第七章 交-直-交變頻調(diào)速系統(tǒng)

1、第七章第七章 交交-直直-交變頻調(diào)速系統(tǒng)交變頻調(diào)速系統(tǒng) 7.1.1 轉(zhuǎn)差頻率控制的基本思想轉(zhuǎn)差頻率控制的基本思想轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)是一種模擬控制拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩，近似保持控制過(guò)程中磁通恒定的轉(zhuǎn)速閉環(huán)變頻調(diào)速方案，理論上可以獲得與直流電動(dòng)機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)相似的調(diào)速性能。 三相異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩可以表示為22cosmmTCI11112mNNCm N Kp忽略鐵損耗時(shí)三相異步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)等效電路見(jiàn)圖7-1。圖圖7-1 忽略鐵損耗的異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路忽略鐵損耗的異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子相電流 1122222221212EsEIrrsLLs定子每相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 1111111122NmNmEf

2、N KN K2222222221212cosrrsrrsLLs經(jīng)整理，并且定義轉(zhuǎn)差角頻率s=s1得 222222smmsrTKrL211112mNNKm N Kp當(dāng)氣隙磁通m為常數(shù)，且電機(jī)參數(shù)定時(shí)。電磁轉(zhuǎn)矩T是轉(zhuǎn)差角頻率s的函數(shù)。 圖圖7-2 恒磁通時(shí)的恒磁通時(shí)的 曲線曲線sTf令dT/ds=0，可求得對(duì)應(yīng)于最大轉(zhuǎn)矩Tm的轉(zhuǎn)差角頻率相應(yīng)的最大轉(zhuǎn)距為穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，s很小，s也很小， 這是一條過(guò)原點(diǎn)的直線 。2222smrrLL222mmmKTL22smmTKr由此可見(jiàn)，當(dāng)s很小時(shí)，如能保持氣隙磁通m不變，電磁轉(zhuǎn)矩T基本上與轉(zhuǎn)差角頻率s成正比，如同他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與電樞電流成正比一樣。因此，

3、可以通過(guò)控制轉(zhuǎn)差角頻率從來(lái)控制異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩。7.1.2 m恒定對(duì)定子電流的控制要求恒定對(duì)定子電流的控制要求可以通過(guò)控制定子電流I1，來(lái)保持I0 (即m)恒定。102III101mEIjL12212EIrjLs消去 ，得 2I221022()smsrjLLIIrjL222221022222()smsrLLIIrL圖圖7-3 滿(mǎn)足滿(mǎn)足m恒定條件的恒定條件的I1=f（s）函數(shù)函數(shù)7.1.3 轉(zhuǎn)差頻率控制的轉(zhuǎn)速閉環(huán)變頻轉(zhuǎn)差頻率控制的轉(zhuǎn)速閉環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)圖圖7-4 轉(zhuǎn)差頻率控制的轉(zhuǎn)速閉環(huán)電流型變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖轉(zhuǎn)差頻率控制的轉(zhuǎn)速閉環(huán)電流型變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖7.2 諧振型交諧振型交

4、- -直直- -交變頻調(diào)速系統(tǒng)交變頻調(diào)速系統(tǒng)1諧振直流環(huán)節(jié)變頻器供電的異步電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)定向控制系統(tǒng)圖圖7-6 邏輯控制電路邏輯控制電路圖圖7-7 邏輯控制電路的輸出波形邏輯控制電路的輸出波形2諧振直流環(huán)節(jié)變頻器供電的無(wú)換向器異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)圖圖7-8 諧振直流環(huán)節(jié)變頻器供電的無(wú)換向器異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)原理圖諧振直流環(huán)節(jié)變頻器供電的無(wú)換向器異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)原理圖7.3 PWM控制的交控制的交- -直直- -交變頻調(diào)速系統(tǒng)交變頻調(diào)速系統(tǒng)7.4 7.4 異步電動(dòng)機(jī)矢量控制的交異步電動(dòng)機(jī)矢量控制的交- -直直- -交變頻調(diào)速系統(tǒng)交變頻調(diào)速系統(tǒng)1電流型逆變器利用電流模型法的矢量控制系統(tǒng)2電流型逆變器利

5、用電壓模型法的矢量控制系統(tǒng)3電壓型逆變器轉(zhuǎn)矢量控制系統(tǒng)在M、T坐標(biāo)系中，在復(fù)平面上用復(fù)數(shù)寫(xiě)出與電動(dòng)機(jī)定子電壓有關(guān)的方程為 11 12LiMi212 2MiL i11 1111Ui rPj11 11 1211 112Ui rPLiPMijLijMi2212 212LMiL iM iiM2112MMiiiL22211 11111111 11212211MMMMMUi rPLijLiPijiL LL LL1 1111111 1MMi rPL ijL iLLPiji由于， 111MTUUjU111MTiiji1111111111111111MMMTMTTTMTUiiL PiL iLLPiUi iL P

6、iL iLLPi1111MMMUirL Pi1111TTTUi rL Pi11111MTMUL iLLPi11111TMTUL iLLPi111111MMMTTTUUUUUU圖圖7-14 解耦電路框圖解耦電路框圖7.5 7.5 永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制的交永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制的交- -直直- -交變頻調(diào)速系統(tǒng)交變頻調(diào)速系統(tǒng)7.5.1 概述在分析永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制時(shí)，假設(shè)不考慮磁路飽和效應(yīng)，將永久磁鐵等效為一個(gè)恒流源勵(lì)磁，采用固定轉(zhuǎn)子d、q坐標(biāo)系統(tǒng)，設(shè)轉(zhuǎn)子電流空間矢量 ir=Irf=常數(shù)轉(zhuǎn)子上沒(méi)有阻尼繞組，在使用表面磁鐵型永磁同步電動(dòng)機(jī)時(shí)，電機(jī)氣隙較大，磁極的凸極效應(yīng)可以忽略不計(jì)，因此直軸勵(lì)

7、磁電感等于交軸勵(lì)磁電感Lmd=Lmq=Lm。因?yàn)闅庀遁^大，同步電感Ls=Ls+Lm也較小，電樞反應(yīng)也可以忽略不計(jì)，由磁鐵產(chǎn)生磁通與定子繞組相交鏈的磁鏈，就等于勵(lì)磁磁鏈空間矢量。 7.5.2 永磁同步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩圖圖7-15 永磁電動(dòng)機(jī)、電流、磁鏈空間矢量圖永磁電動(dòng)機(jī)、電流、磁鏈空間矢量圖333sin222Nmrf sqNF sqNmrfssrTp L I ipip L Ii7.5.3 永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制圖圖7-16 永磁電動(dòng)機(jī)基速范圍內(nèi)永磁電動(dòng)機(jī)基速范圍內(nèi) 7-17 永磁電動(dòng)機(jī)弱磁范圍內(nèi)運(yùn)永磁電動(dòng)機(jī)弱磁范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)電流矢量圖行時(shí)電流矢量圖 運(yùn)行時(shí)電流矢量圖運(yùn)行時(shí)電流矢量圖永

8、磁同步電動(dòng)機(jī)電壓方程式為 將F代入上式，得 rjsss ssmrdiduR iLLi edtdtrjsss ssFdiduR iLedtdtrjsss ssFdiuR iLjedt穩(wěn)態(tài)時(shí)用時(shí)間相量寫(xiě)出電壓方程式在沒(méi)有電流直軸分量（ ）時(shí)存在直軸分量（ ）時(shí) 00sssssssUR Ij L IEZ IE0sdI0ssssURj LIE0sdI0ssssqsssdURj LIRj LIE圖圖7-18 永磁電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)時(shí)相量圖永磁電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)時(shí)相量圖圖圖7-19 電流控制型電流控制型PWM逆變器驅(qū)動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)線路原理圖逆變器驅(qū)動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)線路原理圖7.5.4 永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制

9、系統(tǒng)圖圖7-20 永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)框圖永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)框圖（1）電流限制環(huán)節(jié)is最大值是受逆變器承受能力限制的。為了滿(mǎn)足弱磁運(yùn)行要求，就要有isd分量，有了isd分量，isq分量 就要減少，其最大值要受限制。 1/222maxsqssdiii（2）時(shí)間滯后補(bǔ)償環(huán)節(jié) 時(shí)間滯后效應(yīng)如圖7-21所示，本來(lái)在d、q坐標(biāo)系統(tǒng)是按電流矢量幅值為is，角度為s作為電流矢量給定值加以控制，但是由于控制回路動(dòng)作總是需要時(shí)間的，當(dāng)信號(hào)起作用時(shí)，電流矢量又向前旋轉(zhuǎn)了角，所以 電流矢量給定值要加以時(shí)間滯后補(bǔ)償。 *jssii e1*jtjsssii ei e11cossin

10、sdsqijitjt由于 cos1t1 sin1t1t故 *1*1sdsdsqsqsqsdiitiiiti7.6 7.6 直接轉(zhuǎn)矩控制的交直接轉(zhuǎn)矩控制的交- -直直- -交變頻交變頻調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)7.6.1異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制（DSC）系統(tǒng)的基本組成磁鏈自控制磁鏈自控制的任務(wù)是選擇正確的區(qū)段，以形成六邊形磁鏈。轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)環(huán)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩直接自控制。磁鏈調(diào)節(jié)磁鏈調(diào)節(jié)環(huán)實(shí)現(xiàn)對(duì)磁鏈幅值的直接自控制。開(kāi)關(guān)信號(hào)選擇開(kāi)關(guān)信號(hào)選擇單元綜合來(lái)自磁鏈控制環(huán)節(jié)、轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)環(huán)和磁鏈調(diào)節(jié)環(huán)的三種開(kāi)關(guān)控制信號(hào)，形成正確的電壓開(kāi)關(guān)信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓空間矢量的正確選擇。開(kāi)關(guān)頻率調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)頻率調(diào)節(jié)環(huán)控制逆變器的開(kāi)關(guān)頻率及轉(zhuǎn)矩

11、容差的大小。異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型包括磁鏈模型和轉(zhuǎn)矩模型。它可以由不同的方案來(lái)實(shí)現(xiàn)，對(duì)輸入量也可以有不同的處理和要求。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。轉(zhuǎn)矩給定值可由轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出得到，也可由單獨(dú)給定得到。7.6.2 磁鏈自控制磁鏈自控制磁鏈自控制的任務(wù)是識(shí)別磁鏈運(yùn)動(dòng)軌跡的區(qū)段，且給出正確的磁鏈開(kāi)關(guān)信號(hào)，以產(chǎn)生相應(yīng)的電壓空間矢量，控制磁鏈按六邊形運(yùn)動(dòng)軌跡正確地旋轉(zhuǎn)。磁鏈自控制任務(wù)的執(zhí)行單元以磁鏈自控制單元為主，配合坐標(biāo)變換器和開(kāi)關(guān)信號(hào)選擇單元，共同完成此項(xiàng)任務(wù)。 1定子磁鏈沿六邊形軌跡正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時(shí)各信號(hào)之間的關(guān)系圖圖7-23 六邊形磁鏈正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時(shí)各量之間的關(guān)系六邊形磁鏈

12、正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時(shí)各量之間的關(guān)系2磁鏈開(kāi)關(guān)信號(hào)正確選擇的實(shí)現(xiàn) 圖圖7-24 反轉(zhuǎn)示意圖反轉(zhuǎn)示意圖 圖圖7-25 由由磁鏈產(chǎn)生的磁鏈開(kāi)關(guān)信號(hào)磁鏈產(chǎn)生的磁鏈開(kāi)關(guān)信號(hào)為此必須采取措施，以實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)的功能。首先從坐標(biāo)變換器著手，-坐標(biāo)系與三相坐標(biāo)系之間的關(guān)系如下： sAss2123Bss2123C圖圖7-26 坐標(biāo)變換器圖坐標(biāo)變換器圖 圖圖7-27 倒相后倒相后三相坐標(biāo)與三相坐標(biāo)與-坐標(biāo)系的關(guān)系坐標(biāo)系的關(guān)系倒相之后的坐標(biāo)關(guān)系代表著反轉(zhuǎn)的方向，如下： sA)2123(ssB)2123(ssCAACBBC7-26所示的坐標(biāo)變換器中，所加入的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)控制信號(hào)稱(chēng)之為P/N信號(hào)。P/N信號(hào)的意義如下： P/N1 時(shí)為

13、正轉(zhuǎn)，稱(chēng)為P運(yùn)轉(zhuǎn)（定子磁鏈空間矢量逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)）。 P/N0時(shí)為反轉(zhuǎn)，稱(chēng)為N運(yùn)轉(zhuǎn)（定子磁鏈空間矢量順時(shí)針旋轉(zhuǎn)）。 P/N信號(hào)由P/N調(diào)節(jié)器提供。 圖圖7-28 磁鏈開(kāi)關(guān)信號(hào)的磁鏈開(kāi)關(guān)信號(hào)的P/N轉(zhuǎn)換過(guò)程轉(zhuǎn)換過(guò)程 3低速時(shí)磁鏈的正反轉(zhuǎn) 圖圖7-29 磁鏈自控制的原理框圖磁鏈自控制的原理框圖圖圖7-30 磁鏈分量、符號(hào)比較器信號(hào)和磁鏈開(kāi)關(guān)信號(hào)波形磁鏈分量、符號(hào)比較器信號(hào)和磁鏈開(kāi)關(guān)信號(hào)波形7.6.3 轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié) 轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)的任務(wù)是實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩的直接控制。直接轉(zhuǎn)矩控制的名稱(chēng)即由此而來(lái)。本節(jié)對(duì)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)作較全面的分析。為了控制轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)必須具備兩個(gè)功能：（1）用轉(zhuǎn)矩兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)器直接調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩。（2）用P

14、/N調(diào)節(jié)器，在調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩的同時(shí)，控制定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)方向。 1轉(zhuǎn)矩兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)器 （1）轉(zhuǎn)矩兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)過(guò)程轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)與磁鏈自控制單元一樣，也是采用施密特觸發(fā)器，只是容差不同。轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的容差是m，且可調(diào)。 圖圖7-31 轉(zhuǎn)矩兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)矩兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)器圖圖7-32 轉(zhuǎn)矩兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)過(guò)程轉(zhuǎn)矩兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)過(guò)程（2）定子磁鏈空間矢量最大軌跡速度定子磁鏈沿六邊形運(yùn)行時(shí)，在軸的最大變化量是 。當(dāng)逆變器的直流電壓恒定且等于2E時(shí)，其軸電軸電壓分量也恒定，幅值為4E/3。由磁鏈與電壓之間的積分關(guān)系得6343200TEs3/20sETs0033009322ssETs為理想空載角速度，s2ns

15、np/60。 可以確定定子磁鏈的最大變化率為 這是定子磁鏈空間矢量最大的軌跡速度。ETs3463200max（3）定子磁鏈空間矢量的平均軌跡速度在穩(wěn)定情況下，定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈以相同的平均角速度旋轉(zhuǎn)。由于轉(zhuǎn)子磁鏈頂點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡近似為圓形，而定子磁鏈的頂點(diǎn)沿六邊形軌跡旋轉(zhuǎn)，因此定子磁鏈空間矢量的平均軌跡速度在區(qū)段內(nèi)各處是不相同的。 圖圖7-33 平均軌跡速度的確定平均軌跡速度的確定如果角速度s恒定，則有 常數(shù) s為定子磁鏈空間矢量與中線的夾角。 式中， 為定子磁鏈的平均軌跡速度。 sBsssscos0ssBcos)()(sssss20cos)()3030(s（4）由轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)所決定的逆變器頻率的估

16、計(jì)當(dāng)， 得轉(zhuǎn)矩最大值為 sinrsmeiKT90rsmeiKTmax空載時(shí)，若忽略損耗，則平均轉(zhuǎn)矩為零，定子磁鏈模值與轉(zhuǎn)子磁鏈模值相等（sr）。得到最大動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩為 2maxeimsTK取最大動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩的一半為基準(zhǔn)值Teik212eikmsTK則得動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩的標(biāo)么值為 式中，(t)為定子磁鏈與轉(zhuǎn)子磁鏈的夾角。 )(sin2tTTTeikeieidtts)()(當(dāng)定子磁鏈的角速度為理想空載轉(zhuǎn)速時(shí)， 因平均轉(zhuǎn)矩為零（理想空載情況下），Tei等于Teid，所以在(t)較小時(shí)，采用近似公式sinxx可得轉(zhuǎn)矩公式 當(dāng)定子磁鏈停止不動(dòng)時(shí) tts)()()(sin2tTei tTsei)(2 tTei2 2)(2

17、21eiseimTTttt msmf1)(2msmf41max,ssssmmff1442max,圖圖7-35 空載時(shí)轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)頻率空載時(shí)轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)頻率（5）轉(zhuǎn)矩的上升與下降時(shí)間)(2seiganTt)1 (40seiganTTtseigabTTt40圖7-36 在轉(zhuǎn)矩給定值從零變化到80%TN時(shí)，轉(zhuǎn)矩的上升和下降時(shí)間與轉(zhuǎn)速的關(guān)系2 P/N調(diào)節(jié)器在轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)中采用P/N調(diào)節(jié)器，可以加快轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)過(guò)程。P/N調(diào)節(jié)器控制定子磁鏈的反向旋轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的迅速減小。P/N調(diào)節(jié)器與轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器有相同的結(jié)構(gòu)，它也是由施密特觸發(fā)器組成，也有調(diào)節(jié)容差。但P/N調(diào)節(jié)器的容差P/N大于轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的容差m。 圖圖7-37

18、完整的轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器完整的轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器 圖圖7-38 定子磁鏈空間矢量旋轉(zhuǎn)方向改定子磁鏈空間矢量旋轉(zhuǎn)方向改變時(shí)變時(shí) 的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩波形的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩波形7.6.4 磁鏈調(diào)節(jié)磁鏈調(diào)節(jié)磁鏈調(diào)節(jié)的任務(wù)是對(duì)磁鏈量進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于定子電阻壓降的影響，在較低轉(zhuǎn)速時(shí)，定子磁鏈幅值將減小。低頻時(shí)，定子磁鏈幅值減小。磁鏈調(diào)節(jié)部分包括磁鏈調(diào)節(jié)和檢測(cè)磁鏈幅值大小得磁鏈幅值構(gòu)成單元。 1磁鏈調(diào)節(jié)器磁鏈電壓是指這樣的定子電壓空間矢量，它的主要作用是加大定子磁鏈幅值。對(duì)磁鏈電壓的選擇有兩種：一種是與磁鏈運(yùn)動(dòng)軌跡成60角的電壓空間矢量；另一種是成120角的電壓空間矢量。 圖圖7-39 磁鏈兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)器磁鏈兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)器圖圖7-40 磁鏈兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)的原理磁鏈