交流调速系统综述

交流调速系统综述

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摘要：介绍了交流调速系统的发展以及展望，介绍了两种基于稳态模型的调

速方法，变压调速和变频调速，简单说明了交流调速系统控制的特点；总结了两

种（矢量控制和直接转矩控制）基于动态模型的调速系统的控制策略。

关键词：交流调速系统、变压调速、变频调速

一、交流调速系统的发展

交流传动与控制技术是目前发展最为迅速的技术之一，这是和冉力电子器件

制造技术、变流技术控制技术以及微型计算机和大规模集成电路的飞速发展密切

相关。

通用变频器作为早期商品开始在国内上市，是近十年的事，销售额逐年增

加，于今全年有超过数十亿元（RMB）的市场。其中.各种进口品牌居多，功率

小至百瓦大至数千千瓦；功能简易或复杂；精度低或高；响应慢或快：有PG（测

速机）或无PG;有噪音或无噪音等等。

对于许多用户来说,这十年中经历了多次更新，现所使用的变频器大都属

于目前最为先进的机型如果从应用的角度来说，我们的水准与发达国家没有什么

两样。作为国内制造商，通过这十年来对国外的先进技术进行销化，也正在积极

地进行国产变频器的自主开发.努力追赶世界发达国家的水平。

回顾近十年来国外通用变频器技术的发展对于深入了解交流传动与控制

技术的走向，以及如何站在高起点上结合我国国情开发我国自己的产品应该说具

有十分积极的意义。

在工业发展的初级阶段，作为动力的交流电动机是无需调速的。它的调速是

由外界的皮带和齿轮传动来实现的。随着工业发展的进一步提高，尤其是电子方

面的发展和起重运输机械的发展，对电动机提出「调速的要求，进而出现了直流

电机。它提高了生产的连续性和产品的产量及质量，以其快速正反转，准确的定

位取代了简单可靠的交流电动机，并得到了广泛的使用。

80年代以来，在各个工业发达国家己经开始使用交流调速系统，并取代直

流调速系统（直流调速系统造价高，维护投入大）c这主要是因为电力电子器件，

脉宽调制技术、矢量控制技术特别是以微处理机为核心的全数字化控制等关健技

术的发展，才使得结构简单，造价低廉的交流电机调速系统得以取代结构复杂、

维修不便的直流电机调速系统，并且它具有无速度传感器和矢量控制的功能，调

速范围宽，且可依靠数控技术的支持，不断进行硬件软件化，把硬件减少到最低

限度，提高设备的免维护性、可靠性。其次，电力电子器件的发展，其容量和速

度也不断提高。

现代控制理论的发展和应用，促成了矢量控制的出现，奠定了现代交流电机

调速技术的理论基础，使交注电机调速系统性能可以与直流电机相比。行进狗交

流电机调速系统控制理论与电力电子技术、微电子技术、计算机技术的结合。使

交流电机调速在电气传动领域中越来越占有重要地位，成为一种典型的机电一体

化设备。随着各种交流电机调速系统的开发，应用、普及，不但能节约大量的能

源，而且将使传统产业发生巨大变革。

从用力拖动的发展过程来看，交、直两大调速系统一直并存于各个工业领域,

虽然由于各个时期科学技术的发展使得它们所处的地位有所不同，但它们始终是

随着工业技术的发展，特别是随着电力电子元器件的发展而在相互竞争。随着电

力电子器件,单片机的迅速发展，以及现代控制理论向交流电气传动领域的渗透,

为交流调速系统的开发研究进一步创造了有利条件。

二、基于稳态模型的异步电动机调速系统

在交流调速的各个发展阶段，根据当时的技术条件，出现了各种交流调速方

法。在各种交流调速中，变频调速的性能最好。变频调速范围大，静态稳定性好，

运行效率高，是一种理想的调速系统。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。

交流调速的基本方法有多种，但它们都是来源于交流电机的转速公式

因而，异步机的调速方法可分为变频调速，变极对数调速和变传差率调速三

种，其中变转差率的方法又可以通过调节定子电压、转子电阻、转差电压等方法

来实现。下面主要简单介绍其中的几种。

2.1异步电动机的调压调速

一般而言，异步电动机在轻载时，即使外加电压变化很大，转速变化也很小。

而在重载时，若降低供电电压，则转速下降，同时最大转矩也迅速下降，可能会

出现过载甚至停转现象，从而引起电动机过热甚至烧坏。因此，了解异步电动机

调压时的机械特性，应于了解如何改变供电电压来实现均匀调速是十分有益的。

如图2.1所示，对于普通异步电动机，当改变定子电压时，得到一组不同的

机械特性。在图2.1中，同时画出了恒转矩负载（直线1）和风机水泵类负载（曲

线2）的特性。对于恒转矩负载，电动机只能在机械特性的直线段（到段）稳定

运行，在不同电压下，稳定运行点为，改变电压时速度变化不大，而最大转矩却

迅速减小，所以调速范围非常有限。对于笼型异岁电动机，可以将电动机转子的

鼠笼由铸铝材料改为电阻率较大的黄铜条，使之具有较倾斜的机械特性。即使这

样，恒转矩调速范围仍然不大，而且低速运行稳定不好，不能满足生产机械的要

求。而对于风机水泵类负载，电动机可以稳定运行在机械特性的任何一点，调压

调速范围宽。

图2.1异步电机调压调速时的机械特性

根据异步电动机的运行原理，当电动机定子接入三相电源后，定子绕组中建

立的旋转磁场在转子绕组中感应出电流，两者相互作用产生转矩T。这个转矩将

使转子加速直到最后稳定运行于低于同步转速的某一速度为止。由于旋转磁场和

转子具有不同的速度，因此，传到转子上的电磁功率与转子轴上产生的机械功率

之间存在功率差，这个功率差称为转差功率，它将通过转子发热而消耗掉。在较

低速时，转差功率将很大，所以，这种调压调速方法不太适合于长期工作在低速

的工作机械，如要用于这种机械，电动机容量就要适当选择大一些。

如果负载具有转矩随转速降低而减小的特性，如图所示曲线2,则当向低速

方向调速时转矩减小，电磁功率及输入功率也减小，从而使转差功率较恒转矩负

我时小得多。因此，调压调速方法更适合于风机水泵类的负载，调速范围较宽。

这类产品很多，例如：美国A-B公司的智能马达控制器SMC（smartmotor

controller）,就是在交流电源与电动机之间接入六个品闸管元件进行交流调压，

每相串接两个反并联的晶闸管，使电流可以正、反向流动。智能马达控制器具有

斜波起动、限流起动、全压起动、双斜波起动、泵控制、预制低速运行、智能制

动、带制动的低速运行、软停止、准确停车、相平衡等控制和故障诊断功能，它

还能与RS-232、RS-485、柔性I/O、DeviceNet通信，这样就可以方便地集成到现

有的自动控制系统中去，特别是它的价格比变频器低得多，因此在调速精度要求

不太高的场合使用较多，如通风机、切碎机、搅拌机、离心泵等。

2.2变频调速

变频调速就是利用电动机的同步转速随电机电源频率变化的特性，通过改变

电动机的供电频率进行调速的方法。利用半导体功率开关器件如晶闸管、电力晶

体管等变频装置构成变频电源对异步电动机进行调速已得到广泛采用。从性能上

来讲，变频调速是交流电机最理想的调速方法。

从来看，改变电源频率实现交流调速似乎很容易。然而，与直流调压调速相

比，实现一个交流变频电源远比一个可调直流电源要复杂的多。还有，从异步电

机的关系式：

UskEg=444flk$Ns6m（2-2）

可以看出，若4不变，。与。m成反比，如果/1下降，则Qn增加，使磁珞过

饱和，励磁电流迅速上升，导致铁损增加，电机发熬及效率下降，功率因数降低。

如果人上升，则。m减小，电磁转矩也就跟着减小，电机负载能力下降。由比可

见，在调节人的同时，还要协调地控制4,即给电机提供变压变频电源，才可以

获得较好的调速性能。对此，需要考虑基频（额定频率）以下和基频以上两种情

况。

变频调速的方法也有多种，按变频器的类型分主要有交-交变频器和交-直-

交变频器两大类;按控制方法分有标量控制、矢量控制和异步机的直接转矩控制。

由于变频调速技术具有巨大的市场潜力，得到了许多世界著名大公司的支持和追

捧，于是就出现了独特的产品化的交流调速控制器，即变频器。

2.2.1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2.2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。

2.2.2用PWM逆变器同时调压调频的交-直-交变频器

由于采用二极管不可控整流产生恒定直流电源，功率因数问题用这种方法就

可以解决。用PWM逆变器，输出电压是一系列脉冲，调节脉冲宽度就可以调节

输出电压值。假如脉冲宽度按正弦分布，则输出电压中谐波可以大大减少。谐波

减少的成度还取决于逆变器功率开关的开关频率。因此，PWM逆变器中很少采

用像晶闸管之类开关频率低的半控型器件作为开关器件，而是采用开关频率高的

全控型器件如GTR、GTO、MOSFET、IGBT等。同时调频调压都集中在逆变器

一侧，控制也简化了。因此，这种结构成为当前中小型交一直一交变频器中普遍

采用的一种结构形式。

由于-PWM逆变器具有许多优点，所以在中小型变频器中得到普遍采用。电

压型PWM变频器主电路的原理图如图2,3所示交一直一交变频器主要适用于

中小功率、转速较高、负载较平稳的场合。

图23电压型PWM变频器主电路原理图

三、基于动态模型的异步电动机调速系统

3,1矢量控制

矢量控制（乂称磁场定向控制）是在20世纪70年代初由美国学者和德国学

者各自提出的。联邦德国西门子公司的F.BIaschke等提出“感应电机磁场定向的

控制原理”。美国P.C.Custman和A.A.CIark申请的专利“感应电机定子电压的坐

标变换控制”，它们的诞生使交流变频调速技术在精细化方面上大大迈进了一步，

以后在实践中许多学者进行了大量的工作，经过不断的改进，历经近30年的时

间，达到了可与克流调速系统的性能相媲美的程度。

从原理上说，矢量控制方式的特征是：它把交流电动机解析成直流电动机一

样的转矩发生机构，按照磁场与其正交电流的积就是转矩这一基本的原理，从理

论上将电动机的一次电流分离成建立磁场的励磁分量和磁场正交的产生转矩的

转矩分量，然后进行控制。其控制思想就是从根本上改造交流电动机，改变其产

生转矩的规律，设法在普通的三相交流电动机上模拟直流电动机控制转矩的规律。

矢量变换控制的基本思路，是以产生同样的旋转磁场为准则，建立三相交

流绕组电流、两组交流绕组电流和在旋转坐标上的正交绕组宜流电流之间的等效

关系。

矢量控制从原理上说可以得到与直流电动机相同的控制性能，但是欠量控制

的运算中要使用电动机的参数。转差频率的运算中所采用的转子电阻值r2随电

动机的温度而变化,在转矩控制精度上将产生问题。因此，设置转差补偿运算器，

由电动机的定子电压、定子电流等检出转差频率的误差，自动地补偿转差频率，

以求提高转矩控制的精度。

3.2直接转矩控制

直接转矩控制方法是1985年由的德国鲁尔大学的Depen-brock教授首次提

出的，它是继矢量控制技术之后发展起来的一种新型交流变频调速技术。尽管矢

量控制在原理上优于标量控制，但是在实际上，由于转子磁链难以观测，系统性

能受到电机参数的影响较人，以及复杂的矢量变换，都使它的实际控制效果难于

达到理论分析的结果。直接转矩控制正是弥补了矢量控制的不足，它避免了复杂

的坐标变换，减少了对电机参数的依赖性，以其新颖的控制思想、简洁明了的系

统结果、优良的动静态性能备受人们的青睐，得到迅速的发展。

直接转矩控制的恃点：

（1）在定子坐标系下分析交流机的数学模型，直接控制磁链和转用，

不需与直流机做比较、等效、转化等，省去了复杂的计算。

（2）直接转矩控制以定子磁场定向，只需定子参数，而不需随转速变

化的，难以测定的转子参数，大大减少了参数变化对系统性能的影响。

（3）采用电压矢量和六边形磁链轨迹，直接控制转矩

（4）转矩和滋链都采用两点调节器（带滞环的band-band控制），把

误差限制在容许的范围内，控制直接又简化。

（5）控制信号的物理概念明确，转矩响应迅速，而且无超调，具有较

高的动静态性能。

参考文献：

《交流调速技术的发展与应用》冬雷、李永东电工技术杂志2002年08

期

《交流异步电动机调速系统控制策略综述》_丁辉、胡协