陈伯时运动控制系统 第5章 基于稳态模型的异步电动机调速系统

1、运动控制系统运动控制系统第第5 5章章 基于稳态模型的基于稳态模型的 异步电动机调速系统异步电动机调速系统 基于稳态模型的异步电动机调速基于稳态模型的异步电动机调速l在基于稳态模型的异步电动机调速系统中，在基于稳态模型的异步电动机调速系统中，采用稳态等值电路来分析异步电动机在不同采用稳态等值电路来分析异步电动机在不同电压和频率供电条件下的转矩与磁通的稳态电压和频率供电条件下的转矩与磁通的稳态关系和机械特性，并在此基础上设计异步电关系和机械特性，并在此基础上设计异步电动机调速系统。动机调速系统。n常用的基于稳态模型的异步电动机调速方法常用的基于稳态模型的异步电动机调速方法有调压调速和变压变频调速

2、两类。有调压调速和变压变频调速两类。内内 容容 提提 要要n异步电动机稳态数学模型和调速方法异步电动机稳态数学模型和调速方法n异步电动机调压调速异步电动机调压调速n异步电动机变压变频调速异步电动机变压变频调速n电力电子变压变频器电力电子变压变频器n转速开环变压变频调速系统转速开环变压变频调速系统n转速闭环转差频率控制的变压变频调速系统转速闭环转差频率控制的变压变频调速系统5.1 异步电动机稳态数学模型和调速方法异步电动机稳态数学模型和调速方法l异步电动机稳态数学模型包括异步电动机稳异步电动机稳态数学模型包括异步电动机稳态等值电路和机械特性。态等值电路和机械特性。稳态等值电路描述了在一定的转差率

3、下电稳态等值电路描述了在一定的转差率下电动机的稳态电气特性。动机的稳态电气特性。 机械特性则表征了转矩与转差率（或转机械特性则表征了转矩与转差率（或转速）的稳态关系。速）的稳态关系。5.1.1异步电动机稳态数学模型异步电动机稳态数学模型l转差率与转速的关系转差率与转速的关系11nnsn1(1)ns n或或 电动机极对数电动机极对数 供电电源频率供电电源频率 l同步转速同步转速 1160pfnn1fpn异步电动机稳态等效电路异步电动机稳态等效电路图图5-1 异步电动机异步电动机T型等效电路型等效电路假定条件：忽略空间和时间谐波，假定条件：忽略空间和时间谐波， 忽略磁饱和，忽略铁损忽略磁饱和，忽略

4、铁损异步电动机稳态等效电路异步电动机稳态等效电路式中式中 l转子相电流（折合到定子侧）转子相电流（折合到定子侧） 212121lrlsrssrLCLsRCRUImlsmlssLLLjLjRC11111异步电动机稳态等效电路异步电动机稳态等效电路图图5-2 异步电动机简化等效电路异步电动机简化等效电路忽略励磁电流忽略励磁电流异步电动机稳态等效电路异步电动机稳态等效电路2212lrlsrssrsLLsRRUIIl简化等效电路的相电流简化等效电路的相电流异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性l异步电动机传递的电磁功率异步电动机传递的电磁功率 l机械同步角速度机械同步角速度 sRIPrrm2 3pm

5、n11异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性l异步电动机的电磁转矩（机械特性方程式异步电动机的电磁转矩（机械特性方程式 ）22122122212122 113/33lrlsrsrsplrlsrsrsprrpmmeLLsRsRsRUnLLsRRsRUnsRInPT异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性对对s求导，并令求导，并令 0dsdTel最大转矩，又称临界转矩最大转矩，又称临界转矩 221212)(23lrlsssspemLLRRUnT异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性l临界转差率：对应最大转矩的转差率临界转差率：对应最大转矩的转差率2212)(lrlssrmLLRRs异步电动机的

6、机械特性异步电动机的机械特性将机械特性方程式分母展开将机械特性方程式分母展开2222222112222222113232psresrsrlslrpsrlslrssrrn U R sTs RRsR RsLLn U R sLLsR ssR RR异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性当当s很小时，忽略分母中含很小时，忽略分母中含s各项各项213psern U sTsRl转矩近似与转矩近似与s成正比，机械特性近似为直线成正比，机械特性近似为直线 异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性当当s较大时，忽略分母中较大时，忽略分母中s的一次项和零次项的一次项和零次项l转矩近似与转矩近似与s成反比，机械特性

7、是一段双曲线成反比，机械特性是一段双曲线22221131psreslslrn U RTss RLL异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性l异步电动机由异步电动机由额定电压、额额定电压、额定频率供电，定频率供电，且无外加电阻且无外加电阻和电抗时的机和电抗时的机械特性方程式，械特性方程式，称作固有特性称作固有特性或自然特性。或自然特性。图图5-3 异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性由异步电动机的机械特性方程式由异步电动机的机械特性方程式可知，能够改变的参数可分为可知，能够改变的参数可分为3类：类：电动机参数、电源电压和电源频率（或角频率）电动机参数、电源电压和电源频率（或角频率）22222

8、113psresrlslrn U R sTsRRsLL5.1.2异步电动机调速方法与气隙磁通异步电动机调速方法与气隙磁通异步电动机的气隙磁通异步电动机的气隙磁通l三相异步电动机定子每相电动势的有效值三相异步电动机定子每相电动势的有效值忽略定子绕组电阻和漏磁感抗压降忽略定子绕组电阻和漏磁感抗压降14.44SgsmNEf N k14.44SsgsmNUEf N k异步电动机的气隙磁通异步电动机的气隙磁通l气隙磁通气隙磁通 l为了保持气隙磁通恒定，应使为了保持气隙磁通恒定，应使 11/mgsEfUf1gEf常数s1Uf常数或近似为或近似为 5.2 异步电动机调压调速异步电动机调压调速l保持电源频率为

9、额定频率，只改变定子电压保持电源频率为额定频率，只改变定子电压的调速方法称作调压调速。的调速方法称作调压调速。l由于受电动机绝缘和磁路饱和的限制，定子由于受电动机绝缘和磁路饱和的限制，定子电压只能降低，不能升高，故又称作降压调电压只能降低，不能升高，故又称作降压调速。速。异步电动机调压调速异步电动机调压调速l调压调速的基本特征：电动机同步转速保持调压调速的基本特征：电动机同步转速保持额定值不变额定值不变 l气隙磁通气隙磁通 随定子电压的降低而减小，属于弱磁调速。随定子电压的降低而减小，属于弱磁调速。11160NNpfnnn14.44SsmsNUf N k5.2.1 异步电动机调压调速的主电路异

10、步电动机调压调速的主电路图5-4 晶闸管交流调压器调速TVC双向晶闸管交流调压器a)不可逆电路b) 可逆电路5.2.2 异步电动机调压调速的机械特性异步电动机调压调速的机械特性可调可调 l调压调速的机械特性表达式调压调速的机械特性表达式22222113psresrlslrn U R sTsRRsLLsUl电磁转矩与定子电压的平方成正比电磁转矩与定子电压的平方成正比 5.2.2 异步电动机调压调速的机械特性异步电动机调压调速的机械特性l临界转差率保持不变临界转差率保持不变 l理想空载转速保持为同步转速不变理想空载转速保持为同步转速不变 01Nnn2212)(lrlssrmLLRRsl临界转矩临界

11、转矩 221212)(23lrlsssspemLLRRUnTl 随定子电压的减小而成平方比地下降随定子电压的减小而成平方比地下降5.2.2 异步电动机调压调速的机械特性异步电动机调压调速的机械特性图图5-5 异步电动机调压调速的机械特性异步电动机调压调速的机械特性5.2.2 异步电动机调压调速的机械特性异步电动机调压调速的机械特性l带恒转矩负载时，普通笼型异步电动机降压调带恒转矩负载时，普通笼型异步电动机降压调速时的稳定工作范围为速时的稳定工作范围为 调速范围有限，图中调速范围有限，图中A、B、C为恒转矩负为恒转矩负载在不同电压时的稳定工作点。载在不同电压时的稳定工作点。l 带风机类负载运行，

12、调速范围可以稍大一带风机类负载运行，调速范围可以稍大一些，图中些，图中D、E、F为风机类负载在不同电压为风机类负载在不同电压时的稳定工作点。时的稳定工作点。0mss5.2.2 异步电动机调压调速的机械特性异步电动机调压调速的机械特性带恒转矩负载工作时，定子侧输入的电磁功率带恒转矩负载工作时，定子侧输入的电磁功率故电磁功率恒定不变，与转速无关。故电磁功率恒定不变，与转速无关。 11LmmLpTPTn1LT、均为常数均为常数 5.2.2 异步电动机调压调速的机械特性异步电动机调压调速的机械特性l转差功率转差功率 随着转差率的加大而增加。随着转差率的加大而增加。l 带恒转矩负载的降压调速就是靠增大转

13、差功带恒转矩负载的降压调速就是靠增大转差功率、减小输出功率来换取转速的降低。率、减小输出功率来换取转速的降低。l 增加的转差功率全部消耗在转子电阻上，这增加的转差功率全部消耗在转子电阻上，这就是转差功率消耗型的由来。就是转差功率消耗型的由来。1 LsmmLpTPsPsTsn5.2.2 异步电动机调压调速的机械特性异步电动机调压调速的机械特性l增加转子电阻值，增加转子电阻值，临界转差率加大，临界转差率加大，可以扩大恒转矩可以扩大恒转矩负载下的调速范负载下的调速范围，这种高转子围，这种高转子电阻电动机又称电阻电动机又称作交流力矩电动作交流力矩电动机。机。l缺点是机械特性缺点是机械特性较软。较软。

14、图图5-6 高转子电阻电动机（交流力矩电动机）高转子电阻电动机（交流力矩电动机）在不同电压下的机械特性在不同电压下的机械特性5.2.2 异步电动机调压调速的机械特性异步电动机调压调速的机械特性5.2.3 闭环控制的调压调速系统闭环控制的调压调速系统l要求带恒转要求带恒转矩负载的调矩负载的调压系统具有压系统具有较大的调速较大的调速范围时，往范围时，往往须采用带往须采用带转速反馈的转速反馈的闭环控制系闭环控制系统统。图图5-7 带转速负反馈闭环控制的交带转速负反馈闭环控制的交流调压调速系统流调压调速系统 l当系统带负载稳定时，如果负载增大或减小，当系统带负载稳定时，如果负载增大或减小，引起转速下降

15、或上升，反馈控制作用会自动引起转速下降或上升，反馈控制作用会自动调整定子电压，使闭环系统工作在新的稳定调整定子电压，使闭环系统工作在新的稳定工作点。工作点。l按照反馈控制规律，将稳定工作点连接起来按照反馈控制规律，将稳定工作点连接起来便是闭环系统的静特性。便是闭环系统的静特性。5.2.3 闭环控制的调压调速系统闭环控制的调压调速系统l静特性左右两边静特性左右两边都有极限，它们都有极限，它们是额定电压下的是额定电压下的机械特性和最小机械特性和最小输出电压下的机输出电压下的机械特性。械特性。图图5-8 转速闭环控制的交流调压调转速闭环控制的交流调压调速系统静特性速系统静特性sNUminsU5.2.

16、3 闭环控制的调压调速系统闭环控制的调压调速系统*5.2.4降压控制应用降压控制应用l三相异步电动机直接接电网起动时，起动三相异步电动机直接接电网起动时，起动电流比较大，而起动转矩并不大。电流比较大，而起动转矩并不大。2212lrlsrssrstsstLLRRUII2222113psrestsrlslrn U RTRRLLl中、大容量电动机的起动电流大，会使电网中、大容量电动机的起动电流大，会使电网压降过大，影响其它用电设备的正常运行，压降过大，影响其它用电设备的正常运行，甚至使该电动机本身根本起动不起来。甚至使该电动机本身根本起动不起来。l必须采取措施来降低其起动电流，常用的办必须采取措施来

17、降低其起动电流，常用的办法是降压起动。法是降压起动。*5.2.4降压控制应用降压控制应用*软起动器软起动器l当电压降低时，起动电流将随电压成正比地降当电压降低时，起动电流将随电压成正比地降低，从而可以避开起动电流冲击的高峰。低，从而可以避开起动电流冲击的高峰。l起动转矩与电压的平方成正比，起动转矩的减起动转矩与电压的平方成正比，起动转矩的减小将比起动电流的降低更多，降压起动时又会小将比起动电流的降低更多，降压起动时又会出现起动转矩不够的问题。出现起动转矩不够的问题。l降压起动只适用于中、大容量电动机空载（或降压起动只适用于中、大容量电动机空载（或轻载）起动的场合。轻载）起动的场合。l三相异步电

18、动机运行时的总损耗三相异步电动机运行时的总损耗 smechCurFeCusppppppl电机的运行效率电机的运行效率 pPPPP2212*5.2.4降压控制应用降压控制应用*轻载降压运行轻载降压运行l为了减少轻载时的能量损耗，降低定子电压为了减少轻载时的能量损耗，降低定子电压可以降低气隙磁通，这样可以同时降低铁损可以降低气隙磁通，这样可以同时降低铁损和励磁电流。和励磁电流。l过分降低电压和磁通，转子电流必然增大，过分降低电压和磁通，转子电流必然增大，定子电流反而可能增加，铁损的降低将被铜定子电流反而可能增加，铁损的降低将被铜损的增加填补，效率反而更差了。损的增加填补，效率反而更差了。l当负载转

19、矩一定时，轻载降压运行有一个最当负载转矩一定时，轻载降压运行有一个最佳电压值，此时效率最高。佳电压值，此时效率最高。p10260nnn公式表明：改变定子电源频率可以改变转速公式表明：改变定子电源频率可以改变转速变频调速：变频调速：通过改变定子电源频率实现转速通过改变定子电源频率实现转速 的调节的调节5.3 异步电动机变压变频调速异步电动机变压变频调速5.3.1 变压变频调速的基本原理变压变频调速的基本原理l异步电动机的实际转速异步电动机的实际转速 1111(1)ns nnsnnnl稳态速降稳态速降 1snn 随负载大小变化随负载大小变化 14.44SgsmNEf N k14.44SsgsmNU

20、Ef N k对于异步电动机有：对于异步电动机有：5.3.1 变压变频调速的基本原理变压变频调速的基本原理若忽略定子漏阻抗，则：若忽略定子漏阻抗，则： 由此可以看出，当改变定子电源频率时，由由此可以看出，当改变定子电源频率时，由于电网电压于电网电压 Us 不变，因此，磁通就会发生相应不变，因此，磁通就会发生相应的变化。的变化。 交流电机调速时，希望保持电机中每极磁通交流电机调速时，希望保持电机中每极磁通量量 m 为额定值不变。为额定值不变。如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；如果过分增大磁通，又会使铁心是一种浪费；如果过分增大磁通，又会使铁心饱

21、和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。绕组过热而损坏电机。n对于直流电机，励磁系统是独立的，只要对电枢对于直流电机，励磁系统是独立的，只要对电枢反应有适当的补偿，反应有适当的补偿， m 保持不变是很容易做到保持不变是很容易做到的。的。n在交流异步电机中，磁通在交流异步电机中，磁通 m 由定子和转子磁势由定子和转子磁势合成产生，要保持磁通恒定就需要费一些周折了。合成产生，要保持磁通恒定就需要费一些周折了。然而，异步电机保持磁通恒定谈何容易哟！怎么办呢？14.44SgsNmNEN kf常值 由上式看出，只要控制好由上式看出，只要控制好 E

22、g 和和 f1 的比例关系，的比例关系，便有可能达到恒定磁通便有可能达到恒定磁通 m 的目的，对此，需要考的目的，对此，需要考虑基频（额定频率）以下和基频以上两种情况。虑基频（额定频率）以下和基频以上两种情况。 实现恒定磁通控制的思路：实现恒定磁通控制的思路： 要保持 m 不变，当频率 f1 从额定值 f1N 向下调节时，必须同时降低 Eg ，使 1gfE常值 这种模式称之为：采用恒电动势恒电动势/频率比频率比的控制方式，简称恒势频比恒势频比方式。 基频以下调速基频以下调速 然而，绕组中的感应电动势是难以直接测量与控制的，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

23、 Eg，则得 这是恒压频比恒压频比的控制方式的控制方式。常值1fUs基频以下调速基频以下调速 低频时，定子电阻和漏感压降所占的份低频时，定子电阻和漏感压降所占的份量比较显著，不能再忽略。量比较显著，不能再忽略。人为地把定子电压抬高一些，以补偿定人为地把定子电压抬高一些，以补偿定子阻抗压降。子阻抗压降。负载大小不同，需要补偿的定子电压也负载大小不同，需要补偿的定子电压也不一样。不一样。基频以下调速基频以下调速 低频时，定子电阻和漏感压降所占的份低频时，定子电阻和漏感压降所占的份量比较显著，不能再忽略。量比较显著，不能再忽略。人为地把定子电压抬高一些，以补偿定人为地把定子电压抬高一些，以补偿定子阻

24、抗压降。子阻抗压降。负载大小不同，需要补偿的定子电压也负载大小不同，需要补偿的定子电压也不一样。不一样。Us1RsLlsLlrLmRr /sIsI0IrEgEsEr基频以下调速基频以下调速 l通常在控制软件通常在控制软件中备有不同斜率中备有不同斜率的补偿特性，以的补偿特性，以供用户选择。供用户选择。a无补偿无补偿 b带定子电带定子电压补偿压补偿图图5-9 恒压频比控制特性恒压频比控制特性基频以下调速基频以下调速 l在基频以上调速时，频率从向上升高，受到在基频以上调速时，频率从向上升高，受到电机绝缘耐压和磁路饱和的限制，定子电压电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

25、电压不变。不能随之升高，最多只能保持额定电压不变。l这将导致磁通与频率成反比地降低，使得异这将导致磁通与频率成反比地降低，使得异步电动机工作在弱磁状态。步电动机工作在弱磁状态。14.44SsgsmNUEf N k基频以上调速基频以上调速 变压变频调速变压变频调速 图图5-10 异步电动机变压变频调速的控制特性异步电动机变压变频调速的控制特性5.3.2 变压变频调速时的机械特性变压变频调速时的机械特性l基频以下采用恒压频比控制基频以下采用恒压频比控制 异步电动机机械特性方程式改写为异步电动机机械特性方程式改写为22122121)()(3lrlsrsrspeLLsRsRRsUnTl当当s很小时，忽

26、略上式分母中含很小时，忽略上式分母中含s各项，各项，sRsUnTrspe1213或或 2113sperUnTRs基频以下调速 l对于同一转矩，转速降落基本不变对于同一转矩，转速降落基本不变 在恒压频比的条件下把频率向下调节时，机在恒压频比的条件下把频率向下调节时，机械特性基本上是平行下移的。械特性基本上是平行下移的。2111210602reeppsR TnsnsTnnU 基频以下调速 l临界转矩临界转矩 随着频率的降低而减小。随着频率的降低而减小。l当频率较低时，电动机带载能力减弱，采用低频当频率较低时，电动机带载能力减弱，采用低频定子压降补偿，定子压降补偿，适当地提高电压适当地提高电压，可以

27、增强带载，可以增强带载能力。能力。221121)(123lrlsssspemLLRRUnT基频以下调速 l转差功率转差功率 与转速无关，故称作与转速无关，故称作转差功率不变型转差功率不变型。21213resmespR TPsPsTUn基频以下调速 l电压不能从额定值再向上提高，只能保持电压不能从额定值再向上提高，只能保持不变，机械特性方程式可写成不变，机械特性方程式可写成l临界转矩表达式临界转矩表达式 2212212)()(3lrlsrsrsNpeLLsRsRsRUnT221212)(123lrlssssNpemLLRRUnT基频以上调速 l临界转差临界转差 l当当s很小时，忽略上式分母中含很

28、小时，忽略上式分母中含s各项各项 2212)(lrlssrmLLRRs213sNeprUsTnR或或21123repsNR Tsn U基频以上调速 l带负载时的转速降落带负载时的转速降落 l 对于相同的电磁转矩，角频率越大，转速降对于相同的电磁转矩，角频率越大，转速降落越大，机械特性越软，与直流电动机弱磁调落越大，机械特性越软，与直流电动机弱磁调速相似。速相似。21112210602reppsNR TnsnsnnU 基频以上调速 l转差功率转差功率 l带恒功率负载运行时带恒功率负载运行时221123resmepsNR TPsPsTn U转差功率基本不变。转差功率基本不变。221eT常数基频以上

29、调速 变压变频调速时的机械特性图图5-11 异步电动机变压变频调速机械特性异步电动机变压变频调速机械特性变压变频调速l在基频以下，由于磁通恒定，允许输出转矩在基频以下，由于磁通恒定，允许输出转矩也恒定，属于也恒定，属于“恒转矩调速恒转矩调速”方式。方式。l在基频以上，转速升高时磁通减小，允许输在基频以上，转速升高时磁通减小，允许输出转矩也随之降低，由于转速上升，允许输出转矩也随之降低，由于转速上升，允许输出功率基本恒定，属于出功率基本恒定，属于“近似的恒功率调速近似的恒功率调速”方式。方式。5.3.3 基频以下电压补偿控制基频以下电压补偿控制 l在基频以下运行时，采用恒压频比的控制在基频以下运

30、行时，采用恒压频比的控制方法具有控制简便的优点。方法具有控制简便的优点。l但负载的变化时定子压降不同，将导致磁但负载的变化时定子压降不同，将导致磁通改变，须采用定子电压补偿控制。通改变，须采用定子电压补偿控制。l根据定子电流的大小改变定子电压，以保根据定子电流的大小改变定子电压，以保持磁通恒定。持磁通恒定。l为了使参考极为了使参考极性与电动状态性与电动状态下的实际极性下的实际极性相吻合，感应相吻合，感应电动势采用电电动势采用电压降的表示方压降的表示方法，由高电位法，由高电位指向低电位。指向低电位。 图图5-12 异步电动机等值电路和感应电动势异步电动机等值电路和感应电动势5.3.3 基频以下电

31、压补偿控制基频以下电压补偿控制 三种磁通l气隙磁通在定子每相绕组中的感应电动势气隙磁通在定子每相绕组中的感应电动势 14.44SgsmNEf N kl定子全磁通在定子每相绕组中的感应电动势定子全磁通在定子每相绕组中的感应电动势 l转子全磁通在定子每相绕组中的感应电动势转子全磁通在定子每相绕组中的感应电动势 14.44SssmsNEf N k14.44SrsmrNEf N k恒定子磁通控制 l保持定子磁通恒定：保持定子磁通恒定： 定子电动势不好直接控制，能够直接控制定子电动势不好直接控制，能够直接控制的只有定子电压，按的只有定子电压，按l补偿定子电阻压降，就能够得到恒定子磁通。补偿定子电阻压降，

32、就能够得到恒定子磁通。 1/ fEssssEIRU1常值常值恒定子磁通控制 l忽略励磁电流，转子电流忽略励磁电流，转子电流l电磁转矩电磁转矩 2212)(lrlsrsrLLsREI22122 121221221)(3)(3lrlsrrsprlrlsrspeLLsRRsEnsRLLsREnT恒压频比控制时的转矩式恒压频比控制时的转矩式 两式相比可知，恒定子磁通控制时转矩表达两式相比可知，恒定子磁通控制时转矩表达式的分母小于恒压频比控制特性中的同类项。式的分母小于恒压频比控制特性中的同类项。l当转差率当转差率s相同时，采用恒定子磁通控制方式相同时，采用恒定子磁通控制方式的电磁转矩大于恒压频比控制方

33、式。的电磁转矩大于恒压频比控制方式。22122121)()(3lrlsrsrspeLLsRsRRsUnT恒定子磁通控制 l临界转差率临界转差率 l临界转矩临界转矩 )(1lrlsrmLLRs)(12321lrlsspemLLEnT频率变化时，恒定子磁通控制的临频率变化时，恒定子磁通控制的临界转矩恒定不变界转矩恒定不变 。恒定子磁通控制 比较可知比较可知l恒定子磁通控制的临界转差率大于恒压频比恒定子磁通控制的临界转差率大于恒压频比控制方式。控制方式。l恒定子磁通控制的临界转矩也大于恒压频比恒定子磁通控制的临界转矩也大于恒压频比控制方式。控制方式。恒定子磁通控制 恒气隙磁通控制 l保持气隙磁通恒定

34、：保持气隙磁通恒定： l定子电压定子电压l除了补偿定子电阻压降外，还应补偿定子漏除了补偿定子电阻压降外，还应补偿定子漏抗压降。抗压降。 1/gEglsssEILjRU11)(常值常值l转子电流转子电流l电磁转矩电磁转矩 2212lrrgrLsREI2 2122 12122122133lrrrgprlrrgpeLsRRsEnsRLsREnT恒气隙磁通控制 l临界转差率临界转差率 l临界转矩临界转矩 l 与恒定子磁通控制方式相比较，恒气隙磁通控与恒定子磁通控制方式相比较，恒气隙磁通控制方式的临界转差率和临界转矩更大，机械特制方式的临界转差率和临界转矩更大，机械特性更硬。性更硬。 1lrrmLRs2

35、1123lrspemLEnT恒气隙磁通控制 恒转子磁通控制 l保持转子磁通恒定：保持转子磁通恒定： l定子电压定子电压l除了补偿定子电阻压降外，还应补偿定子除了补偿定子电阻压降外，还应补偿定子和转子漏抗压降。和转子漏抗压降。 1/rE11()sslslrrURjLLIE常值常值l转子电流转子电流l电磁转矩电磁转矩 sREIrrr/12122133rrprrrpeRsEnsRsREnT注意，没有经过任何简化！注意，没有经过任何简化！恒转子磁通控制 l机械特性机械特性完全是一条直线完全是一条直线，可以获得和直流，可以获得和直流电动机一样的线性机械特性，这正是高性能电动机一样的线性机械特性，这正是高

36、性能交流变频调速所要求的稳态性能。交流变频调速所要求的稳态性能。恒转子磁通控制 不同控制方式下的机械特性 图图5-13 异步电动机在不同控制方式下的机械特性异步电动机在不同控制方式下的机械特性a）恒压频比控制）恒压频比控制b）恒定子磁通控制）恒定子磁通控制c）恒气隙磁通控制）恒气隙磁通控制d）恒转子磁通控制）恒转子磁通控制不同控制方式的比较 l恒压频比控制最容易实现，它的变频机械恒压频比控制最容易实现，它的变频机械特性基本上是平行下移，硬度也较好，能特性基本上是平行下移，硬度也较好，能够满足一般的调速要求，低速时需适当提够满足一般的调速要求，低速时需适当提高定子电压，以近似补偿定子阻抗压降。高

37、定子电压，以近似补偿定子阻抗压降。l恒定子磁通、恒气隙磁通和恒转子磁通的控恒定子磁通、恒气隙磁通和恒转子磁通的控制方式均需要定子电压补偿，控制要复杂一制方式均需要定子电压补偿，控制要复杂一些。些。l恒定子磁通和恒气隙磁通的控制方式虽然改恒定子磁通和恒气隙磁通的控制方式虽然改善了低速性能。但机械特性还是非线性的，善了低速性能。但机械特性还是非线性的，仍受到临界转矩的限制。仍受到临界转矩的限制。l恒转子磁通控制方式可以获得和直流他励电恒转子磁通控制方式可以获得和直流他励电动机一样的线性机械特性，性能最佳。动机一样的线性机械特性，性能最佳。不同控制方式的比较 l异步电动机变频调速需要电压与频率均可调

38、的交异步电动机变频调速需要电压与频率均可调的交流电源，常用的交流可调电源是由电力电子器件流电源，常用的交流可调电源是由电力电子器件构成的静止式功率变换器，一般称为变频器。构成的静止式功率变换器，一般称为变频器。l交交-直直-交变频器：先将恒压恒频的交流电整成直交变频器：先将恒压恒频的交流电整成直流，再将直流电逆变成电压与频率均为可调的交流，再将直流电逆变成电压与频率均为可调的交流，称作间接变频。流，称作间接变频。l交交-交变频器：将恒压恒频的交流电直接变换为交变频器：将恒压恒频的交流电直接变换为电压与频率均为可调的交流电，无需中间直流环电压与频率均为可调的交流电，无需中间直流环节，称作直接变频

39、。节，称作直接变频。5.4 电力电子变压变频器电力电子变压变频器图图5-14 变频器结构示意图变频器结构示意图a）交）交-直直-交交变频器变频器b）交）交-交变交变频器频器 5.4 电力电子变压变频器电力电子变压变频器脉冲宽度调制技术l现代变频器中用得最多的控制技术是脉冲现代变频器中用得最多的控制技术是脉冲宽度调制（宽度调制（Pulse Width Modulation），简），简称称PWM。l基本思想是控制逆变器中电力电子器件的基本思想是控制逆变器中电力电子器件的开通或关断，输出电压为幅值相等、宽度开通或关断，输出电压为幅值相等、宽度按一定规律变化的脉冲序列，用这样的高按一定规律变化的脉冲序

40、列，用这样的高频脉冲序列代替期望的输出电压。频脉冲序列代替期望的输出电压。5.4.1 PWM变频器主回路变频器主回路图图5-15 交交-直直-交变频器主回路结构图交变频器主回路结构图不可控整流桥不可控整流桥逆变器逆变器滤波环节滤波环节l主回路只有一套可控功率级，具有结构、控制主回路只有一套可控功率级，具有结构、控制方便的优点，采用脉宽调制的方法，输出谐波方便的优点，采用脉宽调制的方法，输出谐波分量小。分量小。l缺点是当电动机工作在回馈制动状态时能量不缺点是当电动机工作在回馈制动状态时能量不能回馈至电网，造成直流侧电压上升，称作泵能回馈至电网，造成直流侧电压上升，称作泵升电压。升电压。5.4.1

41、 PWM变频器主回路变频器主回路 按照波形面积相等的原则，每一个矩形波的面积与相应位置的正弦波面积相等，因而这个序列的矩形波与期望的正弦波等效。正弦波与正弦波与PWM波波变频器的输出是变频器的输出是PWMPWM波形波形5.4.2 正弦波脉宽调制技术正弦波脉宽调制技术(SPWM)问题是：问题是：如何能让逆变器产生如何能让逆变器产生PWMPWM波输出呢？波输出呢？PWMPWM变频器硬件结构不变，关键在于控制！变频器硬件结构不变，关键在于控制！思路是：思路是：PWMPWM变频器采用变频器采用PWMPWM信号控制，产生信号控制，产生PWMPWM输出。输出。PWM控制器控制器逆变器逆变器PWM触发脉冲触

42、发脉冲电压给定电压给定频率给定频率给定PWM波波电压输出电压输出如何得到如何得到PWMPWM控制信号呢？控制信号呢？采用采用PWMPWM调制技术！调制技术！1. PWM调制原理调制原理期望得到波形：正弦波期望得到波形：正弦波 调制波：正弦波调制波：正弦波 载载 波：三角波波：三角波 以调制波和载波之交点定位以调制波和载波之交点定位PWMPWM波过零点波过零点正弦波脉宽正弦波脉宽调制技术调制技术SPWMSPWM技术技术图6-5urucuOtOtuouofuoUd- Ud调制机理介绍调制机理介绍比较器比较器调制波调制波载载 波波PWM波波比较输出原则：比较输出原则：1.逐点比较逐点比较2.当三角波

43、值大于正弦波当三角波值大于正弦波值则输出零值则输出零3.当三角波值小于正弦波当三角波值小于正弦波值则输出高电平值则输出高电平2. SPWM控制方式控制方式n如果在正弦调制波的半个周期内，三角载波只在正或负的一种极性范围内变化，所得到的SPWM波也只处于一个极性的范围内，叫做单极性控制方式。（单极式单极式SPWM）n如果在正弦调制波半个周期内，三角载波在正负极性之间连续变化，则SPWM波也是在正负之间变化，叫做双极性控制方式。 （双双极式极式SPWM） 单相桥式PWM逆变电路 信号波载波图6-4调制电路Ud+V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoRLuruc单相桥式单相桥式PWM逆变电路逆

44、变电路 VT1VT2VT3VT4图6-5urucuOtOtuouofuoUd- Ud（1）单极性PWM控制方式（2）双极性PWM控制方式图6-6urucuOtOtuouofuoUd-Ud图图5-17 三相三相PWM逆变器双极逆变器双极性性SPWM波形波形a) 三相正弦调制波与双三相正弦调制波与双极性三角载波极性三角载波b）、）、c）、）、d）三相电压）三相电压e）输出线电压）输出线电压f）电动机相电压）电动机相电压*5.4.3 消除指定谐波消除指定谐波PWMl普通的普通的SPWM变频器输出电压带有一定的变频器输出电压带有一定的谐波分量，为降低谐波分量，减少电动机转谐波分量，为降低谐波分量，减少

45、电动机转矩脉动，可以采用直接计算各脉冲起始与终矩脉动，可以采用直接计算各脉冲起始与终了相位的方法，以消除指定次数的谐波。了相位的方法，以消除指定次数的谐波。l在在SPWM的基础上衍生出的的基础上衍生出的“消除指定次消除指定次数谐波数谐波PWM”（SHEPWM，Selected Harmonics Elimination PWM）控制技术。）控制技术。从这儿到从这儿到5.4.6均不要求！均不要求！*5.4.3 消除指定谐波消除指定谐波PWM图图5-18 变压变频器输出的相电压变压变频器输出的相电压PWM波形波形*5.4.3 消除指定谐波消除指定谐波PWMl要消除第要消除第k次谐波分量，只须令次谐

46、波分量，只须令1212( 1) cos01midkmiiUUkkkl基波幅值为所要求的电压值基波幅值为所要求的电压值11212( 1) cosmidmiiUU期望值5.4.4 电流跟踪电流跟踪PWM（CFPWM）控制技术）控制技术l电流跟踪电流跟踪PWM（CFPWM，Current Follow PWM）的控制方法是：在原来主回）的控制方法是：在原来主回路的基础上，采用电流闭环控制，使实际电路的基础上，采用电流闭环控制，使实际电流快速跟随给定值。流快速跟随给定值。l在稳态时，尽可能使实际电流接近正弦波在稳态时，尽可能使实际电流接近正弦波形，这就能比电压控制的形，这就能比电压控制的SPWM获得更

47、好的获得更好的性能。性能。5.4.4 电流跟踪电流跟踪PWM（CFPWM）控制技术）控制技术图图5-19 电流滞环跟踪控制的电流滞环跟踪控制的A相原理图相原理图5.4.4 电流跟踪电流跟踪PWM（CFPWM）控制技术）控制技术l电流控制器是带滞环的比较器，环宽为电流控制器是带滞环的比较器，环宽为2h。将给定电流与输出电流进行比较，电流偏差将给定电流与输出电流进行比较，电流偏差超过超过h时，经滞环控制器时，经滞环控制器HBC控制逆变器控制逆变器上（或下）桥臂的功率器件动作。上（或下）桥臂的功率器件动作。5.4.4 电流跟踪电流跟踪PWM（CFPWM）控制技术）控制技术图图5-20 电流滞环跟踪控

48、制时的三相电流电流滞环跟踪控制时的三相电流波形与相电压波形与相电压PWM波形波形l电流滞环跟踪控制方法电流滞环跟踪控制方法的精度高、响应快，且的精度高、响应快，且易于实现。但功率开关易于实现。但功率开关器件的开关频率不定。器件的开关频率不定。5.4.4 电流跟踪电流跟踪PWM（CFPWM）控制技术）控制技术l电流跟踪控制的精度与滞环的宽度有关，电流跟踪控制的精度与滞环的宽度有关，同时还受到功率开关器件允许开关频率的制同时还受到功率开关器件允许开关频率的制约。约。l当环宽选得较大时，开关频率低，但电流当环宽选得较大时，开关频率低，但电流波形失真较多，谐波分量高；波形失真较多，谐波分量高；l如果环

49、宽小，电流跟踪性能好，但开关频如果环宽小，电流跟踪性能好，但开关频率却增大了。率却增大了。l实际使用中，应在器件开关频率允许的前实际使用中，应在器件开关频率允许的前提下，尽可能选择小的环宽。提下，尽可能选择小的环宽。5.4.5 电压空间矢量电压空间矢量PWM（SVPWM）控制技术）控制技术l把逆变器和交流电动机视为一体，以圆形把逆变器和交流电动机视为一体，以圆形旋转磁场为目标来控制逆变器的工作，这种旋转磁场为目标来控制逆变器的工作，这种控制方法称作控制方法称作“磁链跟踪控制磁链跟踪控制”，磁链轨迹，磁链轨迹的控制是通过交替使用不同的电压空间矢量的控制是通过交替使用不同的电压空间矢量实现的，所以

50、又称实现的，所以又称“电压空间矢量电压空间矢量PWM（SVPWM，Space Vector PWM）控制）控制”。空间矢量的定义空间矢量的定义l交流电动机绕组的电压、电流、磁链等物交流电动机绕组的电压、电流、磁链等物理量都是随时间变化的，如果考虑到它们所理量都是随时间变化的，如果考虑到它们所在绕组的空间位置，可以定义为空间矢量。在绕组的空间位置，可以定义为空间矢量。l 定义三相定子电压空间矢量定义三相定子电压空间矢量 2AOjBOjCOkukuekueAOBOCOuuu32k为待定系数为待定系数 空间矢量的合成空间矢量的合成l三相合成矢量三相合成矢量2jjAOBOCOkukuekuesAOBO

51、COuuuu图图5-21 电压空间矢量电压空间矢量000AOBOCOuuu的合成矢量的合成矢量 空间矢量的定义空间矢量的定义l定子电流空间矢量定子电流空间矢量 2jjAOBOCOkikiekiesAOBOCOiiii2jjAOBOCOkkekesAOBOCOl定子磁链空间矢量定子磁链空间矢量 空间矢量表达式空间矢量表达式 l空间矢量功率表达式空间矢量功率表达式 2222222p =Re()Re()()()Re()s sjjjjAOBOCOAOBOCOAO AOBO BOCO COjjjBO AOCO AOAO BOjjjCO BOAO COBO COkuueueiieiekuiuiuikuie

52、uieuieuieuieuieu iss、ii共轭矢量共轭矢量 空间矢量表达式空间矢量表达式 考虑到考虑到 0AOBOCOiii232233p =()22AO AOBO BOCO COkuiuiuik pp=AO AOBO BOCO COuiuiuil三相瞬时功率三相瞬时功率 l按空间矢量功率与三相瞬时功率相等的原则按空间矢量功率与三相瞬时功率相等的原则 23k空间矢量表达式空间矢量表达式 22()3jjAOBOCOuueuesu22()3jjAOBOCOiieiesi22()3jjAOBOCOees空间矢量表达式空间矢量表达式 l当定子相电压为三相平衡正弦电压时，三当定子相电压为三相平衡正弦

53、电压时，三相合成矢量相合成矢量112111224cos()cos()cos()33332jjmmmjtjtmsUtUteUteU eU esAOBOCOuuuu空间矢量表达式空间矢量表达式 l以电源角频率为角速度作恒速旋转的空以电源角频率为角速度作恒速旋转的空间矢量，幅值间矢量，幅值 l在三相平衡正弦电压供电时，若电动机转在三相平衡正弦电压供电时，若电动机转速已稳定，则定子电流和磁链的空间矢量速已稳定，则定子电流和磁链的空间矢量的幅值恒定，以电源角频率为电气角速度的幅值恒定，以电源角频率为电气角速度在空间作恒速旋转。在空间作恒速旋转。32smUU电压与磁链空间矢量的关系电压与磁链空间矢量的关系

54、 l合成空间矢量表示的定子电压方程式合成空间矢量表示的定子电压方程式 l忽略定子电阻压降，定子合成电压与合成忽略定子电阻压降，定子合成电压与合成磁链空间矢量的近似关系为磁链空间矢量的近似关系为dtdRssssiudtdssu dtssu或或电压与磁链空间矢量的关系电压与磁链空间矢量的关系 l当电动机由三相平衡正弦电压供电时，当电动机由三相平衡正弦电压供电时，电动机定子磁链幅值恒定，其空间矢量以电动机定子磁链幅值恒定，其空间矢量以恒速旋转，磁链矢量顶端的运动轨迹呈圆恒速旋转，磁链矢量顶端的运动轨迹呈圆形（简称为磁链圆）。形（简称为磁链圆）。l定子磁链矢量定子磁链矢量)(1tjsesl定子电压矢量

55、定子电压矢量111()()()211()jtsjtjtssdedtjeesu电压与磁链空间矢量的关系电压与磁链空间矢量的关系 图图5-22 旋转磁场与电压空旋转磁场与电压空间矢量的运动轨迹间矢量的运动轨迹图图5-23 电压矢量圆轨迹电压矢量圆轨迹电压空间矢量电压空间矢量 l直流电源中点直流电源中点O和交流电动机中点和交流电动机中点O的电位的电位不等，但合成电压矢量的表达式相等。不等，但合成电压矢量的表达式相等。l因此，三相合成电压空间矢量与参考点无关。因此，三相合成电压空间矢量与参考点无关。222222()32()()()322(1)()33jjAOBOCOjjAOOBOOCOOjjjjjjA

56、BCOOABCuueueuuuueuueuu eu eueeuu eu esAOBOCOuuuu8个基本空间矢量个基本空间矢量lPWM逆变器共有逆变器共有8种工作状态种工作状态 当当 100ABCSSSuuu222dddABCUUU2423322(1)(1)3 23 2224242(1 coscos)(sinsin)3 233333jjjjddddUUeeeeUjU1u8个基本空间矢量个基本空间矢量依此类推，可得依此类推，可得8个基本空间矢量个基本空间矢量 。当当 1 10ABCSSSuuu222dddABCUUU2423332(1)(1)3 2222424(1 coscos)(sinsin)

57、3 2333322(13)3 23jjjjdddjddUUeeeeUjUjU e2u8个基本空间矢量个基本空间矢量l2个零矢量个零矢量l6个有效工作矢量个有效工作矢量07uu、16uu幅值为幅值为 23dU空间互差空间互差 3基本电压空间矢量图基本电压空间矢量图图图5-24 基本电压空间矢量图基本电压空间矢量图正六边形空间旋转磁场正六边形空间旋转磁场 l6个有效工作矢量完成一个周期，输出基波个有效工作矢量完成一个周期，输出基波电压角频率电压角频率 l6个有效工作矢量个有效工作矢量16uu每个有效工作矢量作用每个有效工作矢量作用 3顺序分别作用顺序分别作用t时间，并使时间，并使 13tt31正六

58、边形空间旋转磁场正六边形空间旋转磁场 k=1,2,3,4,5,6 l定子磁链矢量的增量定子磁链矢量的增量 tss = u(1)3( )( )23sskjdkktUt e ul定子磁链矢量运动方向与电压矢量相同，定子磁链矢量运动方向与电压矢量相同，增量的幅值等于增量的幅值等于23dUt正六边形空间旋转磁场正六边形空间旋转磁场 l定子磁链矢量的运动轨定子磁链矢量的运动轨迹为迹为 图图5-25 定子磁链矢量增量定子磁链矢量增量(1)( )( )( )( )ssssskkkkk t u正六边形空间旋转磁场正六边形空间旋转磁场 图图5-26 正六边形定子磁链轨迹正六边形定子磁链轨迹l在一个周期内，在一个

59、周期内，6个有效工作矢量个有效工作矢量顺序作用一次，顺序作用一次，定子磁链矢量是定子磁链矢量是一个封闭的正六一个封闭的正六边形。边形。正六边形空间旋转磁场正六边形空间旋转磁场 l正六边形定子磁链的大小与直流侧电压成正六边形定子磁链的大小与直流侧电压成正比，而与电源角频率成反比。正比，而与电源角频率成反比。 1|( )| |( )| | ( )|2233 3ssddkkktUUt u正六边形空间旋转磁场正六边形空间旋转磁场 122|( )| |( )| | ( )|33 3dssdUkkktUt ul在基频以下调速时，应保持正六边形定子在基频以下调速时，应保持正六边形定子磁链的最大值恒定。磁链的

60、最大值恒定。l若直流侧电压恒定，则若直流侧电压恒定，则1越小时，越小时， t越越大，势必导致大，势必导致 增大。增大。正六边形空间旋转磁场正六边形空间旋转磁场 1dU常数l要保持正六边形定子磁链不变，必须使要保持正六边形定子磁链不变，必须使 l在变频的同时必须调节直流电压，造成了控在变频的同时必须调节直流电压，造成了控制的复杂性。制的复杂性。正六边形空间旋转磁场正六边形空间旋转磁场 l有效的方法是插入零矢量有效的方法是插入零矢量l当零矢量作用时，定子磁链矢量的增量当零矢量作用时，定子磁链矢量的增量表明定子磁链矢量停留不动。表明定子磁链矢量停留不动。 0s =正六边形空间旋转磁场正六边形空间旋转