运动控制系统-第4章 基于稳态模型的异步电动机调速系统

运动控制系统 运动控制系统

第4章 章

基于稳态模型的异步 电动机调速系统

概述异步电动机具有结构简单、制造容易、 异步电动机具有结构简单、制造容易、 转速高、容量大，维修工作量小等优点， 转速高、容量大，维修工作量小等优点， 早期多用于不可调传动。 早期多用于不可调传动。 随着电力电子技术的发展， 随着电力电子技术的发展，静止式变频 器的诞生， 器的诞生，异步电动机在可调传动中逐 渐得到广泛的应用。 渐得到广泛的应用。变压变频调速是异 步电动机常用的一种调速方式， 步电动机常用的一种调速方式，具有效 率高、调速范围大等优点。 率高、调速范围大等优点。

内容提要

4.1 异步电动机变压变频调速基本原 理 交流PWM PWM变频技术 4.2 交流PWM变频技术 4.3 转速开环变压变频调速系统 4.4 转速闭环转差频率控制的变压变 频调速系统

4.1 异步电动机变压变频调速基本原 理

从异步电动机稳态数学模型出 发，论述变压变频调速基本原 理及基频以下电流补偿控制。 理及基频以下电流补偿控制。

4.1.1异步电动机稳态数学模型 4.1.1异步电动机稳态数学模型在三个假定 条件下： 条件下：① 忽略空间和 时间谐波， 时间谐波， ②忽略磁饱 和，③忽略 铁损，异步 铁损， 电动机的稳 态模型可以 用T型等效 电路L'lr

Rs

Lls& I0

& Us

& Is

& I r' Lm

ω1

Rr' s

图4-1

异步电动机T型等效电路 异步电动机 型等效电路

转子相电流(折合到定子侧) 转子相电流(折合到定子侧)

I =' r ' r

Us R Rs + C1 + ω12 Lls + C1 L'lr s 2

(

)

(4-1) )

2

式中

Rs + jω1 Lls Lls C1 = 1 + ≈1+ jω1 Lm Lm

简化等效电路

忽略励磁电流， 忽略励磁电流，得到简化等效电路Rs & Us Lls L'lr & I r' Rr' s

& Is

ω1

图4-2

异步电动机简化等效电路

简化电流公式

Is ≈

I r'

= Rr'

Us Rs + + ω12 Lls + L'lr s 2

(

)

2

(4-2) )

异步电动机的机械特性方程式异步电动机的电磁转矩Te =

ωm1

Pm

R = I = ω1 s'2 r

3n p

' r

3n pU s2 Rr' / s Rr' ω1 Rs + s ' 2 lr

+ ω12 Lls + L'lr

2

(

)

2

=

ω1 (sRs + R

[

3n pU s2 Rr' s' 2 r

)

+ s ω Lls + L2 2 1

(

)]

(4-3) )

临界转差率和临界转矩将式( 将式(4-3)对s求导，并令 求导， 临界转差率 'dTe =0 ds

sm =

Rr

2 Rs

+ω

2 1 ( Lls

+

' 2 Llr )

(4-4) )

临界转矩Tem = 2ω1 Rs + Rs2 + ω12 ( Lls + L'lr ) 2

[

3n pU

2 s

]

(4-5) )

机械特性s n0 n1

恒压恒频供 电时异步电 动机的机械 特性

sm

1 0

Tem

Te

图4-3 异步电动机的机械特性

4.1.2 变压变频调速原理变压变频调速是改变

同步转速的一种调 速方法， 速方法，同步转速随频率而变化

60 f1 60ω1 n1 = = np 2πn p异步电动机转速

(4-6) )

n = n1 (1 s) = n1 sn1 = n1 n

(4-7) )

电压电压-频率协调控制三相异步电动机定子每相电动势的有效值

E g = 4.44 f 1 N s k N S Φ m

(4-8) )

只要控制好 E g 和 f 1 ,便可达到控制气 隙磁通 Φ 的目的。 m 的目的。

基频以下调速基频以下运行时， 基频以下运行时，保持每极磁通量为额定 值不变。因此， 值不变。因此，当频率从额定值向下调节 时，必须使

Eg f1

= 4.44 N s k N S Φ mN = 常值

(4-9) )

即采用电动势频率比为恒值的控制方式。 即采用电动势频率比为恒值的控制方式。

恒压频比控制异步电动机绕组中的电动势是难以直接控制的， 异步电动机绕组中的电动势是难以直接控制的， 当电动势值较高时， 当电动势值较高时，可忽略定子电阻和漏磁感 抗压降， 抗压降，认为 ， U s ≈ Eg 则得

Us = 常值 f1这就是恒压频比的控制方式。 这就是恒压频比的控制方式。

(4-10) )

低频补偿低频时， 低频时 ， 定子电 阻和漏磁感抗压 降所占的份量比 较显著， 较显著 ， 可以人 为地把定子电压 抬高一些 ， 以便 近似地补偿定子 阻抗压降 ， 称作 低频补偿 ， 也可 称作低频转矩提 升。b带补偿， a无补偿 带补偿， 无补偿 带补偿

Us UsN

b a

0

f1 N

f1

图4-4 恒压频比控制特性