【正文】 GTO、 VDMOS、 IGBT） , 功率集成電路 PIC, 智能模塊 IPM,專用功率器件模塊 ASPM, 使得變頻裝置在性能與價格比上可以與直流調(diào)速裝置相媲美。 。 20 世紀(jì) 60 年代中期 ,德國 A Schonung 等人率先把通信系統(tǒng)中的調(diào)制技術(shù)推廣應(yīng)用于變頻調(diào)速中，即 PWM 技術(shù)。 PWM 技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用優(yōu)化了變頻裝置的性能 ， 而且更重要的意義是抑制逆變器輸出電壓或電流中的諧波分量 ,從而降低或消除了變頻調(diào)速時電機的轉(zhuǎn)矩脈動 ,提高了電機的工作效率 ,擴大了調(diào) 速系統(tǒng)的調(diào)速范圍。 和直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù) 的提出。 1975 年 ,德國學(xué)者 F Blaschke 提出了矢量變換控制原理 ,采用參數(shù)重構(gòu)和狀態(tài)重構(gòu)的現(xiàn)代控制理論概念實現(xiàn)了交流電動機定子電流的勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量之間的解藕 ,實現(xiàn)了將交流電動機的控制過程等效為直流電動機的控制過程 。 1985 年 ,德國魯爾大學(xué)的 M Depenbrock 對 時空間理論的研究 ,提出了直接轉(zhuǎn)矩控制理論，以轉(zhuǎn)矩和磁通的獨立跟蹤自調(diào)整并借助于轉(zhuǎn)矩的 Band Band 控制來實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和磁通直接控制。 術(shù)的發(fā)展。單片微機 MCS， DSP，→精簡指令集計算機 (Reduced Instruction Set Computer RISC)為控制核心的微機控制技術(shù)使得交流調(diào)速從模擬控制迅速走向數(shù)字控制。數(shù)字化使得控制器對信息處理能力大幅度提高，各種計算輕易實現(xiàn)，從而 交流調(diào)速的現(xiàn)代控制方法 終于得以完全實現(xiàn)。 交流調(diào)速系統(tǒng)與直流調(diào)速系統(tǒng)相比，具有如下特點： （ 1）容量大 。 （ 2）轉(zhuǎn)速高且耐壓高。 （ 3）交流電機的體積，重量，比同等容量的直流電機小 ，且結(jié)構(gòu)簡單，經(jīng)濟可靠， 2 慣性小。 （ 4）交流電機環(huán)境適應(yīng)力強，堅固耐用，可以 在十分惡劣的環(huán)境下使用。 （ 5） 高性能，高精度的新型交流拖動系統(tǒng)已達到同直流拖動系統(tǒng)一樣的性能指標(biāo)。 （ 6）交流調(diào)速系統(tǒng)表現(xiàn)出 顯著的節(jié)能。 異步電動機交流調(diào)速系統(tǒng) 的類型 由異步電動機工作原理可知 ,從定子傳入轉(zhuǎn)子的電磁功率 mP 可分為兩部分 :一部分 ? ?1dmP s P? 是拖動負載的有效功率 ； 另一部分是轉(zhuǎn)差功率 smP sP? ,與轉(zhuǎn)差率 s 成正比。轉(zhuǎn)差功率如何處理 ,是消耗掉還是回饋給電網(wǎng) ,可衡量異步電動機調(diào)速系統(tǒng)的效率高低。因此按轉(zhuǎn)差功率處理方式的不同可以把現(xiàn)代異步電動機調(diào)速系統(tǒng)分為三類 : (1) 轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速系統(tǒng) 。 (2) 轉(zhuǎn)差功率回饋型調(diào)速系統(tǒng) 。 (3) 轉(zhuǎn)差 功率不變型調(diào)速系統(tǒng)。 交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展趨勢和動向 1． 智能化控制方法對交流調(diào)速系統(tǒng)的影響研究。 主要針對電機參數(shù)的不確定性、 純滯后或非線性耦合等特性 ,以及電機轉(zhuǎn)子參數(shù)估計的不準(zhǔn)確及參數(shù)變化的影響都會造成定向坐標(biāo)的偏移，模糊控制、 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過輸入、 輸出信息進行仿人思維的智能化控制方法開始引入到交流調(diào)速系統(tǒng)中 ,成為交流調(diào)速控制技術(shù)新的研究方向。取消通過機械連接的測速發(fā)電機及其他測速傳感器 ,實現(xiàn)無硬件測速傳感器的交流調(diào)速系統(tǒng)。 。主要措施是降低電力電子器件的開關(guān)損耗。如使電力電子器件在零電壓或電流下轉(zhuǎn)換 ,即工作在所謂 “軟開關(guān)”狀態(tài)下 ,從而使開關(guān)損耗降低到零。 。 。 提高系統(tǒng)的可靠性主要通過兩個途徑 :一是提高部件的設(shè)計和制造水平 。二是利用冗余和容錯技術(shù)。利用馬爾柯夫過程理論 對容錯控制系統(tǒng)進行可靠性建模 ,研究冗余和容錯系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計也是交流調(diào)速研究的新領(lǐng)域 ,是熱點課題之一。 本文主要研究內(nèi)容 轉(zhuǎn)差頻率控制的基本概念 本文主要介紹異步電動機的轉(zhuǎn)差頻率控制方式 ，在該基礎(chǔ)上進一步介紹轉(zhuǎn)差頻率間接矢量控制方式。 由電力拖動的基本方程式 : eL pJdTT n dt??? （ 11） 3 根據(jù)基本運動方程式，控制電磁轉(zhuǎn)矩 eT 就能控制 ddt?。因此，歸根結(jié)底， 控制 調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能就是控制轉(zhuǎn)矩的能力。 圖 異步電動機穩(wěn)態(tài)等效電路和感應(yīng)電動勢 電磁轉(zhuǎn)矩關(guān)系式： sRImPT ssee?????? 2221 （ 12） 由圖 異步電動機穩(wěn)態(tài)等效電路 圖可知 ： 21212rrgrLsREI?????????? ??? （ 13） 將 （ 13）代入（ 12）中得： 2121221112112121212133 ??????????????????????? ??rrrgprrrgpeLsRRsEnsRLsREnT?????? （ 14） 將 電機氣隙電動勢 mNsmNssg kNkNfE ???? 111 ? 代入 式（ 14） 得 2121221112223rrrmnsspeLsRRskNnT?????? （ 15） 令 1 ss??? 并定義為轉(zhuǎn)差頻率， 其中 2232m p s NsK n N k?為 電機的結(jié)構(gòu)常數(shù)，則 式（ 15）可化為 ? ?2 112211re m mr s rsRTKRL???? ?? ? （ 16） 當(dāng)電機穩(wěn)定運行時， s 值很小，可以認為 1s r rLR? ???? ，則轉(zhuǎn)矩可近似表示為 4 ??? rsmme RKT ?2 （ 17） 上式表明，在 s 很小的穩(wěn)定運行范圍內(nèi)，如果能夠保持氣隙磁通 m? 不變， 則有esT ?? ，從而控制 了 轉(zhuǎn)差頻率就相當(dāng)于控制了轉(zhuǎn)矩。 基于異步電動機穩(wěn)態(tài)模型控制的轉(zhuǎn) 差頻率控制規(guī)律 當(dāng) s? 較大時，采用式（ 14）的精確轉(zhuǎn)矩公式，其轉(zhuǎn)矩特性 ? ?esTf?? 如圖 所示，當(dāng) s? 較小時處于 穩(wěn)定運行段，轉(zhuǎn)矩與 轉(zhuǎn)差頻率 s? 成正比，當(dāng) eT 達到最大值 maxeT 時， s?達到 maxs? 。 圖 按恒 m? 值控制的 ? ?esTf?? 特性 對于式（ 14），取 0esdTd?? ，可得， rrrrs LRLR11max???? （ 18） ???rmme LKT122 （ 19） 1． 在轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)中，只要給定 s? 限幅，使其限幅值為 rrss LR1max ???? （ 110） 則可保持 eT 與 s? 的正比關(guān)系，從而可以用轉(zhuǎn)差頻率控制來代替 轉(zhuǎn)矩控制。 2． 保持 m? 恒定的條件： 由異步電機等效電路圖 ，可知 ????????????????????11111 )()( ???gsssgssssELjRIELjRIU （ 111） 5 可見該控制需要在 實現(xiàn)恒1gE? 控制的基礎(chǔ)上再提高電壓 SU 以補償定子電 壓降 。 如果忽略電流相量相位變化的影響，不同定子電流時恒1gE? 控制所需的電壓 頻率特性 1( , )ssU f I?? 如圖 所示。 圖 不同定子電流時恒壓頻比控制所需的電壓 頻率特性 上述關(guān)系表明，只要 sU 和 1? 及 sI 的關(guān)系符合上圖所示特性，就能保持1gE? 恒定，也就是保持 m? 恒定。這是轉(zhuǎn)差頻率控制的基 本規(guī)律之二。 總結(jié)起來，轉(zhuǎn)差頻率控制的規(guī)律是： （ 1）在 s sm??? 的范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)矩 eT 基本上與 s? 成正比，條件是氣隙磁通不變。 （ 2）在不同的定子電流值時，按上圖的函數(shù)關(guān)系 1( , )ssU f I?? 控制定子電壓和頻率，就能保持氣隙磁通 m? 恒定。 由以上工作情況可以看出，轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)的突 出優(yōu)點在于頻率控制環(huán)節(jié)的輸入是轉(zhuǎn)差信號，而頻率信號是由轉(zhuǎn)差信號與實際轉(zhuǎn)速信號相加得到的。這樣，在轉(zhuǎn)速變化過程中，定子頻率隨著實際轉(zhuǎn)速同步上升或下降。與轉(zhuǎn)速開環(huán)系統(tǒng)中按電壓成正比地直接產(chǎn)生頻率給定信號相比，加、 減 速更為平滑，且容易使系統(tǒng)穩(wěn)定。穩(wěn)態(tài)工作時可以實現(xiàn)無差調(diào)節(jié)，在急劇的動態(tài)過程中，可維持電機轉(zhuǎn)矩接近于最大值。在一定程度上類似于直流雙閉環(huán)系統(tǒng)，因此屬于高性能的控制系統(tǒng)。 本文所設(shè)計的變頻調(diào)速系統(tǒng)即采用轉(zhuǎn)差頻率控制方式。 基于異步電動機動態(tài)態(tài)模型控制的轉(zhuǎn)差頻率矢量控制規(guī)律 異步電動機的轉(zhuǎn)差頻率矢 量控制是在傳統(tǒng)的直接利用轉(zhuǎn)差頻率的基礎(chǔ)上 ， 異步電動機的動態(tài)數(shù)學(xué)模型是一個高階，非線性，強耦合的多變量系統(tǒng)。 如果將異步電動機的物理模型等效成類似的直流電動機模型，分 析和控制就可以大大簡化了。所以需要對異步電動機進行坐標(biāo)變換。因此 ，在三相坐標(biāo)系上的定子電流 ,A B Ciii通過三相 — 兩相變換 6 可以等效成兩相靜止坐標(biāo)系上的交流電流 ,ii??,在通過同步下旋轉(zhuǎn)變化 ,可以等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的直流電 ,dqii 如果觀察者站到鐵心上與坐標(biāo)系一起旋轉(zhuǎn)，通過控制，可使交流電動機的轉(zhuǎn)子總磁通 r? 就是等效直流電動機的勵磁磁通，如果把 d 軸定位于r? 的方向上，稱做 M 軸，把 q 軸稱做 T 軸，則 M 繞組相當(dāng)于直流電動機的勵磁繞組，mi 相當(dāng)于勵磁電流， T 繞組相當(dāng)于偽靜止的 電樞繞組， ti 相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流。 把上述等效關(guān)系用結(jié)構(gòu)圖的形式畫出來，如下圖所示。從整體上看，輸入為 A， B，C 三相電壓，輸出為轉(zhuǎn)速 ? ，是一臺異步電動機。從內(nèi)部看，經(jīng)過 3/2 變換和同步 旋轉(zhuǎn)變換，變成一臺由 mi 和 ti 輸入由 ? 輸出的直流電動機。 圖 異步電動機的坐標(biāo)變換圖 既然異步電動機經(jīng)過坐標(biāo)變換可以等效成直流電動機，那么，模仿直流電動機的控制策略，得到直流電動機的控制量，經(jīng)過相應(yīng)的坐標(biāo)反變換，就能夠控制異步電動機了，由于進行坐標(biāo)變換的是電流的空間矢量，所以這樣通過坐標(biāo)變換實現(xiàn)的控制系統(tǒng)就叫做矢量控制系統(tǒng)，簡稱 VC 系統(tǒng)。 VC 系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)如上 圖所示；圖中給定和反饋信號經(jīng)過類似于直流調(diào)速系統(tǒng)所用的控制器，產(chǎn)生勵磁電流的給定信號 *mi 和電樞電流的給定信號 *ti ,經(jīng)過反旋轉(zhuǎn)變換得到 ,ii??，再經(jīng)過 2/3 變換得到 ***,A B Ciii。 把這三個電流控制信號和由控制器得到的頻率信號 1? 相加到電流控制的變頻器上，即可輸出異步電動機調(diào)速所需的三相變頻電流。 而在磁鏈閉環(huán)控制的 VC系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)子磁鏈反饋信號是由磁鏈模型獲得的，其幅值和相位都受到電機參數(shù) r mLT和 變化的影響，造成控制的不 準(zhǔn)確性，既然這樣 ，與其采用磁鏈閉環(huán)控制而反饋不準(zhǔn)，不如采用磁鏈開環(huán)控制，系統(tǒng)反而會簡單一些。在這種情況下，可利用矢量控制方程中的轉(zhuǎn)差公式，構(gòu)成轉(zhuǎn)差型的矢量控制系統(tǒng)，又稱間接矢量控制系統(tǒng)。 7 2 異步電動機轉(zhuǎn)差頻率間接矢量控制交流調(diào)速系統(tǒng) 異步電機的特點 異步電動機轉(zhuǎn)差頻率 控制 的轉(zhuǎn)速閉環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的 控制思想建立在異步電動機的靜態(tài)數(shù)學(xué)模型 上，動態(tài)性能指標(biāo)不高。我們常常會聯(lián)想到直流電機的調(diào)速系統(tǒng)，由于直流電機在額定勵磁下是一個二階線性系統(tǒng)，傳遞函數(shù)明確， 從而 系統(tǒng)的優(yōu)化 會變得 簡單， PI 調(diào)節(jié)器的參數(shù)的設(shè)置也 輕而易舉 。而相對于直流電機，交流電機具有以下特點： 1． 異步電動機變壓變頻調(diào)速時需要進行電壓電流的協(xié)調(diào)控制，有電壓和電流兩個獨立的輸入變量。在輸出變量中，除轉(zhuǎn)速外，磁通也得算一個獨立的輸出變量。因為電動機只有一個三相輸入電源，磁通的建立和轉(zhuǎn)速的變化是同時進行的，為了獲得良好的動態(tài)性能，也希望對磁通施加某種控制，使它在動態(tài)過程中盡量保持恒定，才能產(chǎn)生較大的動態(tài)轉(zhuǎn)矩。由于這些原因，異步電動機是一個多變量系統(tǒng)，而電壓，電流，頻率，磁通，轉(zhuǎn)速之間又互相都有影 響，所以是一個強耦合的多變量系統(tǒng)，可以用 圖 定性的表示。 2． 在異步電