16 异步电机变压变频调速-开闭环实现
异步电动机变频调速系统.
u0 ωt
VT1 C i0 R VT2 u0
VT3
i
0
Ed
L VT4
i 0 uVT ω t1
iVT2 iVT3
ωt ωt
uVT1 uVT4 b） ωt
a）
0 负载换流电路及工作波形 a）电路图 b）波形图
2、强迫换流 逆变器中大量使用电容元件组成换流电路，利用 电容器的储能作用在需要换流的时刻产生短暂的反向 脉冲电压，强迫导通的管子关断。
u0 i0 Ld id 0 i0 iVT1 iVT4 iVT2 iVT3 ω t1 uVT1 uVT4 ωt ωt u0 ωt
VT1 C i0 R VT2 u0
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a）
0 负载换流电路及工作波形 a）电路图 b）波形图
使电流流通路 径改变，所以 负载电流基本 呈矩形波。因 为负载工作在 对基波电流接 近并联谐振的 状态，故对基 波的阻抗很大 而对谐波的阻 抗很小，因此 负载电压u0波 形接近正弦波。
b）
ωt
换流方式：1、负载换流
设在ω t1时刻前VT1、VT4为通态，VT2、VT3为断态，u0、i0均为正，VT2、 VT3上施加的电压即为u0。在ωt1时刻触发VT2、VT3使其开通，负载电压u0 就通过VT2、VT3分别加到VT4、VT1上，使其承受反向电压而关断，电流从 VT1、VT4转移到VT3、VT2。触发VT2、VT3的时刻ωt1必须在u0过零前并 留有足够的裕量，才能使换相顺利完成。从VT2、VT3到VT4、VT1的换流过 程和上述情况类似。
26.1 变频调速的基本工作原理
将直流电变换为某一频率或可变 频率的交流电直接供给负载使用的 过程称为无源逆变。 在无源逆变电路中，晶闸管由直 流电源供电，并承受正向直流电压， 因此晶闸管的关断不能像整流电路 中依靠交流电压过零来实现。
变压变频调速的基本控制方式
图6-23 电流滞环跟踪控制时的电流波形a) 电流波形b) 电压波形图6-25 电压空间矢量定义三个定子电压空间矢量A0u ，B0u ，C0u ，使它们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°。
三相定子电压空间矢量的合成空间矢量s u 是一个旋转的空间矢量，它的幅倍，当电源频率不变时，为电气角速度作恒速旋转。
当某一相电压为最大值时，合成电压矢量在该相的轴线上。
合成空间矢量C0B0A0s u u u u ++=可以定义定子电流和磁链的空间矢量s I 和s Ψ。
电压与磁链空间矢量的关系用合成空间矢量表示的定子电压方程式：R s u =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dtd sΨ或⎰≈dt s s u Ψ。
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，以恒速旋转，磁链矢量顶端的运动轨迹呈圆形（称为磁链圆）。
6-26 旋转磁场与电压空间矢量的运动轨迹六拍阶梯波逆变器与正六边形空间旋转磁场种工作状态，6种工作状态是有效的，因为逆变器这时并没有输出电压，称为“零矢量”对于六拍阶梯波的逆变器，在其输出的每个周期中3/π时刻就切换一次工作状态（即换相）刻内则保持不变。
随着逆变器工作状态的切换，电压空间矢量的幅值不变，而相位直到一个周期结束。
在一个周期中6形成一个封闭的正六边形，如图6-28所示。
由电压空间矢量运动所形成的正六边形轨迹也可以看作是异步电动机定子磁设定子磁链空间矢量为1Ψ，在第一个3π期间，施加的电压空间矢量为内，产生一个增量依此类推，可以写成 Ψ∆的通式，i Ψ的方向决定于所施加的电压图6-31 逼近圆形时的磁链增量轨迹表示由电压空间矢量1u 和2u 的线性组合构成新的电压矢量θθsin cos s j u + 中，1t 处于1u ，2t 处于2u ，s u 与矢量图6-32 电压空间矢量的线性组合用相电压表示合成电压空间矢量的定义，把相电压的时间函数和空间相位分开γ20)(j C e t u ，︒=120γ，当各功率开关处于不同状态时，线电压可取值为⎢⎢⎣⎡ ⎝⎛+=⎥⎥⎦⎤⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎥⎦⎤⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=010230201322321t T t U j e T t T t U e U d j d j d ππd U T t ⎪⎪⎭⎫022，s sin =θu d θsin ， 由旋转磁场所需的频率决定，0T 与21t t +未必相等，来填补。
(完整版)异步电动机变频调速系统..
《自动控制元件及线路》课程实习报告异步电动机变频调速系统1.4.1 系统原理框图及各部分简介本文设计的交直交变频器由以下几部分组成，如图1.1所示。
图1.1 系统原理框图系统各组成部分简介：供电电源：电源部分因变频器输出功率的大小不同而异，小功率的多用单相220V，中大功率的采用三相380V电源。
因为本设计中采用中等容量的电动机，所以采用三相380V电源。
整流电路：整流部分将交流电变为脉动的直流电，必须加以滤波。
在本设计中采用三相不可控整流。
它可以使电网的功率因数接近1。
滤波电路：因在本设计中采用电压型变频器，所以采用电容滤波，中间的电容除了起滤波作用外，还在整流电路与逆变电路间起到去耦作用，消除干扰。
逆变电路：逆变部分将直流电逆变成我们需要的交流电。
在设计中采用三相桥逆变，开关器件选用全控型开关管IGBT。
电流电压检测：一般在中间直流端采集信号，作为过压，欠压，过流保护信号。
控制电路：采用8051单片机和SPWM波生成芯片SA4828，控制电路的主要功能是接受各种设定信息和指令，根据这些指令和设定信息形成驱动逆变器工作的信号。
这些信号经过光电隔离后去驱动开关管的关断。
1.4.2 变频器主电路方案的选定变频器最早的形式是用旋转发电机组作为可变频率电源，供给交流电动机。
随着电力半导体器件的发展，静止式的变频电源成为了变频器的主要形式。
静止式变频器从变换环节分为两大类：交-直-交变频器和交-交变频器。
1.交-交型变频器：它的功能是把一种频率的交流电直接变换成另一种频率可调电压的交流电（转换前后的相数相同），又称直接式变频器。
由于中间不经过直流环节，不需换流，故效率很高。
因而多用于低速大功率系统中，如回转窑、轧钢机等。
但这种控制方式决定了最高输出频率只能达到电源频率的1/3～1/2,所以不能高速运行。
2.交-直-交型变频器：交-直-交变频器是先把工频交流通过整流器变成直流，然后再直流变换成频率电压可调的交流，又称间接变频器，交-直-交变频器是目前广泛应用的通用变频器。
异步电动机变压调速系统分解
主要分为异步电机（即感应电机）和同步电机
异步电动机是怎样旋转起来的？
--- 电动机 --将电能转换为机械能、输出机械转矩、带动生产机械工作的原动机。 --- 感应电动势 --当导体和磁场之间有相对运动时，在导体中就会产生感应电动势。
--- 旋转磁场 --三相异步电动机的定子绕组用来产生旋转磁场。相电源相与相之间 的电压在相位上是相差120度，三相异步电动机定子中的三个绕组在空间 方位上也互差120度，当在定子绕组中通入三相电源时，定子绕组就会产 生一个旋转磁场。
二、异步电动机变压调速电路
图1: 利用晶闸管交流调压器变压调速
TVC——双向晶闸管交流调压器（调节定子外加相电压）
23:07
图2：采用晶闸管反并联的异步电机可逆和制动电路
晶闸管 1~6 控制电动机正转运行， 反转时，可由晶闸管1，4和7~10 提供逆相序电源，同时也可用于 反接制动。 当需要能耗制动时，可以根据制 动电路的要求选择某几个晶闸管 不对称地工作，例如让 1 ， 2 ， 6 三个器件导通，其余均关断，就 可使定子绕组中流过半波直流电 流，对旋转着的电机转子产生制 动作用。必要时，还可以在制动 电路中串入电阻以限制制动电流。
闭环变压调速系统的近似动态结构图
23:07
一、交流拖动控制概述
1.交流拖动控制系统的应用领域
目前，交流拖动控制系统的应用领域主要有三个方面：
(1)一般性能的节能调速
(2)高性能的交流调速系统和伺服系统
(3)特大容量、极高转速的交流调速
交流传动是传动领域的主要发展方向.
23:07
2．异步电动机
转差功率消耗型调速系统
转差功率回馈型调速系统
转差功率不变型调速系统
交流异步电动机变压变频调速系统设计与仿真
交流异步电动机变压变频调速系统设计与仿真异步电动机变压变频调速系统是一种常见的电动机调速系统，可以实现电动机转速的精确控制和调节。
本文将介绍异步电动机变压变频调速系统的设计和仿真。
首先，异步电动机的调速原理简要介绍。
异步电动机是一种常用的交流电动机，其转速通常由额定电压和频率决定。
通过改变电动机的电压和频率，可以实现对电动机的调速。
变压变频调速系统通过调节电压和频率的大小，改变电动机的转速。
在设计异步电动机变压变频调速系统之前，首先要确定电动机的参数。
电动机的参数包括额定功率、额定电压、额定电流等，这些参数可以从电动机的标牌上获取。
另外，还需要确定变压变频器的参数，包括额定电压范围、频率范围等。
这些参数将决定整个系统的性能。
设计异步电动机变压变频调速系统的关键是选取合适的变压变频器。
变压变频器是将电网的交流电转换为可调频率和可调电压的交流电的装置。
根据电动机的额定电压和变压变频器的额定电压范围，选取合适的变压变频器，以满足调速系统的要求。
设计异步电动机变压变频调速系统的下一步是进行系统的电路设计。
电路设计包括电动机的接线和变压变频器的接线。
电动机的接线要根据电动机的型号和相数来进行，确保电机的正常运行。
变压变频器的接线要根据变压变频器的接线图进行，确保变压变频器与电动机的连接正确。
完成电路设计后，还需要进行系统的控制设计。
控制设计包括电机的启动和停止控制、电机的转速控制等。
启动和停止控制一般采用按钮控制或者遥控控制，可以通过按钮或者遥控装置来启动和停止电动机。
转速控制一般采用PID控制器进行，通过调节变压变频器的输出电压和频率，来实现对电动机转速的控制和调节。
完成设计后，可以使用仿真软件进行系统的仿真。
常用的仿真软件有MATLAB/Simulink、PSIM等。
通过仿真可以验证系统的设计是否正确，并进行性能评估。
仿真结果可以用来优化系统的设计，提高系统的性能。
综上所述，异步电动机变压变频调速系统的设计和仿真是一个系统工程，需要从确定电动机和变压变频器的参数开始，进行电路设计和控制设计，最后进行仿真验证。
实验四 异步电动机转速开环变压变频调速系统
实验四基于SVPWM及SPWM的交流变频调速系统一、实验目的1.加深理解异步电动机变压变频调速的基本工作原理。
2.熟悉PWM变频器主回路结构和异步电动机转速开环变压变频调速系统的基本结构。
3.异步电动机转速开环变压变频调速系统机械特性。
二、实验系统组成及工作原理异步电动机变压变频调速实验系统如图4-1所示，主回路由不可控整流桥、直流滤波环节、全控型电力电子器件IGBT或POWER-MOSFET构成的逆变桥组成，M为三相异步电动机，G为负载直流发电机。
控制器包括驱动电路、微机数字控制器、控制键盘和运行显示等几部分。
~实验图4-1 异步电动机转速开环变压变频调速系统三、实验设备及仪器1. NMCL-32主控制2.三相异步电动机-负载直流发电机组3. NMCL-13A挂箱4.双踪示波器5.万用表，电压表，电流表四、实验内容1.用SPWM变频器给三相异步电动机供电，实现变频调速运行。
2.观测在不同频率和不同负载下的输出电流波形，测试开环机械特性。
3.改变V/f曲线，观察变频器在不同低频补偿条件下的低速运行情况。
4.改变加速时间，观察加速过程。
五、实验步骤及方法1. 实验系统的连接按实验图4-1连接系统，合上控制电源开关，电源指示灯亮，表示微机系统处于等待接受指令状态，按“运行”或“停止”按钮可启动或停止调速系统的运行。
2. 变频调速将负载直流发电机输出电路断开，按“运行”按钮使调速系统进入运行状态，通过给定电位器或键盘改给定频率，记录不同频率下三相异步电动机的空载转速和空载定子电流，并3.测试开环机械特性 (1) 基频开环机械特性测试接通负载直流发电机输出电路，并将负载电阻调到最大，按“运行”按钮使变频器进入运行，将频率给定设定为50Hz ，逐步减小负载电阻，记录异步电动机的转速、定子电流和负载直流发电机的输出电压和电流。
实验过程中应使定子电流小于1.2倍的额定电流，如调速系统不能带载启动，可先断开负载直流发电机励磁，待启动后再接通励磁。
异步电动机的调速PPT课件
2〕额定工作点，其特点是：
3〕起开工作点，其特点是：
4〕临界工作点，其特点是： 且最大转矩为 临界转差率为
式中“＋〞号适用于电动机状态；式中“－〞号适用于发电机状态。
〔2〕人为机械特性： 降低定子回路端的人为机械特性； 定子回路串接三相对称电抗或电阻时的人为机械特性； 转子回路串接三相对称电阻时的人为机械特性； 改变定子电源频率的人为机械特性〔变频原理〕
4. 三相异步电动机的制动
〔1〕能耗制动：其特点是在定子两相绕组上加上直流电压或电 流，产生制动转矩，使电机停车，机械特性由第一象限转为 第二象限。
〔2〕反接制动：分为定子两相反接的反接制动和倒拉反接制动 两种。其特点是n1 与n反向，假设是定子电流反接制动〔产 生对抗性转矩〕，那么T 与TL同向，机械特性由第一象限转 为第二象限，使电机迅速停车〔当n ＝0时要及时拉开电源， 否那么反转〕；假设是倒拉反接制动〔产生对抗性转矩〕， 那么T 与TL仍反向，机械特性由第一象限转为第四象限，电 机反转使重物匀速下降。
绕组过热而损坏电m机，这是不允许的。因此，降低电源频率f1时，必须同时降
低电源电压，以到达控制磁通 的目的。对此，需要考虑基频〔额定频率〕 以下的调速和基频以上调速两种情况。
m
10.4.1 基频以下变频调速
为要使保持 m不变，随频率变化，电动势也将随之按
正比例变化，即
E1 f1
4.44N1KN1m
3.三相异步电动机的起动
〔1〕直接起动：只有在电网或供电变压器容量允许的前提 下才能采用。一般用于容量小于7.5kw 的鼠笼式异步电动 机的直接起动。
〔2〕鼠笼式异步电动机的降压起动：如定子回路串接电抗 或电阻，ㄚ－Δ，自耦变压器，。
内容提要转速开环变压变频调速SV...
转速闭环转差频率控制的交流变压变频调速 系统的性能还不能完全达到直流双闭环系统 的水平，其原因如下： （1）转差频率控制系统是基于异步电动机稳 态模型的，所谓的“保持磁通恒定”的结论 也只在稳态情况下才能成立。在动态中难以 保持磁通恒定，这将影响到系统的动态性能。
43
（2）压频函数中只抓住了定子电流的幅值， 没有控制到电流的相位，而在动态中电流的 相位也是影响转矩变化的因素。 （3）频率与转速同步升降，这本是转差频 率控制的优点。然而，如果转速检测信号不 准确或存在干扰，也就会直接给频率造成误 差，因为所有这些偏差和干扰都以正反馈的 形式毫无衰减地传递到频率控制信号上来了。
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32
随着电流的建立和转速的上升，定子电压 和频率上升，转差频率不变
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起动电流和起动转矩也不变，电动机在允 许的最大输出转矩下加速运行。 转差频率控制变压变频调速系统通过最大 转差频率间接限制了最大的允许电流。
33
当t=t2时，转速达到给定值，ASR开始退 饱和，转速略有超调后，到达稳态
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
1
内容提要
转速开环变压变频调速 1. SPWM实现 2. SVPWM实现 转速闭环转差频率控制的变压变频调速
2
5.5 转速开环变压变频调速系统
控制系统原理
3
5.5.1 转速开环变压变频调速系 统结构
由于系统本身没有自动限制起制动电流的 作用，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，
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1
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E
异步电动机变频调速
变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。
我们现在使用的变频器主要采用交—直—交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。
变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。
整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。
变频器选型：变频器选型时要确定以下几点：1) 采用变频的目的；恒压控制或恒流控制等。
2) 变频器的负载类型；如叶片泵或容积泵等，特别注意负载的性能曲线，性能曲线决定了应用时的方式方法。
3) 变频器与负载的匹配问题；I.电压匹配；变频器的额定电压与负载的额定电压相符。
II. 电流匹配；普通的离心泵，变频器的额定电流与电机的额定电流相符。
对于特殊的负载如深水泵等则需要参考电机性能参数，以最大电流确定变频器电流和过载能力。
III.转矩匹配；这种情况在恒转矩负载或有减速装置时有可能发生。
4) 在使用变频器驱动高速电机时，由于高速电机的电抗小，高次谐波增加导致输出电流值增大。
因此用于高速电机的变频器的选型，其容量要稍大于普通电机的选型。
5) 变频器如果要长电缆运行时，此时要采取措施抑制长电缆对地耦合电容的影响，避免变频器出力不足，所以在这样情况下，变频器容量要放大一档或者在变频器的输出端安装输出电抗器。
6) 对于一些特殊的应用场合，如高温，高海拔，此时会引起变频器的降容，变频器容量要放大一挡。
变频器控制原理图设计：1) 首先确认变频器的安装环境；I.工作温度。
变频器内部是大功率的电子元件，极易受到工作温度的影响，产品一般要求为0～55℃，但为了保证工作安全、可靠，使用时应考虑留有余地，最好控制在40℃以下。
在控制箱中，变频器一般应安装在箱体上部，并严格遵守产品说明书中的安装要求，绝对不允许把发热元件或易发热的元件紧靠变频器的底部安装。
电力拖动自动控制系统试卷带答案
一、填空题1. 直流调速系统用的可控直流电源有：旋转变流机组（G-M系统）、静止可控整流器（V-M 统）、直流斩波器和脉宽调制变换器（PWM）。
2. 转速、电流双闭环调速系统的起动过程特点是饱和非线性控制、准时间最优控制和转速超调。
3. 交流异步电动机变频调速系统的控制方式有恒磁通控制、恒功率控制和恒电流控制三种。
4. 变频器从结构上看，可分为交交变频、交直交变频两类，从变频电源性质看，可分为电流型、电压型两类。
5. 相异步电动机的数学模型包括：电压方程、磁链方程、转矩方程和运动方程。
6. 异步电动机动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。
7. 常见的调速系统中，在基速以下按恒转矩调速方式，在基速以上按恒功率调速方式。
8. 调速系统的稳态性能指标包括调速范围和静差率。
9. 反馈控制系统的作用是：抵抗扰动，服从给定。
10. VVVF控制是指逆变器输出电压和频率可变的控制11、转速、电流双闭环调速系统当中，两个调节器采用串级联接，其中转速反馈极性为负反馈、电流反馈极性为负反馈。
12、直流斩波器的几种常用的控制方法：①T不变，变ton——脉冲宽度调制（PWM）；②ton不变，变T——脉冲频率调制（PFM）；③ton和T都可调，改变占空比——混合型。
13、转速、电流双闭环系统，采用PI调节器，稳态运行时，转速n取决于给定电压、ASR的输出量取决于负载电流。
14. 各种电力拖动自动控制系统都是通过控制电动机转速来工作的。
15. V-M系统中，采用三相整流电路，为抑制电流脉动，可采用的主要措施是设置平波电抗器。
16、在单闭环调速系统中，为了限制全压启动和堵转电流过大，通常采用电流截止负反馈。
17、在α＝β配合控制的直流可逆调速系统中，存在的是直流平均环流，可用串接环流电抗器抑制。
18、采用PI调节器的转速、电流双闭环系统启动时，转速调节器经历不饱和、饱和、退饱和三种状态。
二、选择题1. 带有比例调节器的单闭环直流调速系统，如果转速的反馈值与给定值相等，则调节器的输出为（A ）A、零；B、大于零的定值C、小于零的定值；D、保持原先的值不变2. 无静差调速系统的PI调节器中P部份的作用是（D ）A、消除稳态误差；B、不能消除稳态误差也不能加快动态响应C、既消除稳态误差又加快动态响应；D、加快动态响应3. 异步电动机变压变频调速时，采用（B ）控制方式，可获得一线性机械特性。
异步电动机变频调速控制系统
可控整流器 1 电源
六拍逆变器 异步电机
~
电压 检测器 脉冲 放大器 脉冲 放大器
M
1、基准部分 2、整流器控制部分 3、逆变器控制部分
电流 检测器 整 流 器 控 制 部 分
相位 控制器
脉冲 分配器
逆 变 器 控 制 部 分
电流 调节器
电压－频率 变换器
电流 比较器 电压 调节器
电压比较器
绝对值 变换器
转差频率控制的基本原理
转差控制系统中控制气隙磁通恒定的方法 有直接控制和间接控制两种。 直接控制气隙磁通的方法是用检测线圈或 霍尔片检测气隙磁通，以此为反馈量进行 闭环控制，而间接控制气隙磁通的方法则 是通过控制定子电流或定子电压以控制励 磁电流，励磁电流恒定则气隙磁通恒定。
转差频率控制的基本原理
转差频率控制的基本原理
转差频率控制的基本原理
对式（6）求导，并令 可求出 w R2 T
slm
dT 0 dwsl
Ll2
max
2 kmm 2 Ll2
2 2 wslm与 m 无关， max 与 m 成正比 T
w 如果wsl较小，sl Ll2 R2则可忽略ws Ll2 ，式(6)简化为
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。 下页图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
K UR R0 R0 R11 R R2 R UI M 3~
Rb R
b
~
对于电压型逆变系统，无论输出电压是方 波还是脉宽调制波，电流的谐波含量都比 电压谐波含量大；而且在不同频率以及脉 宽调制的不同载波比时，电流谐波分量又 在很大范围内变化。因此，检测电压作为 反馈量进行控制更能提高控制的精度。 Φ m恒定的实现方式 通过U/f＝const，低频时适当补偿定子电 阻压降的影响即可以实现恒磁通的控制。
异步电动机调压调速系统方案
为此，对于恒转矩性质的负载，要求调速 范围大于D=2时，往往采用带转速反馈的 闭环控制系统（见图5-6a）。
1. 系统组成
的
转子每相电阻；
Lls、L’lr ——定子每相漏感和折合到定子侧
的
转子每相漏感；
Lm——定子每相绕组产生气隙主磁通的
等效电感，即励磁电感；
Us、1 ——定子相电压和供电角频率；
s ——转差率。
•电流公式
由图可以导出
I
' r
Us
Rs
C1
Rr' s
2
12
引入转速负反馈，显然使系统静特性的硬度大大 提高了。而影响调速精度，主要因素是α,Kp,Ks，它 们的选择和直流调速系统是类似的。
下面从物理概念上来分析一下静特性的形成。 设开始时，给定电压为Um，负载转矩为TL 系统工作在⑤的a 点上。
如果负载转矩增至TL’这时电机转速必然下降， 闭环系统进行调节，使电机工作在新的特性曲 线③b点 调节过程如下：
WGTV
(s)
Ks Tss 1
其近似条件是
c
1 3Ts
对于三相全波Y联结调压电路，可取
Ts = 3.3ms
对其他型式的调压电路则须另行考虑。
• 测速反馈环节
考虑到反馈滤波作用，测速反馈环节FBS 的传递函数可写成
WFBS (s) Ton s 1
• 异步电机近似的传递函数
第3章 异步电动机变频调速系统
输出电压的大小和频率均由正弦参考电压 Ur来控制。当改变Ur的幅值时，脉宽即随 之改变，从而改变输出电压的大小；当改 变Ur的频率时，输出电压频率即随之改变。 但要注意正弦波的幅值Urm必须小于等腰 三角形的幅值Ucm，否则就得不到脉宽与 其对应正弦波下的积分成正比这一关系。 输出电压的大小和频率就将失去所要求的 配合关系。
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。
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。
要正、负半周输出不同极性的脉冲，必须 另加倒相电路。与此相对应，若在调制过 程中，载频信号和参考信号的极性交替地 不断改变则称为双极性调制
要正、负半周输出不同极性的脉冲，必须 另加倒相电路。与此相对应，若在调制过 程中，载频信号和参考信号的极性交替地 不断改变则称为双极性调制。
正弦波脉宽调制技术
变压变频调速
图3-1 异步电动机变压变频调速的控制特性
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
Us s1 Rr' Te 3n p ( sR R ' ) 2 s 2 2 ( L L' ) 2 s r 1 ls lr 1
2
基频以下调速
当s很小时，忽略上式分母中含s各项，
Us Te 3n p 1
或
s1 R Te
闭环控制的异步电动机变压调速系统
•按电动机的能量转换类型分类 按电动机的能量转换类型分类
从定子传入转子的电磁功率 Pm = Pmech + Ps Pmech = (1 – s) Pm Ps = sPm 从能量转换的角度上看，转差功率是否增大，是 消耗掉还是得到回收，是评价调速系统效率高低的 标志。从这点出发，可以把异步电机的调速系统分 成三类 。
电力拖动自动控制系统
第 2 篇
交流拖动控制系统
内容提要
概述 交流调速系统的主要类型 交流变压调速系统 交流变频调速系统 *绕线转子异步电机双馈调速系统—— 转差功率馈送型调速系统 *同步电动机变压变频调速系统
概
述
直流电力拖动和交流电力拖动在19世纪先后诞 生。 在20世纪上半叶，高性能可调速拖动都采用直 流电机，而约占电力拖动总容量80%以上的不变速 拖动系统则采用交流电机。 直到20世纪60~70年代，高性能交流调速系统便 应运而生，交直流拖动按调速性能分工的格局终 于被打破了。 直流电机的缺点日益突出起来，交流拖动控 制系统已经成为当前电力拖动控制的主要发展方 向。
~
TVC
M 3~ 图5-1 利用晶闸管交流调压器变压调速
• 控制方式
TVC的变压控制方式
• 可逆和制动控制
电路结构： 采用晶闸管 反并联供电 方式，实现 异步电动机 可逆和制动。
图5-2 采用晶闸管反并联的异步电动机可逆和制动电路
5.2 异步电动机改变电压时的机械特性
根据电机学原理，在下述三个假定条件下： • 忽略空间和时间谐波 • 忽略磁饱和 • 忽略铁损
1. 转差功率消耗型调速系统 这种类型的全部转差功率都转换成热 能消耗在转子回路中，上述的第①、②、 ③三种调速方法都属于这一类。 在三类异步电机调速系统中，这类系 统的效率最低，而且越到低速时效率越低， 可是这类系统结构简单，设备成本最低， 所以还有一定的应用价值。
异步电动机变频、变压控制模式空载电流闭环实验确定法
异步电动机变频、变压控制模式空载电流闭
环实验确定法
1、异步电机变频、变压调速时的机械特性曲线，只有在电机原设计恒定磁场的情况下，才能保持原工频机械特性不变；
2、也就是说，变频、变压机械特性曲线不变；
3、变频器V/F=定值控制模式的缺点是，低频段磁场减弱严重；
4、如果采用（V-IR）/F=定值控制模式，是一个与电机个性相关的参数，也就是说一台电机有这一台电机的控制参数；
5、所以变频器控制不同电机时（V-IR）/F=定值是不同的，如何确定？
6、因为异步电机空载电流就是励磁电流，所以在变频空载运行时，通过电压调节器，实现空载电流的闭环恒电流控制，就等于得到了这台电机的U=F（F）的函数关系；
7、这样，只要这台异步电机变频、变压负载运行时，变频、变压按U=F（F）的控制模式，就等于实现了异步电机恒磁场控制模式；。
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Eg R 3n p s 1
' r
s1 Rr' R ' 2 s 2 2 L' 2 1 lr r
2
(5-49)
Eg 4.44 f1 N s k NsΦm
1 1 4.44 N s kNsΦm 1 Ns kNsΦm 2 2
17
代入电磁转矩公式
* 1 * s
29
由于正反馈是不稳定结构，必需设置转速
负反馈外环，才能使系统稳定运行。
由给定频率和定子电流求得定子电压给定
U f ( , I s )
* s * 1
U 、
* s
* 1
控制PWM变频器。
30
起动过程
在t=0时，突加给定，转速调节器ASR很快
进入饱和，输出为限幅值，转速和电流尚 未建立，给定定子频率
，得
' r
s1R 3 2 2 2 Te n p N s k NsΦm '2 2 2 '2 2 Rr s 1 Llr
电机结构常数
3 2 2 K m n p N s k Ns 2
18
定义转差角频率 电磁转矩
s s1
2
Te K mΦm
s Rr' Rr'2 ( s L'lr ) 2
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
1
内容提要
转速开环变压变频调速 1. SPWM实现 2. SVPWM实现
转速闭环转差频率控制的变压变频调速
2
5.5 转速开环变压变频调速系统
控制系统原理
3
5.5.1 转速开环变压变频调速系 统结构
由于系统本身没有自动限制起制动电流的
作用，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，
* 1 1(t ) 1(t0 ) 1(t0 )
1 1*
t t
t
0
1N dt up
1 1*
(5-101)
t
0
1N dt 1 1* down
4
电压--频率特性
39
最大转差频率与起动电流和起动转矩有关。
允许的过流倍数
I
I sq I sN
要求的起动转矩倍数
Teq T TeN
40
使系统具有一定的重载起动和过载能力，
且起动电流小于允许电流，则最大转差频率
R T TeN I R I s max 2 2 3n p C g Cg (I L'lr I sN ) 2
2
起动转矩等于系统最大的允许输出转矩
Te max
Eg s max 2 s max TeQ 3np 3npCg ' ' R R 1 r r
2
32
随着电流的建立和转速的上升，定子电压
和频率上升，转差频率不变
s s max
起动电流和起动转矩也不变，电动机在允 许的最大输出转矩下加速运行。 转差频率控制变压变频调速系统通过最大 转差频率间接限制了最大的允许电流。
42
转速闭环转差频率控制的交流变压变频调速
系统的性能还不能完全达到直流双闭环系统 的水平，其原因如下： （1）转差频率控制系统是基于异步电动机稳 态模型的，所谓的“保持磁通恒定”的结论 也只在稳态情况下才能成立。在动态中难以 保持磁通恒定，这将影响到系统的动态性能。
43
（ 2 ）压频函数中只抓住了定子电流的幅值， 没有控制到电流的相位，而在动态中电流的 相位也是影响转矩变化的因素。 （3）频率与转速同步升降，这本是转差频 率控制的优点。然而，如果转速检测信号不 准确或存在干扰，也就会直接给频率造成误 差，因为所有这些偏差和干扰都以正反馈的 形式毫无衰减地传递到频率控制信号上来了。
其中 Cg 常数 1N
EgN
24
高频时，定子漏抗压降占主导地位，可忽
略定子电阻，简化为
U s f(1,Is ) 1LlsI s E g
1LlsIs C g 1
(5-111)
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。
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。
23
定子电压补偿应该是幅值和相位的补偿，
但控制系统复杂。 忽略电流相量相位变化的影响，仅采用幅 值补偿，则电压–频率特性为
U s f (1 , I s ) Rs2 (1Lls )2 I s Eg EgN Zls (1 ) I s 1N 1 Zls (1 ) I s Cg1
' r ' r sN
(5-118)
根据起动转矩倍数确定最大转差频率，然
后，由最大转差频率求得过流倍数，并由此 确定变频器主回路的容量。
41
5.6.4 转差频率控制系统的特点
转差频率控制系统突出的特点或优点 转差角频率与实测转速相加后得到定子频 率。在调速过程中，实际频率随着实际转速 同步地上升或下降，加、减速平滑。 在动态过程中转速调节器 ASR 饱和，系统 以对应于最大转差频率的最大转矩起、制动， 并限制了最大电流，保证了在允许条件下的 快速性。
33
当 t=t2Hale Waihona Puke 时，转速达到给定值， ASR 开始退
饱和，转速略有超调后，到达稳态
定子电压频率
*
1 s
转差频率与负载有关
34
与直流调速系统相似，起动过程可分为转
矩上升、恒转矩升速与转速调节三个阶段。 在恒转矩升速阶段内，转速调节器 ASR 不 参与调节，相当于转速开环，在正反馈内环 的作用下，保持加速度恒定。 转速超调后， ASR 退出饱和，进入转速调 节阶段，最后达到稳态。
27
5.6.2 转差频率控制系统结构及 性能分析
图5-44 转差频率控制的转速闭环变压变频调速系统 结构原理图
28
系统结构
两个转速反馈: 转速外环为负反馈，ASR为转速调节器， 一般选用PI调节器，转速调节器ASR的输 出转差频率给定相当于电磁转矩给定。 内环为正反馈，将转速调节器ASR的输出 信号转差频率给定与实际转速相加，得到 定子频率给定信号
保持气隙磁通恒定
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
E I ( R j L ) E I ( R j L ) g U s s s 1 ls g s s 1 ls 1 1
电压/频率特性
UN 1 1N U s f (1 ) ' f (1 ) 1 1N
(5-102)
当实际频率大于或等于额定频率时，只能
保持额定电压不变。而当实际频率小于额定 频率时，一般是带低频补偿的恒压频比控制。
5
系统结构
图5-40 转速开环变压变频调速系统
转差率s较小，转矩可近似表示
Te K mΦm
2
s
R
' r
(5-105)
19
转差频率控制的基本思想
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。
20
' 1
*
' s
Te T TL
' L
37
1 s
系统静态特性
图5-45 转差频率控制的转速闭环变压变频调速系统静态特性
38
5.6.3 最大转差频率的计算
从理论上说，只要使系统最大的允许转差
频率小于临界转差频率， Rr s max sm Llr 就可使系统稳定运行，并通过转差频率来 控制电磁转矩。
6
5.5.2 系统实现
系统硬件包括： 主电路、驱动 电路、微机控 制电路、信号 采集与故障综 合电路。
图5-41 数字控制通用 变频器-异步电动机调 速系统硬件原理图
7
1. 系统SPWM实现的仿真
在0.5s将转矩由0增加到15，在1.5s将频率由 50Hz降至30Hz
8
电压补偿曲线
给定积分算法的输出 和对应的调制深度
44
要进一步提高异步电动机调速性能，必须
从异步电动机动态模型出发，研究其控制规 律，高动态性能的异步电动机调速系统将在 第6章作详细的讨论。
45
s max
* 1
定子电压
U s Cgs max
31
当 t=t1 时，电流达到最大值，起动电流等
于最大的允许电流
' I s max I sQ I rQ
E g / 1 Rr' ' 2 L lr s max
2
Cg Rr' ' 2 L lr s max
35
加载过程
系统已进入稳定运行，转速等于给定值，
电磁转矩等于负载转矩
*
Te TL
定子电压频率
1 s
T
' L
负载转矩增大为
36
在负载转矩的作用下转速下降，正反馈内
环的作用使定子电压频率下降，但在外环的 作用下，给定转差频率上升，定子电压频率 上升，电磁转矩增大，转速回升，到达新的 稳态。
25
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