电机调速的分类

1、电机调速的分类作者:日期:31.1电气调速系统性能指标机电传动控制系统调速方案的选择，主要是根据生产机械对调速系统提岀的调速技术指标来决定的， 技术指标又静态指标和动态指标。静态技术指标静差度<S=A n/nO >静差度指电动机在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值时所对应的转速降与理想空载转速nO之比。调速范围 < 在额定负载时 D =nmax/nmin >调速范围是指系统在额定负载时电机的最高转速与最低转速之比。动态指标跟随性能指标在给定信号作用下，系统输岀量变化的情况用跟随性能指标来描述。当给定信号的变化方式不同时，输出响应也不同。具体的跟随指标如下：(1

2、 )上升时间tr在阶跃响应时间中，输岀量从零起第一次上升到稳定值CY所需时间，它反映动态响应的快 速性。(2) 超调量b在阶跃响应时间中，输岀量超岀稳态值的最大偏差与稳态值之比的百分值。(3) 调节时间ts在阶跃响应过程中，输岀衰减到与稳态值之差进入却或±2%允许误差范围之内所需 的最小时间，称为调节时间，又称为过渡过程时间。调节时间用来衡量系统整个调节过程的快慢，ts 小,表示系统的快速性好。抗扰性能指标控制系统在稳态运行中，由于电动机负载的变化，电网电压的波动等干扰因素的影响，都会引起输岀 量的变化，经历一段动态过程后，系统总能达到新的稳态。这就是系统的抗扰过程。具体的跟随指标如

3、下：(1) 动态降落 Cma%系统稳定运行时，突加一定数值的阶跃扰动(例如额定负载扰动)后所引起的输出量最 大降落，用原稳态值 C¥ l的百分数表示，叫做动态降落。(2) 恢复时间tv从阶跃扰动作用开始，到输出量恢复到与新稳态值 C¥ 2之差进入某基准量 Cb的却 (或+2% )范围之内所需的时间，定义为恢复时间tv。其中Cb称为抗扰指标中输出量的基准值，视具体情况选一、单闭环有静差直流调速系统1、系统结构该系统的主电路采用晶闸管三相全控桥式整流电路。其输出电压为：UdO=2.34U2cosa图中，放大器为比例放大器(或比例调节器)，直流电动机 M由晶闸管可控整流器经过平波

4、电抗器L供电。整流器整流电压 Ud可由控制角a来改变。触发器的输入控制电压为Uk。为使速度调节灵敏，使用放大器来把输入信号 AU加以扩大，AU为给定电压Ug与速度反馈信号Uf的差值。a3Za晶闱僮直潦调速系统原逵團可得带转速负反馈的晶闸管一电动机有静差调速系统的机械特性方程电磁常数1十疋4(2)如果将系统闭环与开环的理想空载转速调得一样，即倍。因此，若突然失去转速负反馈，就可能造nOf = nO,则2)开环调速系统与闭环调速系统的比较(1)在给定电压一定时，有2、调速性能K=y KpKs/Ce闭环系统的开环放1)系统的静特性可控整流器的输岀电压为闭环系统所需的给定电压 Us要比开环系统高(1

5、+ K) 成严重事故。K0=KpKs 从放大器输入端到可控整流电路输岀端的电压放大倍数 大倍数。Kp放大器的电压放大倍数Y速反馈倍数；于电动机电枢回路，若忽略晶闸管的管压降则有G(l + Q臥+口 0(1+灼在同一负载电流下，闭环系统的转速降仅为开环系统转速降的1心+K）倍，从而大大提高了机械特性的硬度，使系统的静差度减少。（3）在最大运行转速nmax和低速时的最大允许静差度 S2不变的情况下，开环系统的调速范围为：闭环系统调速范围为:Df =a忌品=（1十却。1+疋 2闭环系统的调速范围是开环系统的（1+K）倍。提高系统的开环放大倍数 K是减小静态转速降落、扩大调速范围的有效措施。但是放大倍

6、数也不能过分增大，否则系统容易产生不稳定现象。基本特性有静差，系统是利用偏差来进行控制的 转速n （被调量）紧随给定量 Un*的变化而变化对包围在转速反馈环内的各种干扰都有很强的抑制作用 系统对给定量Un*和检测元件的干扰没有抑制能力单闭环无静差直流调速系统PI调节器特性PI调节器的电路3、1）2）3）4）PI调节器电略pi调节器的输入输岀特性输入电压：久=力凡=i典输出电压：J =-钢 + 才 J 也）=-（©巩 +1J g）Kpi=R1/R0 PI调节器比例部分的放大系数；t =R0CI调节器的积分时间常数。PI调节器的输出电压 Uex就是比例输出部分与积分输出部分的叠加Jr r

7、辑速反馆无觀芜调建系凍更理柩图了比例与积分两部分最终消除了静差在调节过程的前期比例起主要作用6用PI调节器构成的转速负反馈单闭环调节系统本系统采用了 PI调节器后，在稳态时，有调节的快速性；Uct的积分部分可以在转速偏差（"）为零时时电机转速将下降，反馈电压Un也将下降，并产生 AUn,于是PI调节器开始调节，其输出电压Uct包括PI调节器在系统抗负载干扰中的作用及动态过程系统稳态运行时，在抗负载干扰过程中，Un*不变。假定负载干扰是突加的，由TLI变到TL2，开始控制电压Uct中的比例部分具有快速响应的特性，可以立即以速度偏差（AUn起调节作用，加快了系统维持稳定的输出，保证了电机

8、继续稳定运转，A Un= Un * - Un = 01险1- aj1r-tt1 丨1E4屯元芜用iS廉嫌誉划论住附功也过秤C岀例粗分：鑒枳鶴裕你r三、转速、电流双闭环直流调速系统转速反馈单闭环调速系统实际上是不能正常工作的。这是由于直流电动机在大阶跃给定下启动时，在启动瞬间反馈电压 Un=O，若给定电压Un*全部加在调节器输入端，势必造成控制电压Uct很大（调节器输出饱和），晶闸管输出电压 Ud也很大，而造成电动机启动时的过流。对一般要求不高的调速系统，常常在系统中加入电流截止负反馈环节以限制启动和运行中的过电流。但是 这种电路，由于转速反馈信号和电流反馈都加在一个调节器的输入端，这两个反馈信

9、号互相牵制，使系统 动、静态特性不够理想。对于高性能的调速系统，如要求快速启动、制动，动态速降要小等，通常就采用了转速电流双闭环系 统。1直流电动机理想启动过程带电流截止环节的转速单闭环系统在启动时，由于电流负反馈的影响，启动电流上升较慢。该系统不 能完全按需要来控制启动电流或转矩，致使电机转速上升也较慢，电机启动过程也大大地延长。这个动态 过程曲线如图（a）所示。喝蓮系统启动过邵的电流和转速漩形理想启动过程如图（b）所示。在电动机最大允许过载电流条件下，充分发挥其过载能力，使电机在整个过和中始终保持这个最大允许电流值，使电机以尽可能的最大加速度启动直到给定转速，再让启动电流 立即下降到工作电

10、流值与负载相平衡而进入稳定运转状态。这样的启动过程其电流呈方形波，而转速是线 性上升的。这是在最大允许电流受限制的条件下，调速系统所能达到的最快启动过程。2、转速电流双闭环调速系统的组成为了实现转速和电流两种反馈分别起作用，系统中设置了转速（ASR）和电流（ACR ）两个调节器,分别对转速和电流进行调节，两者之间实行串级联接。转連电康氟闭环凋建毎紀槌團3、系统的静、动态特性1）控制量间的关系当速度调节器（ASR）和电流调节器（ACR）均不饱和限幅时，电机处于稳定运转状态。转速砸瞬私用环旣統的胖特性虔绘冲需薛坊抒曲炷.站博为蚯绻厅曲域2）系统的大给定启动过程双闭环调速系统在大给定突加电压Un*作

11、用下，由静止开始启动时，速度调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三个阶段，整个启动过程也分成了相应的三个阶段：第一阶段t0t1是电流上升段；第二阶段t1t2是恒流升速段；第三阶段t2t4是转速调节阶段。取闻环系统启讪时的转速和电就诚形3) 突加载干扰下的恢复过程突加载干扰作用点在电流环之后，故只能靠速度调节器 ASR来产生抗扰作用。这表明负载干扰岀现后， 必然会引起动态转速变化。如负载突然增加，转速必然下降，形成动态速降。 Un的产生，使系统 ASR、ACR均处于自动调节状态。只要不是太大的负载干扰，ASR、ACR均不会饱和。由于它们的调节作用，转速在下降到一定值后即开始回升，形成抗扰动的恢

12、复过程。最终使转速回升到干扰发生以前的给定值，仍 然实现了稳态无静差的抗扰过程。其转速恢复过程如图所示。突加扰动下的动态恢复过程4) 电网电压波动时双闭环系统的调节作用在转速单闭环系统中，电网电压波动的干扰，必将引起转速的变化，然后通过速度调节器来调整转速 以达到抗扰的目的。由于机械惯性，这个调节过程显得比较迟钝。但在双闭环系统中，由于电网电压干扰 出现在电流环内，当电网电压的波动引起电枢电流Id变化时，这个变化立即可以通过电流反馈环节使电流环产生对电网电压波动的抑制作用。由于这是一个电磁调节过程，其调节时间比机械转速调节时间短得多，所以双环系统对电网电压干扰 的抑制比单环系统快得多，甚至可以

13、在转速n尚未显著变化以前就被抑制了。4、调节器的作用1) 转速调节器ASR的作用(1) 使转速n跟随给定电压 Un*变化，保证转速稳态无静差；(2) 对负载变化起抗扰作用；(3) 其输出限幅值Uim*决定电枢主回路的最大允许电流值Idm。2) 电流调节器ACR的作用(1) 对电网电压波动起及时抗扰的作用；(2) 启动时保证获得允许的最大电流Idm ;(3) 在转速调节过程中，使电枢电流跟随其给定电压值Ui*变化；当电机过载甚至堵转时，即有很大的负载干扰时，可以限制电枢电流的最大值，从而起到快速的过流安 全保护作用；如果故障消失，系统能自动恢复正常工作。PWM的常见形式及特性四、脉宽调制调速系统

14、的控制电路不可逆PWM变换器无制动作用图示其原理，它实际上就是直流斩波器，只是采用了全控式的电力晶体管，以代替必须进行强行关断的晶闸管。电源电压 Us 一般由不可控整流电源提供，采用大电容C滤波，二极管 VD在晶体管关断时为电枢回路提供释放电感储能的续流回路。（a）（坍简单的不可逆PWM变换黠电路仏）區理35;（刃电圧和咚施波总*电动机得到的平均端电压为设连续的电枢脉动电流id的平均值为Id,与稳态转速相应的反电动势为E，电枢回路总电阻为 R，则由回路平衡电压方程Vd = EldR可推导得机械特性方程qa j可令nO=rU/Ce 调速系统的空载转速，与占空比成正比； n=IdR/Ce负载电流造

15、成的转速降。贝U有 n = nO - n电流连续时，调节占空比大小便可得到一簇平行的机械特性，与晶闸管供电的调速系统且电流连续的 情况是一致的。有制动作用图表示有制动作用的不可逆 PWM变换电路。它由两个电力晶体管 VTI、VT2与二极管VD1、VD2组 成，VTI是主控管，起调制作用；VT2是辅助管。它们的基极驱动电压 Ubl和Ub2是两个极性相反的脉冲电压。23有制动电流通路的不可逆PU M变换掘当电动机工作在电动状态时，PWM变换电路有四种工作模态。0< t < , PWM变换电路工作在模态I:电动状态_J dlt1 <t W时，PWM变换电路工作在模态H:续流（电动）

16、状态用淤+ E理+丑二0dt在t2T期间，PWM变换电路工作在模态山：能耗制动（发电）状态&二Ki占+ E如dt在Tt3期间，PWM变换电路工作在模态W:续流（发电）状态atM 1 1叶tik| 1丁卡丘KA Oh r h "昨IV111IV怖Vt>,vj.vn.1O>J0I国廉打勺由于电流可以反向，因而可实现具有制动作用的不可逆 GTR-M系统的开环机械特性如图所示，显然, 二象限运行，故系统在减速和停车时具有较好的动态性能和经济性。君制动作用的不可逆系统的开环机械特性2、可逆PWM 变换器1）双极式可逆PWM变换器四个电力晶体管的基极驱动电压分为两组。VTl和

17、VT4同时导通和关断，其驱动电压Ubl=Ub4 ； VT2和VT3同时动作，其驱动电压 Ub2=Ub3=-Ub1，这种电路可工作在四种模态。双极式H型PWM变换器双极式H型PWM变换器的四种工作模态Owt <t1, PWM变换器工作在模态I:电动机处于电动状态；t1 <t W时，PWM变换器工作在模态电动机处于电动状态;在t2T期间，PWM变换器工作在模态山：电动机处于反接制动状态；在Tt3期间，PWM变换器工作在模态W:电动机工作在制动状态。对于双极性可逆 PWM变换器，无论负载是轻还是重，电动机正转还是反转，加在电枢上的电压极性在 一个开关周期内，都在+US和-US之间变换一次

18、，故称为双极性。电动机端电压瞬时值为：ud=Us (0 £ t £ ton)-Us (ton £ t £ T)平均端电压为：其中，d如-1p T当p > 0时电机正转；p < 0时电机反转；p= 0时Ud = 0电机停止转动，但其瞬时值不为零，所以它只是处于动态平衡中。2) 单极式可逆PWM变换器1=f*| -Im 1-1卜r单根式拠说换弟耳压閃电流波形正转 （b）反转当ton <t却T, Ub1为正，VTl导通，电源 US通过VTI和VT4加到电枢两端。UAB=+Us , +id上升< 当ton <t w时，Ubl为负，V

19、TI截止，电动机电源被切断， +id经VT4及VD2续流以释放回路中磁场能量 UAB=0 ,但在数值上+id将减小。平均端电压为：冷53）受限单极式可逆 PWM变换器当电动机正转时，让 Ub2恒为负，使VT2 直截止。当电动机反转时，让 Ubl恒为负，VTI 一直截止。这样，就不会产生 VTI、VT2直通的故障。这种控 制方式称作受限单极式。双极式、单极式和受限单极式可逆PWM变换器的比较（当负载较重时）屯动肌雅尙TVTi.VTit VT)>VTj*tVT,VT(Mit v%vd)KA-If.MVD,bVD-ftflt V h.VTj Mih+ ut比VTj.VTi 甲31-(r.eVf

20、t成if.fiVTmVT, 94VTj.VTjSi.9* 3VT4甲咱U：缩屢VT砒0ivfsVTjAT4Mil.0VT;AT> 44VTt>VT4Alfc-G-1巧庐石<1VTi AT, WMVTf.VT) M止*VT*VTkVT>AT( MiF0VT；3'1j 爭遢 VT(,VT4«iH.*VTr.VTi.V'GH 止0-1拓户呜0交流电动机有同步电动机与异步电动机两大类。同步电动机的调速靠改变供电电压的频率来改变其同步转速; 对异步电动机而言，常用的调速的方法有：电磁转差离合器调速系统交流调压调速系统线绕式异步电动机调速系统变频调速系统异

21、步电动机矢量控制系统五、交流调速的特点和难点众所周知，直流调速四通具有较为优良的静、动态性能指标，在很长的一个历史时期内，调速传动领域基本上被直流电动机调速系统所垄断。直流电动机虽有调速性能好的优势，但也有一些固有的难于 克服的缺点。如机械式换向带来的弊端，使其事故率高，无法在大容量的调速领域中应用。而交流电动机有它 固有的优点，其容量、电压、电流和转速的上限不像直流电动机那样受限制，且结构简单，造价低廉，坚固耐用，容易维护。它的最大的缺点是调速困难，简单调速方案的性能指标不佳。在各种交流调速中，变频调速的性能最好。变频调速电气传动调速范围大，静态稳定性好，运行率高，调速范围广，是一种理想的调

22、速系统。随着交流电动机理论问题的突破和调速装置性能的完善，交流电动机调速性能差的缺点已经得到了克服。目前，交流调速系统的性能已经可以和直流调速系统相匹敌，甚至可以超过直流调速系统。因而可以相信，在不久的将来，交流变频调速电气传动将替代包括直流调速传动在内的其他调速电气传动。电磁转差离合器调速系统电磁转差离合器调速系统是通过改变电磁离合器的励磁电流实现调速的，对于异步电动机本身并不进行调速。这种调速系统的特点是线路简单、价格便宜，加上速度负反馈以后调速相当精确。缺点是低速运 行时损耗比较大，而且效率比较低。1.电磁转差离合器的调速原理电磁转差离合器调速系统，实质上就是在笼型转子异步机轴上装一个电

23、磁转差离合器，并且晶闸管控制装置控制离合器绕组的电流，改变这一电流，即可以调节离合器的输岀转速。电磁转差离合器的基本作用原理是基于电磁感应原理。图所示为一个实心电磁离合器的示意图。由图可见，转差离合器主要是由主动和从动两部分组成。图中，1为主动部分，由笼型转子异步电动机带动，以恒速旋转。它是一个由铁磁材料制成的圆筒，习惯上称为电枢。2为从动部分，一般是由与电枢同材料制成，称为磁极。在磁极上装有励磁绕组3，绕组与磁极的组合称为感应子。被传动的生产机械流连接在感应子的轴上。绕组的引线接于集电环上，通过电刷与直流电源接通，绕组内流过的励磁电流即由直流电 源提供，当励磁绕组通以直流电时，沿封闭的磁路就

24、产生了主磁通，磁力线通过气隙一电枢一气隙一磁极气隙而形成一个封闭回路。 由于电枢为原动机所拖动，以恒定定向旋转，因此电枢与磁极间有相对运动，电枢切割磁场，从而在电枢中产生感生电动势，产生电流，并产生一个脉冲的电枢反应磁场，它与主磁通 合成产生电磁力。此电磁力所形成的电磁转矩将驱使磁极跟着电枢同方向运动，这样磁极就带着生产机械 一同旋转。其调速系统的原理框图如图所示。由图可见，调速系统主要由晶闸管整流电源、电磁转差离合器和异步电动机三大部分组成。晶闸管整流电源通常采用单相全波或桥式整流电路，通过改变晶闸管的控 制角可以方便改变直流输岀电压的大小。六交流调速的基本方法变极调速对鼠笼式异步电机可通过

25、改变电机绕阻的接线方式，使电机从一种极对数变为另一种极对数，从而实 现异步电动机的有极调速。变极调速所需设备简单，价格低廉，工作也比较可靠。一般为两种速度，过去 应用很普遍的双速电机调速系统就是这种系统。三种速度以上的变极调速电机绕阻结构复杂，应用较少。 变极调速电机的关键在于绕阻设计，以最少的绕阻抽头和该接以达到最好的电机技术性能指标。由式n0=60f/p可知，如果磁极对数 p减小一半，则旋转磁场的转速 nO将提高一倍，转子转速 n差不多 也提高一倍。因此改变 p可以得到不同的转速。如何改变磁极对数，取决于定子绕组的布置和联接方式。原理：变换异步电动机绕组极数从而改变同步转速进行调速，其转速

26、是按阶跃方式变化，而非连续变化。应用：变极调速主要用于笼型异步电动机，变极电动机有转换单绕组接线改变极数的电动机和同一铁芯上设置两个以上极数不同绕组的电动机。变频调速通过改变定子供电频率来改变同步转速实现对异步电动机的调速，在调速过程中从高速到低速都可以保持有限的转差率，因而具有高效率、宽范围和高精度的调速性能。可以认为，变频调速是异步电动机的 一种比较合理和理想的调速方法。原理：利用电动机的同步转速随频率变化的特性，通过改变电动机的供电频率进行调速。间接变换方式（交-直-交变频）间接变换方式原理：把交流电通过整流器变为直流电，再用逆变器将直流电变为频率可变的交流电供给异步电动机。电压型变频调

27、速原理：整流输岀经电感电容滤波，具有恒压源特性，逆变器具有反馈二极管，是一种方波电压逆变器。变频器对三相交流异步电动机提供可调的电压与频率成比例的交流电源。缺点：这种方法若不设置与整流器反向并联的再生逆变器，则不能实现再生制动。应用：电压型变频器一般在单方向运转、不要求快速调节及多台电动机协调运行等场合使用。电流型变频调速原理：整流输岀靠直流电抗器滤波，具有恒流源特性，供给异步电动机方波电流。特点：这种方式电力能返回电源。应用：适用于4象限运行和要求快速调速的场合，在轧机、风机泵类等方面广泛采用。脉冲宽度调制变频（PWM变频）调速原理：脉冲宽度调制变频（PWM变频）调速的电路结构与电压型变频调

28、速相似，只是用不可控整流器代替了原来的可控整流器，逆变器可以用晶闸管，但更多的是用 大功率晶体管（GTR）或可关断晶闸管（GTO）等全控型器件。脉冲宽度调制变频调速是将一个周期的逆变电压分割成几个脉冲。分配脉冲时使电源谐波成分尽量减少。改变脉冲数和脉冲宽度，使供给电动机的基波电压与频率成比例变化。频率越高脉冲数越少。三相交流电机的种类繁多，主要分为同步机与异步机两大类，异步机分为绕线式和鼠笼式，同步机又分为 自控式、他控式、永磁同步机等等。交流电机的基本特征在电机学中已经进行过详细分析，但是那时候着 重讨论的是三相正弦电源电压和正弦电流作用提供给交流电机的电压和电流往往是非正弦的，含有大量的

29、谐波分量。这些谐波能要求较高，我们必须对电机的动态过程进行分析，即分析瞬态的电流、电压、转速、 转矩及它们之间的关系。为了分析研究交流电机的调速性能，我们有必要讨论交流电机的动态和稳定数学 模型，以及通过各种变换获得的数学模型。让我们首先从电机的基本微分方程开始。七、交流电机的基本方程三相交流电机是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。为了建立数学模型，一般作如下假设：三相绕组对称。忽略空间谐波，磁势沿气隙圆周按正弦分布。忽略磁饱和，各绕组的自感和互感都是线性的。忽略铁损不考虑频率和温度变化对绕组的影响无论异步电机转子是绕线式还是鼠笼式，都将它等效成绕线转子，并折算到定子侧，折算前后的转 子每

30、相匝数都相等。不失一般性地，可将多相绕组等效为空间上互差90°电角度的两相绕组，即直轴和交轴绕组。对于同步机转子的阻尼绕组，假设阻尼条和转子导磁体对转子直轴d、交轴q对称。在上述假设下得到的异步电动机和同步电动机定子的电压方程相同，只是转子的电压方程和磁链方程 略有差异。(1) 定子的电压方程为：式中，UA、UB、UC为定子三相电压；iA、iB、iC为定子三相电流；W、呃、为定子三相绕组磁链；ri为定子各绕组电阻；p为对时间的微分算子。(2) 转子的电压方程为：式中，Ua、Ub、Uc为定子三相电压；ia、ib、ic为定子三相电流； 恫、取 为定子三相 绕组磁链；r2为定子各绕组电阻；

31、p为对时间的微分算子。(3) 同步机转子的电压方程：包括励磁绕组的电压方程和阻尼绕组的电压方程。励磁绕组的电压方程为：式中，注脚f代表励磁绕组； 为施加于同步机滑环上的励磁电压；分别为励磁绕组的电流和磁链；为励磁绕组的电阻。阻尼绕组等效为直轴和阻尼绕组 d和交轴阻尼绕组q。直轴与交轴阻尼绕组的电压方程为：(4) 异步机的磁链方程为:%化-%忆一式中，电感矩阵是 6X6的矩阵，其中各元素分别是各绕组的自感和互感。电机中交链各绕组的磁通只有两类：一类是只与定子或转子某一绕组交链，而不穿过气隙的漏磁通；另一类是穿过气隙的公共主磁通。定子漏磁通所对应的电感是定子漏感，转子漏磁通所对应的电感是转子电感，

32、如果用 表示与主磁通对应的定子电感， 表示与主磁通对应的转子电感，则定、转子的自感分别为：厶14 = Lg = Am + 厶i Aw =忑=Lcc =厶用 + L2i由上述式子可以归纳岀，定、转子共六个绕组，它们之间的互感可以分为两类：一类是A、B、C相定子绕组之间和 a b、c相转子绕组之间的互感，为常数，因为绕组之间的位置是固定的；另一类是定子任意 一相与转子任意一相之间的互感，是角位移的函数，因为转子的运动，定、转子之间的位置总是变化的。总之，电感矩阵的变参数是造成系统非线性的根源。(5 )同步机的磁链方程为：变频器基本原理随着电力半导体器件的发展，变频器的发展也经历了几个阶段。电力电子

33、器件的自断化、模块化、交流电 路开关的高频化和控制手段的全数字化，促进了变频器的小型化、多功能化、高性能化。尤其是控制手段 的全数字化，利用了微机的强大信息处理能力，使软件功能不断强化，变频器的灵活性和适用性不断增强。 随着网络时代的到来，变频器的网络功能和通信不断增强，它不仅可以与设备网的现场总线直接相连，还 可以与信息交换实时数据。工业中使用的变频器按应用分，可分为通用变频器和专用变频器。通用变频器用于一般工业驱动，例如： 扎钢、造纸、机床等领域；专用变频器则用于一些特定的控制对象，满足某些特定的控制要求，例如：电 梯、机床伺服系统、电动车驱动等有些特殊要求的应用领域。本节着重介绍通用变频

34、器。衡量变频器的性能好坏，主要比较其以下功能：转速控制方法、频率上升和下降的最快时间、一般静差率下的最低、多段速度选择、载波频率设定、频率跨跳功能、速度反馈、定时控制、PI控制、数字设定、人机界面，网络通信接口、可编程控制器接口、各种安全保护措施、各种故障诊断和显示功能等。早期的 变频器基本不具备这么全面的功能。目前，国内变频器市场竞争非常激烈，主要的国外的厂家有：德国西门子，瑞典的ABB，美国的A B ,日本的富士、三菱等等。以 A B公司的1336系列波谱起为例，使用者可以使用变频器上的操作面板进行 基本功能设定，也可以通过计算机网络进行远程在线监控，或用可编程控制器进行控制。它所提供的通

35、用 接口和独立的功能模块，使用户可以任意选配和组合。变频器内部可控制的参数和可检测的变量就有数百个，因此，可以说，使用变频器就像使用计算机一样，进入会使用阶段很容易，但是要使用好，使其工 作在最佳状态、发挥最佳效果并不是一件容易的事情。这就需要我们对变频器结构和原理有更深入的了解。变频器的工作原理是把市电（380V、50Hz）通过整流器变成平滑直流，然后利用半导体器件（GTO、GTR或IGBT ）组成的三相逆变器，将直流电变成可变电压和可变频率的交流电，由于采用微处理器编程 的正弦脉宽调制（SPWM）方法，使输出波形近似正弦波，用于驱动异步电机，实现无级调速。八、变频器的基本结构和主要功能变频

36、器的主要任务就是把恒压频（ constant voltage constant frequency CVCF ）的交流电转换为变压变频（variable voltage variable frequency VVVF ）的交流电，以满足交流电电机变频调速的需要。从结构上看，变频器可分为直接变频和间接变频两类。间接变频器先将工频交流电源通过整流器变成直流，然后再经过逆变器将直流变换为可控频率的交流，因此又称它为有中间直流环节的变频装置或交- 直-交变频器。直接变频器将工频交流一次变换为可控频率交流，没有中间直流环节，即所谓的交-交变 频器。目前应用较多的是交接变频器，因此，可以认为变频器的基本构

37、成如图所示：交一交变频器交一交变频器是将恒压频的交流电一次变换成调压调频的交流电，它由三组可逆整流器组成，如图所 示。当三组移相信号是一组频率和幅值都可调的三相正弦交流信号时，则变频器输出三相交流电。对于三相交一交变频器中的任何一相，它的主电与晶闸管直流可逆拖动的主电路是完全一样的，也是 由两组反并联的晶闸管相控变流器组成的。如果正组和反组轮流的向负载供电，则在负载上就获得了交流 输岀电压，输岀电压的幅值由各组变流器的控制角决定，输岀电压的频率由两组变流器的切换频率决定。若在半周期内使控制角由逐渐减少到0。再逐渐增加到，则输岀电压呈正弦规律变化。九、变频器的分类变频器的分类方法很多，下面介绍几

38、种主要的分类方法：按直流电源的性质分当逆变器输岀测的负载为交流电动机是，在负载和直流电源之间将有无功功率交换，用于缓冲中间直 流环节的储能元件可以是电容或是电感，据此，变频器可分为电压型和电流型两类。1）电压型变频器这种变频器的特点是在直流侧并联了一个大滤波电容，用来存储能量以缓冲直流回路与电机之间的无 功功率传输。2）电流型变频器电流型变频器的特点是在直流回路中串联了一个大电感，用来限制电流的变化以一手无功功率。按逆变器开关方式分按逆变器开关方式对变频器进行分类时，则变频器可分为PAW方式和PWM方式。PAM控制是PulseAmplitude Modulation （脉冲振幅调制）控制的简称

39、，由于这种控制方式必须同时对整流电流和逆变电路进 行控制，控制电路比较复杂，而且低速运行时转速波动较大，因而现在主要采用PWM方式。高频对称的载波信号 与具有要求频率同步的基准波比较，两个波形的交点决定半导体的开关状态。低频调制的基准波可以时矩形波、梯形波或正弦波。载波为高频对称的三角波。比较器输岀的极电压时脉冲宽度 调制波，它的基波频率等于基准波频率。载波基准波的频率比定义为载波比N,N=fc/fr>1,它决定一个周期内极电压的脉冲个数。载波幅值Uc与基准波幅值Ur的比值定义为调制系数 M,M=Ur/Uc<1,它决定极电压波形中脉冲的宽度。 按控制方式分类按控制方式变频器可分为

40、V/F控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器。按主开关器件分类三拥析£IGET噫预越ltiOKVkEJT童蘇S/OOKVAGTO懂舞踊1500 KVA400 KVA三苑祈式高包榕输出高圧时且機输出高圧时3000 KVA2000KVA圧600V咲上高压元件色不屣制适寥貶化遊蛮1000KVA斗 200KVH8JOOKVA400 HiO匕Office!逆為快虛输俛(矢星矩制oti EJT哑駆的St*SCR娈爛越0>i± SCRJE WD提高2 %-3%按导通模式分按导通模式分，变频器有 1800导通模式和1200导通模式。(1) 1800导通模式 每一器件在1800

41、间隔导通和关断。逆变器三个桥臂中开关顺序之间保持互差1200 相移，获得三相输岀。这种模式的特点是任意(2) 1200导通模式 每一器件导通120,任意时刻只有两个管子同时导通，换流是在相邻桥臂之间进行的。这种模式的优点是在同一桥臂中的两个管子之间存在30的导通间隔，因此避免了直通的短路事故发生。但是，开关管的利用率较低，换流时断开的绕组中会引起较高的感应电势，应该采取过压保护措施。按逆变器的调制方式分 按逆变器的调制方式分，变频器有同步调制、异步调制和分段调制三种(1) 同步调制在变频调速时，载波频率与基准波频率同步变化，即载波比常数，因此，在逆变器输岀电压的一个周期内调制脉冲数是固定的。若

42、去N等于三的倍数，则同步调制能保证逆变器输岀的正、负半波对称，也能保证三相平衡。但是，当输岀频率很低时，相邻两脉冲的间距增大，谐波分量增加。这 会使电机常数较大的转矩脉动和噪声，低速时运转不平稳。(2 )异步调制 在变频器的变频范围内，载波比N不等于常数。一般在改变基准波频率时保持载波频率不变，因此提高了低频时的载波比，这样变频器输岀电压在一个周期内的脉冲个数可随输岀频率的降低 而增加，相应地可以减少电机地转矩脉动，改善低速性能。但是，随着载波比地变花，很难保证三相输岀 间地对称关系，也会影响电机地平稳运行。(3) 分段同步调制 将同步调制和异步调制结合起来，相互取长补短，形成分段同步调制。把

43、变频器的整 个变频范围划分成若干个频段，在每个频段内固定载波比。在不同的频段，N的取值不同，频率越低 N越大。用同步调制保证输岀波形对称，用分段调制可以改善低速性能，这就是这种方法的优点，也是它广泛 采用的原因。按逆变器输出电压波形分 按逆变器输出电压波形分，有(1) 180矩形波(2) 120矩形波(3) 单脉冲调制波(4) 多漫长调制波(5)正弦PWM波十、逆变器的电压空间矢量有源逆变电路变流器工作在逆变状态时，如果把变流器的交流侧接到交流电源上，把直流电逆变为同频率的交流电反馈到电网去，叫有源逆变。整流状态(0<a<n/2 逆变状态(n/2 < a<n1、整流状态

44、(0<a <n/2整流输岀电压为：di,切=E + R + L =at2、逆变状态(n/2 < a<n为便于计算，对于逆变电路引入参数 一一逆变角它与控制角a的关系是：a+ 3 =n对于三相半波、¥亠亠诒 卄= -1.1cosj5逆变电路，有'二当3 = 0时，Ud= Udmax； 3 = n/2 Ud = 0。为使逆变电路工作可靠，一般3 min= n /6所以，逆变电路3角变化范围是：n /6 < 3 <。n /2整流和逆变，交流和直流，在晶闸管变流器中互相联系着，并在一定条件下互相转化。在同一套电路中， 当变流器工作在整流状态，就是整

45、流电路；当变流器工作在逆变状态就为逆变电路。因此，逆变电路在工 作原理、参数计算及分析方法等方面和整流电路是密切联系的，而且在很多方面是一致的。但在分析整流 和逆变时，要考虑能量传送方向上的特点，进而掌握整流与逆变的转化规律。要使电路工作于逆变状态，必须使Ud及E的极性与整流状态相反，并且要求。只有满足这个条件才能将直流侧电能反送到交流电网实现有源逆变。例如在电机拖动系统中，制动过程为逆变状态。无源逆变电路 如果把变流器的交流侧接到所用的负载上，把直流电逆变为某一频率或可变频率的交流 电供给负载，叫无源逆变。果把逆变器的输岀电压用电压空间矢量未表示，则逆变器的各种电压狀态就有了空间的概 量，可

46、以将三堆标量变换为一个两维矢量中取pa逸矢量的实轴与三相电机的A轴重合，逆pa呛矢量变换表达式为;UA. J Uc分别为三相定子绕组的相电压。利用式 可对电压空间矢量在坐标 住行计算。电压空闾矢量的不同狀态对应坐标系中的不同离散位置，示图 中。千电压 S(Dll)，从图中可知，UA = -2 / 3 = -AEfX U£ = UC = Ud f3 = 2El 3 将它宗到-12险岸6 _4加仙3332(on)=-bt'rJT)劉 中，5(011)位干实轴的负方向。千电圧状态丄(Q11)，从可知，一27尸-%门-2耐3Q亡227屛34总门 将它们2(on)=|E狀态常飙，从图中

47、可0： UA = 4f3JUc = Us = -2El3纟遲二宓込二遲屛列33孑4 “ 2 討 1 風 2 » 1332232同理可以计算岀各状态的电压空间矢量。从图中中可以得到这样的规律：(1 )逆变器的六个工作电压对应六个不同方向的电压空间矢量，它们周期性的顺序出现，相邻两个矢 量 之间相差60(2) 电压空间矢量的幅值不变，都等于。因此，六个电压空间矢量的顶点构成了正六边形的六个顶点。(3 )六种状态一次经过 123 45 6，空间矢量沿逆时针方向旋转。(4)零状态位于六边形的中心借助于电压空间矢量的概念，我们将在异步电机的直接转矩控制中进一步研究电压空间矢量对定子磁链 的影响

48、和电压空间矢量对电机转矩的影响，为正确选择电压空间矢量， 实现转矩直接控制打下基础。在变频调速系统的基本结构图中，我们可以看岀，变频器输岀可变频率和可变电压的三相交流电。供给交 流电机变频调速。为什么变频调速时还要同时改变定子电压？这是因为电机调速时希望保持每极磁通量为 额定值。磁通过大，会使铁心饱和，励磁电流过大会使绕组过热，严重时会烧坏电机；磁通过小时，电机 岀力不足，输岀转矩小，电机的铁心不能充分利用，造成浪费。由异步机的稳态特性推导岀来的恒定压频比控制方法和控制转差率控制方法，都是只控制变量的幅值，并且给定量和反馈量都是与相应变量成正比的直流量，因此叫标量控制，这与既控制变量的幅值又控

49、制其 相位的矢量控制不同。标量控制是最早在变频调速使用的技术，其控制原理简单，实现起来比较容易，也 能满足一定的调速性能要求。到目前为止，它们在实践中仍然有着最广泛的应用，并且得到不断的完善。十一、电压频率协调控制电压频率协调控制的调速策略：假设：(1 )忽略空间和时间谐波；(2) 忽略磁饱和(3) 忽略铁损和励磁电流，由图所示的等效电路可知：一般情况下，因此忽略励磁电流 ，可以导岀：29令电磁功率対同步机械角速度口厂"圧叫严唧叫，则异步电动机的电碗转矩为；* G。 心庐 式也叫三相异步电动机的机械特性方程“ 当S很小时，上式近似地写齿；所以由此可见，当为恒值，且S较小时，对于同一转

50、矩 ，不同带负载时的转速降落基本时不变的。这就是说埋在恒压频比的条件下改变频率时，机械特性基本是平行移动的。这就是恒压频比控制思想的依据,它与直流他激电动机调压调速时的特性相似。当S增大时，机械特性变软。在某一转差率转矩时的转差率为：时，转矩有一最大值，称为异步机的最大转矩。将式对S求异，并令，可以求岀最大愛乜7L -巩.(,対他+屈仏y+(厶+厶y不难看岀：频率越低，最大转矩就越小。低频时，最大转矩太小，这就限制了带载能力。原因就是：低频低压时，定子阻抗压降已经不能忽略，定子电压不能近似的等于定子电势，此时的压频比恒定已 经不能保证磁通恒定。因此，低频低压时引起电势和磁通的明显降低，低速时将

51、发生严重励磁不足和转矩 减少的问题。为了在低速时改善机械特性，需要对电压给定进行补偿，即在低速时抬高压频比值。在非线性特性中， 与 在高频时是成正比的，但是随着频率趋于零，电压逐渐倍提高。在偏置特性中, 电压补偿量与频率比分量共同决定定子电压，故： t/g + K 在现有的变频器工业产品中，值可以由用户根据不同负载的需要进行调整恒压频比调速性能分析依据式，只要能提供足够大的压频比，就可以获得任意小的稳态转差频率。因此，从理论上说，只要电压补偿合适，恒压频比控制应该可以实现大范围内的调速。但是，我们往往更关心调速的动态性能。只要调速过程不是很快，就可以忽略电磁惯性的影响。假设调速过程不是很快，就

52、可以利用机械特性曲线对调速过程进行在直流调速中正是这样作的。从图中我们可以看到，当转速给定从n2升到n1时，电机从原有的稳态工作点跃迁倒a点，然后沿机 械特性曲线运动到新的稳定工作点。当调速范围不大时，这个动态过程应该说是较优的。但当大范围调速 时，如图所示，转速给定从 n3升到n1,电机工作点跃迁到 b点，这时，机械特性曲线就不能算是较优的 运动曲线。由此可见，对于大范围调速，恒压频比控制要牺牲一些效率。即电压活频率是逐级增加的，缓 慢升速， 使电机工作点沿着较好的调速曲线运动。转速开环的频比控制系统一个恒压频比的开环交流调速系统示于图3.33中，它采用的是偏置线性的压频比特性，转速的给定信

53、号，通过压控振荡器（VOC ）产生频率指令信号，电压指令信号U1按式（3.73）随转速的给定信号 变化。 在稳态运行情况下，电机的气隙磁通，调节定子电流可以非常灵敏地调节转矩，这与直流电机相似。随着电机接近零速，频率趋于零，定子电压将趋于零，并且电压基本上降落在定子电阻上。为此，加入补 偿电压U0，以克服定子电阻的影响，这样，一直到零速都可以达到额定气隙磁通和全额的转矩。在稳态运 行条件下如果负载转矩增大，在稳定极限范围内转差将增加，并且在产生的转矩与负载转矩之间维持平衡。 如果给定转速超过电机基速，电动机电压将限制在额定电压，而电机将从恒转矩区过渡到弱磁区。在弱磁 区域内，磁通较小，在相同的

54、定子电流限制下，产生转矩小了。为了防止由于逆变器频率指令的急剧变化 而引起的过电流，速度指令需要通过斜坡电路，使频率与速度同步。转速闭环的压频比控制系统采用与电机同轴连接的测速发电机进行实际转速反馈，这种闭环调速控制系统，示于图3.36中。图中，给定速度与实际速度比较，确定速度偏差，然后通过速度调节器，决定逆变器的频率和电压。速度环的输岀信号通过电流极限控制器，限制变频器的电压和频率的变化。电流反馈只有当电动机电流升 到预置的最大值时才起作用，它控制逆变器电流和频率的变化率。因此，速度指令骤然增加，电动机电流快速增加到预置极限，然后，在电流极限反馈的作用下使逆变器频率和电压逐渐增加，以便电动机速度跟随逆变器的频