第5章基于稳态模型的异步电动机调速系统

1、电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统 运动控制系统运动控制系统第第5章章基于稳态模型的异基于稳态模型的异步电动机调速系统步电动机调速系统 作业n思考题n5-4, 5-5n习题5-11n附加题n3、对于负载恒定的变压变频调速系统，在变频调速时，为何要保持磁通恒定？如何保持磁通恒定？4.画出由u2和u3电压空间矢量作用的PWM波形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，l1.采用稳态等值电路来分析采用稳态等值电路来分析l2.异步电动机在不同电压和频率供电条异步电动机在不同电压和频率供电条件下件下l3.

2、转矩与磁通转矩与磁通的稳态关系和机械特性，的稳态关系和机械特性，l4.并在此基础上设计异步电动机调速系并在此基础上设计异步电动机调速系统。统。基于稳态模型的调速方法基于稳态模型的调速方法常用的有常用的有:l1.调压调速调压调速l2. 变压变频调速两类。变压变频调速两类。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 同步转速同步转速 1160pfnn1fpn5.1 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1.异步电动机稳态等效电路异步电动机稳

3、态等效电路假定条件：假定条件：忽略空间和时忽略空间和时间谐波，间谐波，忽略磁饱和忽略磁饱和忽略铁损忽略铁损2212lrlsrssrsLLsRRUII2.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 sRIPrrm23l机械同步角速度机械同步角速度m1pmppnnfnnfn11111122l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 ）pmn11sRIPrm223异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性2212)(lrlssrmLLRRs0dsdTel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221

4、212)(23lrlsssspemLLRRUnTl最大转矩，又称临界转矩最大转矩，又称临界转矩 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 2212212)()(3lrlsrsrspeLLsRsRsRUnT当当s较大时，忽略分母中较大时，忽略分母中s零次项零次项l转矩近似与转矩近似与s成反比，机械特性是一段双曲线成反比，机械特性是一段双曲线22221131psreslslrn U RTss RLL2212212)()(3lrlsrsrspeLLsRsRsRUnT异步电动机的机

5、械特性异步电动机的机械特性图图5-3 异步电动机异步电动机的机械特性的机械特性TL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电动机参数、电源电压和电源频率（或角频率）。（或角频率）。22222113psresrlslrn U R sTsRRsLL5.1.2异步电动机的调速方法与气隙磁通异步电动机的调速方法与气隙磁通1.异步电动机的调速方法异步电动机的调速方法rrTeIKTcos2.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

6、感抗压降14.44SgsmNEf N k14.44SsgsmNUEf N k当改变频率当改变频率f1进行调速时进行调速时: 14.44SsgsmNUEf N k1gEf常数s1Uf常数或近似为或近似为 当当f1等于常数时，气隙磁通等于常数时，气隙磁通sgmUE 11fUfEsgm要保持气隙磁通恒定。要保持气隙磁通恒定。应使应使因为因为即在改变频率的同时即在改变频率的同时要改变电压要改变电压5.3 异步电动机变压变频调速异步电动机变压变频调速l变压变频调速是改变异步电动机变压变频调速是改变异步电动机同步转速同步转速的一的一种调速方法，同步转速随频率而变化种调速方法，同步转速随频率而变化ppnnf

7、n260601115.3.1 变压变频调速的基本原理变压变频调速的基本原理1(1)ns nl当频率从额定值向下调节时，必须使当频率从额定值向下调节时，必须使 14.44SgsNmNEN kf常值l基频以下应采用基频以下应采用 为恒值的控制方式。为恒值的控制方式。1fEg1.基频以下调速基频以下调速在在基频以下基频以下进行调速时，希望保持电动机中每极磁通进行调速时，希望保持电动机中每极磁通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芯，如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁芯，是一种浪费，如果过分增大磁通，又会使铁心饱和，从而导是一种浪费，如果过分增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致

8、过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。即保持磁通恒定即保持磁通恒定基频以下调速基频以下调速 常值1fUsglsssEILjRU11)(gsEU 则得则得由于磁通恒定由于磁通恒定，允许输出转矩也恒定允许输出转矩也恒定，属于恒转矩调速属于恒转矩调速由于电动势难以控制，当电动势值较高时，忽略定子由于电动势难以控制，当电动势值较高时，忽略定子电阻和漏感压降电阻和漏感压降Eg由由称为称为恒压频比控制方式恒压频比控制方式。22cosIKTTe基频以下调速基频以下调速存在的问题：存在的问题： glsssEILjRU11)(当频率比较低时，定子电阻和漏感

9、压降所占的份量比较当频率比较低时，定子电阻和漏感压降所占的份量比较显著（因频率较低时显著（因频率较低时EgEg也比较小），不能再忽略。仅也比较小），不能再忽略。仅保持保持U Us s/f/f1 1= =常数不能保持磁通恒定。常数不能保持磁通恒定。解决的方法：解决的方法：因此要人为地把定子电压抬高一些，以补因此要人为地把定子电压抬高一些，以补偿定子阻抗压降。偿定子阻抗压降。负载大小不同，需要补偿的定子电压也不一样。负载大小不同，需要补偿的定子电压也不一样。14.44SsgsmNUEf N k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

10、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2.基频以上调速基频以上调速14.44SsgsmNUEf N kemmTnf11l在基频以上调速时，频率从基频向上升高，受到电机绝在基频以上调速时，频率从基频向上升高，受到电机绝缘耐压限制，定子电压不能随之升高，最多只能保持额缘耐压限制，定子电压不能随之升高，最多只能保持额定电压不变。定电压不变。 这将导致磁通与频率成反比地降低，使得异步电动机磁这将导致磁通与频率成反比地降低，使得异步电动机磁通减少，通减少，Te减小。即转速上升，电磁转矩减少。只能实减小。即转速上升，电磁转矩

11、减少。只能实现现恒功率恒功率调速。调速。1memTP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一、一、基频以下采用基频以下采用恒压频比恒压频比控制控制 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)()(3lrlsrsrspeLLsRsRRsUnT22222113psresrlslrn U R sTsRRsLL基频以下调速基频以下调速l当当s很小时，忽略上式分母中含很小时，忽略上式分母中含s各项，各项，或或 2113sperUnTRs221

12、22121)()(3lrlsrsrspeLLsRsRRsUnT基频以下调速基频以下调速1.转速降落基本不变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 2113sperUnTRs基频以下调速基频以下调速3.临界转矩随着频率的降低而减小。临界转矩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，采用低频定子压降当频率较低时，电动机带载能力减弱，采用低频定子压降补偿，适当地提高电压，可以增强带载能力。补偿，适当地提高电压，可以增强带载能

13、力。221121)(123lrlsssspemLLRRUnTl4.转差功率（转子铜损）与转速无关转差功率（转子铜损）与转速无关故称作故称作转差功率不变型转差功率不变型。21213resmespR TPsPsTUn在恒压频比的条件下把频率向下调节时，机械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，临界转矩特性基本上是平行下移，临界转矩 减小减小2113sperUnTRs221121)(123lrlsssspemLLRRUnTl当频率较低时，电动当频率较低时，电动机带载能力减弱，采机带载能力减弱，采用低频定子压降补偿，用低频定子压降补偿，适当地提高电压，可适当地提高电压，可以增强

14、带载能力。以增强带载能力。变压变频调速变压变频调速l在基频以下，由于磁通恒定，允许输出在基频以下，由于磁通恒定，允许输出转矩也恒定，属于转矩也恒定，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，允许输出在基频以上，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，允许输出功转矩也随之降低，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。14.44SsgsmNUEf N k5.3.3 基频以下基频以下电压补偿电压补偿控制控制 l在基频以下运行时，采用恒压频比的控制方在基频以下运行时，采用恒压频比的控制方法

15、具有控制简便的优点。法具有控制简便的优点。l但负载变化时定子压降不同，将导致磁通改但负载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。变，须采用定子电压补偿控制。l根据根据定子电流的大小改变定子电压，以定子电流的大小改变定子电压，以保持磁通恒定。保持磁通恒定。l保持什么磁通恒定比较好？保持什么磁通恒定比较好？glsssEILjRU11)(三种磁通三种磁通l气隙磁通气隙磁通在定子每相绕组中的感应电动势在定子每相绕组中的感应电动势 14.44SgsmNEf N kl定子全磁通定子全磁通在定子每相绕组中的感应电动势在定子每相绕组中的感应电动势 l转子全磁通转子全磁通在转子每相绕组中在转

16、子每相绕组中的感应电动势的感应电动势 14.44SssmsNEf N k14.44SrsmrNEf N k1.恒定子全磁通控制恒定子全磁通控制 14.44SssmsNEf N kl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，能够直接控制的只有定子电动势不好直接控制，能够直接控制的只有定子电压，按定子电压，按l（1）只要根据定子电流的大小补）只要根据定子电流的大小补偿定子电阻压降，即恰当的提高定偿定子电阻压降，即恰当的提高定子电压，就能够得到恒定子磁通。子电压，就能够得到恒定子磁通。 1/ fEssssEIRU1常值常值（2 2）恒定子磁通）恒定子磁通 控制的机械特性控制的机械

17、特性 1fEs忽略励磁电流，转子电流忽略励磁电流，转子电流2212)(lrlsrsrLLsREI恒定子磁通控制恒定子磁通控制 221121)(123lrlsssspemLLRRUnT)(1lrlsrmLLRsl临界转矩临界转矩 )(12321lrlsspemLLEnT结论：恒定子磁通控制的结论：恒定子磁通控制的临界转差率临界转差率,临界转矩大临界转矩大于恒压频比控制方式。于恒压频比控制方式。临界转差率临界转差率2212)(lrlssrmLLRRs恒压频恒压频比控制比控制2.恒气隙磁通控制恒气隙磁通控制 l保持气隙磁通恒定：保持气隙磁通恒定： l定子电压定子电压l（1）除了补偿定子）除了补偿定子

18、电阻压降外，还应补电阻压降外，还应补偿定子漏抗压降。偿定子漏抗压降。 1/gEglsssEILjRU11)(常值常值（2）恒气隙磁通控制的机械特性）恒气隙磁通控制的机械特性 l转子电流转子电流l电磁转矩电磁转矩 2212lrrgrLsREI恒气隙磁通控制恒气隙磁通控制 )(12321lrlsspemLLEnT1lrrmLRsl临界转矩临界转矩 结论：与恒定子磁通控制方式相比较，恒气隙磁通结论：与恒定子磁通控制方式相比较，恒气隙磁通控制方式的控制方式的临界转差率，临界转差率，临界转矩更大临界转矩更大，机械特性，机械特性更硬。更硬。 临界转差率临界转差率21123lrspemLEnT3.恒转子磁通

19、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（1）除了补偿定）除了补偿定子电阻压降外，还子电阻压降外，还应补偿定子和转子应补偿定子和转子漏抗压降。漏抗压降。 常值常值（2）恒转子磁通控制的机械特性）恒转子磁通控制的机械特性 l转子电流转子电流l电磁转矩电磁转矩 恒转子磁通控制恒转子磁通控制 优点：机械特性完全是一条直线，可优点：机械特性完全是一条直线，可以获得和直流电动机一样的线性机以获得和直流电动机一样的线性机械特性，械特性，这正是高性能交流变频调速所要求的这正是高性能交流变频调速所要求的稳态性能。稳态性能。4. 小结小结（1）不同控制方式下的机械特性不同

20、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(2)不同控制方式下的比较不同控制方式下的比较la)恒压频比控制最容易实现，它的变频机械特性基本上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，能够满足一般的调速要求，是平行下移，硬度也较好，能够满足一般的调速要求，低频时需适当提高定子电压，以近似补偿定子阻抗压降。低频时需适当提高定子电压，以近似补偿定子阻抗压降。l(b)恒定子磁通、恒气隙磁通和恒转子磁通的控制方式均恒定子磁通、恒气隙磁通和恒转子磁通的控制方式均需要对

21、定子电压进行补偿，控制要复杂一些。需要对定子电压进行补偿，控制要复杂一些。l(c)恒定子磁通和恒气隙磁通的控制方式虽然改善了低速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，仍受到临界转矩的限性能。但机械特性还是非线性的，仍受到临界转矩的限制。制。l(d)恒转子磁通控制方式可以获得和直流他励电动机一样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。的线性机械特性，性能最佳。5.4 电力电子变压变频器电力电子变压变频器l异步电动机变频调速需要电压与频率均可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调的交流电源，常

22、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电力电子器件构成的静止式功率变换器，一般称为变频器。器，一般称为变频器。5.4 电力电子变压变频器电力电子变压变频器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，称作流，称作间接变频间接变频。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，称作节，称作直接变频直接变频。(这种方案在一个阶段曾占这

23、种方案在一个阶段曾占主流，但因为它对电网污染严重，且已经有替代主流，但因为它对电网污染严重，且已经有替代品而退出主流，面临淘汰。品而退出主流，面临淘汰。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-交变频器交变频器b）交）交-交交变频器变频器 5.4.1 交直交交直交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l左边是不可控整流桥，将三相交流电整流成电压恒定的左边是不可控整流桥，将三相交流电整流成电压恒定的直流电压。直流电压。l右边是逆变器，将直流电压变换为频率与电压均可调的右边是

24、逆变器，将直流电压变换为频率与电压均可调的交流电。交流电。l中间的滤波环节是为了减小直流电压脉动而设置的。中间的滤波环节是为了减小直流电压脉动而设置的。1.系统结构系统结构l主回路只有一套可控功率级，具有结构简单、主回路只有一套可控功率级，具有结构简单、控制方便的优点，采用脉宽调制的方法，输出谐控制方便的优点，采用脉宽调制的方法，输出谐波分量小。波分量小。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，称作泵升能回馈至电网，造成直流侧电压上升，称作泵升电压。电压。2.特点特点（1）正弦波脉宽调制（）正弦波脉宽调制（SPWM）技

25、术）技术（2）消除指定谐波的）消除指定谐波的PWM（SHEPWM）控制技）控制技术术（这种方法计算工作量太大，不宜用于实时控制）（3）电流跟踪（）电流跟踪（F）控制技术）控制技术（）电压空间矢量（）电压空间矢量PWM（SVPWM)控制技术控制技术 常用常用 的有（的有（1）（）（3）（）（4）三种）三种3.PWM脉宽调制的方法有四种脉宽调制的方法有四种5.4.2正弦波脉宽调制正弦波脉宽调制（SPWM）技术技术l1、以、以频率频率与与期望期望的输出电压波的输出电压波相同相同的正弦波作的正弦波作为为调制波调制波，以频率比期望波高得多的等腰三角波，以频率比期望波高得多的等腰三角波作为载波。作为载波。

26、l2、由它们的、由它们的交点交点确定逆变器开关器件的通断时确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得刻，从而获得幅值相等幅值相等、宽度按正弦规律变化的宽度按正弦规律变化的脉冲序列脉冲序列，这种调制方法称作正弦波脉宽调制，这种调制方法称作正弦波脉宽调制（Sinusoidal pulse Width Modulation，简称，简称SPWM）。）。图6-5urucuOtOtuouofuoUd- Ud5.4.2 正弦波脉宽调制技术正弦波脉宽调制技术图6-19 三相桥式PWM逆变器主电路原理图调制电路V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4ucV6VD6V5VD5BACOOC+C+urUurVurW2Ud

27、2UdVT1VT4VT3VT6VT5VT25.4.2 正弦波脉宽调制技术正弦波脉宽调制技术图图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) 三相正弦调制波与三相正弦调制波与双极性三角载波双极性三角载波b）、）、c）、）、d）三相）三相电压电压e）输出线电压）输出线电压f）电动机相电压）电动机相电压调制波调制波ur它与期望的变频器它与期望的变频器输出电压基波的频率和相位相输出电压基波的频率和相位相同，幅值成正比同，幅值成正比。Uc为三角载波为三角载波,Uda1去驱动去驱动A相上桥臂，相上桥臂， Uda4驱动下桥臂开关器件，则驱动下桥臂开关器件，则A相输出电压相输出电压UA

28、o为序列脉冲，为序列脉冲，其基波频率和相位与其基波频率和相位与UA相同，幅值与相同，幅值与Ur成正比。成正比。在调制度在调制度为为1 时，时， UAO的基波幅值为的基波幅值为1/2Ud，而线电压的，而线电压的幅值为幅值为0.866Ud,因此直流电压的利用率只有因此直流电压的利用率只有0.866.这是这是SPWM调制技术的主要缺点。调制技术的主要缺点。上图表示自然采样法，此法不易实现，通常采用规则采样法，上图表示自然采样法，此法不易实现，通常采用规则采样法，规则采样法即在载波的负峰值处对规则采样法即在载波的负峰值处对ur采样，此采样值与载波采样，此采样值与载波uc经比较器后生成驱动脉冲。这样的采

29、样法由微处理器的数经比较器后生成驱动脉冲。这样的采样法由微处理器的数字式波形发生器实现。字式波形发生器实现。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）的控制方法是：方法是：l在原来主回路的基础上，采用电流闭环控制，使实际电流在原来主回路的基础上，采用电流闭环控制，使实际电流快速跟随给定值。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形，这就能比电在稳态时，尽可能使实际电流接近正弦波形，这就能比电压控制的压控制的SPWM获得更好的性能。获得更好的性能。图图5-19 电流滞环跟踪控

30、制的电流滞环跟踪控制的A相原理图相原理图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。三相电流跟踪型PWM逆变电路 +-iUi*UV4+-iVi*V+-iWi*WV1V6V3V2V5UdUVWVT1VT4VT6VT2VT3VT55.4.4 电流跟踪电流跟踪PWM（CFPWM）控制技术）控制技术l电流滞环跟踪控制方法的电流滞环跟踪控制方法的精度高、响应快，且易于精度

31、高、响应快，且易于实现。但功率开关器件的实现。但功率开关器件的开关频率不定。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，同时还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约。受到功率开关器件允许开关频率的制约。l当环宽选得较大时，开关频率低，但电流波形失当环宽选得较大时，开关频率低，但电流波形失真较多，谐波分量高；真较多，谐波分量高；l如果环宽小，如果环宽小，电流跟踪性能好电流跟踪性能好，但开关频率却增，但开关频率却增大了。大了。l实际使用中，应在器件开关频率允许的前提下，实际使用中，应在器

32、件开关频率允许的前提下，尽可能选择小的环宽。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，以产生把逆变器和交流电动机视为一体，以产生圆形旋圆形旋转磁场转磁场为目标来控制逆变器的工作，这种控制方为目标来控制逆变器的工作，这种控制方法称作法称作“磁链跟踪控制磁链跟踪控制”，磁链轨迹的控制是通，磁链轨迹的控制是通过交替使用不同的过交替使用不同的电压空间矢量电压空间矢量实现的，所以又实现的，所以又称称“电压空间矢量电压空间矢量PWMPWM（SVPWMSVPWM，Space Vector Space Vector PWMPW

33、M）控制）控制”。1.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、磁链等物理量都是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，如果考虑到它们所在绕组的空间位置，随时间变化的，如果考虑到它们所在绕组的空间位置，可以定义为可以定义为空间矢量空间矢量。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 （1）定子电压空间矢量）定子电压空间矢量2jjAOBOCOkukuekuesAOBOCOuuuu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 l（2）定子

34、电流空间矢量）定子电流空间矢量 2jjAOBOCOkikiekiesAOBOCOiiii2jjAOBOCOkkekesAOBOCOl（3）定子磁链空间矢量）定子磁链空间矢量 l（4）功率空间矢量）功率空间矢量2222222p =Re()Re()()()Re()s sjjjjAOBOCOAOBOCOAO AOBO BOCO COjjjBO AOCO AOAO BOjjjCO BOAO COBO COkuueueiieiekuiuiuikuieuieuieuieuieuieu iss、ii共轭矢量共轭矢量 考虑到三相对称瞬时电流考虑到三相对称瞬时电流0AOBOCOiii232233p =()22A

35、O AOBO BOCO COkuiuiuik pp=AO AOBO BOCO COuiuiuil按功率空间矢量与三相瞬时功率相等的原则按功率空间矢量与三相瞬时功率相等的原则 23k三相瞬时功率三相瞬时功率)(21)(Re2222COCOBOBOAOAOjCOBOjCOAOjBOCOjBOAOjAOCOjAOBOiuiuiukeiueiueiueiueiueiukp2.空间矢量表达式空间矢量表达式 22()3jjAOBOCOuueuesu22()3jjAOBOCOiieiesi22()3jjAOBOCOees23l当定子相电压为三相对称正弦电压时当定子相电压为三相对称正弦电压时us是一个以电源频

36、率是一个以电源频率1为角速度作恒速旋转的空间矢为角速度作恒速旋转的空间矢量量，当某一相电压为最大值，当某一相电压为最大值 时，合成矢量时，合成矢量us就落在该相就落在该相 绕组绕组的轴线上的轴线上3.三相合成的空间电压矢量三相合成的空间电压矢量usmsmsmtjsmtjmjmjmmCOBOAOsUUtUeUeUetUetUtUuuuu2323)34cos()32cos(cos3212111114.电压空间矢量与磁链空间矢量的关系电压空间矢量与磁链空间矢量的关系 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 忽略定子电阻压降，定子合成电压与合成磁链空间矢忽略定子电阻压降，定

37、子合成电压与合成磁链空间矢量的近似关系为量的近似关系为dtdRssssiudtdssu dtssu或或tus（1）关系式）关系式l当电动机由三相对称正弦电压供电时，电动机定子当电动机由三相对称正弦电压供电时，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形（简称为磁链圆）。顶端的运动轨迹呈圆形（简称为磁链圆）。l定子磁链空间矢量定子磁链空间矢量)(1tjsesl定子电压定子电压l空间矢量空间矢量111()()()211()jtsjtjtssdedtjeesu（2）结论）结论 1)磁链的运动方向与电压空间矢量的运动方向一致，磁

38、链磁链的运动方向与电压空间矢量的运动方向一致，磁链旋转的速度与电压空间矢量一样。若将电压矢量的参考点旋转的速度与电压空间矢量一样。若将电压矢量的参考点放在一起，则电压矢量的轨迹也一个圆放在一起，则电压矢量的轨迹也一个圆2)因此，因此，将将电动机旋转磁场的轨迹问题就转化为电压电动机旋转磁场的轨迹问题就转化为电压空间矢量的轨迹问题。空间矢量的轨迹问题。ssU15.PWM逆变器输出基本电压矢量逆变器输出基本电压矢量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)(sinsi

39、n)3 233333jjjjddddUUeeeeUjU1u8个基本空间矢量个基本空间矢量当当 1 10ABCSSSuuu222dddABCUUU2423332(1)(1)3 2222424(1coscos)(sinsin)3 2333322(13)3 23jjjjdddjddUUeeeeUjUjU e2u0132jdeUu 16uul2个零矢量个零矢量l6个有效工作矢量个有效工作矢量07uu、幅值为幅值为 23dU空间互差空间互差 33132kjdkeUu6.正六边形空间旋转磁场正六边形空间旋转磁场 16uu6Tt tt331l6个有效工作矢量完成一个周期，输个有效工作矢量完成一个周期，输出基

40、波电压角速度出基波电压角速度 l6个有效工作矢量个有效工作矢量也即每个有效工作矢量作用也即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，即时间，即6个个IGBT开开关开通和断开持续时间为关开通和断开持续时间为t,正六边形空间旋转磁场正六边形空间旋转磁场 23dUtk=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定子磁链矢量运动方向与电压矢量相同，增量的幅值等于压矢量相同，增量的幅值等于dtdssu 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

41、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 us的旋转方向，也是的旋转方向，也是us的方向的方向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，在一个周期内，6个有个有效工作矢量效工作矢量顺序顺序作用一作用一次，定子磁链矢量是一次，定子磁链矢量是一个封闭的正六边形。个封闭的正六边形。l六边形旋转磁场带有较大的六边形旋转磁场带有较大的谐波分量谐波分量，这将这将导致转导致转矩与转速的脉动矩与转速的脉动。不能应用于变频调速系统。解决的不能应用于变频调速系统。解决

42、的方法是采用正多边形的磁链轨迹，如正十二边形，正二十四方法是采用正多边形的磁链轨迹，如正十二边形，正二十四边形边形1）基本思想）基本思想l按空间矢量的平行四边形合成法则，按空间矢量的平行四边形合成法则，用相邻的两个用相邻的两个有效工作矢量合成有效工作矢量合成期望期望的输出空间电压矢量的输出空间电压矢量，这就，这就是电压空间矢量是电压空间矢量PWM（SVPWM）的基本思想。）的基本思想。7.期望电压空间矢量期望电压空间矢量2）电压空间矢量的六个）电压空间矢量的六个扇区扇区图图5-27 电压空间矢量的电压空间矢量的6个扇区个扇区3l按按6个有效工作矢量将电压矢个有效工作矢量将电压矢量空间分为对称的

43、六个扇区，量空间分为对称的六个扇区，l 每个扇区角度为每个扇区角度为l当期望输出电压矢量落在某当期望输出电压矢量落在某个扇区内时个扇区内时，就用与期望输出，就用与期望输出电压矢量相邻的电压矢量相邻的2个有效工作矢个有效工作矢量等效地合成期望输出矢量。量等效地合成期望输出矢量。tss = u（3）以正十二边形磁链轨迹）以正十二边形磁链轨迹为例，为例，如图示。若初始磁链为如图示。若初始磁链为s（0），），在磁链的在磁链的扇区，扇区， s（0）的起）的起点为点为A点，正十二边形的边为点，正十二边形的边为AB，根据前述原理，根据前述原理，AB的边的方向既的边的方向既是是s的旋转方向，也是的旋转方向，也

44、是us的方向，的方向，但但us不是基本的电压矢量，要获不是基本的电压矢量，要获得得us，可采用基本矢量的线性组，可采用基本矢量的线性组合。合。us落在电压空间矢量的落在电压空间矢量的I扇区扇区.在在AB段，是电压空间矢量段，是电压空间矢量图图5-28 期望输出电压矢量的合成期望输出电压矢量的合成的夹角的夹角 的线性组合的线性组合1usu为为2u1u与与su磁链的每个扇区为磁链的每个扇区为一个开关周期一个开关周期T0，的作用时间的作用时间 为为 1u2u1t的作用时间为的作用时间为2t121200123002233sjddttTTttUU eTTuuu合成电合成电压空间压空间矢量矢量在一个开关周

45、期在一个开关周期 T022110tutuTus所产生的磁链的增量为所产生的磁链的增量为即开关状态为（即开关状态为（1，0，0）的持续时间）的持续时间l由正弦定理可得由正弦定理可得120022332sinsin()sin33ddsttUUTTus012sin()3du TtUs022usindTtU两个基本矢量作用时间之和应满足两个基本矢量作用时间之和应满足即即t1+t2T02100ttTt其余时间可用零矢量其余时间可用零矢量u0和和u7来填补来填补l零矢量的作用时间零矢量的作用时间 取决于取决于us与与u1的夹角，对于正十二边形，的夹角，对于正十二边形，一个大磁链扇区分成了两个小磁链扇区，在一

46、个大磁链扇区分成了两个小磁链扇区，在第一个小磁链扇区第一个小磁链扇区1=150，在第二个小磁链，在第二个小磁链扇区扇区2=450当当 输出电压空间矢量输出电压空间矢量幅值幅值最大为最大为6120ttTsmax2dUu最大最大s012sin()3du TtUs022usindTtUt1=t2（4）电压空间矢量的合成的优点）电压空间矢量的合成的优点： smax2dUumsmUU23l当定子三相电压为三对称正弦电压时，三相合成电压矢量幅当定子三相电压为三对称正弦电压时，三相合成电压矢量幅值值 与与三相基波电压的幅值三相基波电压的幅值Um的关系为的关系为l基波相电压最大幅值基波相电压最大幅值 l基波线

47、电压最大幅值基波线电压最大幅值 maxmax3lmmdUUUmaxmax233dmsUUu期望电压空间矢量的合成期望电压空间矢量的合成 lSPWM的基波线电的基波线电压最大幅值为压最大幅值为 两者之比两者之比 lSVPWM方式的逆变器输出线电压基波最大值为直流侧电压，方式的逆变器输出线电压基波最大值为直流侧电压，比比SPWM逆变器输出电压最多提高了约逆变器输出电压最多提高了约15%。23maxdlmUU1.1532maxmaxlmlmUUlSVPWM的基波线的基波线电压最大幅值为电压最大幅值为 dlmUUmax8.SVPWM的实现的实现 l1、通常以、通常以开关损耗开关损耗和和谐波分量谐波分量

48、都较小为原都较小为原则，来安排基本矢量和零矢量的作用顺序，则，来安排基本矢量和零矢量的作用顺序，2、一般在、一般在减少开关次数减少开关次数的同时，尽量使的同时，尽量使PWM输出波形输出波形对称，以减少谐波分量。对称，以减少谐波分量。 实现的原则：实现的原则：(1)零矢量集中的实现方法零矢量集中的实现方法 1) 按照对称原则，将两个基本电压矢量的作用时间按照对称原则，将两个基本电压矢量的作用时间平分为二后，安放在开关周期的首端和末端。平分为二后，安放在开关周期的首端和末端。2) 零矢量的作用时间放在开关周期的中间，并按开零矢量的作用时间放在开关周期的中间，并按开关次数最少的原则选择零矢量。关次数

49、最少的原则选择零矢量。l特点：在一个开关周期内，特点：在一个开关周期内，有一相的状态保持不有一相的状态保持不变。变。从一个矢量切换到另一个矢量时，只有一相状从一个矢量切换到另一个矢量时，只有一相状态发生变化，因而态发生变化，因而开关次数少，开关损耗小开关次数少，开关损耗小。图图5-29 零矢量集中的零矢量集中的SVPWM实现实现SVPWM波形波形用用u1和和u2两个基本电压空间矢量产生期两个基本电压空间矢量产生期望的电压空间矢量所需的望的电压空间矢量所需的PWM波形波形(2)零矢量分散的实现方法零矢量分散的实现方法 lA.将零矢量平均分为将零矢量平均分为4份，在开关周期的首、份，在开关周期的首

50、、尾各放尾各放1份，在中间放两份。份，在中间放两份。lB .将两个基本电压矢量的作用时间平分为二将两个基本电压矢量的作用时间平分为二后，插在零矢量中间。后，插在零矢量中间。lC .按开关次数最少的原则选择矢量。按开关次数最少的原则选择矢量。图图5-30 零矢量分散的零矢量分散的SVPWM实现实现SVPWM波形波形用用u1和和u2两个基本电压空间矢量产生期望的电压空两个基本电压空间矢量产生期望的电压空间矢量所需的间矢量所需的PWM波形波形零矢量分散实现的方法零矢量分散实现的方法 l特点：每个周期均以零矢量开始，并以特点：每个周期均以零矢量开始，并以零矢量结束。零矢量结束。l从一个矢量切换到另一个

51、矢量时，只有从一个矢量切换到另一个矢量时，只有一相状态发生变化。一相状态发生变化。l在一个开关周期内，三相状态均各变化在一个开关周期内，三相状态均各变化一次，开关损耗略大于零矢量集中的方法。一次，开关损耗略大于零矢量集中的方法。8.SVPWM控制的定子磁链控制的定子磁链 l将占据将占据/3的定子磁链矢量轨迹等分为的定子磁链矢量轨迹等分为N个小区个小区间，每个小区间所占的时间为间，每个小区间所占的时间为T0 l定子磁链矢量轨迹为正定子磁链矢量轨迹为正6N边形，边形，轨迹更接近于圆，谐波分量小，轨迹更接近于圆，谐波分量小，能有效减小转矩脉动。能有效减小转矩脉动。11033NNTVstSVPWM控制

52、的定子磁链控制的定子磁链 l在每个小区间内，定在每个小区间内，定子磁链矢量的增量为子磁链矢量的增量为图图5-31 期望的定子磁链矢量轨期望的定子磁链矢量轨迹迹 0)()(Tkkssu非基本电压量非基本电压量 必须用两个基本矢必须用两个基本矢量合成。量合成。( )skuSVPWM控制的定子磁链控制的定子磁链 l为了产生为了产生 l定子磁链矢量的增量为定子磁链矢量的增量为 (0)s53016211222(0)(0)33jssddTtttU etUuuu7步完成步完成的定子磁链的定子磁链，采用零矢量分散实现的方法，采用零矢量分散实现的方法 图图5-32定子磁链矢量的运动定子磁链矢量的运动的的7步轨迹

53、步轨迹211616211.(0,1)02.(0,2)23.(0,3)2(0,*)4.(0,4)05.(0,5)26.(0,6)27.(0,7)0ssssssssttttuuuuSVPWM控制的定子磁链控制的定子磁链 弧度内实际的定子弧度内实际的定子图图5-33 N=4时，实际的定子磁链矢量轨迹时，实际的定子磁链矢量轨迹3磁链矢量轨迹磁链矢量轨迹 l定子磁链矢量轨迹定子磁链矢量轨迹 合成和要用21)3(),2(uussSVPWM控制的定子磁链控制的定子磁链 弧度的定子图图5-34 定子旋转磁链矢量轨迹定子旋转磁链矢量轨迹磁链矢量轨迹 l定子磁链矢量轨迹定子磁链矢量轨迹 20SVPWM控制的定子磁

54、链控制的定子磁链 l实际的定子磁链矢量轨迹在期望的磁链实际的定子磁链矢量轨迹在期望的磁链圆周围波动。圆周围波动。N越大，磁链轨迹越接近于越大，磁链轨迹越接近于圆，但开关频率随之增大。圆，但开关频率随之增大。l由于由于N是有限的，所以磁链轨迹只能接是有限的，所以磁链轨迹只能接近于圆，而不可能等于圆。近于圆，而不可能等于圆。SVPWM控制有以下的特点控制有以下的特点 1）8个基本输出矢量，个基本输出矢量，6个有效工作矢量和个有效工作矢量和2个零矢量，个零矢量，在一个旋转周期内，每个有效工作矢量只作用在一个旋转周期内，每个有效工作矢量只作用1次的方次的方式，生成正式，生成正6边形的旋转磁链，谐波分量

55、大，导致转矩边形的旋转磁链，谐波分量大，导致转矩脉动。脉动。2）用相邻的）用相邻的2个有效工作矢量，合成任意的期望输出电个有效工作矢量，合成任意的期望输出电压矢量，压矢量，使磁链轨迹接近于圆。开关周期越小，旋转磁使磁链轨迹接近于圆。开关周期越小，旋转磁场越接近于圆，但功率器件的开关频率将提高。场越接近于圆，但功率器件的开关频率将提高。3）用电压空间矢量直接生成三相）用电压空间矢量直接生成三相PWM波，计算简便。波，计算简便。4） 与一般的与一般的SPWM相比较，相比较，SVPWM控制方式的输出电压控制方式的输出电压最多可提高最多可提高15%。变压变频调速怎么实现?121200123002233

56、sjddttTTttUU eTTuuu常量11ssssUU103NT 当减小频率当减小频率1时时T0 usSVPWM控制技术例题控制技术例题交直交变频器的Ud=537V，磁链矢量为正十二边形。1）若期望输出电压空间矢量幅值us=380V，频率f1=50Hz,求一个开关区间的t1、t2。画出该区间的三相驱动脉冲波形，以及线电压uAB波形。2）若期望输出电压空间矢量幅值us=190V,频率f1=25Hz,求一个开关区间的t1、t2。画出该区间的三相驱动脉冲波形，以及线电压uAB波形解：1）由式（5-83），（5-84）求出t1、t2式中式中-us与与u1的夹角，在一个扇区中，对于正十二边形磁链轨迹

57、，由两个开的夹角，在一个扇区中，对于正十二边形磁链轨迹，由两个开关区间组成，第一个开关区间关区间组成，第一个开关区间=150。T0开关区间的周期开关区间的周期sin2)3sin(20201dsdsUTutUTutmsNfNTTrr12205012110msttTt056. 02100mstmst43. 012sin5371220380218. 1)123sin(5371220380221ABut0=T0-t1-t2=0.056msmsNfNTTrr33. 36202512110mstmst43. 012sin537620190218. 1)123sin(537620190221t0=T0-t1

58、-t2=1.72mst1、t2与旋转频率无关与旋转频率无关,可保证定子磁链的最可保证定子磁链的最大值与电机的旋转速度无关大值与电机的旋转速度无关,即保持磁通不变即保持磁通不变5.5 转速开环变压变频调速系统转速开环变压变频调速系统l风机、水泵等负载对调速性能要求不高，只要风机、水泵等负载对调速性能要求不高，只要在一定范围内能实现高效率的调速即可。对于在一定范围内能实现高效率的调速即可。对于这类负载，可根据电动机的稳态模型，采用转这类负载，可根据电动机的稳态模型，采用转速开环电压频率协调控制的方案。这就是一般速开环电压频率协调控制的方案。这就是一般的通用变频器控制系统。的通用变频器控制系统。5.

59、5.1 转速开环变压变频调速系统结构转速开环变压变频调速系统结构 已知期望的的输出电压幅值和频率，根据前述原理可求已知期望的的输出电压幅值和频率，根据前述原理可求出三相逆变桥的六相驱动脉冲，经变频器输出的三相变出三相逆变桥的六相驱动脉冲，经变频器输出的三相变频电压幅值与频电压幅值与Us成正比，变频电压的频率与成正比，变频电压的频率与1相同相同*11101*11101*11*1100)()()(ttdownNttupNdttdtttl2.给定积分器作用：给定积分器作用：限制起动、制动电流。限制起动、制动电流。l频率设定必须通过给定积分算法产生平缓的升速或降速频率设定必须通过给定积分算法产生平缓的

60、升速或降速信号，信号，给定积分器特性给定积分器特性的时间下降到从额定频率的时间上升到额定频率从001down1NNup 电机加速运行电机加速运行电机减速运行电机减速运行3.电压补偿特性的作用：电压补偿特性的作用：是保证低频段的转矩是保证低频段的转矩不至于明显减小。不至于明显减小。l补偿特性为补偿特性为NNNsfUfU111111)()(l当实际频率大于或等于额定频率时，只能保持额定电压不当实际频率大于或等于额定频率时，只能保持额定电压不变。而当实际频率小于额定频率时，一般是带低频补偿的变。而当实际频率小于额定频率时，一般是带低频补偿的恒压频比控制。恒压频比控制。5.5.2 系统实现系统实现系统