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异步电机变频调速概述柳旭摘要：本位介绍了交流异步电机的发展及基本原理，并简单介绍了基于SVPWM的交流电机变频调速系统和矢量控制在异步电动机变频调速中的应用，结合变频调速的应用问题对变频调速进行了整体概述。关键词:交流电机 变频调速 SVPWM系统 矢量控制1 交流电机的综述11交流电机的发展交流电动机是电力拖动系统中重要的能量转换装置，用来实现将电能转换为机械能。长期以来人们一直在寻求对电动机转速进行调节和控制的方法，起初由于直流调速系统的调速性能优于交流调速系统，直流调速系统在调速领域内长期占居主导地位。但是，随着电力电子学，大规模集成电路以及计算机技术的飞速发展，各种大功率半导体器件的出现。加之由于直流电机具有电刷和换相器因而必须经常检查维修、换向火花使直流电机的应用环境受到限制、以及换向能力限制了直流电机的容量和速度等缺点日益突出起来，交流调速系统飞越进步，已经进入了与直流调速系统相媲美的时代，交流拖动控制系统已经成为当前电力拖动控制的主要发展方向。12交流电机的调速方法简介 从能量转换的角度上看，转差功率是否增大，是消耗掉还是得到回收，是评价调速系统效率高低的标志。有如下公式： 定子侧输入的电磁功率（带恒转矩负载）： （1-1）其中为供电电源角频率，为电动机极对数。 （1-2）其中为输出功率，为转差功率。 （1-3）其中s为转差率。 （1-4）把异步电机的调速系统分成三类 ：转差功率消耗型调速系统，转差功率馈送型调速系统，转差功率不变型调速系统。转差功率消耗型调速系统的全部转差功率都转换成热能消耗在转子回路中，常见的为降电压调速；转差离合器调速；转子串电阻调速。在三类异步电机调速系统中，这类系统的效率最低，而且越到低速时效率越低，它是以增加转差功率的消耗来换取转速的降低的（恒转矩负载时）。可是这类系统结构简单，设备成本最低，所以还有一定的应用价值。转差功率馈送型调速系统除转子铜损外，大部分转差功率在转子侧通过变流装置馈出或馈入，转速越低，能馈送的功率越多，绕线电机串级调速或双馈电机调速方法属于这一类。无论是馈出还是馈入的转差功率，扣除变流装置本身的损耗后，最终都转化成有用的功率，因此这类系统的效率较高，但要增加一些设备。转差功率不变型调速系统，转差功率只有转子铜损，而且无论转速高低，转差功率基本不变，因此效率更高，变极对数调速；变压变频调速属于此类。其中变极对数调速是有级的，应用场合有限。只有变压变频调速应用最广，可以构成高动态性能的交流调速系统，取代直流调速；但在定子电路中须配备与电动机容量相当的变压变频器，相比之下，设备成本最高。 2 变频调速的原理21异步电机的静态等效电路 根据电机学原理，在下述三个假定条件下：忽略空间和时间谐波，忽略磁饱和，忽略铁损，异步电机的稳态等效电路示于图一。 图一 异步电机T形等效电路Rs、Rr 定子每相电阻和折合到定子侧的转子每相电阻；Lls、Llr 定子每相漏感和折合到定子侧的转子每相漏感；Lm定子每相绕组产生气隙主磁通的等效电感，即励磁电感；Us、w1 定子相电压和供电角频率；s 转差率。由图可以导出 （2-1）式中 （2-2）令电磁功率 （2-3）则异步电机的机械特性： （2-4）22变频调速的基本原理交流电动机的同步转速可以表示为： （2-5）式中-交流电动机的同步转速；f-交流电动机定子绕组的宫殿频率；p-交流电动机定子绕组的磁极对数。根据异步电动机转差率的定义： （2-6）可知交流异步电动机的转速为： （2-7）由（2-6）（2-7）可知，如果均匀的改变交流电动机定子绕组的供电频率，电动机的同步转速就可以平滑的改变，从而电动机的转速也可以平滑的改变，这样就实现了对电动机转速的调节和控制。变频调速被人们公认为具有高效率，高精度和款调速范围的调速性能，因此是交流电动机的一种比较理想的调速方法。23变频调速的控制方式 （2-8）式中：Eg 气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值，单位为V；f1定子频率，单位为Hz；Ns定子每相绕组串联匝数；kNs基波绕组系数；Fm每极气隙磁通量，单位为Wb。 基频以下调速：绕组中的感应电动势是难以直接控制的，当电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压 Us Eg，则得，这就是恒压频比的控制方式。但是，在低频时 Us 和 Eg 都较小，定子阻抗压降所占的份量就比较显著，不再能忽略。这时，需要人为地把电压 Us 抬高一些，以便近似地补偿定子压降。带定子压降补偿的恒压频比控制特性示于图二中的 b 线，无补偿的控制特性则为a 线。 图二 恒压频比控制特性 图三 异步电机变压变频调速的控制特性 基频以上调速：频率从向上升高，受到电动机绝缘耐压和磁路饱和的限制，定子电压不能随之升高，最多只能保持额定电压不变，这将导致磁通与频率成反比的降低，使得异步电动机工作在弱磁状态。把基频以下和基频以上两种情况的控制特性画在一起。如图三。3变频调速的方法举例31基于SVPWM的交流电机变频调速系统的介绍在交流调速领域中,随着高开关频率的功率器件(如IGBT、MOSFET等)出现,脉宽调制(PWM)技术取代了老式相控技术,一跃占据了主导地位。在众多PWM技术中,电压空间矢量PWM(也称为磁链跟踪PWM)调制具有比较显著的优点:电流谐波少,转矩脉动小,噪声低。SVPWM的基本原理：在交流电机变压变频调速系统中,三相电压型逆变器可等效成由图四所示的6个开关元件组成,电机的相电压和线电压依赖于它所对应的逆变器桥臂上下6个功率开关的状态,根据SA、SB、SC为0或1可以组合8个状态,这8种工作状态可相应表示为8个矢量称作基本空间电压矢量,根据其相位分别命名为，其中，为零矢量。把他们映射到Park复平面下，就可以得到空间矢量图，如图五所示。 图四 逆变器-电动机等效电路图 图五 三相电压型逆变器的基本空间电压矢量 SVPWM通常有硬件实现和软件实现两种方法,硬件实现是通过DSP内置的SVPWM状态机,编程简单,易于实现,但输出线电压的谐波含量大。软件方法是通过常规的比较功能实现,输出电压谐波含量小,是目前最为常用方法。目前最流行的是七段式空间电压矢量PWM波形,它由3段零矢量和4段相邻的非零矢量组成,3段零矢量分别位于PWM波的开始、中间和结尾。 32矢量控制在异步电动机变频调速中的应用介绍 矢量控制基本设想：根据一个三相交流的磁场系统和一个旋转体上的直流磁场系统，以两相系统作过渡，可以相互进行等效变换的原理，所以将变频器的给定信号变换成类似直流电动机磁场系统的控制信号，也就是说，假设有两个互相垂直的直流绕组同处于一个旋转体上，两个绕组中分别独立地通入由给定信号分解而得的励磁电流信号和转矩电流信号，并且和作为基本控制信号，则通过等效变换，可以得到与基本控制信号等效的三相交流控制信号、去控制逆变电路。对于电动机在运行过程中的三相交流系统的数据，又可以等效变换成两个互相垂直的直流信号，反馈到给定控制部分，用以修正基本控制信号和。进行矢量控制时，可以和直流电动机一样，使其中一个磁场电流信号不变，而控制另一个磁场电流信号，从而获得和直流电动机类似的控制功能。基本框图如图六： 图六 控制反馈图给定控制器将信号分解成两个相互垂直且独立的直流信号和，然后通过直/交变换将和变换成两相直流电流信号i1和i2，又经过2/3变换，得到三相交流控制信号、，去控制逆变桥。电流反馈用于反映负载的状况，使直流信号的转矩分量能随负载而变，从而模拟出类似于直流电动机的工作状况。速度反馈用于反映拖动系统的实际转速和给定值之间的差异，并使之以最快的速度进行校正，从而提高系统的动态特性。4变频调速的应用问题 目前，交流拖动控制系统的应用领域主要有下面三个方面：1）一般性能调速和节能调速；2）高性能的交流调速系统和伺服系统；3）特大容量，极高转速的交流调速。41变频器运行时对普通异步电机的影响普通异步电动机在用变频器进行调速时，由于供电系统中电压除基波外不可避免含有高次谐波分量，以及电动机运行速度范围的扩大，运行过程中，普通异步电动机存在以下问题：1、电动机的效率问题：使用变频调速，虽然综合效率提高，但电机效率有所下降。不论哪种形式的变频器，在运行中均产生不同程度的谐波电压和电流，使电动机在非正弦电压、电流下运行，高次谐波会引起电动机定子铜耗、转子铜（铝）耗、铁耗及附加损耗的增加，最为显著的是转子铜（铝）耗。因为异步电动机是以接近于基波频率所对应的同步转速旋转的，因此，高次谐波电压以较大的转差切割转子导条后，便会产生很大的转子损耗。除此之外，因集肤效应所产生的附加铜耗，这些损耗都使得电动机的功率因数和效率变差。2、电动机的温升问题：普通异步电动机因变频器产生的高次谐波，还会使电动机额外发热。3、电动机绝缘强度问题：普通异步电动机用变频器调速时，变频器载波频率约为几千到十几千赫，这就使得电动机定子绕组要承受很高的电压上升率，相当于对电动机施加陡度很大的冲击电压，使电动机的匝间绝缘承受较为严酷的考验。4、电机轴承强度问题：变频宫殿式，产生的轴电压和轴电流会对电机轴承作用，缩短轴承使用寿命；普通异步电动机高频率运转时电机轴承受力增大，需考虑轴承强度。5、谐波电磁噪声与震动:6、电动机对频繁启动、制动的适应能力：采用变频器供电后，电动机可以在很低的频率和电压下以无冲击电流的方式启动，并可利用变频器所供的各种制动方式进行快速制动。42普通电机在变频运行时的注意事项1、尽量采用绝缘等级高的电机：绝缘等级越高，电机绝缘强度越高、允许的工作温度越高，因变频调速产生的温升、绝缘问题影响越小。2、尽量选用强