第5章 交流异步电动机变频调速控制.ppt

1、第5章 交流异步电动机变频调速控制,5.1 变频调速的基本原理 从调速性能看，直流电动机调速具有调速精度高，调速范围宽，动态性能好，启动、制动灵活等优点，其缺点是电动机内部需要碳刷和换相片。 随着电力电子技术的发展以及现代控制理论的不断发展，变频器的性能不断提高，使得以变频器应用技术为代表的交流电动机调速技术取代了直流调速，成为电气传动调速的主流。它具有升速快，调速范围宽，静态稳定性好，运行效率高等优点；且交流电动机具有坚固耐用，运行可靠，价格低等优势，因而获得广泛应用。,三相异步电动机等效电路如图所示。,三相异步电动机的T型等效电路,众所周知，电网提供的交流电是恒压、恒频的，变频器的作用是改

2、变输出给电动机的频率和电压，对交流电动机实现无级变速。 异步电动机的转速表达式为： n=n0(1-s)=60f1(1-s)/p 由此可知，只要平滑地调节异步电动机的电源频率，就可以实现异步电动机的无级调速。 但是，异步电动机的定子电压，电源频率和磁通之间有一定的制约关系。 U1=4.44f1N1k1。 所以，只改变频率f1实际上不能正常调速。在改变频率f1的同时，还要改变定子电压U1的大小。,5.1.1基频以下恒磁通变压变频调速 三相异步电动机每相电压如果降低电源频率时，还要保持电源电压为额定值，则需要增加气隙中的磁通，通常电动机磁路的磁通是处于临界饱和状态，若再增加气隙磁通，将导致磁路饱和，

3、这是不允许的。因此降低电源频率时，必须同时降低电源电压。通常有两种方法。,由上面的分析可知，保持 的调速方式，其最大转矩Tm=常数，与频率无关；并且最大转矩对应的转差降落相等，也就是不同频率的各条机械特性是平行的，硬度相同。这种调速方法与他励直流电动机降低电源电压调速相似，其机械特性较硬，在一定的静差率要求下，调速范围宽，而且稳定性好。 由于频率可以连续调节，所以变频调速属于无级调速，平滑性好。 可以证明，这种调速为恒转矩调速方式。,2.降低定子电源频率时，保持U1 /f1 为常数，则气隙磁通近似为常数，电动机的电磁转矩为：,上式，对s求导，令dT/ds=0得最大转矩：临界转差率：,由上式可以

4、看出，保持U1 /f1 为常数，降低电源频率调速的机械特性与保持E1/f1为常数时的机械特性有所不同，最大转矩不等于常数。当电源频率f1较低时，最大转矩将会大大减小。 可以证明，保持U1 /f1 为常数的调速近似为恒转矩调速方式。,3. 基频以下恒磁通变压变频调速 由以上分析可以看出，保持E1/f1=常数的调速，也就是=常数的调速，叫做恒磁通调速。这种调速方法与他励直流电动机降低电源电压调速相似。而U1/f1=常数的调速并不是真正的恒磁通调速，这是因为电动机的主磁通严格意义上不是与U1/f1成正比，而是与E1/f1成正比。外加电压只是在不计定子内阻时才近似等于反电势，当供电频率和电压变得较低时

5、，定子电阻的影响增大，不可忽略。此时可采用低频段电压补偿法，人为地适当提高定子电压以补偿定子电阻压降的影响，来保持电动机气隙磁通大体保持不变。如下图所示。,5.1.2 从基频向上的变频调速由于电动机的电源电压不得高于其额定电压，因此，从基频向上升高频率调速时，只能保持U1=UN电压不变。由公式可知，随着频率f1的升高，气隙每极磁通m降低，是一种降低磁通升速的方法。电动机电磁转矩：,最大转矩临界转差率,由上面的公式推导和相应的机械特性曲线可以看出，从基频向上的变频调速必须保持UN不变，在此情况下，频率升高时，Tm减小，sm也减小，而最大转矩对应的转速降落nm保持为常数。 可以证明，升高频率保持U

6、N不变的调速近似为恒功率调速方式。,3、变频调速的特点 1）变频调速具有转差功率损耗小，效率高，节能；2）静差率小，调速范围广，可实现平滑调速，稳定性高；3）变频调速为无级调速。4）从基频向下调速为恒转矩调速方式，从基频向上调速近似为恒功率调速方式。 对异步电动机进行变频控制时的控制特性如下图所示。,5.2 变频器的分类、基本组成和工作原理 5.2.1 变频器的分类 1. 按变换环节分：交-交变频器，交-直-交变频器。 2. 按直流环节储能方式分：电流型，电压型。 3. 按输出电压的调制方式分：PAM（脉冲幅度调制），PWM（脉冲宽度调制）。,5.2.2 变频器的基本组成 目前通用的变频器产品

7、为交-直-交电压型电路形式。它主要由主电路和控制电路组成。如图所示。变频器的主电路主要由整流器、中间直流环节和逆变器组成。 控制电路的主要任务是对逆变器进行各种模式的,开关控制，输出频率和输出电压的控制以及对电路主要器件进行各种保护。,5.2.3 通用变频器的基本工作原理 1. 主电路分析,2. 电压型逆变电路原理,根据直流侧电源性质的不同，可以分为两类电压型逆变电路：直流侧是电压源。电流型逆变电路：直流侧是电流源。 电压型逆变电路的特点直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动。由于直流电压源的钳位作用，输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同。阻感负载时需提供无功功率，为了给交

8、流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管。,电压型逆变电路举例（全桥逆变电路）,单相电压型逆变电路,单相半桥电压型逆变电路及其工作波形,半桥逆变电路 在直流侧接有两个相互串联的足够大的电容，两个电容的联结点便成为直流电源的中点，负载联接在直流电源中点和两个桥臂联结点之间。工作原理设开关器件V1和V2的栅极信号在一个周期内各有半周正偏，半周反偏，且二者互补。 输出电压uo为矩形波，其幅值为Um=Ud/2。 电路带阻感负载，t2时刻给V1关断信号，给V2开通信号，则V1关断，但感性负载中的电流io不能立即改变方向，于是VD2导通续流，当t3时刻io降零时，VD2截止，V2开通，

9、io开始反向，由此得出如图所示的电流波形。,单相电压型逆变电路,单相半桥电压型逆变电路及其工作波形,V1或V2通时，io和uo同方向，直流侧向负载提供能量；VD1或VD2通时，io和uo反向，电感中贮能向直流侧反馈。VD1、VD2称为反馈二极管,它又起着使负载电流连续的作用，又称续流二极管。优点是简单，使用器件少；其缺点是输出交流电压的幅值Um仅为Ud/2，且直流侧需要两个电容器串联，工作时还要控制两个电容器电压的均衡；因此，半桥电路常用于几kW以下的小功率逆变电源。,全桥逆变电路 共四个桥臂，可看成两个半桥电路组合而成。两对桥臂交替导通180。 输出电压和电流波形与半桥电路形状相同，但幅值高

10、出一倍。在这种情况下，要改变输出交流电压的有效值只能通过改变直流电压Ud来实现。 Ud的矩形波uo展开成傅里叶级数得,其中基波的幅值Uo1m和基波有效值Uo1分别为,全桥逆变电路,3. 单相电压型逆变电路（移相调压）,a),b),单相全桥逆变电路的移相调压方式,移相调压方式 V3的基极信号比V1落后（0 180）。V3、V4的栅极信号分别比V2、V1的前移180-。输出电压是正负各为的脉冲。工作过程t1时刻前V1和V4导通， uo=Ud。t1时刻V4截止，而因负载电感中的电流io不能突变，V3不能立刻导通，VD3导通续流，uo=0。t2时刻V1截止，而V2不能立刻导通，VD2导通续流，和VD3

11、构成电流通道，uo=-Ud。到负载电流过零并开始反向时，VD2和VD3截止，V2和V3开始导通，uo仍为-Ud。t3时刻V3截止，而V4不能立刻导通，VD4导通续流，uo再次为零。改变就可调节输出电压。,4. 三相电压型逆变电路,三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路。 三相桥式逆变电路基本工作方式是180导电方式。同一相（即同一半桥）上下两臂交替导电，各相开始导电的角度差120 ，任一瞬间有三个桥臂同时导通。每次换流都是在同一相上下两臂之间进行，也称为纵向换流。,三相电压型桥式逆变电路,假想中点,电压型三相桥式逆变电路的工作波形,工作波形对于U相输出来说，当桥臂1导通时，uUN=Ud/2，

12、当桥臂4导通时，uUN=-Ud/2，uUN的波形是幅值为Ud/2的矩形波，V、W两相的情况和U相类似。负载线电压uUV、uVW、uWU可由下式求出,负载各相的相电压分别为,电压型三相桥式逆变电路的工作波形,把上面各式相加并整理可求得,设负载为三相对称负载，则有uUN+uVN+uWN=0，故可得,负载参数已知时，可以由uUN的波形求出U相电流iU的波形，图g给出的是阻感负载下 时iU的波形。,把桥臂1、3、5的电流加起来，就可得到直流侧电流id的波形，如图h所示，可以看出id每隔60脉动一次。,基本的数量关系把输出线电压uUV展开成傅里叶级数得,式中， ，k为自然数。,输出线电压有效值UUV为,

13、其中基波幅值UUV1m和基波有效值UUV1分别为,把uUN展开成傅里叶级数得,式中， ，k为自然数。,负载相电压有效值UUN为,其中基波幅值UUN1m和基波有效值UUN1分别为,为了防止同一相上下两桥臂的开关器件同时导通而引起直流侧电源的短路，要采取“先断后通”的方法。,5.3 正弦波脉冲宽度调制（SPWM）型逆变电路 5.3.1 SPWM波形控制基本原理 PWM（Pulse Width Modulation）控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。PWM控制技术在逆变电路中的应用最为广泛，对逆变电路的影响也最为深刻，现在大

14、量应用的逆变电路中，绝大部分都是PWM型逆变电路。,1. PWM控制的基本原理,用PWM波代替正弦半波将正弦半波看成是由N个彼此相连的脉冲宽度为/N，但幅值顶部是曲线且大小按正弦规律变化的脉冲序列组成的。把上述脉冲序列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积（冲量）相等，这就是PWM波形。对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。 脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称SPWM（Sinusoidal PWM）波形。 PWM波形可分为等幅PWM波和不等幅PWM波两种，由直流电源产生的PW

15、M波通常是等幅PWM波。 基于等效面积原理，PWM波形还可以等效成其他所需要的波形，如等效所需要的非正弦交流波形等。,用PWM波代替 正弦半波,2. 计算法和调制法,计算法根据逆变电路的正弦波输出频率、幅值和半个周期内的脉冲数，将PWM波形中各脉冲的宽度和间隔准确计算出来，按照计算结果控制逆变电路中各开关器件的通断，就可以得到所需要的PWM波形，这种方法称之为计算法。计算法是很繁琐的，当需要输出的正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要变化。 调制法 把希望输出的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过信号波的调制得到所期望的PWM波形。 通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波，其中等腰三

16、角波应用最多。,单相桥式PWM逆变电路,单相桥式PWM逆变电路（调制法）电路工作过程工作时V1和V2通断互补，V3和V4通断也互补，比如在uo正半周，V1导通，V2关断，V3和V4交替通断。负载电流比电压滞后，在电压正半周，电流有一段区间为正，一段区间为负。在负载电流为正的区间，V1和V4导通时，uo=Ud。V4关断时，负载电流通过V1和VD3续流，uo=0。在负载电流为负的区间，仍为V1和V4导通时，因io为负，故io实际上从VD1和VD4流过，仍有uo=Ud。V4关断，V3开通后，io从V3和VD1续流，uo=0。uo总可以得到Ud和零两种电平。在uo的负半周，让V2保持通态，V1保持断态

17、，V3和V4交替通断，负载电压uo可以得到-Ud和零两种电平。,阻感负载,单相桥式PWM逆变电路,单极性PWM控制方式波形,单极性PWM控制方式 调制信号ur为正弦波，载波uc在ur的正半周为正极性的三角波，在ur的负半周为负极性的三角波。 在ur的正半周，V1保持通态，V2保持断态。当uruc时使V4导通，V3关断，uo=Ud。当uruc时使V3关断，V4导通，uo=0。,单相桥式PWM逆变电路,双极性PWM控制方式波形,双极性PWM控制方式 在调制信号ur和载波信号uc的交点时刻控制各开关器件的通断。 在ur的半个周期内，三角波载波有正有负，所得的PWM波也是有正有负，在ur的一个周期内，

18、输出的PWM波只有Ud两种电平。在ur的正负半周，对各开关器件的控制规律相同。 当uruc时，V1和V4导通，V2和V3关断，这时如io0，则V1和V4通，如io0，则VD2和VD3通，不管哪种情况都是uo=-Ud。,5.3.3 三相桥式SPWM逆变电路,三相桥式PWM型逆变电路,三相桥式PWM逆变电路波形,三相桥式PWM逆变电路（调制法）采用双极性控制方式。 U、V和W三相的PWM控制通常公用一个三角波载波uc，三相的调制信号urU、urV和urW依次相差120。,电路工作过程（U相为例）当urUuc时，上桥臂V1导通，下桥臂V4关断，则U相相对于直流电源假想中点N的输出电压uUN=Ud/2

19、。 当urUuc时，V4导通，V1关断，则uUN=-Ud/2。 V1和V4的驱动信号始终是互补的。当给V1(V4)加导通信号时，可能是V1(V4)导通，也可能是二极管VD1(VD4)续流导通，这要由阻感负载中电流的方向来决定。uUN、uVN和uWN的PWM波形都只有Ud/2两种电平。,三相桥式PWM型逆变电路,三相桥式PWM逆变电路波形,三相桥式PWM型逆变电路,三相桥式PWM逆变电路波形,输出线电压PWM波由Ud和0三种电平构成。 当臂1和6导通时，uUV=Ud。当臂3和4导通时，uUV=Ud。当臂1和3或臂4和6导通时，uUV=0。 负载相电压uUN可由下式求得,负载相电压的PWM波由(2

20、/3)Ud、(1/3)Ud和0共5种电平组成。,为了防止上下两个臂直通而造成短路，在上下两臂通断切换时要留一小段上下臂都施加关断信号的死区时间。,5.3.4 异步调制和同步调制,载波频率fc与调制信号频率fr之比N= fc/fr称为载波比，根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，PWM调制方式可分为异步调制和同步调制两种。 异步调制 载波信号和调制信号不保持同步的调制方式称为异步调制。 通常保持载波频率fc固定不变，因而当信号波频率fr变化时，载波比N是变化的。 在信号波的半个周期内，PWM波的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称。 当

21、fr较低时，N较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生的不利影响都较小，PWM波形接近正弦波。 当fr增高时，N减小，一周期内的脉冲数减少，PWM脉冲不对称的影响就变大，输出PWM波和正弦波的差异变大，对于三相PWM型逆变电路来说，三相输出的对称性也变差。在采用异步调制方式时，希望采用较高的载波频率，以使在信号波频率较高时仍能保持较大的载波比。,同步调制三相PWM波形,同步调制 载波比N等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步的方式称为同步调制。 fr变化时载波比N不变，信号波一个周期内输出的脉冲数是固定的，脉冲相位也是固定的。在三相PWM逆变电路中，通常公用一个三角波载波，为了使三相输出波

22、形严格对称和一相的PWM波正负半周镜对称，取N为3的整数倍且为奇数。当逆变电路输出频率很低时，同步调制时的fc也很低，fc过低时由调制带来的谐波不易滤除，当负载为电动机时也会带来较大的转矩脉动和噪声；当逆变电路输出频率很高时，同步调制时的fc会过高，使开关器件难以承受。,分段同步调制方式举例,分段同步调制 把fr范围划分成若干个频段，每个频段内都保持载波比N为恒定，不同频段的载波比不同。 在fr高的频段采用较低的载波比，以使fc不致过高，限制在功率开关器件允许的范围内。 在fr低的频段采用较高的载波比，以使fc不致过低而对负载产生不利影响。为了防止fc在切换点附近的来回跳动，在各频率切换点采用

23、了滞后切换的方法。 有的装置在低频输出时采用异步调制方式，而在高频输出时切换到同步调制方式，这样可以把两者的优点结合起来，和分段同步方式的效果接近。,实线表示输出频率增高时的切换频率,虚线表示输出频率降低时的切换频率,5.4 转速开环变压变频调速系统,对于风机、水泵等调速性能要求不高的负载，可以根据电动机的稳态模型，采用转速开环电压频率协调控制的方案。 通用变频器控制系统可以和通用的笼型异步电动机配套使用。具有多种可供选择的功能，适用于各种不同性质的负载。,5.4.1 转速开环变压变频调速系统结构,转速开环变压变频调速系统本身没有自动限制起动、制动电流的作用，频率设定必须通过给定积分算法产生平

24、缓的升速或降速信号，,电压-频率特性,电压/频率特性,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。,系统结构,转速开环变压变频调速系统,在此控制系统中，为了保证电压、频率按比例协调变化，输入信号ui分成两路分别同时控制电压和频率的变化。 电压控制部分用来调节可控整流器的输出电压，主要由电压外环和电流内环组成。外环设电压调节器AVR，用以调节输出电压，使其始终跟随给定电压变化。内环电流调节器ACR，用以限制动态电流，同时也能起到抑制故障电流的作用。 频率控制部分主要由电压频率变换器、环形分配器和脉冲放大器组成，以便送出与电压成

25、正比的频率信号，用来控制逆变器的输出频率。,5.4.2 系统实现,数字控制通用变频器-异步电动机调速系统硬件原理图,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。,转速开环变压变频调速系统静态特性,5.5 转速闭环转差频率控制的变压变频调速系统,转速开环变频调速系统可以满足平滑调速的要求，但静、动态性能不够理想。 采用转速闭环控制可提高静、动态性能，实现稳态无静差。 需增加转速传感器、相应的检测电路和测速软件等。 转速闭环转差频率控制的变压变频调速是基于异步电动机稳态模型的转速闭环控制系统。,5.5.1 转差频率控制的基本概念及特点,要保证系统稳定运行，必须使,在转差

26、频率控制系统中，系统允许的最大转差频率小于临界转差频率,转差频率控制的基本思想,由上式可以看出，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。,转差频率控制的基本规律,用转差频率来控制转矩，是转差频率控制的基本规律之一。,恒气隙磁通控制的机械特性,转差频率控制系统要解决的第二个问题是如何保持气隙磁通的恒定 。 异步电动机定子电压 表达式如下：,由上式可知，如果保持气隙磁通恒定，必须对定子电压进行补偿控制，以抵消定子电阻和漏抗的压降。,定子电压补偿应该是幅值和相位

27、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,其中,高频时，定子漏抗压降占主导地位，可忽略定子电阻，简化为,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。,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。,定子电压补偿控制的电压频率特性,转差频率控制的规律,转矩基本上与转差频率成正比，条件是气隙磁通不变，且,在不同的定子电流值时，按定子电压补偿控制的电压频率特性关系控制定子电压和频率，就能保持气隙磁通恒定。,5.5.2 转差频率控制系统结构及性能分析,转差频率控制的转速闭环变压变频调速系统结构原理图,异步

28、电动机转差频率控制系统框图如上图所示。电动机运行时，测速装置FBS检测出转子转速频率，该频率与给定频率相减，经转速调节器ASR将速度偏差信号放大调整，产生转差频率s（s=*-）,s与实测转速信号相加，即得到设定定子频率1，由1和定子电流反馈信号Is，从芯片中存储的函数中查得定子电压的给定信号U，用U和1控制PWM电压逆变器，即可得到异步电动机所需的变压变频电源值。,转差频率控制的转速闭环变压变频调速系统静态特性,5.6 三相异步电动机的矢量变换控制 5.6.1 矢量变换控制的基本思想 三相异步电动机由于坚固耐用，价格便宜，在工业上得到广泛应用，但其调速性能却远不如直流电动机，其原因为，直流电动

29、机调速具备了如下三个条件： 1）励磁固定在定子机座上，在空间能产生一个稳定的直流磁场。 2）电枢绕组固定在转子铁心槽中，在空间能产生一个稳定的电枢磁动势，并且电枢磁动势总是能保持与励磁磁场相垂直，产生的转矩最有效。 3）励磁电流和电枢电流在各自回路中，分别可调可控。,直流电动机模型,异步电动机动态数学模型的性质,异步电动机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。 （1）异步电动机变压变频调速时需要进行电压（或电流）和频率的协调控制，有电压（或电流）和频率两种独立的输入变量。在输出变量中，除转速外，磁通也是一个输出变量。,（2）异步电动机无法单独对磁通进行控制，电流乘磁通产生转矩，

30、转速乘磁通产生感应电动势，在数学模型中含有两个变量的乘积项。 （3）三相异步电动机三相绕组存在交叉耦合，每个绕组都有各自的电磁惯性，再考虑运动系统的机电惯性，转速与转角的积分关系等，动态模型是一个高阶系统。,由于异步电动机具有非线性、强耦合、多变量的性质，要获得高动态调速性能，必须从动态模型出发，分析异步电动机的转矩和磁链控制规律，研究高性能异步电动机的调速方案。 矢量控制系统通过矢量变换和按转子磁链定向，得到等效直流电动机模型，然后模仿直流电动机控制。,下面分析三相异步电动机的情况： 三相绕组中的单相磁动势 三相绕组是由3个单相绕组所组成，这三个单相绕组分别产生脉振磁动势，要了解他们的合成磁

31、动势，首先必先分析这3个单相脉振磁动势的性质。 （1）三相对称电流的幅值相等，而相位相差120。 （2）3个单相绕组的轴线在空间依次相隔120，所以他们各自产生的基波磁动势在空间的分布也依次相隔120。,合成磁动势的推导 用数学的分析方法可以得出三相基波合成磁动势的表达式。根据下面的公式，可以画出任意时刻的三相合成磁动势的分布波形及位置 。,把上面三个相产生的基波磁动势加起来就得到三相合成基波磁动势，为：,上面推导说明： 1）三相异步电动机三相对称绕组流过三相对称电流，将产生一个圆形旋转磁动势。 2）转子磁动势与旋转磁场之间不存在垂直关系。 3）异步电动机转子是短路的，只能在定子方面调节电流。

32、组成定子电流的两个成分励磁电流和工作电流都在变化，因为存在非线性关系，这两部分电流不可能分别调节和控制。 三相异步电动机数学模型的非线性、多变量耦合性质，决定了其控制问题较之直流电动机更为复杂。 矢量变换控制提供了将交流电动机的数学模型通过矩阵变换等效为直流电动机进行控制的基本思想。,为了把三相异步电动机模型转换为直流电动机模型，我们首先把三相异步电动机模型变成在空间上相互垂直的两相静止绕组的模型。 两相绕组产生的圆形旋转磁动势 空间相距（p /2）电角度的两相对称绕组，当通入两相对称电流，即时间相差（p /2）电角度、幅值相同的正弦交流电流时，其工作情况如图所示。,由上可知，空间相距（p /

33、2）电角度的两相对称绕组，当通入两相对称电流，即时间相差（p /2）电角度、幅值相同的正弦交流电流时，产生的合成基波磁动势为圆形旋转磁动势。该旋转磁动势的幅值等于原每相绕组产生的基波脉振磁动势的最大幅值。,既然三相异步电动机，当定子三相绕组在空间上互差120o，并通过在时间上也互差120o的三相正弦交流电iA,iB,iC时，在空间上可以建立一个转速为n1的旋转磁场；而把空间相互垂直（相距（p /2）电角度）的两相对称绕组，通入两相时间上相差（p /2）电角度、幅值相同的正弦交流电流i,i时，也能在空间上建立一个转速为n1的旋转磁场。由此可以认为两相i,i与三相电流iA,iB,iC是等效的。 由

34、此可知，通过变换可以把三相轴系的iA,iB,iC变换为两相轴系的i,i 。,把两相轴系的i,i交流电动机与直流电动机的励磁电流iM和电枢电流iT相比较，可以看出，两种电机的两个绕组在空间上都是相互垂直的。 由此，如果把两相轴系的i,i变换成直流电动机的励磁电流iM和电枢电流iT，就可以实现类似于直流电动机的控制性能。 而两相轴系的i,i与直流电动机的励磁电流iM和电枢电流iT不同在于两相异步电动机绕组电流i,i是静止电流，而直流电动机的励磁电流iM和电枢电流iT是两相旋转的电流。 通过坐标旋转变换，可把两相静态轴系转换为两相旋转轴系。,矢量变换控制的基本思想是通过数学上的坐标变换，先把交流三相

35、绕组的电流iA,iB,iC等效变换为交流两相绕组的电流i,i ，称为3/2变换；再把两相交流电i,i等效变换为两相旋转轴系M,T的直流电流iM ， iT 。实质上就是通过数学变换把三相交流电动机的定子电流iA,iB,iC分解成转矩分量和励磁分量，以便像直流电动机那样实现精确控制。 5.6.2 矢量变换规律 1. 三相A、B、C系统变换到两相、系统 电流的空间矢量概念是电流流经绕组产生磁动势，这个磁动势可以用同方向的一个电流矢量来表示，三相电动机中三相电流产生的合成磁动势完全可以用两个在空间上相差90的绕组通以时,间上相差90的对称电流产生的合成磁动势所代替，变换关系如下：,2/3变换系统，由三

36、相变为两相，其每一相的功率不变，而电机的总功率变了。,2. 静止坐标与旋转坐标的变换,上述等效关系可用如下结构图来表示。上述的矢量变换是通过矩阵运算来实现的，要进行矢量变换控制的矩阵运算，除需要实时检测定子的三相电流外，还需要检测转子的转速，磁通等许多变量，需要多位、高速的微处理器才能完成。,下面建立交流异步电动机的理想数学模型。 由于三相异步电动机数学模型的非线性、多变量耦合性质，需要对实际电机进行简化，对其进行如下假设： 1）忽略空间谐波，假设三相绕组产生的磁动势沿气隙圆周按正弦规律分布。 2）忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感都是恒定的。 3）忽略铁心损耗。 4）不考虑频率变化对绕组电阻的

37、影响。,异步电动机的三相数学模型,图6-1 三相异步电动机的物理模型,定子三相绕组轴线A、B、C在空间是固定的。 转子绕组轴线a、b、c随转子旋转。,在上述假设下，感应电机在同步旋转坐标系下的模型可用下面三个方程式来描述。,由上分析可知，在转子磁场定向的同步旋转坐标系下，定子电流可分解为两个独立的分量。 转子磁链仅由M轴分量iM1控制，与iT1无关；当iM1不变时，即2不变时，Te仅由iT1控制，故iT1叫做定子电流的转矩分量。 矢量变换控制的最终目的实现了定子电流分解，即分别进行了转子磁链和电磁转矩的解耦，可仿照直流电机的控制方式来控制交流电机。,矢量控制系统结构图如下所示。,5.6.3 矢

38、量控制变频调速系统 矢量控制的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。 具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量（励磁电流）和产生转矩的电流分量（转矩电流）分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以把这种控制方式叫做矢量控制方式。 矢量控制方式又分为直接矢量控制系统和间接矢量控制系统。,5.6.4 矢量变换控制的基本应用 1. 采用矢量变换控制的变频器电动机调速系统,5.7 变频器的基本功能、接线和参数设置 5.7.1 变频器的基本功能和主要控制参

39、数 1. 变频器的基本功能 1）控制功能 2）显示功能 3）保护功能 2. 变频器的主要控制参数 1）频率给定信号的选择 2）频率和电压范围的设定 3）电压/频率曲线的选择 4）电动机停止方式选择 5）防止过压失速功能的设置 6）防止过流失速功能的设置,5.7.2 通用变频器的外围接线（日本富士公司的FRENIC 5000G9S/P9S400V系列变频器） 1. 主电路接线 1）电源输入端子，2）交流输出端子，3）功率因数校正连接端，4）制动单元。 2. 控制输入接线 1）频率设定电位器输入端，2）辅助设定电压输入或电流输入端，3）控制输入端：正转控制端（FWD），反转控制端（REV），保护控

40、制端（THR），4）复位控制端，5）多档转速控制端，6）多档升降速强度控制端。 3. 控制输出端 1）频率计端，2）运行继电器输出端子及报警继电器输出端子，3）集电极开路（OC）输出端。,5.7.3 常用功能的软件设计及举例 1. 功能码00：表示频率设定的方法 2. 功能码01：表示运行操作的方法 3. 功能码02：表示最高频率 4. 功能码03：表示基本频率 5. 功能码04：表示额定电压1的设定 6. 功能码05：表示加速时间1的设定 7. 功能码06：表示减速时间1的设定 8. 功能码07：转矩提升1曲线设定 9. 功能码15、16：转矩限制 10. 功能码2026:7步频率设定功能1

41、7,11. 功能码3338：加速、减速时间24功能设定 12. 功能码60：功能码6179各种功能的入口控制 13. 功能码73：加速、减速方式的模式选择功能 14. 功能码65：程序运行时模式选择功能 15. 功能码6672:7步定时器运行时间和加/减速方式设置功能 16. 功能码29：转矩矢量控制,西门子MICROMASTER 440 系列变频器 MICROMASTER 440 是用于控制三相交流电动机速度和转矩的变频器。本系列有多种型号，额定 功率范围从120 W 到200 kW(恒定转矩(CT)控制方式)，或者可达250 kW(可变转矩(VT)控制方 式)，供用户选用。 变频器由微处理

42、器控制，并采用具有现代先进技术水平的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为功率输出器件。因此，它们具有很高的运行可靠性和功能的多样性。采用脉冲频率可选的专用脉宽调制技术，可使电动机低噪声运行。全面而完善的保护功能为变频器和电动机提供了良好的保护。,MICROMASTER 440 具有缺省的工厂设置参数，它是给数量众多的可变速控制系统供电的理想变频传动装置。由于MICROMASTER 440 具有全面而完善的控制功能，在设置相关参数以后，它也可用于更高级的电动机控制系统。 MICROMASTER 440 既可用于单独传动系统，也可集成到自动化系统中。,MM440功能框图,MM440功能框图,特 点

43、主要特性 易于安装 易于调试 牢固的EMC 设计 可由IT 电源供电 对控制信号的响应是快速和可重复的 参数设置的范围很广，确保它可对广泛的应用对象进行配置 电缆连接简便 具有多个继电器输出 具有多个模拟量输出(020mA) 6 个带隔离的数字输入，并可切换可NPN/PNP 接线 ,2 个模拟输入： ADC1：010V，020mA 和-10 至+10V ADC2：010V，020mA 2 个模拟输入可以作为第7 和第8 个数字输入 BICO 技术 模块化设计，配置非常灵活 开关频率高(传动变频器可到16kHz)，因而电动机运行的噪音低 内部RS485 接口(端口) 详细的变频器状态信息和完整的

44、信息功能,性能特征 矢量控制 无传感器矢量控制(SLVC) 带编码器的矢量控制(VC) V/f 控制 磁通电流控制(FCC)，用于改善动态响应和电动机的控制特性 多点V/f 特性 自动再启动 捕捉再启动 滑差补偿 快速电流限制(FCL)动能，适用于自由脱扣运行 电机停机抱闸 内置直流制动 复合制动功能改善了制动特性 内置制动单元(框架尺寸A 至F)用于电阻制动(动力制动) 给定值输入，通过： 模拟输入 通讯接口 点动(JOG)功能 电动电位计, 固定频率 斜坡函数发生器 有平滑功能 无平滑功能 工艺调节器(PID) 参数组转换 传动数据组(DDS) 命令数据组和给定值源(CDS) 自由功能块

45、直流母线电压调节器 动能缓冲 定位控制的斜坡下降 保护特性 过电压/欠电压保护 变频器过热保护 接地故障保护 短路保护 I2t 电动机过热保护 PTC/KTY84 电动机保护,5.8 变频器的选择、控制电路设计及应用举例 5.8.1 变频器的选择 1. 变频器的容量选择 一般可由变频器说明书中配用电动机的容量的参数来选择，如下表所示。,2. 变频器类型的选择 1）通用型变频器；2）高性能变频器；3）专用变频器。,5.8.2 变频器的控制电路设计 1. 变频器的基本控制电路 注意：启动时，应先启动变频器，再启动电动机，以防止大电流对电网的冲击。停止时，先停电动机，再停变频器。,2. 由PLC控制变频器和电动机单向运转电路,3. 由PLC控制变频器和电动机可逆运转电路,5.8.3 应用举例 设计一个能实现变频与工频自动切换的变频器控制电路。 1. 控制要求 1）用户可根据工作需要，自由选择“变频运行”或“工频运行”两种工作方式。 2）在“变频运行”时，变频器一旦发生故障，系统可自动切换为“工频运行”方式，同时进行声、光报警。 2. 由控制要求设计出继电器接触器控制电路,3. 由PLC进行控制的电路,