异步电机的标量控制.ppt

标量控制(scalarcontrol)：出发点是电动机的稳态数学模型，即稳态的等值电路、向量图以及稳态的转矩方程式，只对变量的大小进行控制，它的控制效果只有在稳态时才符合要求。矢量控制(vectorcontrol)：出发点是电动机的动态数学模型，对变量的大小和相位同时进行控制，控制效果在动稳态均有效。,第五讲异步电机标量控制,异步电动机的动态模型非常复杂，稳态模型相对简单本讲分别介绍两类基于电动机稳态模型的变压变频调速系统。带低频电压补偿的V/F控制：对于象风机、水泵这样的负载，并不需要很高的动态性能，只要在一定范围内能实现高效率的调速就行。转差频率控制：对调速范围和起制动性能要求高一些的，采用闭环控制。,第五讲异步电机标量控制,控制磁通恒定，实现转矩控制。当电机运行频率较高时，使定子电压与定子频率保持同比变化；当电机运行频率较低时，为了抵消定子绕组压降对电机转矩的影响，对定子电压进行适当补偿，从而保证近似恒磁通。,恒压频比（V/F）控制,PWM电压型逆变器转速开环恒压频比控制系统,恒压频比（V/F）控制,通用变频器：主电路由二极管整流器、滤波电容和电压型逆变器组成。给定信号电机定子频率fs*。,恒压频比（V/F）控制,过流、过压抑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速时间；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减速时间。为使电机磁通恒定，Us*=Gfs*为减小定子电阻压降对磁通的影响，函数G要考虑低频电压补偿U0；电压补偿U0太小会造成转矩不足，电压补偿U0太大会造成电流过大。,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静态性能：存在静差动态性能：动态响应慢,转速反馈闭环控制,转速闭环的恒压频比控制,转速闭环V/F比控制的原理给定信号：电机速度指令fr*；速度调节器：速度指令fr*与实际速度fr相比较，速度误差经过速度调节器给出定子频率指令；电流限制信号：电流超过限制值时通过限制定子频率来限制转差频率，防止电动机失速。,恒压频比控制的特点,控制系统简单，容易实现；负载变化时稳速性能差，难以准确控制电机转速，可采用转速闭环改善。动态性能差，加、减速过快会造成电机失速（转差频率sl超过最大转矩所对应的转差频率slm）。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。,恒压频比控制的应用,V/F比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；通用变频器：通常采用这种控制方案。可以和普通笼型异步电动机配套使用；具有多种可供选择的功能，适合于不同性质的负载。,转差频率控制的提出开环系统的缺陷：动态特性差，带载特性软控制目的：实现带转速反馈的闭环控制，提高系统动静态特性实现方法：控制转矩,转差频率控制,转差频率控制的基本原理恒Es/1控制（即恒m控制）时的电磁转矩公式为：其中：,转差频率控制,转差频率控制的基本原理公式化简后：其中定义Km为电机结构常数：,转差频率控制,转差频率控制的基本原理定义转差角频率s=s1，则:当电机稳态运行时，s值很小，因而s也很小，为1的百分之几，可以认为sLlrRr，则转矩可近似表示为：,转差频率控制,转差频率控制的基本规律一由上式可知，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。控制转差频率就代表控制转矩，这就是转差频率控制的基本概念。,转差频率控制,转差频率控制的基本规律一在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。,转差频率控制,转差频率控制的基本规律一异步电动机的电磁转矩公式为：对上式进行求导，令dTe/ds=0，得到:对应的最大电磁转矩为：,转差频率控制,转差频率控制的基本规律一在转差频率控制系统中，只要给s限幅，使其限幅值：转差频率控制的基本规律一：保证s在限幅值内，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。,转差频率控制,转差频率控制的基本规律二按恒Es/1控制时可保持m恒定，而Es与Us间的关系为：由此可见，要实现恒Es/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。,转差频率控制,转差频率控制的基本规律二忽略电流相量相位变化的影响，不同定子电流时恒Es/1所需的电压-频率特性如下图所示。,转差频率控制,转差频率控制的基本规律二定子电流与转差频率的关系如下：由此可见，要实现恒Es/1控制，按右图的关系调节定子电流就能保持励磁电流（磁通）不变。,转差频率控制,转差频率控制的基本规律二气隙磁通不变时，在ssm的范围内，转矩Te基本上与s成正比。在不同的定子电流值时，按上图的函数关系Us=f(1,Is)控制定子电压和频率，就能保持气隙磁通m恒定。转差频率控制的基本规律二：只要Us和1及Is的关系符合上图所示特性，就能保持Es/1恒定，也就是保持m恒定。,转差频率控制,电压源型逆变器的转差频率控制原理图,转差频率控制,原理说明给定信号：电机速度指令r*；通过控制电压/频率比实现磁通恒定；速度调节器：速度指令r*与实际速度r相比较得速度误差信号，速度误差经过带限幅输出的PI调节器(速度调节器)后得到转差频率指令*sl，具有限幅功能(使sl*sm)；该转差频率指令与实际转速r相加产生定子频率指令*s；控制该频率指令*s再通过一个V/F函数发生器产生电压指令值U*s，该发生器含有低频定子电压补偿。,转差频率控制,电流控制型电压源逆变器的转差频率控制原理图,转差频率控制,速度调节器的作用与上个例子相同；转差频率指令*sl经过函数发生器产生逆变器的电流指令I*s,转差频率频率控制的启动过程中的频率变化,转差频率控制,转差频率频率控制的启停过程中的频率变化,启动过程中的频率变化停止过程的频率变化,转差频率控制,加载过程空载运行突然加载时，由于是采用PI调节器作为速度调节器，在稳态时可以实现转子转速无静差。,转差频率控制,转差频率控制的优点在调速过程中，实际频率1随着实际转速同步地上升或下降，加、减速平滑而且稳定。在动态过程中转速调节器ASR饱和，系统能用对应于sm的限幅转矩Tem进行控制，保证了在允许条件下的快速性。采用转速闭环系统，可以实现速度环无静差。具有较好的静、动态性能，是一个比较优越的控制策略，结构也不算复杂。,转差频率控制,转差频率控制的缺点转差频率控制规律是从异电机稳态等效电路出发，保持磁通m恒定也只在稳态情况下才能成立。m的动态变化会影响系统的实际动态性能。Us/Is的函数关系中关注定子电流的幅值，没有控制到电流的相位，动态中电流的相位也会影响转矩变化的因素。定子电流与转差频率间的关系非线性，通过查表方式实现必然存在误差。必须采用转速传感器来实现控制，转速检测信号的误差或者干扰会以正反馈的方式毫无衰减的传递到频率控制信号中。,转差频率控制,本章应掌握的主要内容V/F比控制的原理和特点转差频率间接控制转矩的条件转差频率控制的原理框图采用转差频率控制时，在电机运行过程中转差频率的变化,本讲小结,加速时间、减速时间、电压补偿值、起动频率设置不合适会有什么影响？采用转差频率控制后需要设置加减速时间吗？恒磁通的条件和实现方法是什么？与V/F比控制相比，转差频率的优点有哪些？转差频率控制动态性能不如直流电机动态性能的原因是什么？,思考题,异步电动机转矩-转速特性曲线绘制利用MATLAB绘出异步电动机的全速度范围转矩-转速特性曲线，其中：40Hz、60Hz、80Hz采用恒Us/f控制100Hz、120Hz、140Hz、160Hz采用恒电压控制电机的额定输入条件为380V/100Hz分别绘制出电压、电流、磁通、转差频率、电机转矩、功率与电机转速的关系,专题报告一,仿真所用异步电动机参数如下表所示：,专题报告一,评分标准,专题报告一,异步电动机启动过程分析利用MATLABSimulink中SimPowerSystem模块，进行异步电动机启动过程仿真：直接启动降压启动V/f比控制,专题报告2,电机为2.2kW三相鼠笼式异步电动机，参数如下：,专题报告2,仿真激励源参数如下：直接启动时，电机端电压为380Vrms/50Hz；降压启动时，电机端电压频率为50Hz，有效值由0Vrms增加至380Vrms；V/f比控制采用电压源型逆变器，直流侧电压为540Vdc，电机端电压频率为由0Hz增加至50Hz，交流电压有效值由0Vrms增加至380Vrms。,专题报告2,仿真结果：主要对启动的速度、启动电流、启动转矩进行对比分析降压启动中升压时间、V/f比控制中加速时间对启动电流及启动转矩的影响进行分析形成仿真报告。,专题报告2,评价标准：,专题报告2,