每个有效工作矢量只作用1次的方式，生成正6边形的旋转磁链，谐波分量大，导致转矩脉动。用相邻的2个有效工作矢量，合成任意的期望输出电压矢量，使磁链轨迹接近于圆。开关周期越小，旋转磁场越接近于圆，但功率器件的开关频率将提高。,SVPWM控制的特点,用电压空间矢量直接生成三相PWM波，计算简便。与一般的SPWM相比较，SVPWM控制方式的输出电压最多可提高15%。,*5.4.6 交流PWM变频器-异步电动机系统的特殊问题,PWM变频器的输出电压为等幅不等宽的脉冲序列，该脉冲序列可分解为基波和一系列谐波分量。基波产生恒定的电磁转矩，而谐波分量则带来一些负面效应。,转矩脉动,5次和7次谐波电流产生6次的脉动转矩，11次和13次谐波电流产生12次的脉动转矩。在PWM控制时，应抑制这些谐波分量。当k继续增大时，谐波电流较小，脉动转矩不大，可忽略不计。,电压变化率,当电动机由三相平衡电压供电时，线电压的变化率,电压变化率,采用PWM方式供电时，线电压的跳变在瞬间完成，幅值为,因此，,很大,在电动机绕组的匝间和轴间产生较大的漏电流，不利于电动机的正常运行。采用多重化技术，可有效降低电压变化率，但变频器主回路和控制将复杂得多。,能量回馈与泵升电压,采用不可控整流的交-直-交变频器，能量不能从直流侧回馈至电网，交流电动机工作在发电制动状态时，能量从电动机侧回馈至直流侧，导致直流电压上升，称为泵升电压。电动机储存的动能较大、制动时间较短或电动机长时间工作在发电制动状态时，泵升电压很高，严重时将损坏变频器。,泵升电压的限制,在直流侧并入一个制动电阻，当泵升电压达到一定值时，开通与制动电阻相串联的功率器件，通过制动电阻释放电能，以降低泵升电压。在直流侧并入一组晶闸管有源逆变器或采用PWM可控整流，当泵升电压升高时，将能量回馈至电网，以限制泵升电压。,泵升电压的限制,图5-36 带制动电阻的交-直-交变频器主回路,泵升电压的限制,图5-37 直流侧并晶闸管有源逆变器的交-直-交变频器主回路,泵升电压的限制,图5-38 PWM可控整流的交-直-交变频器主回路,对电网的污染,由于直流侧存在较大的滤波电容，只有当输入交流线电压幅值大于电容电压时，才有充电电流流通，交流电压低于电容电压时，电流便终止。电流波形具有较大的谐波分量，使电源受到污染。,对电网的污染,图5-39 电网侧输入电流波形,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，因此可以根据电机的稳态模型采用电压-频率协调控制的方案，这就是常用的通用变频器控制系统。,5.5 转速开环变压变频调速系统,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0.5500KVA 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。系统介绍 图5-41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。,1.系统组成,2.电路分析,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。,主电路（续）,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。,主电路（续）,泵升限制电路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。为了便于散热，制动电阻器常作为附件单独装在变频器机箱外边。,电路分析（续）,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。,控制电路（续）,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。,控制电路（续）,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。由于通用变频器-异步电动机系统是转速或频率开环、恒压频比控制系统，低频时，或负载的性质和大小不同时，都得靠改变 U/f 函数发生器的特性来补偿，使系统达到恒定，甚至恒定的功能在通用产品中称作“电压补偿”或“转矩补偿”。,补偿方法,实现补偿的方法有两种：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。,控制电路（续）,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，频定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。,控制电路（续）,工作频率设定,升降速时间设定,电压补偿设定,PWM产生,PWM变压变频器的基本控制作用,5.6 转速闭环转差频率控制的变压变频调速系统,电力传动的基本控制规律,我们知道，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。,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，怎样能够通过控制电压（电流）和频率来控制电磁转矩，这是寻求提高动态性能时需要解决的问题。,5.6.1 转差频率控制的基本概念及特点,异步电动机恒气隙磁通的电磁转矩公式,代入电磁转矩公式，得,电机结构常数,定义转差角频率,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 s Llr Rr，则转矩可近似表示为,（5-104）,（5-105）,保持气隙磁通不变，在s值较小的稳态运行范围内，异步电动机的转矩就近似与转差角频率成正比。在保持气隙磁通不变的前提下，可以通过控制转差角频率来控制转矩，这就是转差频率控制的基本思想。,式（5-105）的转矩表达式是在s 较小的情况下得到的，当s 较大时，就得采用式（5-104）的精确转矩公式，把这个转矩特性（即机械特性）画在下图,（5-104）,（5-105）,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。,图5-42 按恒m值控制的 Te=f(s)特性,对于式（5-104），取 dTe/ds=0 可得,（5-107）,（5-106）,（5-104）,在转差频率控制系统中，只要给s 限幅，使其限幅值为,（5-108）,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。,如何保持气隙磁通恒定，是转差频率控制系统要解决的第二个问题。保持气隙磁通恒定，异步电动机定子电压,必须采用定子电压补偿控制，以抵消定子电阻和漏抗的压降。,转差频率控制的基本思想,定子电压补偿应该是幅值和相位的补偿，但控制系统复杂。一般采用幅值补偿，则电压频率特性为,其中,转差频率控制的基本思想,高频时，定子漏抗压降占主导地位，可忽略定子电阻，简化为,电压频率特性近似呈线性；低频时，定子电阻的影响不可忽略，曲线呈现非线性性质。,转差频率控制的基本思想,高频时，近似呈线性；低频时，呈非线性。,图5-43 定子电压补偿控制的电压频率特性,转差频率控制的规律,转矩基本上与转差频率成正比，条件是气隙磁通不变，且,在不同的定子电流值时，按定子电压补偿控制的电压频率特性关系控制定子电压和频率，就能保持气隙磁通恒定。,