交流电动机及变频调速技术

1、fs交流电动机及变频调速技术周国兴教授DIN ISO 0001交流电动机及变频调速技术周国兴教授第一章 交流电动机与电力拖动基础知识第一节交流电机的工作原理异步电动机和同步电动机三相异步电动机Ua三相交流电UbUc=三相对称绕组；：ic图1异步电动机旋转速度为:当 f 50 Hz60 fniPp1niP2niP3ni3000转/分1500转/分1000转/分旋转方向由A,B,C相序而变。表示为鼠笼，感应出电势 e2=BLv,方向右手定则判断。 f i2 f F BLi2（左手），产生力矩使转子跟随旋转 磁场方向，旋转速度为 n2 n1，所以叫异步电机。若n2 ni，e 0，i2 0,就没有力矩

2、了。所以 n2 n1， n= n1 n2转差率:nj n2sni100%，如 1000 96010004%.三相同步电机定子与异步电机一样为三相对称绕组。ia山f旋转磁场山图2转子为直流励磁的电 磁铁。如图示：因此，转子就跟随定子 旋转磁场，以同样的速 度n1旋转，所以叫同 步电动机。这种转子励磁的同步 电机，目前主要用于发 电机，及大功率的同步 电动机。目前有一种转子为永A怏哀而衆磁同步电机图3这种电动机定子与异步电动机一样，只是将转子表面贴有（或嵌有）永磁铁（铷铁硼）。因此，转子就没有滑环和电刷了。见图 3。因为同步电动机的特性好，再加上永磁的磁场可以设计得较高，因此同 步电动机的功率密度

3、可以做得较大。也就是同容量的永磁同步电动机比 异步电动机小很多。另外，可以做成多极，扁形，适宜制成低速大力矩 的无齿轮系统，目前已广泛用于电梯。如 通力电梯中16极，P=8 , m n2 lOOr.p.m.所以f罟警13.03Hz （变频器输出）这样的电梯曳引机就没有齿轮箱了。第二节交流异步电机的参数和机械特性图4等效电路图所以，异步电机有定子，转子和励磁共6个参数。这些参数难以检测，而且是非线性的，又可能随时而变化，这就是异步电动机难以控制的原因。几个公式:Ei11乙E1 1 0 ( rm jxm) 1 0Z m 4.44 f1 wi mf2 Sf1 (转子频率)I1 Io I2'所

4、以，当负载增加时，n2 , sE212 I1产生足够力矩满足负载需要。二.异步电动机的功率关系1 .输入功率P v'3U 1I1 cos 12 去掉：定子损耗3|/1励磁损耗3I m2 rm剩下电磁功率Pe通过感应传递到转子。3 机械输出功率P2 Pe减掉转子损耗一个电动机名牌上标明10KW，即是轴上能输出额定功率10KW。其效率 =P2 R4.几个力学公式:功率：P T -或T力矩平衡：Td加速TfTf式中:当TdTd恒速负载折算到电动机轴上的Tf减速GD2 f 一般情况下不知道,二 dndt375(Td Tf)可以认为GD2 f < GD2dGD2GD2 n GD2(门2 n

5、J 375(Td Tf)375(Td Tf)根据上式,可以计算电动机的起、制动时间和加速、减速时间注意：负载力矩Tf的 或匚与负载性质和工作状态有关。丰SIIWord资料I、异步电动机的机械特性(n f(T)的关系曲线)1.机械特性曲线上4个点的说明:点同步转速点（即理想空载转 速点）；点额定工作点或工作点；点最大力矩工作点（极限）； 点起动点，这时的力矩即为起 动力矩；2. t Ui ,因此定子电压下降会造成力矩以平方 关系的下降TeTQT max 1T3.起动点，电流很大，但Tq并不大。图5:异步机机械特性4. Tmax为最大力矩点，超过这一力矩电机就堵转四.异步电动机调速方法:nn1n

6、n1 sqn 1(1S)60 f1(1 S)P调极对数p双速，多速电动机调速方法调频率f1平滑调速调转差率S （包括定子调压，转子调电阻），很少用了图6变频调速五、电气制动方法如电梯上从6极绕组 电源反接制动（起重机上有用，制动电流很大，必须采取技术措施） 回馈制动：n n1，减速过程，车辆下坡，重物下放切换到24极绕组时，回馈制动T图7:回馈制动过程1 转子转速ni （24极），发电状态4右手判定电势方向，左手判定力矩方向。说明：转子感应电流产生的力矩是阻止转子的惯性速度一1的，所以很快制动减速，直到转子转速一m。 （ 24极）4 能耗制动：定子绕组某两相突然送入直流电，形成电磁铁，转子的惯

7、性使转子绕组中产生电流，产生制动力矩见图：用右手判断转子感应电势 （电流）方向。 左手判断力矩为阻止电机转子原有的惯 性运行方向，所以很快制动，能量消耗 在转子电阻中。第三节同步电动机转子直流励磁式和转子永磁式两类.励磁式同步电动机（为图 2）定子为三相对称绕组，送入三相电流后产生旋转磁场，其转速为60 fP转子因为是电磁铁，所以就跟随着定子旋转磁场转动，且n2 n1，所以称同步电动机。图9励磁同步电机矢量图从矢量图上的几何关系，可知疋子电流I s及其分量i smist转子励磁电流I fmI疋子电流is与A轴夹角I ftiftU s与is的夹角即为功率因数角I s coss1 i1 sms c

8、os -Isis sin si f cosf1f cosi Ri smIfi f sinffs，tist，且90s。因此我们可以在控制系统中，可以设定is的励磁分量ism，以调节 角，即调节 功率因数。如希望ism=0，即COS 1。这就是励磁同步电动机至今在大型电力拖动系统中，还是有市场的原因之 一，它一方面可以作功，同时也能调节功率因数。同步电动机力矩T Cm R i-st。这就是同步电动机可用矢量变换的办法进行 力矩控制的原理。二.永磁式同步电动机（图3）目前常用的为铷铁硼（Nd.Fe.B ）永磁材料，1983年制成这种材料。全球85%的储量在中国，因此我国有发展永磁同步电机的有利条件。

9、r 定子劈遇轴A图io 朮应人址剤我们要设法检测转子的位置dt。然后希望Is与d轴，即与M轴的夹角s90，这样：I smId Im Is COs s 0,即定子电流没有励磁分量。I stIq Is s in s Is，即定子电流完全为力矩分量。 TCm R I stCm R Is所以永磁同步电动机，必须有转子位置检测器。随时检测到转子的位置dt o然后控制定子电流矢量：ialscos(90) Is sinibIs sin( 120 )I s sin( 240 )以这样的三相电流作为指令，组成一个电流跟踪型变频调速系统，如图11 :从图11可见：这种自控式电流跟踪型正弦波永磁同步电机调速系统，有

10、以下优占：八、1）、控制系统组成很简单，不用普通的PWM形成器，而用电流跟踪的办法通过 二位式调节器实现PWM控制。而且不需矢量控制这么复杂的坐标变换。2）、电机轴上装转子位置检测器，检测转子永磁极的位置，然后指令变频器工作,使定子电流矢量Is与转子位置夹角s 7090既不容易失步，又能产生较大的力矩，使动态性能大大提高。3） 、由于电机本身的特点，功率密度高，体积比同容量异步电机小30%左右, 转子没有发热损耗，效率高10%，无滑环、可靠性也好。4）、便于制成扁型多级结构，低速性能好，过载倍数大，宜于无齿轮直接转动。5）、对电梯、起重类负荷，出现停电或超速时，只要把定子三相绕组自行短接， 就

11、能实现低速“溜车”，不会产生重大事故。第二章变频调速基本知识第一节变频调速原理、什么叫变频调速？n 60f (1 s)，改变电源频率就能使电动机平滑调速，如6P电机P100050Hz25Hzn 1=1000rpmn 1=500 rpm50025Hz5Hzn 1=100 rpm100 ,96咖抄5Hz1Hzn 1=20 rpm T111*图12：变频调速所以平滑调节电动机的供电频率，就能平滑调节其速度。二、为什么变频调速能节能？运行在转差率s很小的条件下从图12可见，异步电动机的变频调速机械特性平行下移。都工作在转差率S很小的条件下，如6p电机，频率从50Hz调节到5Hz转速从960rpm下降到

12、96rpm (恒转矩)，他们的转差率S 1000 960100 964%， n都不大。1000 100如果采用其它调速方法改变 S,如定子调压，从960rpm 调到96rpm 时S 1000 9600.990%，这时的 n 1000 96 900rpm，因此转子感应很大1000的电压，形成很大的电流而发热。三、怎样实现变频?工业用电频率一般为50Hz，要得到一个频率可以连续调节的变频电源，过去曾使用变频发电机组。随着技术的进步，现在都用大功率半导体开关器件来实现电子式变频，常用的是 ACi - DC - AC 2模式，即交一一直一一交模式图13：单相变频原理图开关管1、2和3、4,两组轮流导通

13、，就把直流变成交变的方波。这也就是 交流了。如果控制工作周期，也即可以改变输出频率。LSI!' 沙曲T.理队益图15180°导通型变频器工作原理说明: 。导通型变频器，每管工作180 ° , 6个管子互差60。依次触发导通。 同一时刻有三个管子同时导通，如ti时刻（60 °围），管1、5、6同时导通从等效电路上看出三相的电压分配。 Uao 0.471U。Uab 0.816U。Uo 1.35 380v465v，如电容足够大，贝U Uo 2 380v536v。 大电容（电解）C,是储能电容，起到恒压源的作用。不仅容量要大，而且耐压要高，而且能经受大电流冲击，不

14、能称它为滤波电容。电阻R为限制大容量充电电流过大的限流电阻，充电后短路掉IGBT模块IPM新一代智能功率模块IGBT等效：场效应管（MOSFET ）电压触发加GTR （大功率三极管）的耐压高，管压降小。T7管为泵升电压限制，驱动能耗制动电阻Rt，在减速过程中一电动机转速n1 （旋转磁场转速）电机的机械惯性使其发电通过 6个续流二极管把发 出的交流电整流为直流电向大电容充电一充电到一定限值为700v时一控制器发出信号触发T7管，使Rt接入，电容放电。这样重复充放电，把能量在 电阻上消耗掉一些，同时，对电机起到能耗制动作用。第二节变频调速基本问题、为什么要用变频调速？前述能平滑调速，且节能，这是基

15、本点。另外： 异步电动机本身坚固、便宜、无维修。已经解决了静、动态性能问题可与直流调速系统媲美。在特大、特小功率系统中有优势，交流电机可以制成高压，特大 容量、小电机可以用永磁同步电机。 实现超高速运行的可能性、如 f 50Hz， n13000rpm。防爆等特殊环境下运行。实现软起动，无触点快速正反转,快速制动等。多电机同步运行、恒磁通控制问题异步电动机力矩公式：T Cm mI2cos 2m恒定？是一个时间变量没有独立的励磁绕组，如何维持12和cos 2都与转差率S有关,E1f1所以异步机的力矩不像直流机那么容易控制。根据：Ej 4.44 f1w1 mK m常数但Ei是定子绕组的每相反电势，无

16、法直接测量，而极电压Vi与Ei差JZi而且是矢量关系。所以在频率较低时，电压必须提升。U iEi11Z1为补偿Iiz“，以使K m常数这是一种最简单的维持 m恒定的控制方法。在开环运行低频围必须加“电压提升”，20%否则起动力矩不够。为了维持U f Km C,所以在调频的过程中，必须同时调压，这就是VV、VF,即卩3VF的由来。三、脉宽调制问题：（S.P.W.M，正弦波脉宽调制）1、什么叫脉宽调制？把变频器输出的交流方波，斩波成为不同宽度的小方波组合，得到等效的正 弦波。并控制其脉宽周期，实现调频。图16为正弦脉宽调制波形图16 SPWM波形2、为什么要把方波变成SPWM波形？谐波小（高频调制

17、，调制频率可达 16KC）,以使输出电流基本为正弦波，使电机的脉动力矩（电流）小。 一个逆变器，同时实现VVVF常数的控制。 cos 较高。动态响应快（开关频率高）。低速性能好。3、SPWM的实现把方波调制成等效正弦波是基于等面积的概念。被调制波调制波刖WM尊效正弦波原理图17 SPWM等效正弦波原理方法: 正弦波与波（三角波）相调制 硬件专用芯片HEF4752、Siemens 4520 等。 单片机80C196MC 电流跟踪型图17: SPWM的形成第三节异步电机的“矢量控制”（一）、基本思想一一寻找等效直流电机Toe打图18定子励磁恒定前述异步电动机：T CmmI 2 COS 2图19异步

18、电机模型U i Ei 4.44 f i ? Wi ? m4.44W1 ?Wic常数所以，调频时一定要调压VV . VF3VF变压.变频双输入（U1 , fl ）,双输出（m ,）是多变量系统，而且相互交叉耦合的一个分量决定磁通两个独立的变量一个分量决定力矩并能直观和测量，并分别进行控制，但又不失其交流电机的本质（等功率, 等旋转磁场）。方法：把Ii分解It （力矩分量Im （励磁分量无功分量）有功分量）-分别进行闭环控制一还原成交流量来控制交流电动机。这就是交流电机的坐标变换控制法简称“矢量控制”。1971年Blascheke发明。图20异步电动机等效变换示意图三相电动机两相电动机直流电动机等

19、效条件:产生同样的旋转磁场© 功率不变1.ibiciaI M二 iIt三相异步机，a,b,c坐标（固定）两相异步机，a , 3坐标 （固定）等效直流机（虚拟），m,t坐标（旋转）（二八坐标变换3/2变换IaiA iBcos60° iC cos60°iB cos30o iC cos30o图21三相变两相投影图1.2iBIc 2Ic矩阵表达式:2'.3iAiBiciAK A iBic同理，电压、磁通都可以3-2变换矩阵系数：A=C 3/2、2相一 3相变换iAiBiC1,0B C2 31虫 i 2'T_ i 丄旦 2' 2矢量旋转VRW CDi

20、m i ?cos it i ?cosi ?sini ?sin图22矢量旋转im cos im sinit sinit cosimcos,sini矩阵表达式:it sin ,cos i icos, sinimisin,cosito1皿串® :V.扎 AL 11 屮矢量分析coscossinsin图23矢量分析（三八 异步电动机坐标变换结构图0二J6) xzIhH>-«.等效直流机I coh"T"3/2 J V. Rp11IVLt.1图24等效异步电机部是控制等效直流电机im闭环，维持恒定©it闭环，实现间接力矩控制实现速度的高动态响应TdT

21、fGDdn/dt375（四八 矢量控制原理框图图25矢量控制典型框图（六八典型的矢量控制系统转速、力矩、磁通闭环的矢量控制系统0J电潘 环 P1AILmT2?P2? |m1LmItT2 ? 2图26转子磁链矢量控制框图.优点：得到了直流双闭环的特性和效果,补偿了磁通闭环的不足缺点：受电机参数的影响，T2匕，Lm等R2电机转子参数的变化和不可测性，影响系统的转矩控制精度为此引进了许多方法，形成了多种方案。第三章典型生产机械及其变频调速系统第一节典型生产机械的负载转矩特性恒转矩负载 1.反抗性（摩擦性）恒转矩负载这种负载性质，其转矩与转速无关，而且总是反对运动的方向l n11Te_打F如金属压延，

22、机床台面行走图28位能性转矩负载-T _TeTTe_n图27反抗性恒转矩负载2.位能性负载（电梯、起重机）电梯、起重机类负载为位能性负载，其特点是负载力矩总是由重力决定， 因 此其方向总是 的，不随转速方向而改变。二.通风机、泵类负载其特点是 TKn2p Kn3n图29通风机负载特性三恒功率负载有些生产机械的工艺要求，如车床。粗切消一一小，T大p小T大图30恒功率负载特性由图30可见，这种负载在额定频率（转速）以下为恒磁通，恒转矩性质。精切消一一大，T小p大T小在50Hz以上，进入弱磁区，即恒功率区图31电梯示意图第二节电梯的变频调速系统G仁较厢自重：1000kgG2=载重，如 1000kg1

23、P 2G1 G2 1500kg 平衡重为什么这样配置，以便获得较小的曳 引功率如空较厢时：两边力差 500k g满载时：两边力差也为 500k g如果不用平衡重，就变成卷扬机了， 因此在满载时要有 2000kg的提升力，这 样电机的功率就要增加4倍。电梯要完成四种工作状态:1、重载上升n , T处于第一象限，电动运行状态2、空（轻）载上升n ，- p G1，较厢上升越来越快n n1，到第二象限，电机再生制动,3、空载下降'，反转电动状态：第三象限4、重载下降，T重物匀速下降，电机处于制动状态、电梯电动机功率选择对 1000kg (15 人)G v(12)102总平衡系数0.5总=0.5

24、5 蜗轮蜗杆0.75 斜齿轮0.85 无齿轮1000kg im (1 0.5)代入上式ps9.64kw102 0.55选择11.2kw的电梯专用电动机25A6p(p=3)金茂大厦电梯G 2500mg，v 9% 无凿 =0.852500 9m°(1 0.5)ps129.75kw102 0.85实际选永磁同步电动机：130kw，270v，325A，157r.p.m，41.9Hz，32 极60 f 60 41.9n157 rpmp16以1m s电梯为例，校验计算机机械部分参数转动比 i 30.5n 960 rpm绳轮直挂D 600mm由图 31 可见：2960rpm30 5 31.5rpm

25、 31%。0.525转秒电梯的运行线速度，即为绳轮的线速度v rD2 2 n2D n20.6m °.525ms 0.99ms 1ms三、电梯的运行曲线电梯是垂直交通工具，因此有一个 平稳和舒适的问题，当然可靠性是 第一位的。控制起动段0宀t3制动段t4 T t7的所谓S形曲 线，就是为了限制其加速度和加加 速度，以使人感到舒适。一般 a 0.8%因此要求变频器有 S曲线功能，或 电脑控制板有S曲线的速度指令曲 线。要实现速度的S曲线，关键是电动 机的力矩控制，特别是起动和制动 这一阶段电动机必须有适当的动 态力矩，以控制 dndt 。为此电梯 需用“矢量控制”变频器，并且要 在现场适当地调整到“舒适”为止。图33电梯运行速度图第三节风机和水泵的节能调速风机水泵的电力消耗约占全国总发电量的 30%，因此其节电调速的意义很重大。过去风机和泵常用恒速电机驱动，控制流量靠阀门或挡板，这样浪费很多电风机和泵类负载的主要参数有：流量Q：（m；/S，