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基于稳态模型的异步电动机变压变频调速系统

时间:2011-10-07 来源:www.dqjsw.com.cn 编辑:电气自动化技术网 点击:次 字体设置:

在直流电动机中,主磁通和电枢电流分布的空间位置是确定的,而且可以独立控制,交流异步电动机的磁通则由定子与转子电流合成产生,它的空间位置相对于定子和转子都是运动的,除此以外,在笼型异步电动机中,转子电流还是不可测和不可控的。因此,异步电动机的动态数学模型要比直流电动机模型复杂得多,在相当长的一段时间里,人们对它的精确表述还不得要领。好在不少机械负载,例如风机和水泵,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,因此可以只根据电动机的稳态模型来设计其控制系统。异步电动机的稳态数学模型如第一讲中所述,为了实现电压-频率协调控制,可以采用转速开环恒压频比带低频电压补偿的控制方案,这就是常用的通用变频器控制系统。如果对调速范围和起制动性能要求高一些,可以采用转速闭环转差频率控制的方案。本讲将分别介绍这两类基于稳态数学模型的变压变频调速系统。

5.1 转速开环恒压频比控制调速系统—通用变频器-异步电动机调速系统


现代通用变频器大都是采用二极管整流器和由全控开关器件igbt或功率模块ipm组成的pwm逆变器,构成交-直-交电压源型变压变频器,它们已经占据了全球0.5~500 kva中、小容量变频调速装置的绝大部分市场。所谓“通用”,包含着两方面的含义:一是可以和通用的笼型异步电动机配套使用;二是具有多种可供选择的功能,适用于各种不同性质的负载。
图5-1绘出了一种典型的数字控制通用变频器-异步电动机调速系统原理图。它包括主电路、驱动电路、微机控制电路、保护信号采集与综合电路,图中未绘出开关器件的吸收电路和其它辅助电路。

数字控制通用变频器-异步电动机调速系统原理图

图5-1 数字控制通用变频器-异步电动机调速系统原理图


通用变频器-异步电动机调速系统的主电路由二极管整流器ur、pwm逆变器ui和中间直流电路三部分组成,采用大电容c1和c2滤波,同时兼有无功功率交换的作用。为了避免大电容在合上电源开关q1后通电的瞬间产生过大的充电电流,在整流器和滤波电容间的直流回路中串入限流电阻r0(或电抗)。通上电源时,由r0限制充电电流,经延时在充电完成后用开关q2将r0短路,以免长期接入r0影响变频器的正常工作并产生附加损耗。
由于二极管整流器不能为异步电动机的再生制动提供反向电流的通路,所以除特殊情况外通用变频器一般都用电阻(见图5-1中的rb)吸收制动能量。减速制动时,异步电动机进入发电状态,首先通过逆变器的续流二极管向电容充电,当中间直流回路的电压(通称泵升电压)升高到一定的限制值时,通过泵升限制电路使开关器件vtb导通,将电动机释放出来的动能消耗在制动电阻rb上。为了便于散热,制动电阻器常作为附件单独装在变频器机箱外边。
二极管整流器虽然是全波整流装置,但由于其输出端有滤波电容存在,只有当交流电压幅值超过电容电压时,才有充电电流流通,交流电压低于电容电压时,电流便终止,因此输入电流呈脉冲波形,如图5-2所示。这样的电流波形具有较大的谐波分量,使电源受到污染。为了抑制谐波电流,对于容量较大的通用变频器,都应在输入端设有进线电抗器lin,有时也可以在整流器和电容器之间串接直流电抗器。lin还可用来抑制电源电压不平衡对变频器的影响。

三相二极管整流电路的输入电流波形

图5-2 三相二极管整流电路的输入电流波形
工作电压:380v, 50hz
工作电流:6a(加载)


现代通用变频器的控制电路大都是以微处理器为核心的数字电路(见图5-1),其功能主要是接受各种设定信息和指令,再根据它们的要求形成驱动逆变器工作的pwm信号。微机芯片主要采用8位或16位的单片机,或用32位的dsp(数字信号处理器),现在已有应用risc(精简指令集计算机)的产品出现,可以完成诸如无速度传感器矢量控制等更为复杂的控制功能。pwm信号可以由微机本身的软件产生,由pwm端口输出,也可采用专用的pwm生成电路芯片。各种故障的保护由电压、电流、温度等检测信号经信号处理电路进行分压、光电隔离、滤波、放大等综合处理,再进入a/d转换器,输入给cpu作为控制算法的依据,或者作为开关电平产生保护信号和显示信号。
需要设定的控制信息主要有u/f特性、工作频率、频率升高时间、频率下降时间等,还可以有一系列特殊功能的设定。采用恒压频比控制时,只要改变设定的“工作频率”信号,就可以平滑地调节电动机的转速。低频时,或负载的性质和大小不同时,须靠改变u/f函数发生器的特性来补偿,使系统达到eg/f1恒定的功能(见第一讲中有关内容),在通用变频器产品中称作“电压补偿”或“转矩补偿”。实现补偿的方法有两种:一种是在微机中存储多条不同斜率和折线段的u/f函数曲线,由用户根据需要选择最佳特性;另一种办法是采用霍尔电流传感器检测定子电流或直流回路电流,按电流大小自动补偿定子电压。但无论如何都存在过补偿或欠补偿的可能,这是开环控制系统的不足之处。
由于系统本身没有自动限制起制动电流的作用,因此频率设定必须通过给定积分算法产生平缓的升速或降速信号,升速和降速的积分时间可以根据负载需要由操作人员分别选择。
综上所述,通用变频器的基本控制作用如图5-3所示。近年来,许多企业不断推出具有更多自动控制功能的变频器,使产品性能更加完善。

通用变频器的基本控制作用

图5-3 通用变频器的基本控制作用


5.2 转速闭环转差频率控制的变压变频调速系统


前节所述的转速开环变频调速系统可以满足平滑调速的要求,但静、动态性能都是有限的,要提高静、动态性能,首先要用转速反馈闭环控制,这时在图5-1中就应增加转速检测(硬件)和数字测速(软件)功能。转速闭环系统的静特性比开环系统强,这是很明显的,但是否能够提高系统的动态性能?还得作进一步的探讨。
我们知道,任何电力拖动自动控制系统都服从于基本运动方程式


提高调速系统动态性能主要依靠控制转速的变化率dω/dt。根据基本运动方程式,控制电磁转矩te就能控制dω/dt,因此,归根结底,调速系统的动态性能就是控制转矩的能力。
在异步电动机变压变频调速系统中,需要控制的是电压(或电流)和频率,怎样通过控制电压(电流)和频率来控制电磁转矩,便成为提高动态性能时需要解决的问题。
5.2.1 转差频率控制的基本概念
直流电动机的转矩与电枢电流成正比,控制电流就能控制转矩,因此,把直流双闭环调速系统转速调节器的输出信号当作电流给定信号,也就是转矩给定信号。
在交流异步电动机中,影响转矩的因素较多,控制异步电动机转矩的问题也比较复杂。在第一讲1.2.3节中,分析了恒eg1控制(即恒φm控制)时的电磁转矩公式,得到式(1-13),现再写出如下:


(5-1)


代入式(5-1),得


(5-2)


令ωs=sω1,并定义为转差角频率,,是电机的结构常数,则


(5-3)


当电机稳态运行时,s值很小,因而ωs也很小,只有ω1的百分之几,可以认为ωsllr’<r’,则转矩可近似表示为


(5-4)


式(5-4)表明,在s值很小的稳态运行范围内,如果能够保持气隙磁通φm不变,异步电动机的转矩就近似与转差角频率ωs成正比。这就是说,在异步电动机中,控制ωs就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。(信息来源:www.dqjsw.com.cn
5.2.2 基于异步电动机稳态模型的转差频率控制规律
上面分析所得的转差频率控制概念是根据式(5-4)这个转矩近似公式得到的,当ωs较大时,就得采用式(5-1)的精确转矩公式,把这个转矩特性(即机械特性)te=f(ωs)画在图5-4上面,可以看出,在ωs较小的稳态运行段,转矩te基本上与ωs成正比,当te达到其最大值te max时,ωs达到ωs max值。对于式(5-1),取dte/dωs=0,可得


(5-5)


(5-6)


在转差频率控制系统中,只要给ωs限幅,使其限幅值为


(5-7)


就可以基本保持te与ωs的正比关系,也就可以用转差频率控制来代表转矩控制。这是转差频率控制的基本规律之一。

按恒φm值控制的te=f(ωs)特性

图5-4 按恒φm值控制的te=f(ωs)特性


上述规律是在保持φm恒定的前提下才成立的,于是问题又转化为,如何能保持φm恒定?我们知道,按恒eg1控制时可保持φm恒定。在第一讲图1-3的等效电路中可得


(5-8)


由此可见,要实现恒eg1控制,须在us1=恒值的基础上再提高电压us以补偿定子电流压降。如果忽略电流相量相位变化的影响,不同定子电流时恒eg1控制所需的电压-频率特性 如图5-5所示。
上述关系表明,只要us和ω1及is的关系符合图5-5所示特性,就能保持eg1恒定,也就是保持φm恒定,这是转差频率控制的基本规律之二。

不同定子电流时恒eg/ω1控制所需的电压-频率特性

─— 恒eg/ω1控制
---- us/ω1为恒值
→ 定子电流增大的趋势

图5-5 不同定子电流时恒eg1控制所需的电压-频率特性


总结起来,转差频率控制的规律是:
(1) 在ωs≤ωsm的范围内,转矩te基本上与ωs成正比,条件是气隙磁通不变。
(2)在不同的定子电流值时,按图5-5的us=f(ω1,is)函数关系控制定子电压和频率,就能保持气隙磁通φm恒定。
5.2.3 转差频率控制的变压变频调速系统
实现上述转差频率控制规律的转速闭环变压变频调速系统结构原理图如图5-6所示。图中,转速调节器asr的输出信号是转差频率给定ωs*,ωs*与实测转速信号ω相加,即得定子频率给定信号ω1*,即


ωs*+ω=ω1* (5-9)

转差频率控制的转速闭环变压变频调速系统结构原理图

图5-6 转差频率控制的转速闭环变压变频调速系统结构原理图


由ω1和定子电流反馈信号is从微机存储的 函数中查得定子电压给定信号us*,用us*和ω1*控制pwm电压型逆变器,即得异步电动机调速所需的变压变频电源。
式(5-9)表示转差角频率ωs*与实测转速信号ω相加后得到定子频率输入信号ω1*,这个关系是转差频率控制系统的突出特点或优点。它表明,在调速过程中,实际频率ω1随着实际转速ω同步地上升或下降,有如水涨而船高,因此加、减速平滑而且稳定。同时,由于在动态过程中转速调节器asr饱和,系统能用对应于ωsm的限幅转矩tem进行控制,保证了在允许条件下的快速性。由此可见,转速闭环转差频率控制的交流变压变频调速系统能够象直流电动机双闭环控制系统那样获得较好的静、动态性能,是一个比较优越的控制策略,结构也不算复杂。然而,它的静、动态性能还不能完全达到直流双闭环系统的水平,存在差距的原因有以下几个方面:
(1) 在分析转差频率控制规律时,是从异步电动机稳态等效电路和稳态转矩公式出发的,所谓“保持磁通φm恒定”的结论也只在稳态情况下才能成立。在动态中φm如何变化还没有深入研究,但肯定不会恒定,这就会影响系统的实际动态性能。
(2) 在us=f(ω1,is)函数关系中只抓住了定子电流的幅值,没有控制到电流的相位,而电流的相位也是影响转矩变化的重要因素。
(3) 在频率控制环节中,取ω1s+ω,使频率ω1得以与转速ω同步升降,这本是转差频率控制的优点。然而,如果转速检测信号不准确或存在干扰,就会直接给频率造成误差,因为所有这些偏差和干扰都以正反馈的形式毫无衰减地传递到频率控制信号上来了。

 

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