1、電氣傳動(dòng)及控制基礎(chǔ)1第7章 異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)7.1 標(biāo)量控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)7.2 矢量變換控制變頻調(diào)速系統(tǒng)7.3 直接轉(zhuǎn)矩控制變頻調(diào)速系統(tǒng)27.1 標(biāo)量控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)主要內(nèi)容7.1.1 電壓頻率協(xié)調(diào)控制的機(jī)械特性7.1.2 轉(zhuǎn)差頻率控制變頻調(diào)速系統(tǒng)31.恒 控制的機(jī)械特性同步機(jī)械角速度 總漏抗 可以寫成 (7.1)7.1.1 電壓頻率協(xié)調(diào)控制的機(jī)械特性4分析一組機(jī)械特性 推導(dǎo)得： 圖7.1 恒壓頻比控制時(shí)變頻調(diào)速的機(jī)械特性(7.3)結(jié)論：s很小時(shí)，在恒壓頻比條件下改變頻率時(shí)，機(jī)械特性基本上是一族平行的直線。7.1.1 電壓頻率協(xié)調(diào)控制的機(jī)械特性5分析最大轉(zhuǎn)矩由式可以得到結(jié)論：最大轉(zhuǎn)矩

2、是隨著 的降低而減小的。頻率 很低時(shí)， 太小將限制調(diào)速系統(tǒng)的帶負(fù)載能力。 圖7.1 恒壓頻比控制時(shí)變頻調(diào)速的機(jī)械特性(7.4)7.1.1 電壓頻率協(xié)調(diào)控制的機(jī)械特性62.恒 控制時(shí)的機(jī)械特性由右圖等效電路可以看出 代入電磁轉(zhuǎn)矩的基本關(guān)系式得當(dāng)s很小時(shí)，則圖7.2 異步電機(jī)的T型等效電路(7.5)7.1.1 電壓頻率協(xié)調(diào)控制的機(jī)械特性7結(jié)論：對(duì)于一定的 電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差率成比例，亦即這一段機(jī)械特性近似為一條直線。分析式(7.5)在恒控制時(shí)當(dāng)s很小時(shí)，機(jī)械特性基本上是一族平行的直線7.1.1 電壓頻率協(xié)調(diào)控制的機(jī)械特性8 對(duì)式(7.4)求導(dǎo)數(shù)，并令導(dǎo)數(shù)為零，可得：結(jié)論：恒控制時(shí)，最大轉(zhuǎn)矩是恒定的。(

3、7.6)(7.7)7.1.1 電壓頻率協(xié)調(diào)控制的機(jī)械特性91.轉(zhuǎn)差頻率控制的基本原理 提高調(diào)速系統(tǒng)性能需采用閉環(huán)控制 提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能需要控制轉(zhuǎn)矩而異步電機(jī)轉(zhuǎn)矩當(dāng) s很小時(shí) 轉(zhuǎn)差頻率控制的基本思想？令并定義為轉(zhuǎn)差角頻率，則式（7.4）可寫為 7.1.2 轉(zhuǎn)差頻率控制變頻調(diào)速系統(tǒng)101.轉(zhuǎn)差頻率控制的基本原理 轉(zhuǎn)差頻率控制的條件： 恒 即為恒磁通，轉(zhuǎn)差頻率控制的條件之一為保持氣隙磁通 恒定，可以通過(guò)控制勵(lì)磁電流恒定來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖7.4 異步電機(jī)的T型等效電路圖7.3 保持恒定時(shí)Is=f（sl）曲線(7.8)7.1.2 轉(zhuǎn)差頻率控制變頻調(diào)速系統(tǒng)111.轉(zhuǎn)差頻率控制的基本原理實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)差頻率控制的另一個(gè)條件

4、是 很小。根據(jù)可求得：第二個(gè)條件變?yōu)?綜上所述，轉(zhuǎn)差頻率控制的條件是 1.保持氣隙磁通 恒定。 2.保證 (7.9)7.1.2 轉(zhuǎn)差頻率控制變頻調(diào)速系統(tǒng)122. 轉(zhuǎn)差頻率控制變頻調(diào)速系統(tǒng)分析一條機(jī)械特性結(jié)論：即s很小時(shí)，轉(zhuǎn)矩近似與成s正比，機(jī)械特性是一段直線。7.1.2 轉(zhuǎn)差頻率控制變頻調(diào)速系統(tǒng)13系統(tǒng)組成如下圖7.5所示。圖7.5 轉(zhuǎn)速閉環(huán)、轉(zhuǎn)差頻率控制變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖ASR-轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器；GF-函數(shù)發(fā)生器；ACR-電流調(diào)節(jié)器；UR-整流器；DPI-極性鑒別器；GAB-絕對(duì)值變換器；GVF-壓頻變換器；DRC-環(huán)形分配器；AP-脈沖放大器；UI-電流源型逆變器7.1.2 轉(zhuǎn)差頻率控制變頻調(diào)速

5、系統(tǒng)14系統(tǒng)組成變頻器介紹圖7.6 三相逆變器主電路圖7.7 三相逆變器輸出電壓波形（a）180導(dǎo)通型；（b）120導(dǎo)通型7.1.2 轉(zhuǎn)差頻率控制變頻調(diào)速系統(tǒng)15工作過(guò)程分析圖7.8 轉(zhuǎn)速閉環(huán)、轉(zhuǎn)差頻率控制變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖7.1.2 轉(zhuǎn)差頻率控制變頻調(diào)速系統(tǒng)16工作過(guò)程分析圖7.9 轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)運(yùn)行特性圖7.10 轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)抗負(fù)載擾動(dòng)過(guò)程7.1.2 轉(zhuǎn)差頻率控制變頻調(diào)速系統(tǒng)17SPWM驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)差頻率控制變頻調(diào)速系統(tǒng)，原理圖如下。圖7.11 SPWM驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)差頻率控制變頻調(diào)速系統(tǒng)原理圖7.1.2 轉(zhuǎn)差頻率控制變頻調(diào)速系統(tǒng)18電壓正弦PWM逆變器圖7.12 SPWM逆變器主電路（a）主

6、電路；（b）控制原理圖7.1.2 轉(zhuǎn)差頻率控制變頻調(diào)速系統(tǒng)19圖7.13 SPWM脈寬調(diào)制方法與單極式輸出相電壓波形（a）正弦調(diào)制波與三角波；（b）驅(qū)動(dòng)信號(hào)；（c）單極式SPWM輸出相電壓波形電壓正弦PWM逆變器7.1.2 轉(zhuǎn)差頻率控制變頻調(diào)速系統(tǒng)20復(fù)習(xí)思考題61.為什么要采用轉(zhuǎn)差頻率控制方式？2.轉(zhuǎn)差頻率控制的條件是什么？物理系統(tǒng)是如何實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)差頻率控制的條件的？3.轉(zhuǎn)差頻率控制有什么優(yōu)缺點(diǎn)？217.2 矢量變換控制變頻調(diào)速系統(tǒng)主要內(nèi)容7.2.1 矢量變換控制的基本思想7.2.2 矢量變換控制構(gòu)成舉例227.2.1 矢量變換控制的基本思想異步電機(jī)的多變量數(shù)學(xué)模型異步電機(jī)的物理模型如右圖。為了

7、建立數(shù)學(xué)模型，一般作如下假設(shè)：(1)三相繞組對(duì)稱，忽略空間諧波，磁勢(shì)沿氣隙圓周按正弦分布。(2)忽略磁飽和，各繞組的自感和互感都是線性的。(3)忽略鐵損。(4)不考慮頻率和溫度變化對(duì)繞組的影響。圖7.14 異步電機(jī)物理模型23圖7.14 異步電機(jī)物理模型(5)無(wú)論異步電機(jī)轉(zhuǎn)子是繞線式還是鼠籠式，都將它等 效成繞線轉(zhuǎn)子，并折算到定子側(cè)，折算前后的轉(zhuǎn)子每相匝數(shù)都相等。(6)不失一般性地，可將多相繞組等效為空間上互差90電角度的兩相繞組，即直軸和交軸繞組。7.2.1 矢量變換控制的基本思想24異步電機(jī)的多變量數(shù)學(xué)模型定子的電壓方程 轉(zhuǎn)子的電壓方程 磁鏈方程為 圖7.15 異步電機(jī)物理模型7.2.1

8、矢量變換控制的基本思想25分析不同繞組產(chǎn)生的相同旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)比較直流電機(jī)和異步電機(jī)異步電機(jī)的等效直流電機(jī)模型圖7.16 等效的交流繞組和直流繞組（a）ABC繞組；（b）、繞組；（c）MT繞組圖7.17 交流電機(jī)的坐標(biāo)變換結(jié)構(gòu)圖7.2.1 矢量變換控制的基本思想26矢量變換控制的基本思想7.2.1 矢量變換控制的基本思想圖7.18 矢量控制的基本思想277.2.2 矢量變換控制構(gòu)成舉例圖7.19 矢量控制的基本思想 圖7.20 直接磁場(chǎng)定向矢量變換控制變頻調(diào)速系統(tǒng)ASR-轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器；ATR-轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器；AR-磁鏈調(diào)節(jié)器；BRT-轉(zhuǎn)速傳感器28電流滯環(huán)型PWM逆變器圖7.21 滯環(huán)控制電流正弦PWM逆

9、變器原理圖圖7.22滯環(huán)控制電流正弦逆變器輸出電壓和電流波形7.2.2 矢量變換控制構(gòu)成舉例29復(fù)習(xí)思考題71.矢量變換控制的基本原理是什么？2.描述產(chǎn)生相同旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的三個(gè)等效繞組及各繞組所加的電流。3.矢量變換控制中如何實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)中等效直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩和勵(lì)磁電流的控制？307.3 直接轉(zhuǎn)矩控制變頻調(diào)速系統(tǒng)主要內(nèi)容7.3.1 直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理7.3.2 直接轉(zhuǎn)矩控制的基本結(jié)構(gòu)317.3.1 直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理1. 空間電壓矢量的概念三組開關(guān)有8種組合8種開關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)8種電壓狀態(tài)321. 空間電壓矢量的概念 Park矢量表達(dá)式 電壓空間矢量在 坐標(biāo)系中的離散位置 (7.10)7.3.1

10、直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理331. 空間電壓矢量的概念7.3.1 直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理341. 空間電壓矢量的概念7.3.1 直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理351. 空間電壓矢量的概念逆變器的六個(gè)工作電壓對(duì)應(yīng)六個(gè)不同方向的電壓矢量，它們周期性的順序出現(xiàn)，相鄰兩個(gè)矢量之間相差60。電壓空間矢量的幅值不變，都等4E/3.六個(gè)電壓空間矢量的頂點(diǎn)構(gòu)成了正六邊形的六個(gè)頂點(diǎn)。六種狀態(tài)依次經(jīng)過(guò)1-2-3-4-5-6，空間矢量沿逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。零狀態(tài)位于六邊形的中心。7.3.1 直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理362. 磁鏈的控制實(shí)現(xiàn)方式難點(diǎn)7.3.1 直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理373. 電壓空間矢量對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的影響 電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩的大小與定子和轉(zhuǎn)子磁鏈的幅值和兩者的夾角有關(guān)。當(dāng)幅值恒定時(shí)，通過(guò)控制夾角來(lái)實(shí)對(duì)轉(zhuǎn)矩的控制。7.3.1 直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理383. 電壓空間矢量對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的影響圖7.23 電壓矢量對(duì)轉(zhuǎn)矩的影響（a）工作電壓矢量使轉(zhuǎn)矩增加；（b）工作電壓矢量使轉(zhuǎn)矩減小7.3.1 直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理397.3.2 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)1. 磁鏈開環(huán)直接轉(zhuǎn)矩控