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1、交流 电机变频调速讲座 L e c t ur e s o n Va r i ab l e Fr e qu e n c y Sp e e d Co n t r ol o f AC Ma c h i n e s 第五讲 基于稳态模型的异步电动机变压变频调速系统 V V VF S p e e d A d j u s t in g S y s t e ms o f I n d u c t i o n Mo t o r s b a s e d o n S t e a d y S t a t e Mo d e 在 直 流 电动机 中，主 磁 通和 电 枢 电流分 布 的空 间位 置 是确 定 的，而且 可
2、 以独 立控 制，交 流异 步 电动 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 型异 步 电动机 中，转 子 电流 还 是不 可测和不可控的。因此，异步电动 机 的动态 数 学模 型要 比直流 电动机 模型 复 杂得 多，在相 当长 的一 段时 间里，人们对它的精确表述还不得 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 只根 据 电 动 机 的 稳 态 模 型 来 设 计 其 控 制 系 统。
3、异步 电动机 的稳态 数 学模 型如 第一讲 中所述，为了实现 电压一 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。如 果对 调速 范 围和 起 制动 性 能 要求 高 一些，可 以采 用转 速 闭环转 差频率控制的方案。本讲将分别介 绍这两类基于稳态数学模型的变压 变频 调速 系统。5 1转速开环恒压频 比控制调速系 统一通用变频器 一 异步电动机调速 系统 现代通用变频器大都 是采用二极 管整流器 和 由全控 开 关器 件I GBT 或 上海大学陈伯时 Che n B os h i 功 率模
4、块 I P M组成 的P WM 逆变器，构 成交一 直一 交 电压源 型变压变频器，它们 已经 占据 了全 球0-5 0 0 k VA 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：一是可以和通用的笼型异步 图 5 1 数字控制通用变频器 一 异步 电动机调速系统原理图 T H E WOR L D O F l N V E R T E R S 9 3 重庆维普 http:/图5 2 三相二极管整流电路的输入 电 流 波 形 工 作电压：3 8 0 V，5 0 Hz 工 作 电流：6 A(加 载)电动机 配套使 用：二是具有 多种可供 选择的功能，适用于 各种不
5、 同性质 的 负载。图5 1 绘出了一种典型的数字控制 通用变频器一 异步电动机调速系统原理 图。它包括主电路、驱动电路、微机 控 制电路、保护 信 号采 集 与综 合 电 路，图中未 绘出开关器件 的吸 收电路 和其它辅助 电路。通 用 变频器 一 异 步 电动 机 调速 系 统 的主 电路 由二极 管整流 器uR、P WM逆 变器UI 和 中间直流 电路三 部 分组 成，采用 大 电容C 和C，滤波，同时兼有无 功功率交换的作用。为 了 避 免大 电 容在合 上 电源开 关 Q 后通 电的瞬 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中串入 限 流 电 阻 R (或 电抗)
6、。通 上 电 源 时，由R 限制充电电流，经延时在 充 电 完成后 用开 关Q 将R。短路，以 免长期接入R 影响变频器的正常工作 并 产生 附加 损耗。由于二极 管整流器不能为异步 电 动 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(见 图5 1 中的R )吸收 制 动能量。减速制动时，异步 电动机进 入发 电状态，首先通过逆变器的续流 二极管向电容充电，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VT 导通，将 电动机释放 出来 的动能消耗在制动电阻R 上。为 了便 于散热，制动电
7、阻器常作为附件单独 装在变频器机箱外边。9 4 T H E WOR L D OF I N V E R T E R S r一 图 5 3 通用变频器的基本控制作用 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，只有当交流电压 幅值超过电容电 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，因此 输 入电流呈脉；中 波形，如图5 2 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，对于容量较大的通用变频器，都 应在输入端 设有进线电抗器 L i n，有 时也可以在整流器和电容器之间串接 直流电抗器。L i n 还可
8、用来抑制电源电 压不平衡对变频器的影响。现代通用变频器 的控 制电路 大都 是以微处理器为核心的数字电路(见 图5 1)，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P WM信号。微机芯 片主要采用8 位或1 6 位的单片机，或用 3 2 位的DS P(数字信号处理器)，现 在 已有应用RI S C(精简指令集计算 机)的产 品出现，可 以完成 诸如无速 度传感器矢量控 制等更为复杂 的控 制 功能。P WM信号可 以由微机本身的软 件 产生，由P WM端 口输出，也可采用 专用的P WM生成电路芯片。各种故障 的保护由电压、电流、温度等检测信 号经信号处理
9、 电路进行分压、光 电隔 离、滤波、放大等综合处理，再进入 AI D转换器，输 入给CP U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。需要设定的控制信息主要有嘴 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。采用恒压频 比控制时，只 要 改 变设定 的“工作 频 率”信 号，就 可 以平滑地调节 电动机的转速。低频 时，或负载 的性质和大小不 同时，须 靠改变U f 函数发生器的特性来补偿，使 系统 达到E。I f 恒定 的功能(见第一 讲 中有 关 内容)，在通 用变频器 产品 中 称 作“电 压 补 偿”或“转 矩 补
10、偿”。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 曲线，由用户根据 需要选 择最佳特性：另一种办法是采用霍尔 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。由于 系统 本身没有 自动限制起 制 动电流的作用，因此频率设定必须通 过给定积分算法产生平缓的升速或降 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。综上所述，通 用变频器的基本控 制作 用如 图5 3 所示。近年来，许多企 业不断推出具有更多 自动控 制功能的 变频器，使产品性能更加
11、 完善。5 2转速闭环转差频率控制的变压 变频调速系统 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、动态性能都是有限的，要提 高静、动 态性能，首先要用转速反馈闭环控 制，这 时在 图5 1 中就应增 加转 速检 测(硬 件)和 数 字 测 速(软 件)功 能。转速 闭环 系统 的静 特 性 比开环 重庆维普 http:/系统强，这是 很明 显的，但是 否能够 提 高系统 的动态 性 能?还得作 进一步 的探讨。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 c o d t。根据 基本运动方程
12、式，控制 电磁 转矩T 就能控 制 d c o d t，因此，归根结底，调速系统的动态性 能就 是控 制转 矩 的能力。在异步电动机 变压变频调速系统中，需要控制的是 电压(或电流)和频率，怎样通过控制电压(电流)和频率来控 制电磁转矩，便成为提高动态性能时需要解决的问题。5 2 1转差频率控制的基本概念 直流电动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。在交流异步电动机中，影响转矩的因素较多，控制异 步电动机转矩 的问题也 比较复杂。在第一讲 1 2 _ 3 节 中，分 析 了恒E ()控 制(即恒
13、 控 制)时 的电磁转 矩公式，得 到式(1 1 3)，现再 写 出如下：l j 蕊 so2R r(5_1)将 4 4 4 =4 _ 4 4 (13 1 胁 击 sk N s 代 人 式(5 1)，得 S(了O l R瓣 r(5 2)令()s-S()，并 定 义 为 转 差 角 频 率，K m=吾 n 2 2，是 电机 的结构 常数，则=而(0 s R r (5 3)当电机稳态 运行时，s 值很 小，因而()也很小，只有()的百 分之几，可以 认为 C O L lr R r，则 转矩可近似 表 示 为 Km C O s 一(5 4)式(5 4)表 明，在 S 值很 小 的稳态运 行 范 围内，
14、如果 能够保 持气隙磁通 不变，异步电动机的 转矩就近似 与 转差角频 率()成正 比。这就 是说，在异步 电动机 中，控 制()就 能够 达到 间接控 制转矩 的 目的。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。5 _ 2 2基于升 B I L 电动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 是根 据 式(5 4)这个 转 矩近 似 公 式得 到 的，当()较大 时，就 得 采用 式(5 1)的 精 确 转 矩 公 式，把 这 个 转 矩 特 性(即 机 械 特 性)T =f(c o )画在 图5 4 上面，可 以看 出，在()。较小的
15、稳 态运行段，转 矢 巨 T 基本上与()成正比，当T。达到其 最大值 T。时，()。达到()值。对 于式(5 1)，取d T。，d()。=0，可得 值为 Rr Rr (5 5)(5-6)只要 给()限 幅，使其 限幅 R r (57)就可 以基本保 持T。与()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。图 5 4 按恒 0 值控 制的 T。=f()特性 上述规律是在保持 厘定的前提下才成立的，于是问 题又转化为，如何能保 持 恒定?我们知道，按 厘E ()控制时可保持 恒定。在第一讲图 1 3 的等效电路中可得 U s=I s t Rs+j L t+E g +q 名 由此可见，要实现 N _ E c o 控制，须在u。c o =恒值的 基础上再提高电压u。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1 _B E g&)控制所需的 THE W0RL D 0F I NVER TERS 9 5 统 簪一 一一一 率 l；频，m 差 转 而 在 重庆维普 http:/重庆维普 http:/