电力拖动自动控制系统第三版 课件 第4-6章 闭环直流调速系统的动态分析；可逆直流调速系统；基于稳态数学模型的异步电动机调速控制系统

直流调速部分

第4章

闭环直流调速系统的动态分析和设计内容概要动态调速指标；单闭环直流调速系统的动态分析；转速、电流双闭环直流调速系统的动态分析；闭环直流调速系统的自适应控制。本章讲述：*1.跟随性能指标

在给定信号的作用下，系统输出量的变化情况用跟随性能指标来描述。具体的跟随性能指标有图4-1所示的各项内容。

4.1动态调速指标*①上升时间②超调量③调节时间

图4-1表示跟随性能指标的单位阶跃响应曲线

4-1*2.抗扰性能指标

系统受到外部扰动，引起输出量的变化。输出量变化多少？经过多长时间能恢复稳定运行？这些问题反映了系统抵抗扰动的能力，抗扰性能指标有以下几项。*①最大动态变化量：

系统稳定运行时，突加一定数值的扰动后所引起的输出量的最大变化，用原稳态值输出

的百分数表示，叫做最大动态变化量。（4-2）*②恢复时间

从阶跃扰动作用开始，到输出量基本上恢复稳态，与新稳态值

误差在5%或2%范围之内所需的时间，定义为恢复时间

。相关参数如图4-2所示。图4-2突加负载过渡过程抗扰性指标*

上述动态指标都属于时域上的性能指标，在进行工程设计时，作为系统的性能指标还有一套频域上的提法。根据系统开环频率特性提出的性能指标为相角裕量

和截止频率

；根据系统的闭环幅频特性提出的性能指标位闭环幅频特性峰值

和闭环特性通频带

。相角裕量

和闭环幅频特性峰值

反映系统的相对稳定性，开环特性截止频率

和闭环特性通频带

反映系统的快速性。*4.2.1ASR为比例调节器的单闭环直流调速系统的稳定性分析

将图2-32中的转速调节器ASR设计成比例调节器，可得到采用比例调节器的单闭环直流调速系统的动态结构图，如图4-3所示

4.2单闭环直流调速系统的动态分析*4-3采用比例调节器的单闭环直流调速系统动态结构图*1.系统的开环与闭环传递函数依据图4-3，令只考虑转速给定作用，可求得单闭环直流调速系统的开环传递函数为（4-4）*式中，闭环传递函数为，（4-5）*由式（4-5）可知，系统的特征方程2.系统的稳定条件（4-6）写成一般表达式为

式中*

根据三阶系统的劳斯判据，系统稳定的充分必要条件是

式(4-6)的各项系数显然都是大于零的，因此稳定条件就只有*也即整理后得*

式(4-8)中，

称作系统的临界放大系数，当K≥

时，系统将不稳定。对于一个自动控制系统来说，稳定性是系统能否正常工作的必要条件，这是在设计时必须首先保证的。*【例4-1】对于V-M系统，将其构成转速单闭环调速系统，已知：电动机额定数据10kW，220V，55A，1000r/min，电枢回路电阻

。又知道晶闸管整流装置采用三相桥式全控整流电路，电枢回路总电感为

，电枢回路总电路1.0Ω，整流器放大系数

，整个系统的飞轮惯量为

，试分析系统的稳定性。*解：计算系统各时间常数为保证系统稳定，根据式（4-8），系统的开环放大倍数应为*若已知：当要求

，静差率s≤5%时，则系统的开环放大倍数应该为

≥*

为使系统稳定，希望

，为了满足系统的静态特性要求，应该使

。可见，稳态精度和动态稳定性的要求是矛盾的，为了满足生产工艺要求，二者必须相互兼顾。*

调速系统属于恒值自动控制系统，所以讨论这类系统的给定输入稳态误差必要性不是很大，因此就应用而言，研究扰动引起的稳态误差对调速系统来说才是有意义的。3.扰动引起的稳态误差分析*只考虑扰动作用，把图4-3可以改画为图4-4的形式。图4-4负载扰动作用下ASR为比例调节器的单闭环调速系统动态结构图*

在分析由扰动引起的稳态误差时，令

。则系统的误差为（4-9）*

当突加负载时（扰动为阶跃信号），

，应用终值定理求出

时稳态的稳态误差

。（4-10）*

在系统稳定的情况下，式（4-10）表明转速调节器为比例调节器的单闭环直流调速系统对于扰动而言是有稳态误差的，因此转速调节器为比例调节器的单闭环直流调速系统被称为有静差调速系统。*4.2.2ASR采用PI调节器的单闭环直流调速系统动态分析

将图2-32中的转速调节器ASR设计成比例－积分调节器，简称PI调节器（Proportional-IntegratedRegulator），就得到采用PI调节器的单闭环直流调速系统动态结构图，如图4-5所示。*

图4-5 采用PI调节器的单闭环直流调速系统动态结构图

*

图中，

，其中，

为PI调节器的比例放大系数；

为PI调节器的积分时间常数；

为微分项中的超前时间常数。*（1）系统的开环传递函数

依据图4-5，可求得在给定作用下系统的开环传递函数如下。

1.系统的稳定性

（4-11）*（2）系统的闭环传递函数

依据图4-5，可求得在给定作用下系统的闭环传递函数如下。（4-12）*

由式（4-12）可知，系统的特征方程为（4-13）根据式（4-13）列写劳斯表如下：根据劳斯判据可知，系统稳定的条件为（4-14）由式（4-14）可知，当K、

的组合满足上式时，系统才能稳定。*

图4-6给出了系统的起动波形。起动之初，系统中只有

和

在起作用，电枢电流迅速上升并达到临界电流

。（见图4-7）2.系统的动态分析

随着转速n的升高，转速负反馈

不断增加，电枢电流后来还是较快地下降。直至降为负载电流

，系统进入稳态。*

图4-6

带电流截止负反馈单闭环

调速系统的起动过程

图4-7调速系统理想起动过程

*负载扰动时的调节过程

如在

时刻，负载突然增加，对应的负载电流由原来的

增至

（

），PI调节器开始进行调节作用，调节过程如下：*

此过程是靠整流电压

的增加量去补偿由于负载电流增大引起的那部分主回路电阻压降

，(见图4-8)，以使转速回升。*

图4-8负载干扰时的调节过程

*需要注意的是无静差只是在稳态意义上的无差，在动态过程中还是有差的。通常希望动态调节过程中最大转速降落

小一些，系统动态恢复过程快一些（

小些）。*

综上所述，积分作用可以把调节过程中的偏差积累起来，稳态时不再靠偏差来维持输出值（

），因而构成了无静差调速系统。*如果只考虑扰动作用，则图4-5可以画为图4-9形式

图4-9负载扰动作用下单闭环调速系统的动态结构图

*1）当ASR采用比例调节器（比例系数为Kp）时，由系统的闭环传递函数：稳态误差为：（4-15）*2）当ASR采用PI调节器时，扰动作用下，引起的稳态误差（4-17）稳态误差为：（4-18）*

式(4-18)再次表明，ASR采用PI调节器时，转速单闭环直流调速系统对扰动而言为无静差调速系统。*4.2.3调节器设计对电力拖动自动控制系统的基本要求是：①系统必须是稳定的；②动态性能好；③稳态精度高。*

在调速系统中，调速系统的要求是以动态品质和稳态精度为主，因而通常主要采用PI调节器；在伺服系统中，快速性是主要要求，须用PD或PID调节器。调节器选取*

在设计调节器时，主要的研究工具是伯德图（BodeDiagram），即开环对数频率特性的渐近线。在实际系统中，动态稳定性不仅必须保证，而且还要一定的裕度，一般要求调节技术指标*自动控制系统的典型伯德图如图4-10所示波特图四大特征图4-10自动控制系统的典型伯德图*由图我们知道：1）中频段以-20dB/dec的斜率穿越0dB线，而且这一斜率能覆盖足够的频带宽度，则系统的稳定性好。2）截止频率（或称剪切频率）

越高，则系统的快速性越好。*3）低频段的斜率陡、增益高，说明系统的稳态精度高。4）高频段衰减越快，即高频特性负分贝值越低，说明系统抗高频噪声干扰的能力越强。*

以上四个方面常常是互相矛盾的。对稳态精度要求很高时，常需要放大系数大，却可能使系统不稳定；加上校正控制作用后，系统稳定了，又可能牺牲快速性；提高截止频率可以加快系统的响应，又容易引入高频干扰；如此等等。设计时应该折中方案。*PI调节器的框图其输入和输出关系为

图4-11

比例积分(PI)调节器

（4-19）*PI调节器的输出

由比例和积分两部分叠加而成，当初始条件为零时，取式（4-19）两侧的拉氏变换，移项后，得PI调节器的传递函数为：（4-20）*也可以写成如下形式：（4-21）*PI调节器的输入输出曲线如图4-12所示

图4-12

阶跃输入时PI调节器输出电压的时间特性

*【例4-2】在例4-1中，已经判明，按照稳态调速指标设计的闭环系统是不稳定的。试利用伯德图设计PI调节器，使系统能在保证稳态性能要求下稳定运行。*解：原始系统的开环传递函数表达式*闭环系统的开环放大系数取为于是，原始闭环系统的开环传递函数是相应的闭环对数幅频及相频特性绘于图4-13，其中三个转折频率（或称交接频率）分别为：*而*

由图4-13可见，相角裕度和增益裕度都是负值，所以原始闭环系统不稳定。

图4-13

原始闭环直流调速系统的伯德图

*

为了使系统稳定，设置PI调节器，设计时须绘出其对数频率特性。它在原始系统的基础上新添加部分的传递函数应为（4-22）4-14

图4-14 PI调节器的对数频率特性

*

将图4-13和图4-14画在同一张坐标纸上，然后相加，即得校正后系统的开环对数频率特性。由于必须在确定

和

值以后，才能具体画出图4-14。实际设计时，一般先根据系统要求的动态性能或稳定裕度，确定校正后的预期对数频率特性，与原始系统特性相减，即得校正环节特性。*4.3.1转速、电流反馈控制直流调速系统的动态结构

双闭环直流调速系统的动态结构图如图4-16所示。

4.3转速、电流双闭环直流调速系统的动态分析*

图4-16

转速、电流双闭环直流调速系统的动态结构框图

*

图中

和

分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。为了引出电流反馈，在电动机的动态结构框图中必须把电枢电流显露出来，如图4-16.*4.3.2转速、电流双闭环直流调速系统的动态过程分析1.起动过程分析

图4-17是双闭环直流调速系统在带有负载条件下起动过程的电流波形和转速波形。*

图4-17

双闭环直流调速系统起动过程的转速和电流波形

从图4-17可以看到，电流与转速变化过程所反映出的特点可以把起动过程分为电流上升、恒流升速和转速调节三个阶段，转速调节器在此三个阶段中经历不饱和、饱和及退饱和三种情况。*第I阶段

是电流上升阶段：在这一阶段中，ASR很快进入并保持饱和状态，而ACR一般不饱和。第Ⅱ阶段

是恒流升速阶段：

在这个阶段中，ASR始终是饱和的，转速环相当于开环，系统成为在恒值电流给定下的电流调节系统，基本上保持电流恒定。*第Ⅲ阶段(

以后)是转速调节阶段：

当转速上升到给定值

时，转速调节器ASR的输入偏差为零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值

，所以电动机仍在加速，使转速超调。*

综上所述，双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点：饱和非线性控制；转速超调；准时间最优控制。*2.双闭环系统的抗扰性能分析下面介绍两种典型扰动引起系统的动态过程。(1)电网电压扰动

在双闭环系统中，由于电网电压扰动作用于电流环内，它将引起电流

变化。可以经过电流调节器调节

，维持电流为给定值。由于电流环的惯性远小于转速环的惯性，调节速度快，因此当发生电网电压扰动时，不必等到转速变化才调节，而是在电流

变化后即可调节。*

所以，双闭环系统对电网电压扰动调节及时，且所引起的动态速降也比单闭环系统小得多。*(2)负载扰动

拖动系统负载的变化，称之为负载扰动。双闭环系统突加负载时，调节过程为：当时，转速不再下降，如图4-18所示。

*图4-18 双闭环系统突加负载扰动时动态过程*

但由于转速

仍小于

，

，所以，上述调节过程还将进行，使

≥

。这时，电动机转速n才开始回升，在

回升到

值之前，有

。*

一直到

，产生超调后才使

，使

，从而使

。在

时

，转速n又下降，上述过程重复进行，只要系统是稳定的，上述过程是衰减的，最终将使转速

，电动机电枢电流

，电磁转矩

，系统稳定下来，进入稳态运行状态。

*3.双闭环直流调速系统的特点及其转速、电流两个调节器的作用(1)转速调节器和电流调节器为嵌套式串级结构

电流闭环嵌套在转速闭环之内，转速调节器ASR和电流调节器ACR串级连接，转速调节器的输出作为电流调节器的输入。*

这种控制结构的最大优点是两个调节器的调节作用各自独立，互不干扰；在动态过程中二者相互配合、协调工作，从而保证了闭环直流调速系统具有优良的动态性能。*(2)转速、电流两个调节器的作用归纳如下：转速调节器的作用①转速调节器是调速系统的主导调节器，完成电机转速的控制和调节，如果采用PI调节器，则可实现无静差调速。②对负载变化起抑制作用。③其输出限幅值决定电动机允许的最大电流。*电流调节器的作用①作为内环的调节器，在转速外环的调节过程中，它的作用是使电枢电流紧紧跟随其给定值(即ASR调节器的输出量)变化。②对电网电压的波动起及时抗扰的作用。*③在转速动态过程中，保证获得电动机允许的最大电流，从而加快动态过程。④当电动机过载或者堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。*4.4.1 电流自适应调节器

4.4闭环直流调速系统的自适应控制

在闭环调速系统中，当电枢回路电感不是十分大、电动机负载很轻时，会出现电枢电流断续现象。当电枢电流断续时，系统的机械特性与电流连续时相比有明显的差异，同时，其动态结构及参数也发生了变化。*1. 电流断续引起的结果电流断续时系统参数的变化：1）晶闸管整流装置。2）电动机电枢回路。*图4-19展示了晶闸管装置的特性，电枢电压断续将使晶闸管整流装置的外特性变陡，其等效内阻

大大增加。图4-19 晶闸管整流装置的外特性晶闸管整流装置：*电动机电枢回路当电流连续时，由于电感的存在。电动机主回路是一个惯性环节当电流断续时，由于电感的存在。电动机主回路是一个比例环节。其输出响应如图4-20所示。。

*

图4-20电流连续和断续时的输出响应a)电流连续b)电流断续*电流断续的影响

电流连续时，电流环的调节对象是一个延迟环节（用小惯性环节代替）和一个惯性环节的串联，针对此对象选择的电流调节器为（4-23）

使系统具有较好的动态特性。*

当电流进入断续区后，电流环变成一个小惯性环节和一个比例环节串联，并且，放大倍数减小，使系统过渡过程时间显著变长。*2. 电流自适应调节器（1）电流自适应调节器

为了使系统在电流断续时与连续时具有同样的动态性能，只有使电流调节器的结构和参数随着调节对象传递函数的变化而变化才行。这种能自动改变结构和参数，以适应调节对象传递函数变化的电流调节器称为电流自适应调节器。*

假定电流环其他部分传递函数都没有变化，则电流断续后电流调节器的传递函数

应满足下式关系（4-24）其中*是按照电流连续情况设计的电流调节器取则（4-25）*

可见，系统电流连续时，采用式（4-24）所描述的电流调节器，则能使电流连续时电流闭环的开环传递函数和电流断续时电流闭环的开环传递函数形式完全一样，只是放大倍数略有差异(某些电流自适应调节器可以使此差异很小)。*

由以上分析可知，对于存在电流断续情况的双闭环调速系统，电流断续时要求电流调节器是一个小时间常数的积分调节器，且调节器的积分时间常数应随

的增大而自动地减小；而电流连续时要求电流调节器仍为整定参数不变的PI调节器，这样才能使系统在电流连续和电流断续时可以具有几乎同样的动态特性。*

实现上述要求的电流自适应调节器必须能自动地实现电流连续时的PI到电流断续时的I调节器的转换，其原理图如图4-21所示。*图4-21PI/I电流自适应调节器结构图*当电枢电流断续时，零电流信号

，DPZ输出“1”电平，使开关投向2，接通I调节器。（4-27）式中，

为积分调节器的积分时间常数。*

由上述分析可以看出，此调节器能适应电流的变化，而自动改变自己的数学模型，保证了系统在电流断续时与连续时具有同样的动态特性，克服了电流断续对动态特性的不良影响。*（2）具有电流自适应调节器的双闭环系统结构框图如图4-22所示。图3-24 具有电流自适应调节器的双闭环调速系统*

当电流连续时，它的工作情况同一般的双闭环调速系统完全一样；当电流断续时，电流自适应调节器能自动切换为I调节器，从而使系统的动态性能保持不变，消除了电流断续对动态特性的影响。*4.4.2 转速自适应调速器

为说明转速自适应调节的含义，从转速环的动态设计入手讨论。图4-23是转速、电流双环系统转速环的动态结构图。*图4-23转速环动态结构图*图中，是系统机电时间常数。把转速环动态结构图中的积分环节等效变换（4-28）式中，为等效变换后的积分时间常数。*

当系统工作在弱磁调速时，系统的固有参数T将随磁通变化，而转速调节器的参数都是事先设计好的固定数，因此在弱磁调速时，随着磁通的变化，系统的动态性能将有明显的恶化。为此，必须采用转速自适应调节器，如图4-24所示。*图4-24具有转速自适应调节器的转速闭环动态结构图*如果加入自适应环节，则得到具有自适应环节的转速环动态结构图。图4-25具有自适应环节的转速环动态结构图本章结束！*

直流电机调速

可逆直流调速系统

第五章

内容概要晶闸管-电动机可逆调速系统（V-M系统）；可逆直流脉宽调速系统。本章讲述：*5.1晶闸管-电动机可逆调速系统（V-M可逆系统）5.1.1晶闸管-电动机可逆调速系统的基本结构直流调速分类：通过改变电枢电压极性使电流反向实现可逆运行的系统，称为电枢可逆系统；保持电枢电压极性不变，通过改变励磁电流方向实现可逆运行的系统，称为磁场可逆系统。*1.可逆运行的实现方法

可逆运行的实现方法多种多样，不同的生产机械可根据各自的要求去选择。要求频繁快速正反转的生产机械，目前广泛采用的是两组晶闸管整流装置构成的可逆线路，如图5-1所示。*图5-1两组晶闸管供电的可逆线路*工作机理

一组供给正向电流，称为VF组，另一组供给反向电流，称为VR组。当电流方向为正时，VF工作；当电流方向为负时，VR工作。对于由两组变流装置构成的可逆线路，按接线方式不同又可分为反并联连接和交叉连接两种线路。如图5-2示。*图5-2三相桥式电枢可逆线路*2.电枢可逆系统及磁场可逆系统的比较

由晶闸管供电的直流凋速系统，直流电动机的励磁功率约为电机额定功率的3%～5%。当电机容量相当大，而且对快速性要求又不高时，才考虑采用磁场可逆系统。*5.1.2电枢可逆系统中的环流产生原因：由两组晶闸管变流装置组成的电枢可逆系统中，除了流经电枢支路的负载电流之外，还有只流经两组晶闸管变流装置之间的电流，这个电流称作环流。*

环流具有两重性：一方面它增加了晶闸管变流装置的负担，环流太大时甚至会导致晶闸管损坏，应该加以限制；另一方面，可以利用环流作为流过晶闸管的基本负载电流，即使在电动机空载时也可以使晶闸管装置工作在电流连续区，避免了电流断续引起的非线性对系统静、动态性能的影响。*分类：

环流可以分为静态环流及动态环流两大类。当可逆线路在一定的控制角下稳定工作时，所出现的环流称为静态环流，静态环流又可分为直流平均环流和瞬时脉动环流。只在系统处于过渡过程中，由于晶闸管触发相位发生突然改变时出现的环流，叫做动态环流。*1.直流平均环流的处理

由于两组晶闸管变流装置输出直流平均电压不相等引起的环流称为直流平均环流。为了避免电源短路和确保不产生直流平均环流，有两种办法可循：解决方式：*一种办法是在一组晶闸管工作时，用逻辑装置封锁另一组晶闸管装置的触发脉冲，从根本上切断环流通路，这称为逻辑无环流系统。另一种办法是在一组晶闸管装置在整流状态下工作时，让另一组晶闸管装置的触发脉冲处于逆变位置，亦即工作在待逆变状态。*图5-3所示系统的移相控制特性可以避免出现直流平均环流。图5-3可逆系统的移相控制特性2.瞬时脉动环流的抑制

整流组输出电压和逆变组输出电压的瞬时值并不相等，当整流组输出电压瞬时值大于逆变组输出电压瞬时值时，便产生正向瞬时电压差，从而产生瞬时脉动环流。该环流对系统一般来说是不利的，应当加以限制。通常采用的抑制方法是在环流回路中串入环流电抗器。*5.1.3有环流可逆调速系统

在

工作制配合控制下，可逆线路中没有直流平均环流，但始终存在瞬时脉动环流，这样的系统称为有环流可逆调速系统，它又可分为自然环流系统和可控环流系统。*自然环流系统系统组成原理：1）具有正、反向转速给定信号；2）转速调节器ASR和电流调节器ACR的输出端，均应设置双向限幅装置；3）转速反馈信号

和电流反馈信号

应反映电机的转向和主回路电流的极性；*4）触发装置GTF和GTR分别向正组和反组晶闸管提供触发脉冲；5）引入环流电抗器以抑制瞬时脉动环流。*自然环流系统原理图图5-4自然环流系统原理图*

电动机正向运行时，转速给定值

为正值，经ASR使ACR输出移相控制信号

为“+”，GTF输出触发脉冲

，正组VF处于整流状态，电动机正向运转。*

与此相对应，

经反号器AR使反组触发器GTR的移相控制信号

为“-”，反组输出的触发脉冲

，且

，反组VR处于待逆变状态。由于系统在

配合控制工作制下工作，系统无直流平均环流。而系统中的脉动环流，由环流电抗器~限制。*

在实际运行中，由于读数的误差等各种干扰原因，会造成系统参量发生变化，实际系统无法绝对保证

，而可能出现

，即

，从而引起直流平均环流。为了避免这种情况发生，在系统调整时，可将初始相位角定得稍大于90

，即采用

工作机制。*可控环流系统因环流有其有利的一面，它的存在可防止晶闸管变流装置的电流断续，保证过渡特性平滑。为此又提出一种给定环流系统，即在两套晶闸管变流装置之间，保留一个较小的恒定直流环流，使电动机在轻载时电流连续、稳态特性平滑。*几种可控环流线路中以交叉反馈系统最为实用，如图5-6所示。图5-6交叉反馈可控环流系统图5-6与图5-4所示的自然环流系统的主要区别是：1）主回路采用交叉连接线路；2）在交叉反馈可控环流系统中，除了转速调节器ASR和电枢电流调节器ACR之外，还设有两个环流调节器1ALR和2ALR。*5.1.4无环流可逆调速系统1.逻辑控制无环流调速系统

逻辑控制的无环流可逆调速系统的一种典型结构如图5-7所示。*图5-7逻辑控制的无环流可逆调速系统原理图*

逻辑控制器DLC的基本任务是，根据系统工作情况的要求，发出逻辑指令：当要求电动机产生正向转矩时，开放正组脉冲，封锁反组脉冲，使正组VF工作；当要求电动机产生反向转矩时，开放反组脉冲，封锁正组脉冲，使反组VR工作。二者必居其一，决不允许两组脉冲同时开放，以确保主回路不产生环流，从而使系统正常可靠运行。工作机理*1.双极式H形可逆PWM变换器

图5-9给出了双极式H形可逆PWM变换器的电路图。所谓双极式控制方式是指在一个开关周期中，输出电压的极性会有一次变化。即5.2可逆直流脉宽调速系统（PWM可逆系统）*图5-9双极式H型PWM变换电路图*

在一个开关周期内，当0≤t≤

时，

和

为正，VT1和VT4导通；

和

为负，VT2和VT3截止。这时

，电枢电流

沿回路l流通。当

≤t≤

时，

和

变负，VT1和VT4截止；

和

变正，但电流不能立即改变方向，

将在电枢电感作用下沿回路2经VD2、VD3续流，VD2和VD3上的压降使VT2和VT3承受反压，VT2和VT3仍不能导通，这时

。电压、电流波形如图5-10所示。工作机理*图5-10双极式PWM变换器的电压电流波形*单极式可逆PWM变换器

所谓单极式控制方式是指在一个开关周期中，输出电压仅有幅值的变化而无极性的变化，图5-9所示电路可采用单极式工作制。*输出特性：（电动机正转时）（电动机反转时）*

在单极式工作制中，左边两个器件的驱动电压

，与双极式控制时一样。右边两个器件VT3和VT4的控制信号则根据电动机的转向施加不同的直流驱动信号。*3.受限单极式可逆PWM变换器

单极式变换器在减少开关损耗和提高可靠性方面要比双极式变换器好，但还是有一对功率开关器件VT1和VT2交替导通和关断，仍有使电源短路的危险存在。为此可在电动机正转时使VT2一直截止，在电动机反转时使VT1一直截止，其他情况与一般单极式可逆PWM变换器相同。这样，就不会产生VT1和VT2直通的故障。这种控制方式称作受限单极式可逆PWM变换器。*本章结束！*

第六章

基于稳态数学模型的异步电动机调速控制系统

交流调速部分内容概要基于稳态数学模型的异步电机调压调速控制系统；基于稳态数学模型的异步电动机变压变频调速系统。本章讲述：*交流电动机分为异步电动机和同步电动机两大类，在交流电动机的应用过程中，为了满足生产工艺的要求，人们发明了多种调速方法。*目前，电力拖动交流调速系统的应用领域主要有下述三个方面：1）节能调速和要求一般的工艺调速。2）高性能交流调速系统的广泛应用。3）特大容量、极高转速的交流调速。

*现代交流电动机调速系统类型及控制方式1.异步电动机调速系统（1）转差功率馈送型调速系统（2）转差功率不变型调速系统①电压-频率协调控制方式；②转差频率控制方式；③矢量控制方式；④直接转矩控制方式；⑤定子磁链轨迹控制方式。2.同步电动机调速系统*本章介绍恒压频比控制的异步电动机变压变频调速系统和转差频率控制的异步电动机变压变频调速系统，主要讲述控制方式、机械特性、系统的基本组成，以及系统分析。*6.1.1异步电动机调压调速控制原理调压调速是异步电动机调速系统中比较简便的一种。由电机原理可知，当转差率基本不变时，电动机的电磁转矩与定子电压的平方成正比，即，因此，改变定子电压就可以得到不同的人为机械特性，从而达到调节电机转速的目的。*6.1基于稳态数学模型的异步电动机调压调速控制系统交流调压调速的主电路已由晶闸管构成的交流调压器取代了传统的自耦变压器和带直流磁化绕组的饱和电抗器，装置的体积得到了减小，调速性能也得到了提高。晶闸管交流调压器的主电路接法有以下几种方式电机绕组Y联接时的三相分支双向电路电机绕组△联接时的三相△形双向电路6.1.2异步电动机调压调速的机械特性根据电机学原理可知，异步电动机的机械特性方程式为对上式求导，并令，可以计算出产生最大转矩时的临界转差率和最大转矩，分别为改变定子供电电压，可以得到不同的人为异步电动机机械特性曲线，如下图所示异步电动机在不同定子供电电压下的机械特性曲线对于恒转矩负载要扩大调压调速范围，采用高阻转子电动机，使电动机机械特性变软，高转子电阻电动机的调压调速机械特性如下图高转子电阻异步电动机的调压调速机械特性6.1.3异步电动机调压调速的机械特性异步电动机调压调速属于转差功率消耗型的调速系统，调速过程中的转差功率消耗在转子电阻和其外接电阻上，消耗功率的多少与系统的调速范围和所带负载的性质有着密切的关系。根据电机学原理，异步电动机的电磁功率为电机的转差功率为不同性质负载的转矩可用右式表示式中为常数，分别代表恒转矩负载、与转速成比例的负载和与转速的平方成比例的负载（风机、泵类等）。当时，转差功率为输出的机械功率为当s=0时，电动机的输出功率最大，为以为基准值，转差功率损耗系数为（6-1）不同类型负载所对应的转差功率损耗系数与转差率的关系曲线如图不同类型负载所对应的转差功率消耗系数与转差率的关系为了求得最大转差功率消耗系数及其对应的转差率，由式（6-1）对s求导，并令此导数等于零。对应的转差率为最大转差功率消耗系数为对于不同类型负载，则有不同类型负载时和的值，计算结果列于下表6.1.4异步电动机PWM调压调速控制系统根据采用的控制方式不同，交流-交流调压器可分为相控式和斩控式。传统方案多采用相控式，结构简单，可以采用电源换相方式，即使是采用半控型器件也无需附加换相电路，但存在输出电压谐波含量大，深控时网侧功率因数低等缺点；相反斩控式电路则没有上述缺点，因此传统的相控式SCR电路正逐渐被PWM-IGBT电路所取代，因为PWM-SCR电路由于无法采用电源换相，必须附加换相电路，此外由于SCR的器件开关频率较低，对于SCR电路而言不宜采用PWM方式，为此本节介绍斩控式电路。PWM交流调压电路三相结构，如图所示三相IGBT-PWM交流调压主电路6.1.5闭环控制的异步电动机调压调速控制系统分析为了扩大调压调速的调速范围，增加了转子电阻，使得机械特性变软。这样的特性，当电机低速运行时，负载或电压稍有波动，就会引起转速的很大变化，运行不稳定。为了提高系统的稳定性，常采用闭环控制系统如下图，以提高调压调速特性的硬度。a)b)

转速闭环的交流调压调速系统

a）系统原理图b）闭环控制静特性当系统要求不高时，也可以采用定子电压反馈控制方式如下图定子电压反馈的交流调压调速系统6.1.5.1闭环控制的异步电动机调压调速控制系统静态分析采用闭环控制后，负载转矩的增加，使得转速下降，由于系统引入转速负反馈，输入偏差增大，使得输出到定子的电压升高，转速提高，由于负载转矩增大而引起的转速下降得到一定程度的补偿，由于负载变化引起的转速变化很小，于是扩大了调速范围。可以得到系统的静态结构图如下异步电动机调压调速系统静态结构图6.1.5.2闭环控制的异步电动机调压调速控制系统动态分析为了对系统进行动态分析和设计，绘制系统的动态结构图是必须的。由上图（异步电动机调压调速系统静态结构图）可以得到系统的动态结构框图，如下图所示。异步电动机调压调速系统动态结构图图中各个环节的传递函数如下（1）速度调节器ASR（2）晶闸管交流调压器和触发装置（3）测速反馈环节（4）异步电动机环节6.2.1基于异步电动机稳态数学模型的变压变频调速系统控制方式异步电动机转速公式为*6.2基于稳态数学模型的异步电动机变压变频调速系统由式上式可知，如果均匀地改变异步电动机的定子供电频率fs，就可以平滑地调节电动机转速

。然而，在实际应用中，不仅要求调节转速，同时还要求调速系统具有优良的调速性能。因此，在调速过程中不仅要改变定子供电频率fs，而且还要保持（控制）磁通恒定。*6.2.1.1电压-频率协调控制方式1. 恒压频比（Us/fs=Const）控制方式及其机械特性（1）基频以下Us/fs=Const的电压、频率协调控制方式

气隙磁通在定子每相绕组中感应电动势有效值Es(V)为：，写成*该式表示了感应电动势有效值

与频率

之比为常数的控制方式，通常称为恒Es/fs控制。可以看出，在这种控制方式下，当

由基频降至低频的变速过程中都能保持磁通

，可以获得

的控制效果。*异步电动机的等值电路图稳态情况下，依据上图所示的异步电动机等值电路图，则异步电动机定子每相电压与每相感应电动势的关系为：*当定子频率

较高时，感应电动势的有效值

也较大，这时可以忽略定子绕组的阻抗压降，可认为定子相电压有效值不变

，为此在实际工程中是以

代替，而获得电压与频率之比为常数的恒压频比控制方程式，即为：*恒压频比控制特性由于恒压频比控制方式成立的前提条件是忽略了定子阻抗压降，在

较低时，由式（6-4）可知，定子感应电动势

变小了，其中惟有

项并不减小，与

相比，

比重加大，

不再成立，也就是说

较低时定子阻抗压降不能再忽略了。***（2）

控制方式的机械特性三相异步电动机在工频供电时的机械特性方程式为：**电网直接供电时异步电动机的机械特性变压变频时，以上特性方程式可以改为：**以上两组公式相比，二者只是形式的变化，并无实质性的改变，可想而知，变压变频情况下的机械特性曲线形状与正弦波恒压恒频供电时的机械特性曲线形状必定相似。其基本特点如下：1）同步转速

随着频率（

或

）的变化而改变。2）对于同一转矩

而言，带载时的转速降落

随着频率的变化而基本不变。3）当

时，

随着

的降低而减小（如下图中实线所示），这将限制调速系统的带载能力。*基频以下机械特性基频以下的恒压频比控制方式基本满足了气隙磁通

的要求，可以实现恒转矩调速运行。*

2.基频以上恒压变频控制方式及其机械特性

（1）基频以上恒压变频控制方式

*把基频以下和基频以上两种情况结合起来，得到下图所示的异步电动机变频调速控制特性。异步电动机变频调速控制特性*（2）基频以上恒压变频控制方式的机械特性最大转矩表达式可改写为*基频

以上恒压变频调速的机械特性*由于频率提高而电压不变，气隙磁通势必减少，导致最大转矩的减小，但转速却提高了，可以认为输出功率基本不变，所以基频以上变频调速属于弱磁恒功率调速方式。

需要指出，以上所分析的机械特性都是在正弦波供电下的理想情况，然而变压变频调速时对于电机定子为近似正弦波供电，因此其机械特性的形状与理想情况下相比有一定的区别。

*3.弱磁倍数**6.2.1.2转差频率控制方式*1.转差频率控制的基本思想异步电动机电磁转矩也可以写成：可以看出，气隙磁通、转子电流、转子功率因数都影响电磁转矩。*根据异步电动机的等值电路图，可以求出异步电动机转子电流有效值：正常运行时，因

很小，所以，可以将分母中

忽略，则得到：*进而得到：**2.转差频率控制规律异步电动机的电磁功率及同步机械角速度为：*则电磁转矩表达式可表示为：****所以*****6.2.2电力电子变频调速装置及其电源特性

现代交流电动机变压变频调速系统主要由交流电动机、电力电子变频器两大部分组成。

为交流电动机所配备的静止式电力电子变压变频（VariableVoltageVariableFrequency,VVVF）调速装置通常称为变频器（图中框线部分），可分为主电路（也称作电力电子变换电路或称作电力电子变流电路）、控制器，以及电量检测器三个主要部分。*变频器及变频调速系统*电力电子变换电路（主电路）的拓扑结构分为两种，一种是交-直-交（AC-DC-AC）结构形式，也称间接变频，如下图a所示；另一种是交-交(AC-AC)结构形式，也称直接变频，如下图b所示。a)交－直－交变压变频装置主电路结构

b)交－交变压变频装置主电路结构*对于主电路为交-直-交结构形式的变频器，因其整流电路输出的直流电压或直流电流中含有频率为电源频率6倍的电压或电流纹波，所以，必须对整流电路的输出进行滤波，以减少直流电压或电流的波动，为此在整流电路与逆变电路之间设置中间直流滤波环节。*根据带有中间直流环节的直流电源性质不同，交-直-交型变频器可以分为电压源型和电流源型两类。两种类型的实际区别在于主电路中间直流环节所采用的滤波器不同。交-直-交型变频器中的整流电路和逆变电路一般接成两电平三相桥式电路。*近几年来为适应中压变频器的发展需要，交-直-交型电压源型变频器中的整流电路和逆变电路接成了多电平电路和级联式单元串联式电路；交-直-交电流源型变频器中的整流器和逆变器多接成为多重化的形式。对于交-交结构形式的变频器虽然没有中间直流环节，但是，根据供电电源的性质不同也可以分为电压源型和电流源型两种类型。*1.电压源型变频器

交-直-交电压源型变频器的主电路结构如下图所示。这类变频器主电路中的中间直流环节是采用大电容滤波，可以使直流电压波形比较平直，对于负载来说，是一个内阻抗为零的恒压源，所以，把这类变频器称作电压源型变频器。对于交-交变频装置虽然没有滤波电容器，但供电电源的低阻抗使其具有电压源的性质，也属于电压源型变频器。*a)电压源型变频器主电路及PWM控制b)电压源型变频器主电路(UCR为相控方式)c)双PWM电压源型变频器主电路a)所示的交-直-交电压源型PWM(SPWM或SVPWM)变频器主电路，其整流侧采用二极管组成的不可控整流器；其逆变侧采用自关断器件（IGBT、IGCT或IEGT等）组成的PWM逆变器。*b)所示的交-直-交电压源型PWM变频器主电路，其整流器采用了相控方式，优点是输出直流电压可以控制，缺点是增加了系统的复杂性。c)所示的交-直-交电压源型PWM变频器主电路，其整流器采用了PWM控制方式，称为PWM整流器，这种具有PWM整流器、PWM逆变器的电力电子变频调速装置称作双PWM变频器。*电压源型变频器的特性如下：（1）无功能量的缓冲对于变压变频调速系统来说，变频器的负载是异步电动机，属感性负载，在中间直流环节与电动机之间，除了有功功率的传送外，还存在无功功率的交换。由于逆变器中的电力电子开关器件不能储能，所以无功能量只能靠直流环节中作为滤波器的储能元件来缓冲，使它不致于影响到交流电网。电压源型变频器的储能元件为大电容滤波器，用它来作为无功能量的缓冲。*（2）回馈制动电压源型变频器的调速系统要实现回馈制动和四象限运行是比较困难的，因为其中间直流环节有大电容钳制着电压的极性，使其无法反向，因而电流也不能反向，所以无法实现回馈制动。需要制动时，对于小容量的变频器，采用在直流环节中并联电阻的能耗制动。

*能耗制动*对于中、大容量的变频器，可在整流器的输出端反并联另外一组有源逆变器，制动时使其工作在有源逆变状态，以通过反向的制动电流，实现回馈制动。回馈制动*2.电流源型变频器交-直-交电流源型变频器的主电路结构下图所示。这类变频器主电路中的中间直流环节采用大电感滤波，可以使直流电流波形比较平直，因而电源内阻抗很大，对负载来说基本上是一个恒流源，所以，把这类变频器称作电流源型变频器。有的交-交变频器的主电路中串入电抗器，使其具有电流源的性质，因此，这类交－交变频器属于电流源型变频器。*电流源型变频器的主电路结构如上所示的交-直-交电流源型变频器的逆变电路也采用PWM控制方式，这对改善低频时的电流波形（使其接近于正弦波）有明显效果。*电流源型变频器的特性：1）无功能量的缓冲电流源型变频器的储能元件为大电感滤波器，用它来作为无功能量缓冲。2）回馈制动电流源型变频器的显著特点是容易实现回馈制动。*当可控整流器UCR工作在整流状态（α<90°）、逆变器工作在逆变状态时，如下图a)所示，直流回路电压Ud的极性为上正下负，电流由Ud的正端流入逆变器，电能由交流电网经主电路传送给电动机，变频器的输出频率ωs>ω，电动机处于电动状态。电流源型变压变频调速系统的两种运行状态a)电动运行；b)回馈制动当电动机减速制动时𝜔s<𝜔，可控整流器的控制角α大于90°，异步电动机进入发电状态，直流回路电压Ud立即反向，但电流Id方向不变（见上图b)），于是，逆变器变成整流器，可控整流器UCR转入有源逆变状态，电能由电动机回馈到交流电网。

由此可见，虽然电力电子器件具有单向导电性，电流Id不能反向，但是可控整流器的输出电压Ud是可以迅速反向的，因此，具有电流源型变频器的调速系统容易实现回馈制动。*3.电压源型变频器和电流源型变频器的比较电压源型变频器属于恒压源，对于具有可控整流器的电压源型变频器，其电压控制的响应较慢，所以适合作为多台电动机同步运行时的变频电源。

对于电流源型变频器来说，由于电流源型变频器属于恒流源，系统对负载电流变化的反应迟缓，因而适用于单台电动机传动，可以满足快速起、制动和可逆运行的要求。*电流源型变频器本身具有四象限运行能力而不需要任何额外的电力电子器件；然而，一个电压源型变频器在电网侧必须附加一个有源逆变器。由于交-直-交电流源型变频器调速系统的直流电压极性可以迅速改变，因此动态响应比电压源型调速系统快。电流源型变频器需要连接一个最小负载才能正常运行。这种缺陷限制了它在很多领域中的应用。反之，电压源型变频器很容易在空载情况下运行。*应用实践表明，从总的成本、效率和暂态响应上来看，电压源型PWM变频器更具有优势。目前工业生产中普遍应用的变频器是交-直-交电压源型PWM(SPWM或SVPWM)变频器。其中整流器采用二极管组成的电压源型变频器应用最多、最广泛。*由于电压源型变频器在多种场合下均可采用，通用性比较好，目前，电压等级在690V以下的中小容量电压源型变频器称为通用变频器。20世纪90年代末以来，变频器制造厂家对这类变频器增添了矢量控制功能，使恒压频比控制方式和矢量控制方式以软件形式集成于装置中，成为功能更多更强的变频器，用户可根据生产工艺要求通过设置选择控制方式。*6.2.3电压源型转速开环恒压频比控制的异步电动机变压变频调速系统电压源型变频调速系统由于采用了PWM控制技术，可以使其输出电压波形接近正弦波形。逆变器输出的电流波形由输出电压和电动机反电势之差形成，也接近正弦波。下面以一个来源于实际的电压源型变压变频调速系统为例来说明这类系统的基本组成及各控制单元的作用。*1.系统的组成及工作简况分析一种电压源型转速开环恒压频比控制的异步电动机变压变频调速系统如下图所示，其主电路由两个功率变换环节组成，即整流桥和逆变桥，整流桥是由二极管组成的三相桥式电路，其直流输出电压为Ud=2.34UX（为电网的X相相电压有效值）。调压和调频控制通过逆变器来完成，其给定值来自于同一个给定环节。*电压源型转速开环恒压频比控制的异步电动机变压变频调速系统*该系统采用电压正弦PWM（SPWM）控制技术实现变压变频控制，通过改变PWM波形的占空比（脉冲宽度）来控制逆变器输出交流电压的大小，而输出频率通过控制逆变桥的工作周期就可以实现。由前述可知，为了使异步电动机能合理、正常、稳定工作，必须使逆变器输出到异步电动机定子的电压Us与频率fs通过SPWM控制来保持严格的比例协调关系。*2.控制单元说明（1）转速给定积分环节（GI）设置目的：将阶跃给定信号转变为斜坡信号，以消除阶跃给定对系统产生的过大冲击，使系统中的电压、电流、频率和电机转速都能稳步上升或下降，以提高系统的可靠性及满足一些生产机械的工艺要求。*（2）绝对值器(GAB)设置目的：将送来的正负变化的信号变为单一极性的信号，信号值大小不变。（3）函数发生器（U/f特性）设置目的：实现Us/fs=C的控制方式。前面讨论过，在变压变频调速系统中，Us=f(fs)，即电机定子电压是定子频率的函数。函数发生器就是根据给定频率信号fsg产生一个对应于定子电压的给定信号Usg，以实现电压、频率的协调控制。*变频器中以下几项内容与函数发生器有关：1）按照不同负载要求设定不同的Us/fs=C特性曲线。2）当变频器高于基频工作时，采用恒功率调速方式，这就要求变频器输出电压不能高于电机的额定输入电压，可通过函数发生器的输出限幅来保证。3）节能控制：电动机处于轻载工作时，适当降低电压，可以使输出电流下降，减小损耗，可通过改变Us/fs=C曲线的斜率来实现。***（5）I*R补偿环节在低频时，为了保证磁通恒定，变频器引入了I*R补偿环节，根据负载性质及负载电流值适当提高Usg，修正Us/fs=C特性曲线，达