现代电机控制技术

现代电机控制技术

电机驱动控制理论

—同步电动机部分

1.机电能量转换：dt时间内磁能的变化d%=^>AdiA+^BdiB+iAiB[dLAB{Qr-）/dOr]Aer,由绕组A和B中变压器电动势从电源所吸收的全部电能加之运动电动势从电源所

吸收电能的一半所组成；由运动电动势吸收的另外一半电能成为转换功率，成为机械功率。产生感应电动势是耦合场从电源吸收电能的必要条件，产生运动电动势是通

过耦合场实现机电能量转换的关键。转子在耦合场中运动产生电磁转矩，运动电动势和电磁转矩构成一对机电耦合项，是机电能量转换的核心部分。

2.磁阻转矩：te=-0-5（Ld-d）i：sin2%。当转子凸极轴线与定子绕组轴线重合，此时气隙磁导最大，定义此时定子绕组的自感为直轴电感及；当转子交轴与定子绕组

轴线重合，此时气隙磁导最小，定义此时定子绕组的自感为交轴电感”；因此在转子旋转过程中，定子绕组的自感将发生变化。由于转子运动使气隙磁导发生变化而产

生的甩磁转矩称为磁阻转矩。转子励磁产生的甩磁转矩称为励磁转矩。

3.直流电机电磁转矩：主磁极基波磁场轴线定义为d（直）轴，d轴反时针旋转90。定义为q（交）轴。直流电动机的电枢绕组又称为换向器绕组，其特征：电枢绕组本来

是旋转的，但在电刷和换向器的作用下，电枢绕组产生的基波磁场轴线在空间却固定不动。在动态分析中，常将换向器绕组等效为一个单线圈，若电刷放在几何中性线

上，单线圈的轴线就被限定在q轴，称为q轴线圈。因q轴磁场在空间是固定的，当q轴磁场变化时会在电枢绕组内感生变压器电动势；同时它又在旋转，在d轴励磁磁场

作用下，还会产生运动电动势，q轴线圈为能表示出换向器绕组这种产生运动电动势的效应，它应该也是旋转的。这种实际旋转而在空间产生的磁场却静止不动的线圈

具有伪静止特性，称为伪静止线圈，它完全反映了换向器绕组的特征，可以由其等效和代替实际的换向器绕组。电磁转矩te=1^ia，控制“不变，改变ia即改变G，线

性控制良好。转子产生运动电动势，不断吸收电能，同时将电能转换为机械能，此时转子成为了能量转换的“中枢”，因此称为电枢。

4.三相异步电机电磁转矩：其运行原理是①定子三相绕组通入三相对称正弦电流，②将会在气隙中产生正弦分布的两极旋转磁场，当转子静止不动时，由电磁感应原理,

定子旋转磁场将在转子绕组中感生出三相对称正弦电流，其同样会在气隙中产生两极旋转磁场，旋转速度和方向与定子旋转磁场相同，但存在相位差，③定、转子旋转

磁场相互作用产生电磁转矩，若其大于负载转矩，转子将开始旋转，而转子速度总是小于定子旋转磁场速度，否则转子绕组不会感生电流，甩磁转矩也将消失，所以称

为异步电机。当转子速度稳定于啊，与定子旋转磁场的转速差为A3=g-%，可用转差率S表示这种速度差，即S=（3s-er）/g。气隙旋转磁场在转子绕组中感生的

三相对称电流频率为叼，=3s-3r=S3s，称为转差频率。

5.磁动势矢量：通过控制三相电流（时间变量）能控制三相绕组的基波磁动势波（空间矢量）。人运动轨迹圆形，圆的半径是每相基波磁动势最大幅值的3/2倍。

==

6.三相感应电机定、转子磁链：Vs=Vsa+Vg,%.=W,"+Wg,Vg=VSg+W.g,其中Ws<7=Ls/s，T«S9mIS>T，根据上式能够完成矢

量图的绘制。Wg是气隙磁链矢量，+s和是定、转子磁链矢量，和是定、转子漏磁链矢量，和Wrg是定、转子励磁磁链矢量。

7.矢量控制：其核心是直接控制产生转矩的各空间矢量，不仅在稳态下，在动态下也能严格地控制各矢量在空间复平面内的幅值和相位，因而可以精确地控制转矩。所

以矢量控制是一种以动态控制为出发点，追求动态控制品质的现代控制技术。

8.基于转子磁场的转矩控制：对于三相感应电动机，采用T-I等效电路消除了转子回路中的漏电感，将人分解为一个产生转子磁场的励磁分量LM，和一个产生电磁转矩

的转矩分量心。心可在空间分解成无数对分量〃和i7，其中只有一个特定轴系，此轴系的M轴应与转子磁链矢量耳始终取得一致，此时i”才会是产生％的真实励磁电流。

通常，将此称为MT轴系沿转子磁场定向，简称磁场定向，将此时的MT轴系称为转子磁场定向MT轴系。

9.坐标变换和矢量变换：①静止ABC轴系到静止DQ轴系：为满足功率不变约束，设定DQ轴系中定、转子绕组有效匝数均为ABC轴系每相绕组有效匝数的JZ/1倍。磁

动势等效是坐标变换的基础和原则。仅是一种相数变换。②静止DQ轴系到任意同步旋转MT轴系：能够将定子两相绕组中的对称正弦电流变换为MT轴系定子两相绕组

中的恒定直流，是一种频率变换，它起到了电刷和换向器同样的作用，故又称换向器变换。经过这种变换，将定、转子绕组变换为换向器绕组，并最终等效为直流电动

机，因此极大地提高了三相感应电动机的转矩控制水平。

10.论述三相感应电机矢量变换：①相数变换，由静止三相ABC轴系变换到静止两相DQ轴系。②频率变换，由静止DQ轴系变换到任意同步旋转的MT轴系。③频率变换

的变换矩阵相当于一台变频器，这种变换起到甩刷和换向器同样的作用，称为换向器变换，将DQ轴系下定、转子绕组同时变换为换向器绕组，使三相感应电机最终等

效为直流电动机，因此极大地提高了三相感应电动机的转矩控制水平。

11.转子磁场定向：约束条件是转子磁场在T轴方向上的分量为0。MT轴系沿转子磁场定向，可称为基于转子磁场定向的矢量控制或磁场定向控制(FOC).磁场定向分

为直接和间接磁场定向，对应地矢量控制为直接和间接矢量控制。直接磁场定向：它是通过磁场检测或运算确定转子磁链矢量的空间位置。直接检测磁场，方法简单，

但由于定、转子齿槽影响，检测信号脉动大，实际难以应用，通常是通过运算估计出转子磁链矢量，又称为磁链观测法。间接磁场定向：不需要观测转子磁链矢量实际

位置，通过控制转差频率实现定向，又称为转差频率法。

12.永磁同步电机(PMSM)模型：按永磁体安装形式分为面装式、插入式和内装式。面装式PMSM等效为电励磁三相隐极同步电动机；插入式PMSM等效为电励磁三

相凸极同步电动机。

13.面装式PMSM矢量控制弱磁原理：①PMSM转子励磁不可调节，为实现弱磁，利用磁动势矢量人使其对永磁体产生去磁作用。②若控制电流矢量与励磁磁场夹角大

于90。，人便会产生直轴去磁分量九，对永磁体产生去磁作用。③若同时考虑和」作用，就可在dq轴系内将面装式PMSM等效为他励直流电动机，dq轴磁场不存在耦合,

所以通过控制〃和％能独立地进行弱磁和转矩控制，实现了两种控制的解耦。

14.面装式PMSM和三相感应电机矢量控制比较：①面装式PMSM只需将定子三相绕组变换为换向器绕组，而三相感应甩机必须将定、转子绕组同时变换为换向器绕组。

②对于三相感应电机，采用直接磁场定向时，电机运行参数的变化严重影响估计的精确性，采用间接磁场定向也摆脱不了转子参数的影响；而PMSM可通过传感器直接

观测到转子磁场轴线位置，容易实现且不受参数变化影响。③三相感应电机运行原理基于电磁感应，机电能量转换在转子中完成，使转矩控制复杂；三相同步电机运行

原理依靠定、转子双边励磁，机电能量转换在定子中完成，转矩控制比感应电机简单，PMSM的转子磁场由永磁体提供，若不采用弱磁，则省去了励磁控制，使控制系

统更简单。

15.谐波转矩产生的原因：为产生恒定电磁转矩，要求PMSM的电动势和电流为正弦波，但永磁励磁磁场在空间分布不可能是完全正弦的，感应电动势波形也可能畸变;

由逆变器馈入的定子电流，尽管调制后可以逼近正弦波，但其中还含很多谐波，所以会产生谐波转矩。

16.纹波转矩及削弱方法：将因感应电动势和电流波形畸变引起的谐波转矩称为纹波转矩。为消除，首先使永磁体产生的励磁磁场尽量按正弦分布，以降低谐波幅值；

其次绕组采用短距和分布绕组。

17.齿槽转矩及削弱方法：将因定子开槽引起的齿谐波磁场产生的谐波转矩称为齿槽转矩。为消除，合理选择永磁体宽度和齿槽宽度比，可减小气隙磁导变化；定子斜

槽和转子斜极可以有效削弱齿槽转矩，对于永磁体，转子斜极比较困难，可以采用多块永磁体连续移位的措施。

18.直接转矩控制的对象：它直接将定子磁链和转矩作为控制变量，提高了系统的动态响应能力。

19.定子电压矢量控制电磁转矩：us=usr+usn,其中”sn=3sl%。通过控制"sr可以控制汽的幅值（增大或减小），通过控制可以控制汽的旋转

速度（方向和大小）。若使匕的旋转速度大于％■的旋转速度，则会增大负载角怎.，否则会使其减小，于是通过控制“sr和"sn就可以控制IHI和既.，也就控制了电磁转矩。

20.滞环比较（砰砰）控制：逆时针方向旋转拉大负教角，增大电磁转矩。1到8种开关状态：100、110、010、011、001、101、111、000。零电压矢量能缓和电磁转矩

的剧烈变化，以减小转矩脉动。

21.空间适量调制（SVPWM）出现背景和概念：滞环比较控制中每个周期只能选择一个开关电压矢量来同时控制的幅值和旋转速度，切向和径向矢量不一定是所预

期的电压矢量，导致磁链和转矩控制偏差大；滞环比较器无法区别偏差大小，也无法考虑转速变化影响，综上，SVPWM提供了有效的解决途径。常规直接转矩控制在

一个采样周期内只能选择一个开关电压矢量，但若将一个采样周期分为几个时间段，每个时间段选择一个，便可以在一个周期内组合成多个不同的电压矢量，这扩大了

电压矢量的选择范围，使之能够选择到更合适的电压矢量，这种控制方法即为SVPWM。

22.三相感应电机的直接转矩和转子磁场矢量控制比较：①直接转矩控制直接选定子磁链矢量为控制变量，是在ABC轴系内进行的，因此无需进行磁场定向和矢量变换,

所以更为直接和简捷；另外，还可以利用切向电压分量改变负载角的变化速率，能够快速控制转矩，这可以提高系统的快速性。然而，正是因为直接转矩控制是在ABC

轴系内进行的一种直接控制方式，所以不能像转子磁场定向那样实现解耦和线性控制。②转子磁场定向转矩控制，通过控制励磁电流控制转子磁链，控制转矩电流控制

电磁转矩，两者间可以实现解耦控制。并且解决了三相感应电机转矩生成和控制中存在的强耦合和非线性问题，使转矩控制可以与他励直流电机相媲美。但是，这种控

制只有在沿转子磁场定向的MT轴系中才能实现，为此必须先进行磁场定向，然后进行矢量变换，将励磁电流和转矩电流变换为三相电流。

23.三相感应电机的直接转矩和定子磁场矢量控制比较：对电磁转矩控制的实质是对电机内磁场的控制。直接转矩控制直接以定子磁场为控制变量，对转矩控制而言，

似乎较直接，其实不然。因为磁场是由电流建立的，控制磁场的实质是控制建立磁场的电流，从这一角度看，矢量控制对转矩的控制才更为直接，只要能快速准确地控

制电流，就相当于快速准确地控制转矩。定子磁场定向矢量控制和直接转矩控制虽然都利用了定子电压分量方程，但是却都利用电压分量来控制电流分量。在沿定子磁

场定向的MT轴系内，无论采用直接转矩控制还是矢量控制，都不能改变电机转矩控制的非线性特性。

24.面装式PMSM直接转矩控制原理：①te=（Po姆Rsin%）/k。②由上式知，转子磁链矢量片幅值不变，若能控制定子磁链矢量R幅值为常值，甩磁转矩就仅与负载

角6sf有关，通过控制6sr可以控制甩磁转矩，这就是PMSM直接转矩控制基本原理。

25.面装式PMSM直接转矩控制弱磁原理：①通过控制定子磁链实现弱磁。②3r=|4|/|%I。③若保持¥1不变，在甩压极限Eslmax约束下，转速3r受到限制，可达到

最大速度3,*，称为转折速度，此时若要再提高转速，就要减小定子磁链|兴|,也就需要弱磁控制，可令指令值|苏|与转速反比例地减小，即有I苏l=/7UJnax/3,.,其

中0W1,当e=1,说明弱磁是从转速达到转折速度3rt时开始的；当即＜1，说明实际弱磁点是提前开始的。

26.面装式PMSM直接转矩和转子磁场矢量控制比较：①控制变量不同。直接转矩控制选择了匕和bsf为控制变量，可以直接由%控制的幅值和速度，进而直接控制转

矩：转子磁场矢量控制选择id和iq为控制变量。②控制过程不同。直接转矩控制在ABC轴系内进行，不需要坐标变换，使系统简化；转子磁场矢量控制是在沿转子磁场

定向的dq轴系内进行，需要矢量变换。③控制结果不同。直接转矩控制是非线性控制，转矩控制和定子磁链控制间存在耦合；转子磁场矢量控制将PMSM变换为等效的

直流电动机，有效解决了转矩控制的非线性和耦合问题，是一种线性控制。

1、三相感应电机的两种等效电路

图L三相感应电动机稳态等效电路（T-I型等效电路）

2、机械运动方程

陷d汽

=g+Tload

dtdt~dt

对电动机转子位置的控制也只能通过控制动转矩（Te-TI.）来实现。为构成高性能伺服系统，就需要对电磁转矩具备很强的控制能力。

3、解释磁能和磁共能表示的电磁感应公式的物理意义。

「“mA

匕=J。

上式为线圈A励磁的能量公式，考虑了铁心磁路和气隙磁路内总的磁场储能。

町

以电流为自变量，对磁链进行积分，得到磁共能:

磁能叱“不仅是和“8的函数，同时又是转角＜9,的函数；磁共能叱“不仅为^和%的函数，同时还是4.的函数，即有

%叱“。必，幻

叱“叱

_（少A“B0）

Ie—一

e/

,当转子因微小角位移引起系统磁能变化时，转子上将受

到电磁转矩作用，电磁转矩方向应为在恒磁链下倾使系统磁能减小的方向.

t.崛£•一）

eQ0

r当转子因微小位移引起系统磁共能发生变化时，会受到电

磁转矩的作用，转矩方向应为在恒定电流下倾使系统磁共能增加的方向

4、磁阻转矩、生成原理

%=：（4-々）加24

由于•凸极式转子结构原因，电机气隙不像隐极式转子是均匀的，当转子凸极轴线与定子绕组轴线重合，此时气隙磁导最大，定义此时定子绕组的自感为直轴电感Ld：当转子交轴与定子绕组轴线重合，此时气隙

磁导最小，定义此时定子绕组的自感为交轴电感Lq；因此在转子旋转过程中，定子绕组的自感将发生变化。由于转子运动使气隙磁导发生变化而产生的电磁转矩称为磁阻转矩。

第七章同步电动机的驱动控制

7.1同步电动机调速系统分类及特点

7.2永磁同步电机矢量控制原理及矢量方程

7.3永磁同步电动机的转子磁场定向矢量控制

7.4永磁同步电动机的弱磁控制及最大功率控制

7.5基于定子磁场定向的矢量控制及直接转矩控制

主要教材:

王成元.《现代电机控制技术》

北京：机械工业出版社，2008

陈伯时.《自动控制系统》

参考书目

1D.W.Novotny,T.A.Lipo,T.MJahns,^Introduction

toElectricMachinesAndDrives》

2D.W.Novotny,T.A.Lipo.《VectorControland

DynamicsofACDrives》

3T.A.Lipo.《AnalysisofSynchronousMachines》

4唐任远.《现代永磁电机理论》

7.1同步电动机调速系统的特点与分类

同步电动机变压变频调速的特点

他控变频同步电动机调速系统

自控变频同步电动机调速系统

\同步电动机变压变频调速的特点

概述

同步调速系统的类型

同步调速系统的特点

1、同步电动机调速系统概述

同步电动机历来是以转速与电源频率保持严格

同步著称的。只要电源频率保持恒定，同步电动

机的转速就绝对不变。

采用电力电子装置实现电压-频率协调控制，改

变了同步电动机历来只能恒速运行不能调速的面

貌。起动费事、重载时振荡或失步等问题也已不

再是同步电动机广泛应用的障碍。

・优点：

(1)转速与电压频率严格同步；

(2)功率因数高到1.0,甚至超前；

•存在的问题：

(1)起动困难；

(2)重载时有振荡，甚至存在失步危险;

•问题的根源：

供电电源频率固定不变。

•解决办法：

采用电压-频率协调控制，可解决由固

定频率电源供电而产生的问题。

对于起动问题：

通过变频电源频率的平滑调节，使电

机转速逐渐上升，实现软起动。

对于振荡和失步问题：

由于采用频率闭环控制，同步转速可

以跟着频率改变，就不会振荡和失步。

2、同步调速系统的类型

(1)他控变频调速系统

用独立的变压变频装置给同步电动机供电的系

统。

(2)自控变频调速系统

用电动机本身轴上所带转子位置检测器或电动

机反电动势波形提供的转子位置信号来控制变压

变频装置换相时刻的系统。

3、同步调速系统的特点

(1)交流电机旋转磁场的同步转速劭与定子

电源频率力有确定的关系

_2%

1.

%

异步电动机的稳态转速总是低于同步转速

的，二者之差叫做转差公；同步电动机的

稳态转速等于同步转速，转差外=0。

（2）异步电动机的磁场仅靠定子供电产生，

而同步电动机除定子磁动势外，转子侧还有

独立的直流励磁，或者用永久磁钢励磁。

（3）同步电动机和异步电动机的定子都有同

样的交流绕组，一般都是三相的，而转子绕

组则不同，同步电动机转子除直流励磁绕组

（或永久磁钢）外，还可能有自身短路的阻

尼绕组。

(4)异步电动机的气隙是均匀的，而同步电

动机则有隐极与凸极之分，隐极式电机气隙

均匀，凸极式则不均匀，两轴的电感系数不

等，造成数学模型上的复杂性。但凸极效应

能产生平均转矩，单靠凸极效应运行的同步

电动机称作磁阻式同步电动机。

(5)异步电动机由于励磁的需要，必须从

电源吸取滞后的无功电流，空载时功率因

数很低。同步电动机则可通过调节转子的

直流励磁电流，改变输入功率因数，可以

滞后，也可以超前。当cos=1.0时，电

枢铜损最小，还可以节约变压变频装置的

容量。

(6)由于同步电动机转子有独立励磁，在

极低的电源频率下也能运行，因此，在同

样条件下，同步电动机的调速范围比异步

电动机更宽。

(7)异步电动机要靠加大转差才能提高转

矩，而同步电机只须加大功角就能增大转

矩，同步电动机比异步电动机对转矩扰动

具有更强的承受能力，能作出更快的动态

响应。

▲、他控变频同步电动机调速系统

与异步电动机变压变频调速一样，用独立

的变压变频装置给同步电动机供电的系统

称作他控变频调速系统。

他控变频调速系统包括：

＜转速开环恒压频比控制的同步电动机群调速

系统

•由交-直-交电流型负载换流变压变频器供电

的同步电动机调速系统

由交-交变压变频器供电的大型低速同步电

动机调速系统

1、转速开环恒压频比控制的

同光电才和羟语速至结

转速开环恒压频比控制的同步电动机群

调速系统，是一种最简单的他控变频调速

系统，多用于化纺工业小容量多电动机拖

动系统中。

这种系统采用多台永磁或磁阻同步电动

机并联接在公共的变频器上，由统一的频

率给定信号同时调节各台电动机的转速。

1）系统组成

永磁或磁

阻式同步

电动机群

多台同步电动机的恒压频比控制调速系统

2）系统控制

•多台永磁或磁阻同步电动机并联接在公共

此phIX。盾开11序''皿二rh乡玄一白片

频率给定信号/*同时调节各台.动机的转

速。

•PWM变压变频器中，带定子压降补偿的恒

压频比控制保证了同步电动机气隙磁通恒

定，缓慢地调节频率给定了*可以逐渐地同

时改变各台电机的转速。

3）系统特点

•系统结构简单，控制方便，只需一台变频

器供电，成本低廉。

•由于采用开环调速方式，系统存在一个明

显的缺点，就是转子振荡和失步问题并未

解决，因此各台同步电动机的负载不能太

关。

2、由交-直-交电流型变压变频

器供电的同步电动机调速系统

大型同步电动机转子上一般都具有励磁

绕组，通过滑环由直流励磁电源供电，或

者由交流励磁发电机经过随转子一起旋转

的整流器供电。

对于经常在高速运行的机械设备，定子

侧可以采用他控型交■直■交电流型变压变

频器供电。

由交一直•交电流型负载换流变压变频器供电的

同步电动机调速系统

系统控制环节包括转速调节、负载换流控

制和励磁电流控制，FBS是测速反馈环节

O

变压变频装置一般是电流型的，往往需要

电流控制器（包括电流调节和电源侧变换

器的触发控制）。

定子侧采用交-直-交电流型变压变频器供

电，晶闸管变换器（即逆变器）比给异步

电动机供电时更简单，可以省去强迫换流

电路，而利用同步电动机定子中的感应电

动岁实现换相。这样的逆变器称作负载营

流逆变器（Load-commutatedInverter,简

称LCDo

换流(Commutation)

•换流：电路在工作过程中，电流由一个支路向另一

个支路转移的过程称之为换流或换相。

闭合闭合b)

•研究换流方式主要是研究器件如何关断。

负载换流(LoadCommutation)

•区别于器件换流(DeviceCommutation)、电网

换流(LineCommutation)、强迫换流(Forced

Commutation)等方式，针对晶闸管，由负载提供

换流电压的换流方式称之为负载换流。

基本负载换流逆变电路哈尔滨工业大学电磁驱动与控制研究所

负载换流特点

•半控型器件一晶闸管；

­器件承受负压而关断；

•负载电流的相位需超前于负载电压一电容性负载;

•阻感性负载时并接电容，使负载略呈容性；

•直流侧串入大电感使电流基本没有脉动；

伟载换流由路乃其T作波形

VT2>VT3

导通时刻乙

舞在整

有足够的裕

量，才能使

换流顺利完

成。

寸

cot

同步电机的负载换流逆变器

•负载电流的相位超前于负载电压的场合，都可实现

负载换流，如电容性负载和同步电动机。

•当负载为同步电动机时，由于可以控制励磁电流使

负载呈现为容性，因而也可以实现负载换流。

旁路晶闸管的作用

•LCI同步调速系统在起动和低速时存在换流问题

。低速时同步电动机感应电动势不够大，不足以保证可

靠换流；

。当电机静止时，感应电动势为零，根本就无法换流。

•可采用“直流侧电流断续”方法，使中间直流环

节电抗器的旁路晶闸管导通，让电抗器放电，同

时切断直流电流，允许逆变器换相，换相后再关

断旁路晶闸管，使电流恢复正常。

•用这种换流方式可使电动机转速升到额定值的

3%〜5%,然后再切换到负载电动势换流。

3由交-交变压变频器供电的大型低速同

步电动机调速系统

另一类大型同步电动机变压变频调速系统

用于低速的电力拖动，例如无齿轮传动的

可逆轧机、矿井提升机、水泥转窑等。

该系统可由交-交变压变频器（又称周波

变换器）供电，输出低于供电频率，对于

一台20极的同步电动机，同步转速为

120〜150r/min,直接用来拖动轧钢机等设

系统组成

参考输入

由交-交变压变频器供电的大型低速同步电动机调速系统

交-交变压变频简介

交■交变流电路，是把一种形式的交流变成另一

种形式交流的电路，可改变相关的电压、电流

、频率和相数等。

晶闸管交交变频电路，也称周波变流器，是将

电网频率的交流电变成可调频率的交流电的变流

电路，属于直接变频电路。

出基本电路单元：由P、

N组晶闸管反向并联；

去P组工作时，负载电流

，0为正。

小N组工作时，为负。

生两组变流器按一定的

频率交替工作，负载就得

到该频率的交流电。“0八

▼改变两组变流器的切换

频率，就可改变输出频率。

改变变流电路的控制角

伍就可以改变交流输出

电压的幅值。

单相交交变频电路

a)

多由P、N组反向并联的晶闸管变流电路可工作于整流与逆变

工作状态，和直流电动机可逆调速用的四象限变流电路完全

相同。

三相交交变频电路

寺由于采用公共母线,

三组变频电路需隔离。

多电机三相绕组分开。

公共交流母线进线三相交交变频电路简图

萧

糜

寰

第

,

金

鲁

哪

磅

a）简图b）详图

三组输出端星形联结，电动机的三个绕组也是星形联结,

电动机中点不和变频器中点接在一起。

因为三组的输出联接在一起，其电源进线必须隔离，因

此分别用三个变压器供电。

由于输出端中点不和负载中点相联接，所以在构成三

相变频电路的六组桥式电路中，至少要有不同输出相

的两组桥中的四个晶闸管同时导通才能构成回路，形

成电流。

交交变频和交直交变频的比较

—亦峙出仪附件占.效率较高（一次变流）

十父父父频电路的仇…可方便地实现四象限工作

低频输出波形接近正弦波

击交交变频电路的缺点：

，接线复杂，采用三相桥式电路的三相交交变频器至少

要用36只晶闸管。

・受电网频率和变流电路脉波数的限制，输出频率较低

O

▼O

♦输入电流谐波含量大，频谱复杂。

+主要用于500kW或lOOOkW以上的大功率、低

转速的交流调速电路中。目前已在轧机主传动

装置、鼓风机、矿石破碎机、球磨机、卷扬机

等场合应用。

多既可用于异步电动机，也可用于同步电动机传

动。

、自控变频同步电动机调速系统

方波无刷直流电动机

正弦波永磁同步电动机

磁阻同步电动机

方波无刷直流电动机

无刷直流电动机实质上是一种特定类型的

同步电动机，调速时只在表面上控制了输

入电压，实际上也自动地控制了频率，仍

属于同步电动机的变压变频调速。

基本结构与原理

等效直流电机

基本结构

+-----

«J——

j____

自控变频同步——

电动机调速系

统结构原理图L控制器<.-

结构特点

(1)在电动机轴端装有一台转子位置检测

器BQ,由它发出的信号控制变压变频装

置的逆变器UI换流，从而改变同步电动

机的供电频率，保证转子转速与供电频率

同步。调速时则由外部信号或脉宽调制

(PWM)控制UI的输入直流电压。

结构特点(续)

(2)从电动机本身看，它是一台同步电动

机，但是如果把它和逆变器UL转子位置

检测器BQ合起来看，就象是一台直流电

动机。直流电动机电枢里面的电流本来就

是交变的，只是经过换向器和电刷才在外

部电路表现为直流，这时，换向器相当于

机械式的逆变器，电刷相当于磁极位置检

测器。这里，则采用电力电子逆变器和转

子位置检测器替代机械式换向器和电刷。

电动势与电流波形

永磁无刷直流电动机的转子磁极采用瓦

形磁钢，经专门的磁路设计，可获得梯形

波的气隙磁场，定子采用集中整距绕组，

因而感应的电动势也是梯形波的。

由逆变器提供与电动势严格同相的方波电

流，同一相（例如A相）的电动势必和电

流波，A形图如图所示。

电动势与电流波形（续）

梯形波永磁同步电动机的电动势与电流波形图

由于各相电流都是方波，逆变器的电压

只须按直流PWM的方法进行控制，比各种

交流PWM控制都要简单得多，这是设计梯

形波永磁同步电动机的初衷。

然而由于绕组电感的作用，换相时电流

波形不可能突跳，其波形实际上只能是近

似梯形的，因而通过气隙传送到转子的电

磁功率也是梯形波。

转矩脉动

如图所示，实际的转矩波形每隔60°都

出现一个缺口，而用PWM调压调速又使

平顶部分出现纹波，这样的转矩脉动使梯

形波永磁同步电动机的调速性能低于正弦

波的永磁同步电动机。

转矩脉