第六章笼型异步电动机变压变频调速系统-转差功率不变型系统

Eg U s I s ( Rs j1 Lls ) Eg I s ( Rs j1 Lls ) 1 I I’
s r
Rs
Lls
L’lr
1
R’r /s
Us
1
Es
Eg
Lm
I0
Er
图6-5 异步电动机稳态等效电路和感应电动势
转速闭环转差频率控制调速系统
1. 转差频率控制的基本概念
直流电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。 在交流异步电机中，影响转矩的因素较多，控 制异步电机转矩的问题也比较复杂。
转速闭环转差频率控制调速系统
按照第6.2.2节恒 Eg /1 控制（即恒 m 控制）时的电磁转矩公式（6-12）为
' Eg s1 Rr Te 3np '2 2 2 '2 1 Rr s 1 Llr 2
（6-12）
1 将 Eg 4.44 f1 Ns kNs Φm 4.44 2π Ns kNs Φm 1 Ns kNsΦm 2
1
转速闭环转差频率控制调速系统
代入上式，得
转速闭环转差频率控制调速系统
3. 转差频率控制的变压变频调速系统 系统组成 控制原理 性能评价
转速闭环转差频率控制调速系统
主要从三个方面加以分析 在异步电机变压变频调速系统中，需要控制 1转差频率控制的基本概念 的是电压（或电流）和频率，以便提高动态性能。 2.稳态模型的转差频率控制规律 3. 组成系统 怎样能够通过控制电 压（电流）和频率 来控制电磁转矩呢?
转速闭环转差频率控制调速系统
转速开环恒压频比控制调速系统
转速开环恒压频比控制调速系统
1. 系统组成
UR
~ K
R0 R 0
R R11
R R2
R Rb
UI
M 3~
b
VTb
主电路 —— 由二极管整流 器 UR 、 PWM 逆变器 UI 和 电压 泵升 电流 显示 中间直流电路三部分组成， 检测 限制 检测 单 一般都是电压源型的，采 设定 片 用大电容 机 C 滤波，同时兼 PWM 驱动 有无功功率交换的作用。 接口 发生器 电路
UI M 3~
温度 检测
电流 检测
转速开环恒压频比控制调速系统
这样的电流波形具有较大的谐波 分量，使电源受到污染。 进线电抗器 —— 二极管整流器虽然是全波整流 为了抑制谐波电流，对于容量较 装置，但由于其输出端有滤波电容存在，因此 大的PWM变频器，都应在输入端设有 输入电流呈脉冲波形，如图 6-38所示。 进线电抗器，有时也可以在整流器和 电容器之间串接直流电抗器。还可用 来抑制电源电压不平衡对变频器的影 响。
2
温度 检测
电流 检测
图6-37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。
K UR ~ R R2
R R11
R Rb
UI M 3~
b
限流电阻：为了避免大电容C在通电瞬间产生过 电压 泵升 电流 温度 电流 显示 大的充电电流，在整流器和滤波电容间的直 检测 限制 检测 检测 检测 流回路上串入限流电阻（或电抗），通上电 单 设定 片 源时，先限制充电电流，再延时用开关 K将其 机 PWM 驱动 短路，以免长期接入时影响变频器的正常工 接口 发生器 电路 作，并产生附加损耗。
当电机稳态运行时，s 值很小，因而 s也很小，只有1的百分之几，可以认 为 s Llr' << Rr' ，则转矩可近似表示为
转速闭环转差频率控制调速系统
控制转差频率就代表控制转 2 s （6-61） Te K m Φm ' 矩，这就是转差频率控制 Rr 的基本概念。 式（6-61）表明，在s 值很小的稳态 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 s 成正比。这就是说，在异步电机中控制 s ，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。
转速开环恒压频比控制调速系统
异步电机的稳态数学模型如本章第6.2节所述， 为了实现电压-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。 如果要求更高一些的调速范围和起制动性能， 可以采用转速闭环转差频率控制的方案。 本节中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。
2. 基于异步电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在 转矩近似公式（6-61）上得到的，当s 较大 时，就得采用式（6-60）的精确转矩公式。 2 s
Te K m Φ m R
' r
（6-61）
Te KmΦm 2
s Rr' Rr'2 (s L'lr )2
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，由用户根据需要选择最佳特性； 另一种办法是采用霍耳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。 给定积分——由于系统本身没有自动限制起、制 动电流的作用，因此，频率设定信号必须通过给 定积分算法产生平缓升速或降速信号，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。
转速闭环转差频率控制调速系统
• 电力传动的基本控制规律
任何电力拖动自动控制系统都服从于基本运 动方程式
J d Te TL np dt
提高调速系统动态性能主要依靠控制转速的 变化率 d / dt ，根据基本运动方程式，控制 电磁转矩就能控制 d / dt ，因此，归根结底， 调速系统的动态性能就是控制转矩的能力。
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 6.5.1 转速开环恒压频比控制调速系统 用； （2）具有多种可供选择的功能，适用于 • 概述 各种不同性质的负载。 现代通用变频器大都是采用二极管整流和由 快速全控开关器件 IGBT 或功率模块IPM 组成的 PWM逆变器，构成交-直-交电压源型变压变频器， 已经占领了全世界0.5-500KVA 中、小容量变频 调速装置的绝大部分市场。
由此可见，要实现恒 Eg/1控制，须在Us/1 = 恒值的基础上再提高电压 Us 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 子电流时恒 Eg/1 控制所需的电压-频率特性 Us = f (1, Is) 如下图所示。
转速闭环转差频率控制调速系统 上述关系表明，只要 Us 和1及 Is 的关系符 合上图所示特性，就能保持 Eg/1 恒定，也 就是保持 m 恒定。这是转差频率控制的基 Us 本规律之二。 Eg/1=Const.
转速闭环转差频率控制调速系统
Te
Temax Tem
可以看出： • 在s 较小的稳态运 行段上，转矩 Te基本 上与s 成正比， • 当Te 达到其最大值 Temax 时，s 达到 smax值。
0
sm smax
s
图6-40 按恒Φm值控制的 Te=f (s ) 特性
转速闭环转差频率控制调速系统
' s R 3 2 Te np Ns2 kNs Φm 2 '2 12 r 2 '2 2 Rr s 1 Llr
（6-59）
令
s = s1
，并定义为转差角频率；
3 2 K m np N s2 k Ns ，是电机的结构常数； 2
转速闭环转差频率控制调速系统
则
Te KmΦm
2
s Rr' Rr'2 (s L'lr )2
Te KmΦm
2
s Rr' Rr'2 (s L'lr )2
• 对于式（6-60），取
dTe / ds = 0 可得
s max
Temax
Rr' Rr ' Llr Llr
KmΦm 2L'lr
2
（6-62）
（6-63）
转速闭环转差频率控制调速系统
在转差频率控制系统中，只要给s 限 幅，使其限幅值为
R R2
VTb
2
显示 设定 接口
单 片 机
电压 检测
泵升 限制
电流 检测
温度 检测
电流 检测
PWM 发生器
驱动 电路
转速开环恒压频比控制调速系统
检测与保护电路——各种故障的保护由电压、电 流、温度等检测信号经信号处理电路进行分压、 光电隔离、滤波、放大等综合处理，再进入A/D 转换器，输入给CPU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。 信号设定——需要设定的控制信息主要有：U/f 特性、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。
图6-38
三相二极管整流电路的输入电流波形
控制电路 —— 现代 PWM 变频器的控制电路大都是 以微处理器为核心的数字电路，其功能主要是接 PWM信号产生——可以由 K 受各种设定信息和指令，再根据它们的要求形成 微机本身的软件产生，由 驱动逆变器工作的 PWM 信号，再根据它们的要求 PWM 端口输出，也可采用 UR R UI R0 0 R R 形成驱动逆变器工作的 PWM 信号。微机芯片主要 R11PWM Rbb 专用的 生成电路芯片。 M ~ 采用8位或16位的单片机，或用32位的DSP。 3~
sm s max
Rr Llr
（6-64）
就可以基本保持 Te与s 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。
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