1、1第第3 3章章 變頻器的控制方式變頻器的控制方式轉差頻率控制轉差頻率控制3-2 矢量控制矢量控制3-3 直接轉矩控制直接轉矩控制3-4恒壓頻比控制恒壓頻比控制3-126060112ssppfnssnn260602spsssssspspfnfnnnnfnnss式子（3.1）中， 為電機定子供電頻率，為電機極對數，為定子供電角頻率（角速度）；s=為轉差率，其中為同步轉速。電機的基本調速原理：電機的基本調速原理： 由電機學可知，異步電動機轉速公式為（3.1）,sf由式（3.1）可知，如果均勻地改變異步電動機的定子頻率就可以平滑地調節電動機的轉速n,這就是變頻調速的基本原理。但在實際應用中，不僅要求

2、調節轉速，而且要求調速系統具有優良的機械特性。3 與直流調速系統相同，在額定轉速以下調速時，希望保持電機中每極磁通量為額定值。如果磁通下降，則異步電動機的電磁轉矩Te將減小。這樣，在基速以下時，無疑會失去調速系統的恒轉矩機械特性。另外，隨著電機的最大轉矩的下降，有可能造成電機堵轉。反之，如果磁通上升，又會使電機磁路飽和，勵磁電流將迅速上升，導致電機鐵損大量增加，造成電機鐵芯嚴重過熱，不僅會使電機輸出效益大大降低，而見由于電機過熱，造成電機繞組絕緣降低，嚴重時，有燒毀電機的危險。因此，在調速過程中不僅要改變定子供電頻率，而且還要保持(控制)磁通恒定。 根據保持(控制)磁通恒定的方法不同，產生了恒

3、壓頻比控制方式和轉差頻率控制方式。43.1 U/f控制方法3.1.1 U/f控制方控制方式的理論基礎式的理論基礎111114.44VNmNnf N KINK11gemm22g從電機轉速公式（3.1）我們可以看出，只要改變定子電壓的頻率f就可以調節轉速 的大小了，但是事實上只能改變f并不能正常調速，為什么呢？ 由電機學知 E T =Ccos 式（3.2），（3.3）中，E 為氣隙磁通在每相中感應電動勢有效值（ ）；為定子每相繞組串聯匝數；WNAmIem22為基波繞組數；為每極氣隙主磁通量（b）；T為電磁轉矩（ ）；C 為轉矩常數； 為轉子電流折算到定子側的有效值（ ）；cos為轉子電路的功率因數

4、。（3.2）（3.3）511111111111114.444.444.44gnmgNNEf N KEUf N Kf N KUff11mme 如忽略定子上的內阻壓降，則有 U式（3.4）中，U 為定子相電壓。 于是，主磁通 假設現在保持不變，只改變 調速，設，則，于是拖動轉矩T，這樣電動機的拖動能力1111mfRfffm2m11會降低，對恒轉矩負載會因拖不動而堵轉。倘若調節，則，會引起主磁通飽和，這樣勵磁電流急劇升高，會使定子鐵芯損耗I急劇增加。這兩種情況都是實際運行中所不允許的。 由上可知，只改變頻率 實際上并不能正常調速。在許多場合，要求在調節定子供電頻率 的同時，調節定子供電電壓U 的大小

5、，通過U 和 的配合實現不同類型的調頻調速。63.1.2 U/f控制方式的實現本小節主要講解以下兩個內容：1恒壓頻比 控制方式及其機械特性2基頻以上變頻控制方式及其機械特性()sUfConsts71恒壓頻比 控制方式()sUfConsts(ConstC)4.44sssbmssmsbmsUfConstf N KEfcNKcssss（1）基頻以下以下簡寫成的電壓、頻率協調控制方式。由電機學可知，氣隙磁通在電機每相繞組中感應電動勢有效值E 為： E寫成 式（3.5）中，為定子每相繞組串聯匝數；為基波繞組系數；為電機氣隙中每極合成磁通；N4.444.44CsbmmmsssmN KfEfcss。 為了保

6、證（通常為=），當頻率 從額定值（基頻）向下（降低）調節時，必須同時降低E ，即使 =C（3.5）（3.6）8sssmeieimaxs 3.6Eff =CT =T=CE 式（）表示了感應電動勢有效值與頻率 之比為常數的控制方式。如果采用這種控制方式，則 由基頻降至低頻的變速過程中都能保持，可以獲得的控制效果。因此這是一種較為理想的控制方式。然而由于感應電動勢難以檢測和控制，實際可以檢測和控制的是定子電壓。因此，基頻以下調速時，往往采用變壓變頻的控制方式。穩態情況下異步電動機定子每相電壓與每相感應電動勢的sssssm ms sss sssm msss sss ssmsms U =E +I Z =

7、j2f L I + R I +j2f L I3.7E =j2f L II Z =R I +j2f L IIIRLL關系為：式（）中，；， 為定子相電流；為勵磁電流；為定子每相繞組電阻；為定、轉子之間的互感；為定子繞組每相漏感。（3.7）9IssssmfEI ZEEEfcssssss 當定子頻率 較高時，感應電動勢的有效值也較大，這時可以忽略定子繞組的阻抗壓降，認為定子相電壓有效值U。為此在實際工程中是以U 代替而獲得電壓與頻率之比為常數的恒壓頻比控制方程式，即為： =C其控制特性如圖3.1中的曲線 所示。圖3.1恒壓頻比控制示意圖（3.8）10sssssssssfER IEI ZEfEfR I

8、ssssss由于恒壓頻比控制方式成立的前提條件是忽略了定子阻抗的壓降。但是在 較低時，由式（3.7）可知，定子感應電動勢有效值也變小了，其中唯有項并不減小，與相比，比重加大，U不再成立，也就是說 較低時定子阻抗壓降不能再忽略了。為了讓 =C的控制方式在低頻情況下也能應用，往往在實際工程中采用補償措施，即根據負載電流大小把定子相電壓有效值U 適當地抬高，IIsEfs以補償定子阻抗壓降的影響。補償后的=C的控制特性如圖3.1中的曲線 所示。112222max30,psrssrssrrreimfCn U RsRRsLLRLdTdssseiei （2）U控制方式的機械特性。由電機學可知，三相異步電動機

9、在正弦波恒壓恒頻供電時的機械特性方程式為： T式（3.9）中，為折算到定子側的轉子每相電阻；為折算到定子每相漏感。將式（3.9）對s求導，并令可求出最大電磁轉矩T和對應的轉差率s 。 2max22222232pseisssssrrsssrn URRLLRRLLm T s（3.9）（3.10）（3.11）122222360602psrssrssrsssppn U RRRLLfnneisteists如果令式（3.9）中s=1(n=0)，可求出初始啟動轉矩T為： T三相異步電動機的同步轉速n 為： n 根據式（3.93.13）可以繪出正弦波恒壓恒頻供電時的三相異步電動機的機械特性曲線，如圖3.2所示

10、。（3.12）（3.13）13圖3.2 電網直接供電時異步電動機的機械特性14 三相異步電動機采用恒壓頻比控制方式的變壓變頻電源供電時的機械特性都有什么特點呢？222222223.93.133312ssrpssrssrspssssrssUsRnsRRsLLUnRRLLeieimax變壓變頻時上述方程式可以改寫為： T T（3.14）（3.15）15III2222222360602rsssrssrpssrssrsspppRRLLURnRRLLfnnneist s T 式（3.143.18）表明，變壓變頻情況下的機械特性曲線形狀與正弦波恒壓恒頻供電時的機械特性曲線相似。其基本特點如下：（3.16）

11、（3.17）（3.18）166023.3spsssnUfCseieiLLseimax （1）同步轉速n隨著頻率（）的變化而變化。 （2）對于同一轉矩T（穩態情況下，T =T，T為負載轉矩）而言，帶載時的轉速降落 n()隨著頻率的變化而基本不變。（3）由式（3.15）可以看出，當時， T是隨著的降低而減少，如圖中實線所示，這將限制調速系統的帶載能力。 （4）由（注：證明看課本）式（3.17） 可以看出3.3sUfCss3s，當時，初始啟動轉矩（s=1,n=0）在頻率很低時也變小，如圖3.3中所示的特性曲線。 對于上述（3）和（4）兩種情況，如同前面所述，可采用定子阻抗壓降補償措施，即適當提高電壓

12、U ，以改善低頻時的機械特性，如圖中虛線所示。17圖3.3 基頻以下機械特性182.基頻以上變頻控制方式及其機械特性 基頻以上調速分為兩種情況： 第一，異步電動機不允許過壓，但允許有一定超速(高于額定轉速)。這種情況下，應保持電壓為額定電壓。 第二，當異步電動機允許有一定的電壓升高，即超過電機的額定電壓，或者是特制的先升壓后弱磁專用調速異步電動機，應采用比較準確的恒功率調速方式。19siiisssUUfCffsssm（1）基頻以上保持U的控制方式。在基頻以上調速時，即當電機轉速超過額定轉速時，定子供電頻率f大于基頻。如果仍維持是不允許的，因為定子電壓過高會損壞電動機的絕緣。因此，當 大于基頻時

13、，往往把電機定子電壓限制為額定電壓，并保持不變。由式（3.8）知，這將迫使磁通與頻率 成反比降低，相當直流電動機弱磁升速的情況。 把基頻以下和基頻以上的兩種情況結合起來，得到如圖3.4所示的異步電動機變頻調速控制特性。20圖3.4 異步電動機調速時的控制特性2122223()3srrrbrsrU sRsRRsXXsU sRmmm（2）保持P （電磁功率）=C的恒功率控制方式。當異步電動機允許有一定的電壓升高，或者是特制的先升壓后弱磁專用調速異步電動機，應采用比較準確的恒功率調速方式。其電壓、頻率協調控制關系推導如下： 由式（3.14）得 P在基頻以上變頻調速時， 較小 P22233srrsNN

14、rU s RRUsRmNmmN在額定頻率和額定電壓下，即在額定工作點處， P在基頻以上，采用恒功率調速時 PP（3.21）（3.22）2222CsNNssNNsNNsNsNsNssssssNNsUsU sffffffN則 其中 s s=由于變頻調速時，電機機械特性曲線平行移動，則有 根據式（3.23）則可推得 CssNssNsUUUUCCffUssNssNs =或=式（3.24）表明，只要滿足，就可以比較準確地實現恒功率調速。（3.23）（3.24）232223112pssrsrssssn CRRLLeimaxeimax（3）恒功率調速時的機械特性。將式（3.24）代入式（3.15），則得到最

15、大轉矩表達式： T由式（3.13）看出，當頻率從基頻起向上提高時，同步轉速隨之提高；由（3.25）看出，最大轉矩隨著提高而減少。因此可知，恒功率調速時，隨著頻率的增加，其機械特性曲線平行上移，最大轉矩T3.5也隨之減少，如圖所示。（3.25）24圖3.5 恒功率調速的機械特性253.1.3 U f控制方式在工業變頻器中的應用1.1.電壓源型頻率開環的異步電動機變壓變頻調速系統電壓源型頻率開環的異步電動機變壓變頻調速系統 電壓源型變壓變頻調速系統的中間環節采用大電容器進行直流濾波。由于采用了PWM控制，因而使其輸出電壓波形接近正弦波。逆變器輸出電壓波形由輸出電壓和電動機反電勢之差形成，也接近正弦

16、波。下面以一個典型的電壓源型變壓變頻調速系統(如圖3.6所示)為例來說明這類系統的基本組成及各控制環節的作用。26圖3.6 電壓源型逆變器開環調速系統27下面介紹該控制系統的主要控制單元 （1 1）轉速給定積分環節）轉速給定積分環節(GI)(GI) 設置目的：將階躍給定信號轉變為斜坡信號，以消除階躍給定對系統產生的過大沖擊，使系統中的電壓、電流、頻率和電機轉速都能穩步上升和下降，以提高系統的可靠性及滿足一些生產機械的工藝要求。 （2 2）電流實際值檢測）電流實際值檢測 電流實際值檢測主要用于輸出電壓的修正和過流、過載保護。 通過檢測變頻器輸出電流，進行過流、過載計算。當判斷為過流、過載后，發生

17、觸發脈沖封鎖信號觸發器，停止變頻器運行，確保變頻器和電動機的安全。28III, sssUfCUffUfCsss（3）函數發生器（U f特性） 設置目的：實現的控制方式。前面討論過，在變壓變頻調速系統中，即電機定子電壓是定子頻率的函數。函數發生器就是根據給定積分器輸出的頻率信號，產生一個對應于定子電壓的給定信號，以實現電壓、頻率的協調控制。變頻器中以下幾項內容與函數發生器有關： 按照不同負載要求設定不同的特性曲線。當變頻器高于基頻工作時，采用恒功率控制。這時IIIssUfCUfCss要保證變頻器輸出電壓不能高于電機的額定輸入電壓，可通過函數發生器的輸出限幅來保證。 節能控制。電機處于輕載工作時，

18、適當降低電壓，可以使輸出電流下降，減小損耗，可通過改變曲線的斜率來實現。29smaxsfsmaxsfsmaxsf （4）電流限制調節器 由于本系統沒有電流閉環控制，不能直接控制變頻器輸出的電流。當負載加重或電機堵轉時，輸出電流超過設定的最大電流I后，如果電機進一步增加或長期工作，會損壞變頻器和電機。為了避免這一現象的發生，當II時，通過降低變頻器輸出電壓的方法，來減小變頻器輸出電流。因此，電流限制調節器的作用是，在I I時，電流限制調節器輸出為0；在ILRLR,sssssUfCUfCEfCsmaxsgI時，電流限制調節器有相應的輸出，使變頻器輸出電壓降低，保證變頻器輸出不發生過電流。 （5）補

19、償方式 在低頻時，為了保證磁通恒定，變頻器引入了補償環節。根據負載性質及負載電流值適當調高U修正特性曲線，達到使接近于的目的。30SPWMssUfCUfCddsdss (6)U 校正環節 由圖3.6可知，變頻器沒有輸出電壓反饋控制，當直流電壓U 發生波動時，將引起關系失調。檢測U 變化，通過調整輸出電壓脈沖的寬度，以保證的協調關系。 （7）轉差補償環節 由于是開環頻率控制，調速系統的機械特性較軟。為了提高機械特性硬度，在系統中設置了轉差補償環節。當負載增大時，通過提高同步轉速（）使其機械特性曲線上移，以補償轉差增大部分，從而保證系統的轉差不變性。31(8)交直交電壓源型逆變器的數學模型rrLC

20、0sssd 當上述系統設置某種閉環控制時需要進行動態分析的情況下，就需要知道被控制對象的數學模型，為此這里給出180 導通型三相逆變器和電機的近似數學模型。 逆變器與異步電動機的等效電路如圖3.7所示。圖中R 、R 為電機定子每相電阻、折算到定子側的電機轉子每相電阻；L 、為電機定子每相漏感、折算到定子側的電機轉子每相漏感；e 為等效的電動機反電勢； 為電壓源型變頻器的濾波電容器；I 為整流橋輸出的直流電流。32圖3.7 逆變器與異步電動機的等效電路圖334.444.44604.4460sssmpsssmesepssmdf N Kn n N KC nCn N Kss設異步電動機在小轉差下工作（

21、s0），則有下式成立: e式（3.26）中，。 因電動機及負載有較大的機械轉動慣量，轉速n不能瞬時發生突變，從而可認為式（3.26）中電動機反電勢e 在瞬間也不能發生突變，或者認為電壓U 的變化比轉速和反電動勢的變化快得多。因此，在研究 201.51.51.51.51dddsrsrdsrsreUpLLpRRIpLLCpRRCpsdU 的變化時，暫時不考慮反電動勢變化的影響，即認為，則可求得在小信號作用下電壓U 與I 之間的傳遞函數： （3.26）（3.27）34 21.51.511srsrDLClsrsrDLdClDLClLLRRRRCRRUpTpKIpT T CpT pDLdDL 令K，T，

22、T，則式（3.27）可簡化成： （3.28）注： 對于系統結構稍不相同的電壓源型逆變器異步電動機調速系統，可在本例的基礎上，稍做修改，即可得到所需要的系統傳遞函數與框圖。352.2.電流源型頻率開環的異步電動機變壓變頻調速系統電流源型頻率開環的異步電動機變壓變頻調速系統 （1）系統的基本組成。圖3.8給出了一個比較典型的電流源型逆變器頻率開環調速系統。由圖可知，交頻器有兩個功率變換環節，即整流橋與逆受橋，它們分別有相應的控制回路。為了操作方便采用一個給定來控制，并通過函數發生器，使兩個回路協調地工作。在電流源型逆變器頻率開環調速系統中，除了設置電流調節環外，仍需設置電壓閉環，以保證調壓調頻過程

23、中對逆變器輸出電壓的穩定性要求，實現恒壓頻比的控制方式。36圖3.8 電流源型逆變器的頻率開環調速系統37 電流源型變頻器主電路。電流源型變頻器主電路的中間直流環節采用電抗器濾波。其主電路由兩個功率變換環節構成，即二相橋式整流器和逆變器，它們分別有相應的控制回路，即電壓控制回路及頻率控制回路，分別進行調壓與調頻控制。 給定積分。設置目的；將階躍給定信號轉變為斜坡信號，以消除階躍給定對系統產生的過大沖擊，使系統中的電壓、電流、頻率和電機轉速都能穩步上升和下降，以提高系統的可靠性及滿足一些生產機械的工藝要求。38 函數發生器。設置目的：前面討論過，在變壓變額調速系統中，即定子電壓是定子頻率的函數，

24、函數發生器就是根據給定積分器輸出的頻率信號，產生一個對應于定子電壓的給定值，實現恒壓頻比。 電壓調節器和電流調節器。電壓調節器采用PID調節器，其輸出作為電流調節器的給定值。 電流調節器也是采用PID調節器，根據電壓調節器輸出的電流給定值與實際電流信號值的偏差，實時調整觸發角，使實際電流跟隨給定電流。39 0PID1PID121kDpjIDITTKe ke je ke kTTAe kBe kCe kTTTTp 現代異步電動機變頻調速系統均為數字化系統，為此給出數字控制算法： u k式（3.29）給出的這種算法需要對e(k)進行累加，計算機運行工作量大。一般采用增量式控制算法： u k其中， A

25、=K12DDIDTTTTTTppp B=K C=K式（3.313.33）中，T為采樣周期；K 為比例系數； 為積分時間常數；為微分時間常數。40 瞬態校正環節。瞬態校正環節是一個微分環節，具有超前校正作用。設置的目的是為了在瞬態調節過程中仍使系統基本保持恒壓頻比的關系。 當電源電壓波動而引起逆變器輸出電壓發生變化時，電壓閉環控制系統按電壓給定值自動調節逆變器的輸出電壓。但是在電壓調節過程中逆變器輸出頻率并沒有發生變化，因此恒壓頻比的關系在瞬態過程中不能得到維持。這將導致磁場過激或欠激不斷交替的情況，使得電機輸出轉矩大幅度波動，從而造成電動機轉速波動。為了避免上述情況的發生，加入瞬態校正環節。4

26、1ssfgfgfgks 瞬態校正環節的輸入信號取自于電流調節器的輸出信號。當電流調節器輸出發生改變時，整流橋的觸發角 將改變，使整流電壓改變，而逆變橋輸出的三相交流電壓U 的大小又直接與整流電壓的大小成正比。因此，電流調節器輸出的改變量正比于逆變橋輸出電壓的改變量。將這個信號取來，經微分運算后與頻率給定信號U 相疊加（U =U +K dUdt），從而使輸出電壓U瞬時改變時，頻率f也隨著做相應的改變，實現在瞬態過程中也能保證恒壓頻比的控制方式。當一旦系統進入穩態后，微分校正環節不起作用。423.90 （2）交-直-交電流源型逆變器變頻調速系統數學模型。120 導通型的電流源型逆變器異步電動機的等

27、值電路，如圖所示。圖3.9 電流型逆變器異步電機等值電路43 121224.44ddDLDLdsrDLDLdsrdsrssIIpKUpTLLLKTRRRRRREf Nddds 假設電動機工作在小轉差下，并忽略電動機反電勢對電流I 的影響，即認為 e0,則可求得小信號作用下整流電壓U 與 之間的傳遞函數： 式（3.34）中 ，假設電機工作在小轉差下，可得如下近似結果 U4.44601psssmssmesn nKN KC nr cos（3.34）（3.35）44 13753751mmrmmsmdmmseiMdLmeemCICIC ICdnTTc ITdtC CCKpIpTpIpppT peirrM

28、2sdLd22電磁轉矩 Tcoscos式（3.36）中，C =。帶載時的運動方程式GD 375將式（3.35）代入式（3.37）中，并進行拉氏變換，經整理得到 UGDGD 375375eememeTppCTKC CL22GD其中，。GD（3.36）（3.37）（3.38）45 利用以上結果，可以畫出交直交電流源型逆變器異步電動機變頻調速系統的動態結構框圖，如圖3.10所示(電壓、電流雙閉環)。 圖3.10交直交電流源型逆變器異步電動機 變壓變頻調速系統的動態結構框圖46 利用此框圖選擇電壓、電流調節器參數，并進行系統的動態分析。對于系統結構稍不相同的電流源型逆變器異步電動機調速系統，可參照本例

29、，稍作修改，仍可得出所需要的系統傳遞函數與框圖。 恒壓頻比控制的異步電動機變壓變頻調速系統是一種比較簡單的控制方式。按控制理論的觀點進行分類時，恒壓頻比控制方式屬于轉速(頻率)開環控制系統，這種系統雖然在轉速控制方面不能給出滿意的控制性能，但是這種系統有著很高的性價比。因此，在以節能為目的的各種用途中和對轉速精度要求不高的各種場合下得到了廣泛的應有。同時還需要指出，恒壓頻比控制系統是最基本的變壓變頻調速系統，性能更好的系統都是建立在這種系統的基礎之上。473.2 轉差頻率控制定義： 轉差頻率控制是解決異步電動機電磁轉矩控制的一種控制方式，是對的恒壓頻比控制方式的一種改進。相對于恒壓頻比控制方式

30、而言，采用轉差頻率控制方式，有助于改善異步電動機變頻調速系統和靜、動態性能。483.2.1 轉差頻率控制的理論基礎1.cosarctanmmrrrrrrrCIsXIRm基本原理 由電機學可知，異步電動機電磁轉矩也可以寫成 T式（3.39）中， 為折算到定子側的轉子每相電流的有效值；為轉子功率因數角，其中X 為折算到定子側的轉子每相漏電抗。 從式（3.39）可以看出，氣隙磁通、轉子電流、轉子功率因數都影響電磁轉矩。（3.39）4922223.111ssrrrrrssrrEsERsXRsXssXsEERRrrr由如圖所示的異步電動機的等值電路，可以求出異步電機的轉子電流為 I正常運行時， 很小，可

31、以將分母中忽略，則 I cos圖3.11 異步電動機等值電路（3.40）（3.41）50112124.444.442CssmmmrsmrssssssmmssmEECKRKCRfEf N KKKN K Keiei將式（3.41）代入式（3.39），得到 T式（2.42）中，。將，代入（3.42）中，得 T式（3.43）中，。由上式可知，當時，異步電動機轉矩近似于轉差角頻率成正比。因此，可以通過控制轉差角頻率，實現控制電磁轉矩的目的，這就是轉差頻控制的基本思想。（3.42）（3.43）512.eimeim轉差頻率控制規律 上面粗略地分析了在恒磁通條件下，轉矩與轉差頻率近似于正比的關系。那么是否轉差

32、角頻率越大，電磁轉矩T 就越大呢？另外，如何維持磁通恒定呢？ 再利用等值電路（圖3.11），推導準確的函數關系，并進一步研究轉矩T 與轉差角頻率的關系。 由電機學可知，異步電動機的電磁功率及同步機械角速度為 P23rrRIsnp =（3.44）522222222313,srrrsmrsrrrsrrsssmsrmmsERsRsXsEPRnsRsXsXLLEfCRKRmeipei將式（3.40）代入式（3.44）第一式中，得到 P則電磁轉矩表達式可表示為 T因為及則式（3.46）可寫成 T222234rrpmfLn Cm式（3.47）中，K。（3.45）（3.46）（3.47）533.12mCfe

33、i 為了直觀一些，假設磁通，做出T的曲線，如圖所示。3.12eiTf圖的曲線54maxmax212mmrrrKLRLeieimaxeimaxmax 由圖可知，在很小時，T，但當后，電機轉矩反而下降。所以，在電機工作過程中，應限制電動機的轉差角頻率（）。 如果對式（3.47）求導，令導數等于零，可求得最大轉矩T與最大轉差角頻率。 T 式（3.48eimaxmmax）和式（3.49）表明：a、電機參數不變，T僅由磁通決定；b、與磁通無關。（3.48）（3.49）55CmmmrCCI mmmms 由以上分析可看出：與直流他激電動機調速系統采用控制電樞電流來控制轉矩一樣，對于異步電動機來說，只要能保持

34、磁通恒定，就可能轉差角頻率來獨立控制轉矩。但是利用轉差頻率來控制異步電動機轉矩的先決條件是。由電機學可知，異步電機中，磁通是由激磁電流I 所決定的。當I時，則。然而I 不是一個獨立的變量，而由下式決定 ImI（3.50）563.113.11msrmssmmsmmsmrsrEIjXEjX IEjX IIRsjX也就是說I 是定子電流I 的一部分。在鼠籠式異步電機中，I 是難以直接測量的。因此，只能研究I 與易于控制和檢測的量的關系，在這里是I 。根據如圖所示的異步電動機等值電路，做一些近似可得 所以 根據圖可得到 22222msrrmrmrmRsjXRLLIfRLs將式（3.53）和（3.51）

35、代入（3.50），求得 I（3.51）（3.52）（3.53）（3.54）57()3.13mms當I恒定不變時，I 與的函數關系，繪制成曲線如圖所示。由分析可知，圖3.13具有下列性質：58mmmeimIILLLfff sssrrsssmaxs（1） =0時，I，表明在理想空載時定子電流等于勵磁電流。（2） 值增大時，I 也隨之增大。（3），I，這是I的漸近線。（4）對應正I 值，說明I的曲線左右對稱。以上歸納起來，得出轉差頻率控制規律為：（1），T，前提條件是恒定不變。（2）按照式（3.54）或圖3.13的I的函數關系控制定m子電流，就能維持恒定不變。593.2.2 轉差頻率控制的系統構成J

36、LpTJ nddtddtdei 恒壓頻比控制的變壓變頻調速系統可以滿足一般平滑調速的要求，但靜、動態性能都有限。要提高系統的靜、動態性能，首先要采用轉速反饋和閉環控制。 由于電氣傳動控制系統都滿足基本運動方程式 T式（3.55）中， 為轉動慣量。 由式（3.55）看出，要提高調速系統的動態性能，主要依靠控制轉速的變化率，顯然控制電磁轉矩就能控制dtei。因此，調速系統的動態性能就是控制其轉矩的能力。由前所述可知，轉差頻率控制方式就是通過控制異步電動機的電磁轉矩T 達到對轉速的控制。（3.55）601.電流源型異步電動機轉差頻率控制的變頻調速系統構成基本構成圖3.14所示圖3.14 異步電動機轉

37、差頻率控制的變頻調速系統61ASRSARASRPIA.R2Sei （1）啟動過程。對于轉速閉環控制系統而言，速度調節器的輸出為電機轉矩的給定值。由轉差頻率控制原理可知，異步電動機的電磁轉矩T 與轉差角頻率成正比，因而的輸出就是轉差角頻率的給定值。 由于電機的機械慣性影響，當設定一個轉速給定值，必然有一個啟動過程。通常都是采用調節器，這樣在啟動過程中的輸出一直為限幅值，這個限幅值就是最大轉工作原理差角頻率maxmaxmaxeieiTei的給定值它對應電機的最大電磁轉矩T。由此可見，轉差頻率控制方式的最大特點是在啟動過程中維持一個最大的啟動轉矩恒定不變，從而可知，電機啟動過程是沿著T特性曲線的包絡

38、線（如圖3.15所示）升速，實現快速啟動的要求。62圖3.15異步電動機轉差頻率控制啟動特性63maxmaxmax,ASRASRASReieisTLffmff（2）負載變化。設電動機在某一轉速下運行，當突加負載T 則引起電動機轉速 下降，使，轉速調節器輸出開始上升。只要，則一直正向積分，直到，使T，致使電動機很快加速。同時，經函數發生器產生對應的釘子電流I，使電動機磁通保持不變。當轉速恢復到時，速度調節器開始反向積分，下降，最終達到，重新進入穩態，實現了轉速無靜差調節。64maxmaxASRSs fssss （3）再生制動。如果再降到零，由于電動機及負載的機械慣性，轉速不會突變，由于，速度調節

39、器反向積分直到限幅輸出。一方面函數發生器輸出一個對應的I 值，使磁通恒定；另一方面，電動機定子角頻率，將由原來的變到，如圖3.16所示，并有，即異步電動機的同步轉速小于轉子轉速（ 0，速度調節器一直為負載限幅輸出，對應T，使異步電動機很快減速制動，直到，由于 繼續下降，則。這時極性鑒別器的輸出改變了相序，使異步電動機定子旋轉磁場開始反方向旋轉，此時與電動機轉子轉向相反。65圖3.16 再生制動 轉差頻率控制方式，雖然與恒壓頻比控制的變壓變頻調速系統相比前進了一步，系統的動、靜態特性都有一定的提高。但是，由于其基本關系式都是從穩態方程中導出的，沒有考慮到電機電磁慣性的影響及在動態中磁通如何變化。

40、所以，嚴格來說，動態轉矩與磁通并未得到圓滿的控制。66 1c3.osdDLDLmmrrMdIpKUpTCIC I0ddddei 假設異步電動機工作在小轉差下（s0），并忽略電動機反電勢對電流I 的影響，對于120 導通型逆變器而言，可得電壓U 與電流I 之間的傳遞函數為 同前電磁轉矩表達式可近似寫成 T數學模型（3.56）（3.57）67 1eiLMdLedLmppMdTTC ITndtKIpTpT ppnJn CJpme電動機運動方程式J 對式（3.58）進行拉氏變換，經整理得 p式（3.59）中，T為電機的機電時間常數；K。（3.58）（3.59）68 依據式(3.59)，繪制的交直交電流

41、源型逆變器一異步電動機轉差頻率控制變頻調速系統動態結構框圖如圖3.17所示。圖3.17 系統動態結構圖69 圖3.17中，ASR、ACR分別為轉速、電流調節器，可根據需要選擇其類型，并可利用此框圖綜合ASR、ACR之參數，分析其動態過程，其方法步驟類似于直流調速系統。另外，對于其他類型的轉差頻率控制系統的數學模型可類似建立。 最后還要說明一點：由于異步電動機本身的復雜性，當推導數學模型的過程中所采用的方法或所做的假定條件不同時，所得出的數學模型是不一定相同的。703.3 矢量控制 矢量控制方式主要滿足異步電動機高動態性能而采取的控制方式。 下面分三個方面來講解： 1、矢量控制的理論基礎 2、矢

42、量控制的實現方法 3、矢量控制的意義713.3.1 矢量控制的理論基礎 異步電動機的矢量控制是建立在動態數學模型的基礎上的。數學模型的推導是一個專門性的問題，不準備具體說明，僅就矢量控制的概念做簡要的說明。 由于直流電動機的動態性能好及直流電動機的磁通和電樞電流獨立進行控制制，是一種典型的解耦控制。異步電動機的矢量控制就是仿照直流電動機的控制方式，把定子電流的磁場分量和轉矩分量解耦開來，分別加以控制。這種解耦，實際是把異步電動機的物理模型設法等效地變換成類似于直流電動機的模式。這種等效變換是借助于坐標變換來完成的。等效的原則是，在不同坐標系下電動機模型所產生的磁動勢相同。72 圖3.18 等效

43、的交流電動機物理模型73下面就介紹如何等效的下面就介紹如何等效的111UVW3.18bvwvwU V Wiiiiiii u1111u異 步 電 動 機 的 三 相 靜 止 繞 組 、 、 通 以 三 相 平 衡 電 流、 ， 產 生 合 成 旋 轉 磁 動 勢 F。 F以 同 步 角 速 度 按的 相 序 所 決 定 的 方 向 旋 轉 ， 如 圖所 示 。 產 生 同 樣的 旋 轉 磁 動 勢 F不 一 定 非 要 三 相 ， 用 圖 3.18（） 所 示 的 兩 上互 相 垂 直 的 靜 止 繞 組 和 ， 通 入 兩 相 對 稱 電 流 同 樣 還 可 以 產生 相 同 的 旋 轉 磁

44、動 勢 F， 只 不 過 i 、 和、 之 間 存 在 某種 確 定 的 換 算 關 系 而 已 。 找 到 這 種 關 系 ， 就 完1U V W 成 了 三 相 靜 止坐 標 系 到 兩 相 靜 止 坐 標 系 的 變 換 ， 即 、 、 軸 系 到 、軸 系 之 間 的 坐 標 變 換 。 如 果 選 擇 互 相 垂 直 且 以 同 步 角 頻 率741111MT3.18 cMTMTMMttiiim11m12旋轉的、 兩相旋轉繞組，如圖（ ）所示。只要在其中通以直流電流i 、 ，也可以產生相同的旋轉磁動勢F。顯然i 、 和i 、之間也存在確定的變換關系。找到這種關系，則可以完成 、 兩相

45、靜止坐標系到、 兩相旋轉坐標系之間的坐標變換。站到M、T坐標系中去觀察，和 繞組是通以直流的靜止繞組。如要人為控制全磁鏈的位置使之與軸相一致，則軸繞組相當于直流電動機的勵磁繞T組， 軸繞組相當于直流電動機的電樞繞組。75M T 在 進 行 異 步 電 動 機 的 數 學 模 型 變 換 時 ， 定 子 三 相 繞 組和 轉 子 三 相 繞 組 都 得 變 換 到 等 效 的 兩 相 繞 組 上 去 。 等 效 的兩 相 模 型 的 兩 相 模 型 之 所 以 相 對 簡 單 ， 主 要 是 由 于 兩 軸 相互 垂 直 ， 它 們 之 間 沒 有 互 感 的 耦 合 關 系 ， 不 像 三 相

46、 繞 組 那樣 任 意 兩 相 之 間 都 有 互 感 的 耦 合 。 等 效 的 兩 相 模 型 可 以 建立 在 靜 止 坐 標 系 （ 即 、 坐 標 系 ） 上 ， 也 可 以 建 立 在 同 步旋 轉 坐 標 系 （ 、 坐 標 系 ） 上 。 建 立 在 同 步 旋 轉 坐 標 系 上760M TMTM T2的 模 型 有 一 個 突 出 的 優 點 ， 即 當 三 相 變 量 是 正 弦 函 數 時 ， 等效 的 兩 相 模 型 中 的 變 量 是 直 流 量 。 如 果 再 將 兩 相 旋 轉 坐 標 系按 轉 子 磁 場 定 向 時 ， 即 將 、 坐 標 系 的 軸 取 在

47、 轉 子 全 磁 鏈的 方 向 上 ， 軸 取 在 超 前 其 90的 方 向 上 。 則 在 、 坐 標 系中 電 動 機 的 轉 矩 方 程 式 可 以 簡 化 ， 并 與 直 流 電 動 機 的 轉 矩 方程 十 分 相 似 。77111rUVWMTUVWmtii1 根據上述坐標變換的設想，三相坐標系下的交流電流 、通過三相/兩相變換可以等效成兩相靜止坐標系下的交流i 、；再通過按轉子磁場定向的旋轉變換，可以變換成同步旋轉坐標系下的直流電流i 、 。如果站在、 坐標系上，觀察到得便是一臺直流電動機，上述變換系統用結構圖的形式表示在圖3.19中右側的雙線框內。從整體看、 、三相交流輸入，得

48、出轉速輸出，是一臺異步電動機。從內部看，11rmti經過三相/兩相變換和同步旋轉變換，則變成一臺輸入為i 、 ，輸出為的直流電動機。78圖3.19 矢量變換控制的構想79VRVR-1既然異步電動機可以等效成直流電動機，那么就可以模仿直流電動機的方式控制異步電動機了。如圖3.19所示，點劃線框內所示的兩相/三相變換和三相/兩相變換、和變換實際上互相抵消了。如果再忽略變頻器本身可能產生的滯后，那么點劃線框以內完全可以刪去。點劃線框外則成了一個直流調速系統。801111VRtm1-1uvwuvw 如圖3.19所示的控制器類似于直流調速系統中所用的控制器，它綜合給定信號和反饋信號，產生勵磁電流給定值i

49、和電樞電流給定值i 。經過反旋轉變換得到i 、i ，再經兩相/三相變換變換得到i 、i 和i 。帶電流控制的變頻器根據i 、i 和i 和信號，可以輸出異步電動機所需的三相變頻電流。81矢量控制方案矢量控制方案111112 1MMU2MTtmtrdtfLiL211m1p目前最常用的矢量控制方案，是按轉子磁場定向的矢量控制。如圖3.20所示，取 軸與U軸相重合，軸與轉子全磁鏈相重合。軸與 軸（ 軸）之間的相角用表示，則。是定子電流的角頻率。代表定子磁動勢的空間矢量電流為i，被分解為軸方向上的勵磁分量i 和 軸方向上的i 。可以證明異步電動機電磁轉矩為 T=n（3.60）82212222221mmm

50、rrmrLiT pLLLLl lTTL r 而 轉 子 磁 鏈 為 式 （ 3.61） 中 ， 為 定 轉 子 之 間 互 感 ；為 轉 子 電 感 ，（ 為 轉 子 漏極 電 感 ） ； 為 轉 子 時 間 常 數 ，。圖3.20 矢量控制方式（3.61）831211113.20mttvwmtiiiii 在轉子磁場定向中，如能保持式（3.61）中的恒定，既保持恒定，則電磁轉矩與定子電流的有功分量 成正比。必須知道，對于異步電動機，可檢測、可控制的量是定子三相電流 、i、i 。所以必須經過類似于如圖所示的坐標變換，才能在控制電路中按控制直流量、 的方式進行調節控制，而在電動機端再回到交流量的控

51、制。843.3.2 矢量控制的實現方法 在本小節主要講解采用電壓型PWM變頻器所構成的轉子磁場定向的矢量控制系統。 下面將給出系統各運算單元的運算公式，以及講解與此系統有關的知識點和概念。85圖3.21 矢量控制系統原理框圖（例）86下面給出圖3.21中點劃線框、中的矢量變換部分的各個運算單元的運算公式。11111111222333022111222333022vwvwvwiiiiiiiiiiuuuuuuuu1 點劃線框中，相當于圖3.19中的直流電動機模型的部分。其中三相/兩相變換器實現 、 、 到、之間的變換： 類似地 （3.62）（3.63）8711111111111212 3VRcos

52、sinsincosMUdmtmtiiiiiiiit11系數是基于功率不變約束而引入的系數。 矢量回轉器1，實現、到、之間的變換 式（3.64）中，為（即軸）與軸（軸）的夾角，是轉子磁鏈的空間相位角，為時間的變量。 （3.64）882222222111121113.21ddrsmrmLuritLiLLuritL1為了進行轉子磁鏈定向的矢量控制，關鍵是需要知道的瞬時空間位置 及其幅值。直接檢測在技術上是比較困難的，所以往往要通過特定的數學模型（稱為觀測模型）經過運算而間接地求得。觀測模型有多種，圖中的觀測器所用數學模型是所謂觀測的電壓模型法，運算關系為 111()ssmsrLiLLl lLL L2

53、m式（3.65）、（3.66）中，為定子漏感 ； 為漏感系數， =1-（3.65）（3.66）8922212123.21PWMConstConst1 mtrriiT222222 = sin = cos =圖中點劃線框的部分是給定參考構成部分，相當于圖3.19點劃線框內的左半部。所不同的是為適應電壓型逆變器的需要增加了電流電壓變換器。如果運行中、，則11mi（3.67）（3.68）（3.69）（3.70）9011211121111111112VR2tsrstsrsmrtuiriL iT iLurT piL iTTTLrLlruum1t1m1m1t1m1t1m1m11 u 和可由下列兩式求出。 u

54、 式（3.72）中， 為定子時間常數，為轉子旋轉角頻率。 矢量變換器，實現有u 、到u 、的變換，11111cossinsincostuu1m1即uu （3.71）（3.72）（3.73）9111/102133221322uvwuvwuuuuuuuu11兩相 三相變換器，實現由u 、到u 、之間的變換，即 （3.74）922222PWMRASRT TRRm1t1m1t1m1t1 為在動態過程中瞬時調節，設置了調節器，它的輸出作為定子電流勵磁分量的給定值i 。速度調節器的輸出時電磁轉矩的給定值，則是定子電流轉矩分量的給定值i 。經過i和i調節器以后的輸出（仍用i 和i表示）送給電流電壓變換器，以

55、控制變換器的電壓與頻率，實現轉子磁場定向的矢量控制。 圖3.21中點劃線框以外，可以看成帶有磁通閉環和弱磁控制的直流雙環（外環為速度環，內環為電流環）調速系統。93 矢量控制變頻器實際裝置舉例： 西門子公司的前期產品SMOVERTP 6SE3536(BJT)、6SC3637(GT0)和目前的6SE70、6SE71(IGBT)的控制思想基本一致。其中前兩種工業交頻器實現的功能如下： (1)U/f頻率開環控制、無速度傳感器矢量控制和有速度傳感器矢量控制的硬件電路實現了歸一化。采用哪種控制方式，由可選的軟件功能確定。 (2)用于單電動機或多電動機調速的頻率開環控制，有4種U/f曲線可由軟件選擇。94

56、 (3)用于單電動機傳動，且要求高動態性能時，實現矢量控制即磁場定向控制。矢量控制時以無速度傳感器，也可以有速度傳感器。 (4)通過自動參數設定可實現優化的起動，啟動中閉環控制參數和U/f特性根據負載電動機的額定值來計算。 (5)閉環控制的自優化。它是通過一種自動檢測和自動實驗程序，實現對所有閉環控制器參數的自動設定。 (6)實現了變結構和自適應控制，充分體現了全數字控制的優勢。95 1.開環和閉環控制的概念開環和閉環控制的4種不同形式及應用如表3.1。表3.1 控制方式及應用962.頻率開環控制 這種情況下的結構，如圖3.22所示。頻率由串聯在系統中的斜坡發生器給定，電壓則由U/f特性函數發

57、生器給定。U/f特性由4種電壓-頻率函數關系的組合來決定。這可以看做有4個電壓-頻率特性組件和4個斜坡函數發生器組件(可由軟件功能來選擇)。圖3.22 頻率開環控制的原理框圖973.矢量控制 矢量控制的原理結構，如圖3.23所示，這種矢量控制可以采用有速度傳感器方式(圖中右下方)，也可以采用無速度傳感器方式。速度傳感器可以采用脈沖式速度傳感器。圖圖3.233.23矢量控制的原理結構圖矢量控制的原理結構圖984.無速度傳感器的矢量控制的速度調節 這種控制方式下的原理性框圖(由軟件功定選定)如圖3.24所示。這是對異步電動機進行單電動機傳動的典型模式。圖圖3.243.24無速度傳感器的矢量控制原理

58、框圖無速度傳感器的矢量控制原理框圖995.有速度傳感器的轉速或轉矩閉環矢量控制這種控制方式的主要特性是：(1)在速度設定值的全范圍內，轉矩上升時間大約為15ms。(2)速度設定范圍人于1：100。(3)對閉環控制而言，轉速上升時間小于等于60ms。這種控制的框圖如圖3.25所示。100圖3.25有速度傳感器的矢量控制原理框圖1013.3.3 矢量控制的意義 采用矢量控制方式的目的，主要是為了提高變頻調速的動態性能，根據交流電動機的動態數學模型、利用坐標變換手段，將交流電動機的定子電流分解成磁場分量電流和轉矩分量電流，并分別加以控制，即模仿自然解耦的直流電動機的控制方式，對電動機的磁場和轉矩分別

59、進行控制，以獲得類似于直流調速系統的動態性能。102 在矢量控制方式中，磁場電流和轉矩電流可以根據可測定的電動機定子電壓、電流的實際值經計算求得。磁場電流和轉矩電流再與相應的設定值相比較并根據需要進行必要的校正。高性能速度調節器的輸出信號可以作為轉矩電流(或稱有功電流)的設定值。動態頻率前饋控制可以保證快速動態響應。 另外，矢量控制調速范圍寬，采用光電碼盤轉速傳感器時，一般可以達到調速范圍D=100，己在實踐中獲得普遍的應用。1033.4 直接轉矩控制 直接轉矩控制提出的由來及解決的問題直接轉矩控制提出的由來及解決的問題 從20世紀70年代矢量控制技術發展以來，交流傳動技術從理論上解決了交流調

60、速系統在靜、動態件能上與直流傳動相媲美的問題。矢量控制技術模仿直流電動機的控制，以轉子磁場定向，用矢量變換的方法，實現了對交流電動機的轉矩和磁鏈控制的完全解耦，它的提出具有劃時代的重要意義。然而，在實際上由于轉子磁鏈難以準確觀測，并且系統特性受電動機參數的影響較大，以及在模擬直流電動機控制過程中使用矢量旋轉變換的復雜性，使得實際的控制效果難以達到理論分析的結果，這是矢量控制技術在實踐上不足之處。104 不同于矢量控制技術，直接轉矩控制有著自己的特點，它在很大程度上解決了矢量掉制中計算復雜、特性易受電動機參數變化的影響、實際性能難以達到理論分析結果的一些重要技術問題。直接轉矩控制技術從誕生開始，