异步电动机变频调速控制方式

时，电压矢量也连续地按磁链圆的切线方向运动2弧度，其轨迹与磁链圆重合。这样，电 动机旋转磁场的轨迹问题就可转化为电压空间矢量的运动轨迹问题。
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第7章
图7-14 旋转磁场与电压空间矢量 的运动轨迹
图7-15 三相逆变器-异步电动机 调速系统主电路的原理图
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第7章
7.2 转差频率控制
7.2.1 转差频率控制的基本思想
转速开环变频调速系统虽然可以满足平滑调速的要求，但改变 的是同步转速，调速精度比较低，系统静、动态性能都有限，要提 高静、动态性能需要进行转速闭环控制。 转差频率控制是在闭环运算中力图维持磁通恒定来实现电磁转 矩和转差频率近似线性，通过控制转差频率从而实现电磁转矩线性 可控的一种闭环控制方法。
图7-13 交流电机电压空间矢量
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第7章
（7-13）
（7-14）
（7-15） （7-16） （7-17） （7-18）
上式表明，当磁链幅值一定时，定子电压的大小与1(或供电电压频率)成正比，其方
向则与磁链矢量正交，即磁链圆的切线方向， 如图7-14所示，当磁链矢量在空间旋转一周
图7-17 异步电动机定子磁链矢量 与电压空间矢量
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第7章
图7-18 逼近圆形时的磁链增量轨迹
图7-19 两个矢量线性组合后的电压矢量us
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第7章
（7-26）
（7-27）
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第7章
三相输出电压
（7-19）
（7-20）
三相输出线电压
（7-21）
直流输入电流
（7-22）
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第7章
以U5(1，0，1)为例，由式(7-19)有压
（7-23）
代人式(7-13)，得 （7-24）
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第7章
7.1.2 恒U/f控制方式下电机的机械特性
如调节f1使f1=αf f1n , 同时相应调节U1，使U1= αf U1n，则
（7-3）
设在额定频率f1n时，定、转子漏电抗为xn =
x
1n
+ x'2n, 则有
（7-4）
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第7章
7.1.3 对额定频率f1n以下变频调速特性的修正
在恒U/f控制方式下，由于E1在U1中的比重随f1下降而减小，从而造成在 低频低速时主磁通和电磁转矩Tm下降较多。Tm大幅减小，严重影响电机在 低速时的带负载能力。为避免这种情况，可适当提高调压比ku(U1= kuU1n)， 使调压比ku大于调频比kf ( f1=kf f1n )，即相对提高U1的值使得E1的值增加，
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第7章
图7-16 逆变器的电压矢量
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第7章
7.4 直接转矩控制
7.4.2 磁通轨迹控制
如前所述，电压矢量的积分是磁通矢 量，一个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 定子磁链矢量端点的运动轨迹，如图7-17 所示。
（7-28）
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第7章
7.4.3 直接转矩控制系统 直接转矩控制系统是继矢量控制系统之后发展起 来的另一种高动态性能的交流电动机变压变频调速系
统。在它的转速环里面，利用转矩反馈直接控制电动
机的电磁转矩，它也因此得名。
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第7章
图7-3 变频器的U/f控制曲线
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第7章
图7-4 电压补偿后电机全频范围内机械特性曲线
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第7章
图7-5 典型的数字控制通用变频器-异步电动机调速系统原理图
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第7章
（7-6） （7-7）
（7-8）
定义ωs=sω1为转差角频率，则有
（7-9）
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第7章
（7-10）
（7-11）
基于上述推导，获得转差频率控制的基本思想是：只要在控制过程中， 保证： 1) 限制转差角频率的最大值ωsm ； 2) 保持主磁通m恒定。 控制转差角频率ωs ，就能实现电磁转矩与转差频率成比例的近似线性控制。
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第7章
7.2.2 转差频率控制的转速闭环变频调速系统
图7-7 转差频率控制规律的转速闭环变压变频调速系统结构原理图
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第7章
7.3 矢量控制
7.3.1 矢量控制简介
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第7章
定子每相电动势 ：
（7-1）
电机定子电动势平衡方程式：
（7-2）
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第7章
为了保持磁通保持不变，在频率下调时，须使E1/f1=常数，但由于E1是 定子反电动势，无法直接进行检测和控制，而U1可以方便地检测和控制， 因此，在额定频率以下调频，即f1<f1n调频时，同时下调加在定子绕组上的 电压，即U/f控制方式，如果使U1/f1=常数，称恒U/f控制。 若在额定频率以上调频时，U1就不能跟着上调了，因为电机定子绕组 上的电压不允许超过额定电压，即必须保持U1=U1n不变，额定频率以上进 行调频属弱磁调速。
众所周知，直流电动机双闭环调速系统具有优良的动、静态调 速特性，其根本原因在于作为控制对象的他励直流电动机的电磁转 矩能够容易地进行控制。那么，作为变频调速的控制对象——交流 电动机是否可以模仿直流电动机转矩控制规律而加以实现呢？ 20世纪70年代初德国学者Blaschkle等人首先提出矢量控制变换 实现了这种控制思想。矢量控制成功解决了交流电动机电磁转矩的 有效控制，使异步电动机可以像他励直流电动机那样控制，从而实 现交流电机高性能控制，故矢量控制又称解耦控制或矢量变换控制。 它可以应用于异步电机和同步电机传动系统。
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第7章
7.2 转差频率控制
7.2.1 转差频率控制的基本思想
转速开环变频调速系统虽然可以满足平滑调速的要求，但改变 的是同步转速，调速精度比较低，系统静、动态性能都有限，要提 高静、动态性能需要进行转速闭环控制。 转差频率控制是在闭环运算中力图维持磁通恒定来实现电磁转 矩和转差频率近似线性，通过控制转差频率从而实现电磁转矩线性 可控的一种闭环控制方法。
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第7章
1. 与直流传动类比
图7-8 他励直流电动机的物理模型
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第7章
1. 与直流传动类比
图7-9 等效的交流电动机绕组和直流电动机物理模型
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第7章
2. 矢量控制的概念 既然异步电机经过坐标变换可以等效成直流电机，那么模仿直流电机的控 制策略，得到直流电机的控制量，经过相应的坐标反变换，就能够控制异步电 机了。由于进行坐标变换的是电流(代表磁动势)的空间矢量，所以这样通过坐 标变换实现的控制系统就叫作矢量控制系统(Vector Control System)，控制系 统的原理结构如7-11所示。
图7-10 异步电动机坐标变换结构图
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第7章
图7-11 矢量控制结构图
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第7章
7.3.2 矢量控制系统
图7-12 带转矩内环的转速、磁链闭环的电流滞环SPWM矢量控制系统
第7章
第7章 异步电动机变频调速控制方式
7.1 U/f控制 7.2 转差频率控制 7.3 矢量控制 7.4 直接转矩控制
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第7章
7.1 U/f控制
7.1.1 恒U/f控制
在进行电机调速时，常须考虑的一个重要因素是：希望保持电机中每 极磁通量m为额定值不变。如果磁通太弱，不能充分利用电机的铁心，会 造成浪费；而如果过分增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁 电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。
从而保证E1/f1=常数，最终使电动机的最大转矩得到补偿。由于这种方法是
通过提高U1/f1比值使Tm得到补偿的，因此这种方法被称为电压补偿，也称 转矩提升。
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第7章
图7-2 电压补偿后，额定频率以下电机机械特性曲线
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第7章
图7-1 U1/f1 = 常数控制方式下的机械特性曲线 这族曲线具有如下两个特点：
1）在忽略r1情况下，机械特性曲线族之间近似平行。
2）当转速较高时，最大拖动转矩近似不变。 3）转速较低的情况下，Tm将明显下降。
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第7章
7.4 直接转矩控制
经典的SPWM控制着眼于使变频器输出的电压接近正弦波，并未顾 及输出电流的波形。实际交流电动机需要输入三相正弦电流，其最终目 的是在电动机空间形成圆形的旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩。如 果对准这一目标，把逆变器和交流电动机视为一体，按照跟踪圆形旋转 磁场来控制逆变器的工作，其效果应该更好。这种控制方法称作“磁链 跟踪控制”，由于磁链的轨迹是交替使用不同的电压空间矢量得到的， 所以又称作“电压空间矢量PWM(Space Vector PWM—SVPWM)控制。 直接转矩控制系统(DTC)是利用电压空间矢量PWM(SVPWM)通过 磁链、转矩的直接控制、确定逆变器的开关状态来实现的。
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第7章
7.4 直接转矩控制
7.4.1 电压空间矢量
交流电动机绕组的电压、电流、磁链 等物理量都是随时间变化的，分析时常 用时间相量来表示，但如果考虑到它们 所在绕组的空间位置，也可以如图7-13所 示，定义为空间矢量uA0，uB0，uC0 。
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第7章
图7-20 直接转矩控制交流调速系统框图
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