第五讲-异步电机的标量控制--资料课件.ppt

1、 标量控制标量控制(scalar control)(scalar control)：出发点是电动机的稳态数学模型，即：出发点是电动机的稳态数学模型，即稳态的等值电路、向量图以及稳态的转矩方程式，只对变量的大稳态的等值电路、向量图以及稳态的转矩方程式，只对变量的大小进行控制，它的控制效果只有在稳态时才符合要求。小进行控制，它的控制效果只有在稳态时才符合要求。矢量控制矢量控制(vector control)(vector control)：出发点是电动机的动态数学模型，：出发点是电动机的动态数学模型，对变量的大小和相位同时进行控制，控制效果在动稳态均有效。对变量的大小和相位同时进行控制，控制效果在

2、动稳态均有效。异步电动机变频异步电动机变频调速的控制方式调速的控制方式（）（）/控制控制（）转差频率控制（）转差频率控制（）矢量控制（磁场定（）矢量控制（磁场定向控制）向控制）（）直接转矩控制（）直接转矩控制属于标量控制属于标量控制属于矢量控制属于矢量控制第五讲第五讲 异步电机标量控制异步电机标量控制 异步电动机的动态模型非常复杂，稳态模型相对简单异步电动机的动态模型非常复杂，稳态模型相对简单 本讲分别介绍两类基于电动机稳态模型的变压变频调本讲分别介绍两类基于电动机稳态模型的变压变频调速系统。速系统。p 带低频电压补偿的带低频电压补偿的V/FV/F控制：对于象风机、水泵这样的控制：对于象风机、

3、水泵这样的负载，并不需要很高的动态性能，只要在一定范围内能负载，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。实现高效率的调速就行。p 转差频率控制：对调速范围和起制动性能要求高一些的，转差频率控制：对调速范围和起制动性能要求高一些的，采用闭环控制。采用闭环控制。第五讲第五讲 异步电机标量控制异步电机标量控制 控制磁通恒定，实现转矩控制。控制磁通恒定，实现转矩控制。当电机运行频率较高时，使定子电压与定子频率保持同当电机运行频率较高时，使定子电压与定子频率保持同比变化；比变化；当电机运行频率较低时，为了抵消定子绕组压降对电机当电机运行频率较低时，为了抵消定子绕组压降对电机转矩的

4、影响，对定子电压进行适当补偿，从而保证近似转矩的影响，对定子电压进行适当补偿，从而保证近似恒磁通。恒磁通。恒压频比（恒压频比（V/F）控制）控制ON0n定子压降补偿后的特性01n12w13w03n02n11wN1w131211N1w ww ww ww w eTPWMPWM电压型逆变器转速开环恒压频比控制系统电压型逆变器转速开环恒压频比控制系统 二极管二极管整流器整流器PWMPWM逆变器逆变器L+IMCG GsU*s*U0UACf fs s*f fs s*恒压频比（恒压频比（V/F）控制）控制 通用变频器：主电路由二极管整流器、滤波电容和电压型通用变频器：主电路由二极管整流器、滤波电容和电压型逆

5、变器组成。逆变器组成。给定信号给定信号电机定子频率电机定子频率fs fs*。恒压频比（恒压频比（V/F）控制）控制 过流、过压抑制过流、过压抑制 为防止起动时因转差频率过大而引起过电流需要限制为防止起动时因转差频率过大而引起过电流需要限制加速时间加速时间；为防止减速时因转差频率过大而引起过电流和过电压为防止减速时因转差频率过大而引起过电流和过电压需要限制需要限制减速时间减速时间。为使电机磁通恒定，为使电机磁通恒定，UsUs*=Gfs=Gfs*为减小定子电阻压降对磁通的影响，函数为减小定子电阻压降对磁通的影响，函数G G要考虑低要考虑低频电压补偿频电压补偿U0U0；电压补偿电压补偿U0U0太小会

6、造成转矩不足，电压补偿太小会造成转矩不足，电压补偿U0U0 太大太大会造成电流过大。会造成电流过大。转速闭环的恒压频比控转速闭环的恒压频比控制制 转速开环的变频调速系统可以满足平滑调速的要求转速开环的变频调速系统可以满足平滑调速的要求n 静态性能：存在静差静态性能：存在静差n 动态性能：动态响应慢动态性能：动态响应慢e e*G G二极管整流器P W M逆变器IMG1G1U0sU*ACG2G2速 度调节器电流限制速度传感器+_+_+fs*frfr*转速反馈转速反馈闭环控制闭环控制转速闭环的恒压频比控转速闭环的恒压频比控制制 转速闭环转速闭环V/FV/F比控制的原理比控制的原理 给定信号：电机速度

7、指令给定信号：电机速度指令fr fr*；速度调节器：速度指令速度调节器：速度指令fr fr*与实际速度与实际速度fr fr相比较，相比较，速度误差经过速度调节器给出定子频率指令；速度误差经过速度调节器给出定子频率指令；电流限制信号：电流超过限制值时通过限制定子电流限制信号：电流超过限制值时通过限制定子频率来限制转差频率，防止电动机失速。频率来限制转差频率，防止电动机失速。恒压频比控制的特点恒压频比控制的特点 控制系统简单，容易实现；控制系统简单，容易实现；p负载变化时稳速性能差，难以准确控制电机转速，负载变化时稳速性能差，难以准确控制电机转速，可采用转速闭环改善。可采用转速闭环改善。p动态性能

8、差，加、减速过快会造成电机失速（转差动态性能差，加、减速过快会造成电机失速（转差频率频率 sl sl超过最大转矩所对应的转差频率超过最大转矩所对应的转差频率 slmslm）。）。p对电压型逆变器来说，加速过快会引起输出过流，对电压型逆变器来说，加速过快会引起输出过流，减速过快会引起输出过流和中间直流侧过压。减速过快会引起输出过流和中间直流侧过压。恒压频比控制的应用恒压频比控制的应用 V/FV/F比控制是一种基于异步电动机稳态模型的控制比控制是一种基于异步电动机稳态模型的控制方案，用于不需要很高动态性能的场合，如风机、方案，用于不需要很高动态性能的场合，如风机、水泵的调速；水泵的调速；通用变频器

9、：通常采用这种控制方案。通用变频器：通常采用这种控制方案。可以和普通笼型异步电动机配套使用；可以和普通笼型异步电动机配套使用；具有多种可供选择的功能，适合于不同性质的负载。具有多种可供选择的功能，适合于不同性质的负载。转差频率控制的提出转差频率控制的提出p开环系统的缺陷：动态特性差，带载特性软 控制目的：实现带转速反馈的闭环控制，提高系统动静态特性u实现方法：控制转矩转差频率控制转差频率控制 转差频率控制的基本原理转差频率控制的基本原理 恒 Es/w1 控制（即恒 m 控制）时的电磁转矩公式为：其中：mNss1mNss1mNss121244.444.4kNkNkNfEsww2lr2122 rr

10、121spe3LsRRsEnTwww转差频率控制转差频率控制 转差频率控制的基本原理转差频率控制的基本原理公式化简后：其中定义Km为电机结构常数：2lr2122 rr12mmeLsRRsKTww2Ns2spm23kNnK转差频率控制转差频率控制 转差频率控制的基本原理转差频率控制的基本原理定义转差角频率ws=sw1，则:当电机稳态运行时，s 值很小，因而 ws也很小，为w1的百分之几，可以认为 ws Llr Rr，则转矩可近似表示为：2lrs2 rrs2mme)(LRRKTwwrs2mmeRKTw转差频率控制转差频率控制 转差频率控制的基本规律一转差频率控制的基本规律一由上式可知，在s 值很小

11、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ws 成正比。这就是说，在异步电机中控制ws，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。u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。rs2mmeRKTw转差频率控制转差频率控制 转差频率控制的基本规律一转差频率控制的基本规律一 在ws 较小的稳态运行段上，转矩 Te基本上与ws 成正比；当Te 达到其最大值Temax 时，ws 达到wsmax值。smaxsmTemaxTemsTeO转差频率控制转差频率控制 转差频率控制的基本规律一转差频率控制的基本规律一异步电动机的电磁转矩公式为：对上式

12、进行求导，令 dTe/dws=0，得到:对应的最大电磁转矩为：2lrs2 rrs2mme)(LRRKTwwlrrlrrmaxsLRLRwlr2mmmaxe2LKT转差频率控制转差频率控制 转差频率控制的基本规律一转差频率控制的基本规律一在转差频率控制系统中，只要给ws 限幅，使其限幅值：u转差频率控制的基本规律一：保证ws在限幅值内，就可以基本保持 Te与ws 的正比关系，也就可以用转差频率控制来代表转矩控制。lrrmaxssmLRww转差频率控制转差频率控制 转差频率控制的基本规律二转差频率控制的基本规律二按恒 Es/w1 控制时可保持m恒定，而Es与Us间的关系为：u由此可见，要实现恒 E

13、s/w1控制，须在Us/w1=恒值的基础上再提高电压 Us 以补偿定子电流压降。sls1sss)j(ELRIUw转差频率控制转差频率控制 转差频率控制的基本规律二转差频率控制的基本规律二忽略电流相量相位变化的影响，不同定子电流时恒 Es/w1 所需的电压-频率特性 如下图所示。1wOsUUs/w w1=Const.Es/w1=Const.定子电流增大的趋势定子电流增大的趋势转差频率控制转差频率控制 转差频率控制的基本规律二转差频率控制的基本规律二定子电流与转差频率的关系如下：u由此可见，要实现恒 Es/w1控制，按右图的关系调节定子电流就能保持励磁电流（磁通）不变。转差频率控制转差频率控制 2

14、22222rslslmsmrslslRLLIIRLww转差频率控制的基本规律二转差频率控制的基本规律二 气隙磁通不变时，在 ws wsm 的范围内，转矩 Te 基本上与 ws 成正比。在不同的定子电流值时，按上图的函数关系 Us=f(w1,Is)控制定子电压和频率，就能保持气隙磁通m恒定。u 转差频率控制的基本规律二：只要 Us 和w1及 Is 的关系符合上图所示特性，就能保持 Es/w1 恒定，也就是保持 m 恒定。转差频率控制转差频率控制 电压源型逆变器的转差频率控制原理图电压源型逆变器的转差频率控制原理图sIsUF BS电电压压型型逆逆变变器器PWMM3 ASRwwsw1w1wsaUsb

15、UscUwsI转差频率控制转差频率控制 原理说明原理说明 给定信号：电机速度指令给定信号：电机速度指令rr*；通过控制电压通过控制电压/频率比实现磁通恒定；频率比实现磁通恒定；速度调节器：速度指令速度调节器：速度指令rr*与实际速度与实际速度rr相比较得速度误差相比较得速度误差信号，速度误差经过带限幅输出的信号，速度误差经过带限幅输出的PIPI调节器调节器(速度调节器速度调节器)后后得到转差频率指令得到转差频率指令*sl sl，具有限幅功能，具有限幅功能(使使slsl*sm)sm)；该转差频率指令与实际转速该转差频率指令与实际转速rr相加产生定子频率指令相加产生定子频率指令*s s；控制该频率

16、指令控制该频率指令*s s再通过一个再通过一个V/FV/F函数发生器产生电压指函数发生器产生电压指令值令值U U*s s，该发生器含有低频定子电压补偿。，该发生器含有低频定子电压补偿。转差频率控制转差频率控制 电流控制型电压源逆变器的转差频率控制原理图电流控制型电压源逆变器的转差频率控制原理图转差频率控制转差频率控制 二极管整流器P W M逆 变 器ACIMPWM发生器PWM发生器PWM发生器+_+_+_参考波形发生器+函数发生器+_速度调节器rwr*wrws*wls*ws sI*a*ib*ic*iaibici 速度调节器的作用与上个例子相同；速度调节器的作用与上个例子相同；转差频率指令转差频

17、率指令*sl sl经过函数发生器产生逆变器的电流指令经过函数发生器产生逆变器的电流指令I I*s s转差频率频率控制的启动过程中的频率变化转差频率频率控制的启动过程中的频率变化转差频率控制转差频率控制 转差频率频率控制的启停过程中的频率变化转差频率频率控制的启停过程中的频率变化启动过程中的频率变化启动过程中的频率变化 停止过程的频率变化停止过程的频率变化转差频率控制转差频率控制 加载过程加载过程 空载运行突然加载时，由于是采用PI调节器作为速度调节器，在稳态时可以实现转子转速无静差。转差频率控制转差频率控制 转差频率控制的优点转差频率控制的优点 在调速过程中，实际频率在调速过程中，实际频率w

18、w1 1随着实际转速随着实际转速 w w 同步地上升或同步地上升或下降，加、减速平滑而且稳定。下降，加、减速平滑而且稳定。在动态过程中转速调节器在动态过程中转速调节器ASRASR饱和，系统能用对应于饱和，系统能用对应于 w wsmsm 的的限幅转矩限幅转矩T Temem 进行控制，保证了在允许条件下的快速性。进行控制，保证了在允许条件下的快速性。采用转速闭环系统，可以实现速度环无静差。采用转速闭环系统，可以实现速度环无静差。具有较好的静、动态性能，是一个比较优越的控制策略，具有较好的静、动态性能，是一个比较优越的控制策略，结构也不算复杂。结构也不算复杂。转差频率控制转差频率控制 转差频率控制的

19、缺点转差频率控制的缺点p 转差频率控制规律是从异电机稳态等效电路出发，保持磁通 m恒定也只在稳态情况下才能成立。m的动态变化会影响系统的实际动态性能。pUs/Is的函数关系中关注定子电流的幅值，没有控制到电流的相位，动态中电流的相位也会影响转矩变化的因素。p 定子电流与转差频率间的关系非线性，通过查表方式实现必然存在误差。p 必须采用转速传感器来实现控制，转速检测信号的误差或者干扰会以正反馈的方式毫无衰减的传递到频率控制信号中。转差频率控制转差频率控制 本章应掌握的主要内容本章应掌握的主要内容 V/FV/F比控制的原理和特点比控制的原理和特点 转差频率间接控制转矩的条件转差频率间接控制转矩的条

20、件 转差频率控制的原理框图转差频率控制的原理框图 采用转差频率控制时，在电机运行过程中转采用转差频率控制时，在电机运行过程中转差频率的变化差频率的变化本讲小结本讲小结 加速时间、减速时间、电压补偿值、起动频率设加速时间、减速时间、电压补偿值、起动频率设置不合适会有什么影响？置不合适会有什么影响？采用转差频率控制后需要设置加减速时间吗？采用转差频率控制后需要设置加减速时间吗？恒磁通的条件和实现方法是什么？恒磁通的条件和实现方法是什么？与与V/FV/F比控制相比，转差频率的优点有哪些？比控制相比，转差频率的优点有哪些？转差频率控制动态性能不如直流电机动态性能的转差频率控制动态性能不如直流电机动态性

21、能的原因是什么？原因是什么？思考题思考题 异步电动机转矩异步电动机转矩-转速特性曲线绘制转速特性曲线绘制利用利用MATLABMATLAB绘出异步电动机的全速度范围转矩绘出异步电动机的全速度范围转矩-转转速特性曲线，其中：速特性曲线，其中：40Hz40Hz、60Hz60Hz、80Hz80Hz采用恒采用恒Us/fUs/f控制控制100Hz100Hz、120Hz120Hz、140Hz140Hz、160Hz160Hz采用恒电压控制采用恒电压控制电机的额定输入条件为电机的额定输入条件为380V/100Hz380V/100Hzp分别绘制出电压、电流、磁通、转差频率、分别绘制出电压、电流、磁通、转差频率、电

22、机转电机转矩、功率与电机转速的关系矩、功率与电机转速的关系专题报告一专题报告一 仿真所用异步电动机参数如下表所示：仿真所用异步电动机参数如下表所示：参数名称参数名称数值数值单位单位定子电阻定子电阻0.144转子电阻转子电阻0.816定子漏电感定子漏电感1.417mH转子漏电感转子漏电感1.294mH互感互感32.848mH电机极对数电机极对数2专题报告一专题报告一 评分标准评分标准项目项目仿真结果仿真结果工作原理描述工作原理描述及仿真结果分及仿真结果分析析报告规范性报告规范性比例比例4%4%3%3%3%3%评价标准评价标准完成电压、电完成电压、电流、电机转矩、流、电机转矩、转差频率、功转差频率

23、、功率、磁通率、磁通6 6条仿条仿真曲线真曲线结果正确结果正确能够正确描述能够正确描述电机在两种工电机在两种工况下的工作原况下的工作原理并分析正确理并分析正确分析仿真结果分析仿真结果符合科技报告符合科技报告格式格式专题报告一专题报告一异步电动机启动过程分析异步电动机启动过程分析 利用MATLAB Simulink中SimPowerSystem模块，进行异步电动机启动过程仿真：直接启动 降压启动 V/f比控制专题报告专题报告2 电机为2.2kW三相鼠笼式异步电动机，参数如下：参数名称参数名称数值数值单位单位额定功率额定功率2.2kW额定转速额定转速1430rpm定子电阻定子电阻2.92 转子电阻

24、转子电阻1.92 定子漏感定子漏感0.013H转子漏感转子漏感0.013H定转子互感定转子互感0.358H极对数极对数2转动惯量转动惯量0.1kg*m2恒转矩负载恒转矩负载5N*m专题报告专题报告2 仿真激励源参数如下：直接启动时，电机端电压为380Vrms/50Hz；降压启动时，电机端电压频率为50Hz，有效值由0Vrms增加至380Vrms；V/f比控制采用电压源型逆变器，直流侧电压为540Vdc，电机端电压频率为由0Hz增加至50Hz，交流电压有效值由0Vrms增加至380Vrms。专题报告专题报告2 仿真结果：主要对启动的速度、启动电流、启动转矩进行对比分析 降压启动中升压时间、V/f比控制中加速时间对启动电流及启动转矩的影响进行分析 形成仿真报告。专题报告专题报告2 评价标准：项目项目仿真结果仿真结果对比分析对比分析报告规范性报告规范性比例3%4%3%评价标准完成全部三个仿真且结果正确对各种启动过程中启动电流、转矩形成原因分析正确符合科技报告格式专题报告专题报告2