第5讲 异步电动机的标量控制.ppt

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1、第5讲异步电动机的标量控制异步电动机变频异步电动机变频调速的转矩控制调速的转矩控制方式方式（）（）V/FV/F控制控制（）转差频率控制（）转差频率控制（）矢量控制（磁场定（）矢量控制（磁场定向控制）向控制）（）直接转矩控制（）直接转矩控制属于标量控制属于标量控制属于矢量控制属于矢量控制所谓标量控制所谓标量控制(scarlar control)(scarlar control)就是只对变量的大就是只对变量的大小进行控制。小进行控制。所谓矢量控制所谓矢量控制(vector control)(vector control)是对变量的大小和是对变量的大小和相位同时进行控制。相位同时进行控制。2 V/F

2、 V/F控制要考虑控制要考虑(注意注意)的问题的问题 为减小定子电阻压降对磁通的影响，函数为减小定子电阻压降对磁通的影响，函数G G要考虑低频要考虑低频电压补偿电压补偿U U0 0。电压补偿。电压补偿U U0 0太小会造成转矩不足，电压补偿太小会造成转矩不足，电压补偿U U0 0太大会造成电机磁通饱和，定子电流过大。太大会造成电机磁通饱和，定子电流过大。s*U0Ufs*G环节的功能示意图环节的功能示意图二极二极管管整整流器流器PWM逆变器逆变器IMIMCG GsU*ACACfs*H Hfs*6 为防止起动时因转差频率过大而引起过电流需要限制为防止起动时因转差频率过大而引起过电流需要限制加加速时

3、间速时间；同样道理为防止减速时因转差频率过大而引起过电；同样道理为防止减速时因转差频率过大而引起过电流和过电压需要限制流和过电压需要限制减速时间减速时间。加速过快会引起输出过流，减速过快会引起输出过流和中加速过快会引起输出过流，减速过快会引起输出过流和中间直流侧过压。间直流侧过压。二极二极管管整整流器流器PWM逆变器逆变器IMIMCG GsU*ACACfs*H Hfs*fs*H环节的功能示意图环节的功能示意图fs*n73 3、转速闭环的恒压频比控制、转速闭环的恒压频比控制 转速开环的变频调速系统可以满足平滑调速的要求，但转速开环的变频调速系统可以满足平滑调速的要求，但其静态、动态性能都是有限的

4、，要提高静态性能，可采用其静态、动态性能都是有限的，要提高静态性能，可采用转速反馈闭环控制。转速反馈闭环控制。8(1)(1)系统框图系统框图 给定信号给定信号电机速度指令电机速度指令f fr r*；速度指令速度指令f fr r*与实际速度与实际速度f fr r相比较，速度误差经过速度调相比较，速度误差经过速度调节器给出节器给出定子频率指令定子频率指令；图图5-2 5-2 使用使用PWMPWM电压型逆变器的异步电机转速电压型逆变器的异步电机转速闭环恒压频比控制闭环恒压频比控制f fs s*G G二极管二极管整流器整流器PWMPWM逆变器逆变器IMIMACAC速度速度调节器调节器电流限制电流限制速

5、速度度传传感感器器_+_+frfr*Us*H H9 在产生定子频率指令时，加入了电流限制信号，它只在在产生定子频率指令时，加入了电流限制信号，它只在电流超过限制值时才起作用（通过限制定子频率指令电流超过限制值时才起作用（通过限制定子频率指令f fs s*来来限制转差频率，防止限制转差频率，防止电动机失速电动机失速）；）；V/FV/F控制：控制：U Us s*=GfGfs s*。s*U0Ufs*G环节的功能示意图环节的功能示意图f fs s*G G二极管二极管整流器整流器PWMPWM逆变器逆变器IMIMACAC速度速度调节器调节器电流限制电流限制速速度度传传感感器器_+_+frfr*Us*H H

6、104 4、V/FV/F控制的特点：控制的特点：控制系统简单，容易实现；控制系统简单，容易实现；负载变化时稳速性能差，负载变化时稳速性能差，难以准确控制电机转速（转难以准确控制电机转速（转速闭环除外）。速闭环除外）。动态性能差，加、减速过快会造成电机失速（转差频动态性能差，加、减速过快会造成电机失速（转差频率率f fslsl超过最大转矩所对应的转差频率超过最大转矩所对应的转差频率f fslmslm）。）。另外，对电压型逆变器来说，加速过快会引起输出过流，另外，对电压型逆变器来说，加速过快会引起输出过流，减速过快会引起输出过流和中间直流侧过压。减速过快会引起输出过流和中间直流侧过压。115 5、

7、V/FV/F控制的应用：控制的应用：V/F控制是一种基于异步电动机稳态模型的控制方案，用控制是一种基于异步电动机稳态模型的控制方案，用于不需要很高动态性能的场合，如风机、水泵的调速。通于不需要很高动态性能的场合，如风机、水泵的调速。通用变频器通常采用这种控制方案。用变频器通常采用这种控制方案。所谓所谓“通用通用”包含两个方面的含义：一是可以和普通笼型包含两个方面的含义：一是可以和普通笼型异步电动机配套使用；二是具有多种可供选择的功能，适异步电动机配套使用；二是具有多种可供选择的功能，适合于不同性质的负载。如：合于不同性质的负载。如：125-2 5-2 转差频率控制转差频率控制 一、转差频率控制

8、的提出一、转差频率控制的提出 (V/F)(V/F)开环控制的缺陷：开环变频调速系统，可以满足一开环控制的缺陷：开环变频调速系统，可以满足一般平滑调速的要求，但静态、动态性能都有限。般平滑调速的要求，但静态、动态性能都有限。静态性能的提高可通过转速闭环控制来实现。静态性能的提高可通过转速闭环控制来实现。13 要提高调速系统的动态性能，主要依靠控制转速的变化率要提高调速系统的动态性能，主要依靠控制转速的变化率d d/dt/dt，因此调速系统的动态性能归根结底要改善对转矩的因此调速系统的动态性能归根结底要改善对转矩的控制。控制。分析：分析：任何电气传动自动控制系统都服从基本运动方程式：任何电气传动自

9、动控制系统都服从基本运动方程式：动态性能如何提高动态性能如何提高?14回顾第回顾第3 3讲内容讲内容异步电动机稳态运行时所产生的转矩：异步电动机稳态运行时所产生的转矩：如何控制转矩？如何控制转矩？！恒磁通运行结论！恒磁通运行结论1：电磁转矩由转差频率电磁转矩由转差频率fsl决定，与定子频率决定，与定子频率fs无关。无关。！恒磁通运行结论！恒磁通运行结论2：当转差频率当转差频率f fslsl 较小时，电机转矩与转差频率较小时，电机转矩与转差频率f fslsl成正比。成正比。15也就是说，在转差频率也就是说，在转差频率f fslsl很小时，只要维持很小时，只要维持E Eg g/f/fs s=con

10、st=const，即维持气隙磁通即维持气隙磁通m m不变，则异步电动机的电磁转矩近似与不变，则异步电动机的电磁转矩近似与转差频率成正比，因此转差频率成正比，因此通过控制转差频率可达到间接控制电通过控制转差频率可达到间接控制电磁转矩的磁转矩的T Te e目的目的。16注意：转差频率控制转矩的两个条件注意：转差频率控制转矩的两个条件 保持气隙磁通保持气隙磁通m m一定；一定；转差频率很小（即转差频率很小（即f fslslffslmslm）。）。二、转差频率控制的基本原理二、转差频率控制的基本原理 保持气隙磁通保持气隙磁通m m一定一定，在，在转差频率很小转差频率很小的范围内（即的范围内（即f fs

11、lslffslmslm范围内）异步电机的电磁转矩范围内）异步电机的电磁转矩T Te e与转差频率与转差频率f fslsl近似近似成成正比，通过控制转差频率正比，通过控制转差频率f fslsl间接间接控制电磁转矩控制电磁转矩T Te e。17气隙磁通气隙磁通m m恒定恒定的实现方法的实现方法 通过控制电压通过控制电压/频率比实现；频率比实现；如何实现气隙磁通如何实现气隙磁通m m恒定？恒定？恒磁通恒磁通运行的条件：运行的条件：18 通过控制定子电流通过控制定子电流I Is s来实现。来实现。按右图所示的关系调节按右图所示的关系调节定子电流就能保持励磁电定子电流就能保持励磁电流（磁通）不变！流（磁

12、通）不变！图图5-4 5-4 激磁电流激磁电流I Im m不变时定子电流不变时定子电流与转差频率的关系与转差频率的关系 wslI Is sI Im m0191 1、电压型逆变器转差频率控制电压型逆变器转差频率控制(1)(1)系统框图系统框图三、转差频率控制系统三、转差频率控制系统图图5-5 使用电压型逆变器的异步电机转差频率控制使用电压型逆变器的异步电机转差频率控制二极管二极管整流器整流器PWMPWM逆变器逆变器IMf fs s*PIPI调节器调节器速速度度传传感感器器G G_ _+U Us s*f fr r*f fr rf fslsl*f fr r20 给定信号给定信号电机速度指令电机速度指

13、令f fr r*；速度指令速度指令f fr r*与实际速度与实际速度f fr r相比较得速度误差信号，速度相比较得速度误差信号，速度误差经过带限幅输出的误差经过带限幅输出的PIPI调节器调节器(速度调节器速度调节器)后得到后得到转差转差频率指令频率指令f f*slsl。该。该转差频率指令与实际转速转差频率指令与实际转速f fr r相加产生定子相加产生定子频率指令频率指令f f*s s；PI PI调节器具有调节器具有限幅功能限幅功能(使使f fslsl*ffsmsm)。二极管二极管整流器整流器PWMPWM逆变器逆变器IMf fs s*PIPI调节器调节器速速度度传传感感器器G G_ _+U Us

14、 s*f fr r*f fr rf fslsl*f fr r21 控制该频率指令控制该频率指令f f*s s再通过一个再通过一个V/FV/F函数发生器产生电函数发生器产生电压指令值压指令值U U*s s，该发生器含有低频定子电压补偿。，该发生器含有低频定子电压补偿。图图5-5 使用电压型逆变器的异步电机转差频率控制使用电压型逆变器的异步电机转差频率控制二极管二极管整流器整流器PWMPWM逆变器逆变器IMf fs s*PIPI调节器调节器速速度度传传感感器器G G_ _+U Us s*f fr r*f fr rf fslsl*f fr rs*U0Ufs*G环节的功能示意图环节的功能示意图22f

15、f*s s=f=f*slsl+f+fr r这个关系是转差频率控制的突出特点这个关系是转差频率控制的突出特点。它表明，。它表明，在调速过程中定子频率随着实际转速同步上升或下降，因在调速过程中定子频率随着实际转速同步上升或下降，因此加、减速平滑、稳定。同时，由于动态过程中此加、减速平滑、稳定。同时，由于动态过程中PIPI调节器调节器饱和，系统能用对应于电机最大转差频率的最大限幅电磁饱和，系统能用对应于电机最大转差频率的最大限幅电磁转矩进行控制，保证了快速性。转矩进行控制，保证了快速性。23注意：图注意：图5-55-5与图与图5-25-2，PIPI调节器的输出量不同，这使得两者调节器的输出量不同，这

16、使得两者在定子频率给定上存在在定子频率给定上存在本质性区别。本质性区别。图图5-2 5-2 使用使用PWMPWM电压型逆变器的异步电机转速电压型逆变器的异步电机转速闭环恒压频比控制闭环恒压频比控制f fs s*G G二极管二极管整流器整流器PWMPWM逆变器逆变器IMIMACAC速度速度调节器调节器电流限制电流限制速速度度传传感感器器_+_+frfr*Us*H H图图5-25-2的频率的频率给定与实际转给定与实际转速关联性不大；速关联性不大；图图5-55-5的频率的频率给定与实际转给定与实际转速直接相关。速直接相关。24252 2、（电流控制型）（电流控制型）电压型逆变器转差频率控制电压型逆变

17、器转差频率控制 速度调节器的作用与上个例子相同。速度调节器的作用与上个例子相同。转差频率指令转差频率指令f fslsl*经过函数发生器产生逆变器的电流指令经过函数发生器产生逆变器的电流指令I Is s*。图图5-6 5-6 使用电压型逆变器的异步电机转差频率控制使用电压型逆变器的异步电机转差频率控制二极管二极管整流器整流器PWMPWM逆变器逆变器IMIMPWM发生器PWM发生器PWM发生器+_+_+_波形波形发生器发生器+函数发生器+_PIPI调节器调节器fr*frfrfsl*Is*fs*ia*ib*ic*iaibic26四、转差频率控制的优点与不足四、转差频率控制的优点与不足1 1、与、与V

18、/FV/F控制相比具有以下优点：控制相比具有以下优点：由于频率控制环节的输入是转差频率信号，而定子频率信由于频率控制环节的输入是转差频率信号，而定子频率信号是由转差频率信号与实际转速信号相加后得到的，因此号是由转差频率信号与实际转速信号相加后得到的，因此定定子频率子频率f fs s随着实际转速随着实际转速n(n(f fr r)同步地上升或下降，同步地上升或下降，加、减速比加、减速比较平滑，且容易使系统稳定（不会出现失速）；较平滑，且容易使系统稳定（不会出现失速）；在动态调节过程中转速调节器饱和，系统以最大转矩进行在动态调节过程中转速调节器饱和，系统以最大转矩进行控制，保证了动态调节的快速性；控

19、制，保证了动态调节的快速性；转速调节器采用无静差调节器，可实现无静差控制。转速调节器采用无静差调节器，可实现无静差控制。272 2、与直流电机双闭环系统相比，动态性能还存在、与直流电机双闭环系统相比，动态性能还存在差距，原因差距，原因有以下几点：有以下几点：主要原因主要原因11转差频率控制规律建立在异步电机稳态等转差频率控制规律建立在异步电机稳态等值电路和稳态转矩公式的基础上，因此所得到的值电路和稳态转矩公式的基础上，因此所得到的“恒磁通条恒磁通条件件”只在稳态情况下才能成立。在动态过程中，由于电机电只在稳态情况下才能成立。在动态过程中，由于电机电磁惯性的作用，磁惯性的作用，m m肯定不会恒定

20、，这将影响系统的实际动态肯定不会恒定，这将影响系统的实际动态性能；性能；主要原因主要原因22只控制了定子电流的幅值，没有控制定子只控制了定子电流的幅值，没有控制定子电流的相位，而在动态调节中电流相位如果不能及时跟上，电流的相位，而在动态调节中电流相位如果不能及时跟上，将延缓动态转矩的变化；将延缓动态转矩的变化；28 函数函数I Is s=f(=f(slsl)是非线性的，产生这样的函数肯定会有误是非线性的，产生这样的函数肯定会有误差；差；系统特性在很大程度上依赖于转速的检测精度，因为很系统特性在很大程度上依赖于转速的检测精度，因为很小的转速误差便会引起很大的转差频率误差，使系统偏离理小的转速误差

21、便会引起很大的转差频率误差，使系统偏离理想情况。想情况。wslI Is sI Im m029 基于上述问题，许多学者提出了各种改进方案，但最具基于上述问题，许多学者提出了各种改进方案，但最具革命性的方案当属矢量控制（磁场定向控制）。革命性的方案当属矢量控制（磁场定向控制）。矢量控制矢量控制理论建立在异步电动机的动态模型基础上，基本思想是把理论建立在异步电动机的动态模型基础上，基本思想是把异步电动机的转矩控制模拟成直流电动机的转矩控制。异步电动机的转矩控制模拟成直流电动机的转矩控制。30本章应掌握的主要内容：本章应掌握的主要内容：V/FV/F控制的原理及特点控制的原理及特点转差频率控制的原理及控

22、制框图转差频率控制的原理及控制框图采用转差频率控制时，在电机起动、停止或负载转矩变化采用转差频率控制时，在电机起动、停止或负载转矩变化时转差频率的变化。时转差频率的变化。31专题报告专题报告2 2：异步电动机起动过程分析：异步电动机起动过程分析利用利用MATLAB MATLAB SimulinkSimulink中中SimPowerSystemSimPowerSystem模块，进行异步模块，进行异步电动机起动过程仿真：电动机起动过程仿真：直接起动直接起动降压起动降压起动恒压频比控制恒压频比控制32电机为电机为2.2kW2.2kW三相鼠笼式异步电动机，参数如下：三相鼠笼式异步电动机，参数如下：参数

23、名称参数名称数数值值单单位位额额定功率定功率2.22.2kWkW额额定定转转速速14301430rpmrpm定子定子电电阻阻2.92 2.92 转转子子电电阻阻1.92 1.92 定子漏感定子漏感0.0130.013H H转转子漏感子漏感0.0130.013H H定定转转子互感子互感0.3580.358H H极极对对数数2 2转动惯转动惯量量0.10.1kg*mkg*m2 2恒恒转转矩矩负载负载5 5N*mN*m33仿真激励源参数如下：仿真激励源参数如下：直接起动时，电机端电压为直接起动时，电机端电压为380Vrms/50Hz380Vrms/50Hz；降压起动时，电机端电压频率为降压起动时，电

24、机端电压频率为50Hz50Hz，有效值由，有效值由0Vrms0Vrms增加至增加至380Vrms380Vrms；恒压频比控制采用电压源型逆变器，直流侧电压为恒压频比控制采用电压源型逆变器，直流侧电压为540Vdc540Vdc，电机端电压频率为由，电机端电压频率为由0Hz0Hz增加至增加至50Hz50Hz，交流，交流电压有效值由电压有效值由0Vrms0Vrms增加至增加至380Vrms380Vrms。34仿真结果：仿真结果：主要对起动的速度、起动电流、起动转矩进行对主要对起动的速度、起动电流、起动转矩进行对比分析比分析降压起动中升压时间、降压起动中升压时间、V/fV/f比控制中加速时间对起比控制

25、中加速时间对起动电流及起动转矩的影响进行分析动电流及起动转矩的影响进行分析形成仿真报告。形成仿真报告。35评价标准：评价标准：项项目目仿真仿真结结果果对对比分析比分析报报告告规规范性范性比例比例6%6%2%2%2%2%评评价价标标准准完成全部三个完成全部三个仿真且仿真且结结果正果正确确对对各种起各种起动过动过程中起程中起动电动电流、流、转转矩形成原因矩形成原因分析正确分析正确符合科技符合科技报报告告格式格式361 1、通用变频器、通用变频器-异步电动机系统采用转速开环的异步电动机系统采用转速开环的V/FV/F控制，控制，加速时间过短会造成什么后果？加速时间过短会造成什么后果？减速时间过短会造成

26、什么后果？减速时间过短会造成什么后果？低频补偿电压设置的不合适会造成什么后果？低频补偿电压设置的不合适会造成什么后果？起动频率设置过大会造成什么后果？起动频率设置过大会造成什么后果？思思 考考 题题参考解答参考解答：变频器过电流变频器过电流 变频器过电压流及过电压变频器过电压流及过电压 低频补偿电压设置过低会造成电机起动转矩不足及低频补偿电压设置过低会造成电机起动转矩不足及负载电流过大，引起变频器过电流；补偿电压设置过高会造负载电流过大，引起变频器过电流；补偿电压设置过高会造成励磁电流过大，引起变频器过电流。成励磁电流过大，引起变频器过电流。起动频率设置过大会引起变频器过电流。起动频率设置过大

27、会引起变频器过电流。372、变频调速系统采用转差频率控制时是否还需要设置加、减、变频调速系统采用转差频率控制时是否还需要设置加、减速时间？速时间？3、恒磁通的条件是什么？如何实现恒磁通？、恒磁通的条件是什么？如何实现恒磁通？参考解答参考解答：不需要不需要参考解答参考解答：(1)(1)恒磁通的条件：恒磁通的条件：(2)(2)实现方法实现方法通过控制电压通过控制电压/频率比实现；频率比实现；通过控制定子电流通过控制定子电流Is来实现。来实现。思思 考考 题题384 4、交流异步电机的转差频率控制、交流异步电机的转差频率控制基本具备了直流电机双闭基本具备了直流电机双闭环控制的优点，但在环控制的优点，

28、但在动态性能方面还存在动态性能方面还存在差距，其主要原因差距，其主要原因是什么？是什么？参考解答参考解答：(1)(1)主要原因主要原因11转差频率控制规律建立在异步电机稳态等转差频率控制规律建立在异步电机稳态等值电路和稳态转矩公式的基础上，因此所得到的值电路和稳态转矩公式的基础上，因此所得到的“恒磁通条恒磁通条件件”只在稳态情况下才能成立。在动态过程中，由于电机电只在稳态情况下才能成立。在动态过程中，由于电机电磁惯性的作用，磁惯性的作用，m m肯定不会恒定，这将影响系统的实际动态肯定不会恒定，这将影响系统的实际动态性能；性能；(2)(2)主要原因主要原因22只控制了定子电流的幅值，没有控制定子

29、只控制了定子电流的幅值，没有控制定子电流的相位，而在动态调节中电流相位如果不能及时跟上，电流的相位，而在动态调节中电流相位如果不能及时跟上，将延缓动态转矩的变化。将延缓动态转矩的变化。思思 考考 题题395 5、与与V/FV/F控制相比，控制相比，转差频率控制转差频率控制具有那些优点具有那些优点？参考解答参考解答：(1)(1)由于频率控制环节的输入是转差频率信号，而定子频率由于频率控制环节的输入是转差频率信号，而定子频率信号是由转差频率信号与实际转速信号相加后得到的，因此信号是由转差频率信号与实际转速信号相加后得到的，因此加、减速比较平滑，且容易使系统稳定（不会出现失速）；加、减速比较平滑，且容易使系统稳定（不会出现失速）；(2)(2)在动态调节过程中转速调节器饱和，系统以最大转矩进在动态调节过程中转速调节器饱和，系统以最大转矩进行控制，保证了动态调节的快速性；行控制，保证了动态调节的快速性；(3)(3)转速调节器采用无静差调节器，可实现无静差控制。转速调节器采用无静差调节器，可实现无静差控制。思思 考考 题题406 6、转差频率控制的基本原理以及转差频率间接控制转矩的转差频率控制的基本原理以及转差频率间接控制转矩的条件。条件。思思 考考 题题41此此课件下件下载可自行可自行编辑修改，修改，仅供参考！供参考！感感谢您的支持，我您的支持，我们努力做得更好！努力做得更好！谢谢!