浙江大学年珩老师,电机控制课件第二章-6

机电运动控制系统机电运动控制系统第二章 异步电机的控制浙江大学 电气工程学院年珩 副教授 nianheng@© 浙江大学电气工程学院2009机电运动控制系统异步电机的控制§2-8 异步电机变频调速系统☆异步电机变频调速系统分类 （1）频率开环系统 特点：●频率 频率给定后不再调节 不再调节——同步速固定 频率 不再调节 同步速固定 ●电机转速 转速决定于负载，有变化 s = 0 ~ sN ） 有变化（ 转速 有变化 ●静态 静态调速性能不佳，有差 静态 有差© 浙江大学电气工程学院2009机电运动控制系统异步电机的控制异步电机变频调速系统（2）频率闭环系统 特点： 频率随转速自动调节，通过改变同 特点：●速度给定后频率随转速自动调节 频率随转速自动调节 步速来补偿转速随负载的变化 转速与负载无关 ●电机转速与负载无关 恒定 转速与负载无关，恒定 ●静态特性好 动态性能满足一定要求 静态特性好，动态性能满足一定要求 静态特性好© 浙江大学电气工程学院2009机电运动控制系统异步电机的控制异步电机变频调速系统（3）高性能控制系统 ） ●能实现转矩的动态控制，动、静态性能俱好 转矩的动态控制， 转矩的动态控制 矢量变换控制， ●已实用的有矢量变换控制，直接转矩控制 矢量变换控制 ☆本节主要介绍电压源型逆变器——异步电机变频调速系统●频率开环系统电流源型逆变器——异步电机变频调速系统●频率闭环系统——转差频率控制异步电机变频调速系统 频率闭环系统 转差频率控制异步电机变频调速系统© 浙江大学电气工程学院2009机电运动控制系统异步电机的控制异步电机变频调速系统一、频率开环、电压源逆变器——异步电机变频调速系统 频率开环、电压源逆变器 异步电机变频调速系统 1．系统结构 ． （1）主电路■不控整流+电容滤波 不控整流+ 不控整流 =电压源型 电压源型 ■PWM逆变器，180o PWM逆变器， PWM逆变器 导通型 ■每个IGBT旁反并联 IGBT旁 IGBT 快速型续流二极管， 快速型续流二极管， 为异步电机感性无功 为异步电机感性无功 提供通路© 浙江大学电气工程学院2009机电运动控制系统异步电机的控制异步电机变频调速系统（2）控制回路 ） 分电压控制 频率控制两通道， 两通道© 浙江大学电气工程学院2009机电运动控制系统异步电机的控制异步电机变频调速系统正转； 反转； ■速度给定：系统总指令： ug > 0 ，正转； ug < 0 , 反转； 速度给定： 代表速度高、 绝对值 | ug | 代表速度高、低 ■给定积分器：使阶跃给定 0 ↑ 给定积分器 阶跃给定ug斜波给定 0ug，防止给定突变引起系统电流、转矩、速度冲击 系统电流、转矩、 防止 系统电流 绝对值； ■绝对值电路：逆变器输出电压、频率控制只需绝对值；配 绝对值电路 绝对值 合转向极性，以此简化控制处理 简化控制处理 合转向极性© 浙江大学电气工程学院2009机电运动控制系统异步电机的控制异步电机变频调速系统①频率控制通道驱动脉冲 电机© 浙江大学电气工程学院2009机电运动控制系统异步电机的控制异步电机变频调速系统变换器：将速度电压 | ug | ，经压控振荡器处理，变成 经压控振荡器处理， ◆ V f 变换器 速度电压 频率信号，作为正弦调制波频率 频率信号，作为正弦调制波频率 f R 自然采样法，其中 ◆正弦波发生器：设为自然采样法 正弦波发生器 自然采样法 ●正弦调制波频率——来自 Vf变换器幅值——来自电压调节器输出（电压控制通道）调制方式：异步 同步 同步/混合 ●三角载波 频率 f T 取决于调制方式：异步/同步 混合 调制方式 调制——调制方式控制© 浙江大学电气工程学院2009机电运动控制系统异步电机的控制异步电机变频调速系统◆调制方式控制：根据调制波频率 f R ,按要求的调制方式，控 调制方式控制 控T 幅值固定） 制三角波发生器， 制三角波发生器， 输出合适的载波频率 f （幅值固定）调制：根据输入的正弦调制波频率、幅值，三角载 ◆SPWM调制 调制 波频率、幅值，决定逆变器器件开关时刻，形成SPWM驱动 决定逆变器器件开关时刻，形成 决定逆变器器件开关时刻 驱动 信号 驱动信号应按电机转向分配至逆变器六个开关器件 ●SPWM驱动信号 按电机转向分配至逆变器六个开关器件 驱动信号 上，给三相绕组通以合适的电流，形成所需的旋转磁场，控制 电机正确运转© 浙江大学电气工程学院2009机电运动控制系统异步电机的控制异步电机变频调速系统◆转向判别：将速度信号 ug 极性取出，控制触发脉冲在各开 转向判别： 关元件上的施加（分配） 输出： + ——正转， 导通的通电相序A → B → C－ ——反转， 导通的通电相序A → C → B© 浙江大学电气工程学院2009机电运动控制系统异步电机的控制异步电机变频调速系统◆脉冲分配器：按转速、转向、分配三相、六管的驱动脉 脉冲分配器： 冲信号 正转：脉冲次序 ●正转VT1 → VT2 → VT3 → VT4 → VT5 → VT6 → VT1●反转：脉冲次序 反转：VT1 → VT6 → VT5 → VT4 → VT3 → VT2 → VT1© 浙江大学电气工程学院2009机电运动控制系统异步电机的控制异步电机变频调速系统②电压控制通道© 浙江大学电气工程学院2009机电运动控制系统异步电机的控制异步电机变频调速系统电压/频率协调控制关键部件 ◆函数发生器——电压 频率协调控制关键部件 函数发生器 电压 频率协调 ●输入：代表运行频率 f R 的速度给定绝对值 | ug | 规律： ●规律：●输出：电压指令 U1*© 浙江大学电气工程学院2009机电运动控制系统异步电机的控制异步电机变频调速系统◆电压检测：检测机端电压，形成电压反馈信号 U1 电压检测： 形成电压反馈信号 电压闭环控制使正弦调制波幅值指令严格按 U1 f1 = C 按 关系给出，确保电机磁路工作点正确 确保电机磁路工作点正确 对端电压的稳态无差、 ◆电压调节器：PI型，实现对端电压的稳态无差、动态快速调 电压调节器：PI型 对端电压的稳态无差 节 ，通过© 浙江大学电气工程学院2009机电运动控制系统异步电机的控制异步电机变频调速系统2．系统特点 ①无频率反馈，但有电压反馈，是常见开环 开环VVVF（Vari 开环 （ able-Voltage Variable-Freguency）控制 ）控制方式 ②异步电机运行时滑差s小，空载、负载转速变化不大， 故适合长期稳态运行、调速精度不高的场合，如风机、水 适合长期稳态运行、调速精度不高的场合，如风机、 适合长期稳态运行 泵 ③频率给定后不变，电机转速随负载变化，但小 频率给定后不变， 频率给定后不变 电机转速随负载变化，© 浙江大学电气工程学院2009机电运动控制系统异步电机的控制频率开环、电流源型逆变器二、频率开环、电流源型逆 频率开环、 变器——异 电机变频调 变器 异 系统—交 1． 电 ：交—‹z© 浙江大学电气工程学院2009机电运动控制系统异步电机的控制频率开环、电流源型逆变器1．主电路：交—直—交型 ．主电路 大小可调直流电压 逆变 调直流恒流 变频交流 ●恒流依靠 恒流大电感动态恒流 可控调压稳态恒流●三相交流 可控整流大电感滤波大小可“电压控制电流源”●机械特性改造成 机械特性© 浙江大学电气工程学院2009机电运动控制系统异步电机的控制频率开环、电流源型逆变器2．控制回路 ．频率控制通道 电流（电压）控制通道（1）频率控制通道 ）© 浙江大学电气工程学院2009机电运动控制系统异步电机的控制频率开环、电流源型逆变器频率、 ◆速度给定——频率、电流 速度给定 频率 电流（电压）控制通道总信号源 总信号源 ◆给定积分器——使阶跃给定变为斜坡给定 给定积分器 ◆绝对值电路 转向判别器简化控制处理◆ V f 变换器——将速度给定电压（绝对值）变换成逆 变换器 逆 变器六个开关器件总频率 总频率6 变器六个开关器件总频率 f1© 浙江大学电气工程学院2009机电运动控制系统异步电机的控制频率开环、电流源型逆变器◆脉冲分配器： 脉冲分配器： ■作用 ●6倍频信号六分频成 f1 六分频成 ●加入转向信号干预，将驱动脉冲合理分配至各 驱动脉冲合理分配至各 开关器件 *正转 ug > 0 ） 正转（ 转向判别器出“1” 正转⇒⇒VT1 → VT2 → VT3 → VT4 → VT5 → VT6 → VT1→→脉冲分配： 脉冲分配：*反转 ug < 0 ） 反转（ 反转转向判别器出“0”VT1 → VT6 → VT5 → VT4 → VT3 → VT2 → VT1© 浙江大学电气工程学院2009机电运动控制系统异步电机的控制频率开环、电流源型逆变器■结论： 结论： ●改变逆变器元件换流相序改变绕组供电相序、改变 改变逆变器元件换流相序改变绕组供电相序、 电机转向 ●改变逆变器元件换流快慢改变转速 ◆脉冲功放——放大触发功率，并使控制回路与主电路 脉冲功放 控制回路与主电路 隔离© 浙江大学电气工程学院2009机电运动控制系统异步电机的控制频率开环、电流源型逆变器（2）电流（电压）控制通道 电流（电压）© 浙江大学电气工程学院2009机电运动控制系统异步电机的控制频率开环、电流源型逆变器◆函数发生器——协调电压 频率控制 协调电压/频率控制 协调电压 频率控制的关键，确保变频调速电机理想磁 确保变频调速电机理想磁 路工作点，进而获得良好的运行力能指标（ η , cos ϕ ） 路工作点 ☆为控制逆变器输出电压严格符合函数发生器要求，设置 电压闭环控制。

电压闭环控制◆电压调节器 电压调节器——PI型 型输入——函数发生器输出 U 1* 函数发生器输出 反馈——电机反馈输出 U 1 反馈 电机反馈输出© 浙江大学电气工程学院2009机电运动控制系统异步电机的控制频率开环、电流源型逆变器目的： ☆电压闭环调节目的： 电压闭环 目的 ①实现电机电压 频率控制、确保需要的磁路工作点 电压/频率控制 电压 频率控制 ②配合大滤波电感，实现电压控制下的恒流特性 电压控制下的恒流特性 为此应设置电流闭环 设置电流 设置电 电流调节器——PI型 ◆电流调节器 型 输入——电压调节器输出 反馈——电流反馈输出© 浙江大学电气工程学院2009机电运动控制系统异步电机的控制频率开环、电流源型逆变器☆这种以电流为内环、以电压为外环的双闭环系统，是 电流为内环、以电压为外环 电流为内环 电流源型逆变器——异步电机变频调速系统 异步电机变频调速系统最简单、最典 电流源型逆变器 异步电机变频调速系统 型的控制结构 控制结构 ☆引入电压反馈控制后易引起系统运行不稳定 ■原因： 恒电压/频率比控制的调压 电压调节器同时承担 ①电压调节器同时承担 恒流控制的调压 双重调节任务趋势常矛盾； 双重调节任务趋势常矛盾；© 浙江大学电气工程学院2009机电运动控制系统异步电机的控制频率开环、电流源型逆变器②电流为内环，保证恒流的调节会优先被执行。