基于稳态模型的交流电动机调速系统设计及校正毕业论文初稿

1、. . 毕业设计（论文） 题目 基于稳态模型的交流电动机调速系统设计及校正 学生姓名： 张 三 学 号： 2006105226 专 业： 机械设计制造及其自动化 指导教师： 评阅教师： 完成日期2010 年 5 月 30 日 学位论文原创性声明 . . 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成 果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表 或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 2010 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向

2、有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权省级优秀学士学位论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1、保密 ，在_年解密后适用本授权书。 2、不保密 。 （请在以上相应方框内打“” ） 作者签名： 2010 年 月 日 导师签名： 2010 年 月 日 . . 目目 录录 摘要1 前 言3 1 绪论5 1.1 运动控制及其相关学科5 1.2 现代运动控制系统中的运动控制器及其应用6 1.3 交流调速系统7 1.4 本文研究的主要内容和意义12 2 异步电

3、动机稳态数学模型13 2.1 等效电路参数折算13 2.2 稳态等效电路15 3 异步电动机变压变频调速基本原理17 3.1 变压变频调速基本原理17 3.2 基频以下电压-频率协调控制时的机械特性18 3.3 基频以下的电流补偿控制22 3.4 本章小结25 4 交流 pwm 变频技术26 4.1 变频器概念26 4.2 变频器的基本构成26 4.3 交-直-交 pwm 变频器27 4.4 交流 pwm 三种控制方式的简单介绍29 4.5 pwm 变换器的选择30 4.6 正弦波脉宽调制（spwm）技术30 5 基于异步电动机稳态模型的变压变频调速系统34 . . 5.1 转速开环变压变频调

4、速系统结构34 5.2 转速闭环转差频率控制的变压变频调速系统36 5.3 小结39 6 通用 spwm 变频调速系统的仿真研究40 6.1 matlab/simulink仿真简介40 6.2 通用 spwm 变频调速系统构成41 6.3 输入输出关系41 6.4 降低转矩脉动的具体措施42 6.5 spwm 调速系统建模43 6.6 spwm 变频调速系统的计算机仿真44 7 总结与展望52 致 谢53 参考文献54 . . 基于稳态模型的交流电动机调速系统的设计及校正基于稳态模型的交流电动机调速系统的设计及校正 学 生：林 攀 导 师：曾孟雄 教学单位：三峡大学机械与材料学院 摘要：交流电

5、机包括异步电机和同步电机。同步电机的转差率恒为零，现实中只能采 用变压变频调速。异步电动机具有结构简单、制造容易、转速高、容量大、维修工作量 小等优点。本论文主要就异步电动机调速系统有关方面进行探讨，研究基于稳态模型的 交流调速系统。基于稳态模型的交流电动机调速系统在一定范围内可以实现平滑调速， 动态性能要求不高，主要采用变压变频调速。 论文从异步电动机稳态数学模型入手，首先介绍了变压变频调速基本原理，分析了 基频以下的电流补偿控制，以及异步电动机电压频率协调控制时的机械特性。 其次，论文着重分析 pwm 控制技术在交流调速领域的应用，讨论三种 pwm 控制方 式，选择和设计桥式可逆 pwm

6、变换器。 然后，论文分别介绍了两种基于稳态模型的异步电动机调速系统：转速开环的变压 变频调速系统和转速闭环的转差频率控制系统。 最后，论文利用 matlab/simulink 建立了该矢量控制系统的仿真模型并通过仿真模 型分析基于稳态模型的交流电动机调速系统的性能。 关键词：交流电动机 稳态模型 变压变频调速 pwm 建模 设计与仿真 . . the design of speed control system of ac motor based on the steady-state model abstract: ac motor includes asynchronous motor a

7、nd synchronous motor. the slip of synchronous motor is zero. in fact，it can only adopt vvvf speed control. asynchronous motor has simple structure and can be easily made and has high speed, large capacity and small maintenance workload. in this paper, we mainly explore on the induction motor speed c

8、ontrol system and research the speed control system of ac motor based on the steady-state model. this system can be achieved with smooth speed control in a certain range.its request of dynamic performance is not high. it mainly adopts vvvf speed control. the pessage starts from the steady-state math

9、ematical model of induction motor . first, it introduces the basic principles of speed control of vvvf, and analysis the current compensation control under the fundamental frequency and mechanical properties of voltage - frequency coordination control of induction motor . secondly, the paper focuses

10、 on the exchange of pwm speed control technology in the field of application ,and discusses the three pwm control mode , and selects and designs the reversible bridge pwm converter . thirdly , the pessage introdues two induction motor speed control systems based on the steady-state model : speed ope

11、n-loop speed control system of vvvf and speed closed-loop control system of the slip frequency . lastly , we use matlab / simulink to establish a vector control system of the simulation model . keywords : ac motor；steady-state model；variable frequency control; pwm; modeling design and simulation . .

12、 前言 电气传动从总体上分为调速和不调速两大类。按照电动机的类型不同，电气传动又 分为直流和交流两大类，直流电动机在 19 世纪先后诞生，但当时的电气传动系统是不 调速系统，随着社会化大生产的不断发展，生产技术越来越复杂，对生产工艺的要求也 越来越高，这就要求生产机械能够在工作速度，快速启动和制动，正反转等方面具有较 好的运行性能。从而推动了电动机的调速不断向前发展，自从 1834 年直流电动机出现 以后，直流电动机作为调速电动机的代表，在工业中得到了广泛的应用。它的优点主要 在于调速范围广，静差小，稳定性能好以及具有良好的动态性能，晶闸管变流装置的应 用使直流拖动发展到了一个很高的水平，在可

13、逆，可调速与高精度的拖动技术领域中相 当长时间内几乎都采用直流拖动系统。尽管如此，直流调速系统却解决不了直流电动机 本身的换向问题和在恶劣环境下的不适应问题，同时，制造大容量，高转速以及高电压 直流电动机也十分困难，这就限制了直流传动系统的进一步发展。 交流电动机在 1885 年出现后，由于一直没有理想的调速方案，只被应用于恒速拖 动系统，从上世纪 30 年代起，不少国家才开始提出各种交流调速的原始方案，晶闸管 的出现使交流电动调速的发展出现了一个质的飞跃，使得半导体变流技术的交流调速得 以实现，国际上在 60 年代后期解决了交流电动机调速方案中的关键问题，70 年代开始 就实现了产品的高压，

14、大容量，小型化，且已经逐渐取代了大部分传统的直流电动机的 应用领域。交流调速系统发展迅速的很大一部分原因在于交流电动机本身的优点：没有 电刷和换向器，结构简单，寿命长。近年以来大功率半导体器件，大规模集成电路，电 子计算机技术的发展，加上交流电动机本身的优越特性，为交流调速提供了广泛的应用 前景。目前交流电力拖动系统已具备了较宽的调速范围，较高的稳态精度，较快的动态 响应，较高的工作效率以及可以在四象限运行等优越性能，其动态性能均可与直流电动 机拖动系统相比美。 交流调速系统与直流调速系统相比较，具有如下特点： （1）容量大 这是电动机本身的容量所决定的。直流电动机的单机容量能达到 1214m

15、w，而交流电动机的容量却远远的高与此数值。 （2）转速高，而且耐压 直流电动机受到换向器的限制，最高电压只能达到 1000 多伏，而交流电动机容量可达到 610kv，甚至更高。一般直流电动机最高转速只 能达到 3000 转/min 左右，而交流电动机则可以高达每分钟几万转。这使得交流电动机 的调速系统具有耐高压，转速高的特点。 （3）交流电动机本身的体积，重量，价格比同等容量的直流电动机要小，且交流 电动机结构简单，坚固耐用，经济可靠，惯性小成了交流调速系统的一大优点。 . . （4）交流电动机的调速装置环境适应性广。直流电动机由于结构复杂，换向器工 作要求高，使用中受到很多限制，如工厂里的酸

16、洗车间，由于腐蚀严重，使用直流电动 机每周都要检查碳刷，维修起来比较困难，而交流电动机却可以用在十分恶劣的环境下 不至于损坏。 （5）由于高性能，高精度，新型调速系统的出现和不断发展，交流拖动系统已达 到同直流拖动系统一样的性能指标，越来越广泛的应用于 国民经济的各个生产领域。 （6）交流调速装置能显著的节能。工业上大量使用的风机，水泵，压缩机类负载 都是靠交流电动机拖动的，这类装置的用电量占工业用电量的 50%，以往都不对电动机 调速，而仅采用挡板，节流阀来控制风量或流量。大量的电能被白白的浪费掉，如果采 用交流电动机调速系统来改变风量或流量的话，效率就会大大的提高，从各方面来看， 改造恒速

17、交流电动机为交流调速电动机，有着可观的能源效益。 交流电动机因其结构简单，运行可靠，价格低廉，维修方便，故而应用面很广，几 乎所有的调速传动都采用交流电动机。尽管从 1930 年开始，人们就致力于交流调速系 统的研究，然而主要局限于利用开关设备来切换主回路达到控制电动机启动，制动和有 级调速的目的。变极对调速，电抗或自藕降压启动以及绕线式异步电动机转子回路串电 阻的有级调速都还处于开发的阶段。交流调速缓慢的主要原因是决定电动机转速调节主 要因素的交流电源频率的改变和电动机的转距控制都是非常困难的，使交流调速的稳定 性，可靠性，经济性以及效率均不能满足生产要求 。后来发展起来的调压，调频控制 只

18、控制了电动机的气隙磁通，而不能调节转距。转差频率控制在一定程度上能控制电动 机的转距。 . . 1 绪论 运动控制系统（motion control system）也可称作电力拖动控制系统（control system of electric drive） 。运动控制系统的任务是通过对电动机电压、电流、频率等输入电量的 控制，来改变工作机械的转矩、速度、位移等机械量，使各种工作机械按人们期望的要 求运行，以满足生产工艺及其它应用的需要。工业生产和科学技术的发展对运动控制系 统提出了日益复杂的要求，同时也为研制和生产各种新型的控制装置提供了可能。供水 变频节能调速系统通过调节电动机电压大小以调速

19、来实现运动控制，因此该系统主要的 问题应该是如何实现电机调速。运动控制(motion control) 是在电机驱动的基础上, 随 着相关学科技术发展而形成的一门多学科交叉技术。它指在复杂条件下, 将预定的控制 方案、指令转变成期望的机械运动, 实现机械运动精确的位置控制、速度控制或转矩控 制。下面将就运动控制系统及交流调速系统的相关问题作简要论述。 1.1 运动控制及其相关学科 现代运动控制已成为电机学、电力电子技术、微电子技术、计算机控制技术、控制 理论、信号检测与处理技术等多门学科相互交叉的综合性学科2。 （1）电机学 电动机是运动控制系统的执行机构，电动机的机构和原理决定了运动控制系统

20、的设 计方法和运行性能，新型电机的发明就会带出新的运动控制系统。 （2）电力电子技术 以电力电子器件为基础的功率放大与变换装置是弱电控制强电的媒介，在运动控制 系统中作为电动机的可控电源，其输出电源质量直接影响运动控制系统的运行状态和性 能。新型电力电子器件的诞生必将产生新型的功率放大与变换装置，对改善电动机供电 电源质量，提高系统运行性能，起到积极推进作用。 （3）微电子技术 微电子技术的快速发展，导致各种高性能的大规模或超大规模的集中电路层出不穷， 方便和简化了运动控制的硬件电路设计及调试工作，提高了运动控制系统的可靠行。高 速、大内存容量、多功能的微处理器或单片微机的问世，使各种复杂的控

21、制算法在运动 控制系统中的应用成为可能，并大大提高了控制精度。 （4）计算机控制技术 计算机具有强大的逻辑判断、数据计算和处理、信息传输等能力，能进行各种复杂 的运算，可以实现不同于一般线性调节的控制规律，达到模拟控制系统难以实现的控制 功能和效果。计算机控制技术的应用使对象参数辩识、控制系统的参数自整定和自学习、 智能控制、故障诊断等成为可能，大大提高了运动控制系统的智能化和系统的可靠行。 . . 在工程实际中，对于一些难以求得其精确解析解的问题，可以通过计算机求得其数 值解，这就是计算机数字仿真。计算机数字仿真具有成本低、结构灵活、结果直观、便 于储存和进行数据分析等优点。计算机辅助设计（

22、cad）是在数字仿真的基础上发展起 来的，在系统数学模型基础上进行仿真，按给定指标寻优进行计算机辅助设计，已成为 运动控制系统常用的分析和设计工具。 （5）信号检测与处理技术 运动控制系统的本质是反馈控制，即根据给定和输出的偏差实施控制，最终缩小或 消除偏差，运动控制系统需要通过传感器实时检测系统的运行状态，构成反馈控制，并 进行故障分析和故障保护。 实际检测信号往往带有随机的扰动，这些扰动信号对控制系统的运行产生不利影响， 严重时甚至会破坏系统的稳定性。为了保证系统安全可靠的运行，必须对实际检测的信 号进行滤波等处理，提高系统的抗干扰能力。此外，传感器输出信号的电压、极性和信 号类型往往与控

23、制器的需求不相吻合。所以，传感器输出信号一般不能直接用于控制， 需要进行信号转换和数据处理。 （6）控制理论 控制理论是运动控制的理论基础，是指导系统分析和设计的依据。控制系统实际问 题的解决常常能推动理论的发展，而新的控制理论的诞生，诸如非线性控制、自适应控 制、智能控制等，又为研究和设计各种新型的运动控制系统提供了理论依据。 1.2 现代运动控制系统中的运动控制器及其应用 运动控制系统1机为控制对象, 以控制器为核心, 以电力电子、功率变换装置为执 行机构, 在控制理论指导下组成的电气传动控制系统 。从基本结构上看, 一个典型的 现代运动控制系统的硬件主要由上位计算机、运动控制器、功率驱动

24、装置、电动机和传 感器反馈检测装置和被控对象等几部分组成, 如图 1-1 所示。电动机及其功率驱动装置 作为执行器主要为被控对象提供动力, 特别设计应用于伺服系统的电机称之为伺服电机, 通常内含位置反馈装置, 如光电编码器。 pc运动控制 器 功率驱动放大装 置 伺服电动 机 负载 载 传感器反馈信号 . . 图1-1 典型运动控制系统组成 运动控制器是以中央逻辑控制单元为核心、以传感器为信号敏感元件、以电机或动 力装置和执行单元为控制对象的一种控制装置。其功能在于提供整个伺服系统的闭路控 制, 如位置控制、速度控制和转矩控制等。 1.3 交流调速系统 目前，交流调速系统应用方向可分为以下三大

25、类2: （1）以节能为目的的改恒速为调速 （2）以少维护省力为目的的取代直流调速系统 （3）直流调速难以实现的领域 交流调速控制作为对电动机控制的一种手段。作用相当明显，这里就不再多做介绍， 就交流调速系统目前的发展水平而言，可概括的如下： （1）已从中容量等级发展到了大容量、特大容量等级。并解决了交流调速的性能 指标问题，填补了直流调速系统在特大容量调速的空白。 （2）可以使交流调速系统具有高的可靠性和长期的连续运行能力，从而满足有些 场合不停机检修的要求或对可靠性的特殊要求。 （3）可以使交流调速系统实现高性能、高精度的转速控制。除了控制部分可以得 到和直流调速控制同样良好的性能外，异步电

26、动机本身固有的优点，又使整个系统得到 更好的动态性能。采用数字锁相控制的异步电动机变频调速系统，调速精度可以达到 0.002%。 根据异步电动机的转速表达式 n=(1-s)60f/p=n03，当极对 p 不变时，均匀的改 变定子供电的频率 f，则可以连续的改变异步电动机的同步转速 n0。达到平滑调节电动 机实际运行转速 n 的目的。这种调速方法称为变频调速。变频调速具有很好的调速性能， 应用相当广泛，是交流调速的主流。 交流电机有异步电动机（即感应电动机）和同步电动机两大类。异步电动机是把交 流电能转变为机械能的动力机械，广泛应用于工业（如：机床、纺织机械、起重机、矿 山机械等） 、农业（脱粒

27、机、粉碎机、水泵及加工机械等） 、家用电器（电风扇、空调、 洗衣机、电冰箱及小功率电动工具等） 。本设计所选用的就是异步电动机，将在第二章 . . 详细介绍它的工作原理和调速方式。 1.3.1 交流调速系统的基本类型 现代交流调速系统由交流电动机，电力电子功率变换器，控制器和检测器等四大部 分组成。如下图所示。电力电子功率变换器与控制器及电量检测器集中于一体，称为变 频器，如图内框虚线所框部分。从系统方面定义，图外框线所框部分称为交流调速系统。 图 1-4 交流调速系统组成 现代交流调速系统可分为异步电动机调速系统和同步电动机调速系统。 1.3.1.1 同步电动机调速系统的基本类型 由同步电动

28、机转速公式 n=60fs/np(fs定子供电频率，np电动机极对数)可知， 同步电动机唯一依靠变频调速。根据频率控制方式的不同，同步调速系统可分为两类， 即他控式同步电动机调速系统和自控式同步电动机调速系统。 （1）他控式同步电动机调速系统 用独立的变频装置作为同步电动机的变频电源叫做他控式同步电动机调速系统4式 恒压频比的同步电动机调速系统目前多用于小容量场合，例如永磁同步电动机，磁阻同 步电动机。 （2）自控式同步电动机调速系统 采用频率闭环方式的同步电动机系统叫做自控式同步电动机调速系统，是用电机轴 上所装转子位置检测器来控制变频装置触发脉冲，使同步电动机工作在自同步状态。 自控式同步电

29、动机调速系统可分为两种类型：负载换向自控式同步电动机调速系统 和交交变频同步供电的同步电动机调速系统。 1.3.1.2 异步电动机调速系统的基本类型 异步电动机定子对称的三相绕组中通人对称的三相交流电，在电机气隙内会产生一 . . 个旋转磁场，其旋转速度为同步转速 （1-1） p f n 1 0 60 式中 定子绕组电源频率。1f 电机磁极对数p 异步电动机转差率 (1-2) 0 0 n nn s 则异步电动机转速 (1-3)1 ( 60 )1 ( 1 0 s p f snn 因而，异步机的调速方法可分为变频调速、变极对数调速和变转差率调速三种，其 中变转差率的方法又可以通过定子电压、转子电阻

30、、转差电压等方法来实现。归纳异步 机的基本调速方法5 : 交变频调速直交 交变频调速交 变频调速 型转子变极对数调速对鼠笼 电磁转差离合器调速 机串级调速绕线式异步 调压调速 步机串电阻调速绕线式异 变转差调速 由电机学可知，转差功率 (1-4) 2cuemspspp 式中电磁功率；转子铜耗。emp2cup 由式可知，变极调速与变频调速为转差功率不变型，不论其转速高低，转差功率消 耗基本不变，因此调速效率为最高。 在变转差率 s 的调速方法中，定子调压、转子串电阻及电磁转差离合器这三种调速 为转差功率消耗型。因为 ns，所以随转速的降低，转差功率将转换成热sp 能消耗掉,调速效率为最低。串级调

31、速的指导思想是回收转差功率，它属于转差功率回 . . 馈型。在。在低速时，一部分能量消耗在转子中，大部分能量回馈给电网或转化成机械 能，调速效率为居中。在电力电子技术与计算机控制技术突飞猛进的今天，交流调速的 主流为变频调速。下表将各种调速方法的性能指标作一比较，以便了解。 表 1-1 异步电动机各种调速方法性能指标的评价 变转差率 调速方法 变极变频 调压调速 转子串电 阻 电磁转差离 合器 串极调速 是否改变 同步转速 变变不变不变不变不变 静差率（转速 相对稳定性） 小（好）小（好） 开环时大 闭环时小 大（差） 开环时大 闭环时小 小（好） 在一般静差率 要求下的调速 范围 较小 （d

32、=2-4） 较大 （d=10） 闭环时较大 （d=10） 小 （d=2） 闭环时较大 （d=10） 较小 （d=2-4） 调速平滑性 差 有级调速 好 无级调速 好 无级调速 差 有级调速 好 无级调速 好 无级调速 低速时效率高高低低低中 适应负载类型 恒转矩 恒功率 恒转矩 恒功率 通风机 恒转矩 恒转矩 通风机 恒转矩 恒转矩 设备投资少多较少少较少较多 调 速 指 标 电能损耗小较小大大大较小 运用电机类型 多速电机 鼠笼式 鼠笼式 一般为 绕线式 绕线式滑差电机绕线式 1.3.1 交流调速系统的基本控制结构 交流调速系统的控制量基本上是转矩、速度、位置，根据不同的用途适当组合可构 成

33、各种闭环系统。一般按图 组成转矩、速度、位置由内向外的闭环系统，但并不是所 有的控制系统都需要三个闭环，可按照控制对象适当选择控制环。 . . 控制器一般采用 pid（比例、积分、微分）控制，控制硬件从模拟电路发展到数字 电路，现在主要采用计算机数字控制技术。引入现代控制理论使控制形式发生了质的变 化，例如用外扰动转矩观测器的前馈补偿控制、模型参考自适应控制、自由度控制、多 惯性体运动系统的振动抑制控制、自学习控制、模糊控制、神经网络控制等。因此控制 环往往也并不是像图 1-2 那样单纯。 图 1-2 运动控制系统闭环节结构示意图 （1）转矩控制 在运动控制系统中转矩控制是最基本的控制，交流调

34、速之所以能普及是因为交流电 机能像直流电机那样可以进行转矩控制。一般在运动控制系统中，控制环的最内侧是转 矩环，这显示了转矩控制环的重要性。 直流电机由于其结构特点可以很容易进行转矩控制，只要保持励磁一定，则转矩与 电枢电流成正比，因此转矩控制可以转化为电枢电流控制。但是交流电机的转矩控制并 不简单，要采用矢量控制理论，边进行高精度的计算，边进行转矩控制。在进行矢量控 制时还需要速度信息，因此需要安装速度传感器。随着控制理论与计算机控制技术的发 展，出现了无速度传感器矢量控制。在转矩控制中存在精度和动态响应两个问题，交流 电机可以快速电流响应，因此转矩控制的响应比直流电机更优越。在转矩精度方面

35、，控 制依存于理论计算，所以受电机参数的精度影响。转矩控制一般不采用转矩检测器，而 采用电流反馈控制。 （2）速度控制 在变频器与交流电动机组成的调速系统中，根据所需的速度控制精度可采用开环或 闭环方式。异步电动机用变频器可以简单地进行开环速度控制，但是会产生速度误差。 现在的变频器改进了性能，根据电压电流值的运算可以修正其误差，或采用无速度传感 器矢量控制，可以获得 左右的精度。速度闭环控制，需要安装速度传感器。根据速度 . . 传感器与变频器的性能，可以获得高精度的速度控制系统。 （3）位置控制 位置控制也有开环与闭环两种方式。开环方式需要用步进电机之类的专用电机。采 用步进电机就可以组成

36、一个非常简单的位置控制系统。闭环方式需要在控制对象中安装 位置传感器，传感器的精度越高，位置控制系统的性能就越好。 1.4 本文研究的主要内容和意义 异步电动机具有结构简单、结构容易、转速高、容量大、维修工作量小等优点，早 期多用于不可调传动。随着电力电子技术的发展和静止式变频器的诞生，异步电动机在 可调传动中逐渐等到广泛的应用。变压变频调速是异步电动机常用的一种调速方式，具 有效率高、调速范围大等优点。在这种系统中，要调节电动机的转速，须同时调节定子 供电电源的电压和频率，可以使机械特性平滑地上下移动，并获得很高的运行效率。但 是，这种系统需要一台专用的变压变频电源，增加了系统的成率。近来，

37、由于交流调速 日益普及，对变压变频器的需求量不断增长，加上市场竞争的因素，其售价逐渐走低， 使得变压变频调速系统的应用与日俱增。交流电机变频调速技术是当今节电、改善工艺 流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段.变频调速以其有益的 调速和起制动性能、高效率、高功率因数的节电效果、适用范围广等优点 ,而被国内外 公认为最有发展前途的调速方式. 基于稳态模型的交流电动机调速系统在一定范围内可以实现平滑调速，动态性能要 求不高，主要采用变压变频调速。本文将初步探讨异步电动机基于稳态模型的调速系统。 （1）首先介绍交流调速系统的基本特点及其基本类型， （2）从建立异步电动机稳态数学模型

38、入手， （3）重点讲述变压变频调速的基本原理及优点， （4）论述交流 pwm 变频技术， （5）分析两种基本的基于稳态模型的异步电动机调速系统， （6）通过 matlab 建立系统仿真模型，验证系统的动态性能。 . . 2 异步电动机稳态数学模型 2.1 等效电路参数折算 三相异步电动机的定子电路与转子电路也只有磁的联系，并无直接电的来联系。如 果像变压器将二次电路向一次电路折算一样，将转子电路向电路折算，使折算后的电动 势等于定子电动势,就可以得到三相异步电动机的等效电路，便于进行电动机的 2s e . 1 e 运行分析，与相等包括频率和大小都相等，因此折算6下两步进行。 2s e . 1

39、e 2.1.1 频率的折算 将频率为 f2 的旋转转子电路折算为与定子频率 f1 相同的等效静止转子电路，称为 频率折算，转子静止不动时 s1，f2f1。因此，只要将实际上转动的转子电路折算 为静止不动的等效转子电路，便可达到频率折算的目的。为此将下式实际运行的转子电 流 （2- . . 22 2 2222 s s s ese i rjxrjsx 1） 分子分母同除以转差率s得 （2-2 . . 22 2 2 2 222 1 ee i rs jxrrjx ss ） 以上两式的电流数值仍是相等的，但是两式的物理意义不同。式（2-1）中实际转 子电流的频率为 f2，式（2-2）中为等效静止的转子所

40、具有的电流，其频率为 f1。前者 为转子转动时的实际情况，后者为转子静止不动时的等效情况。由于频率折算前后转子 电流的数值未变，所以磁动势的大小不变。同时磁动势的转速是同步转速与转子转速无 关，所以式（2-2）的频率折算保证了电磁效应的不变。 由式中可看出频率折算前后转子的电磁效应不变，即转子电流的大小、相位不变， . . 除了改变与频率有关的参数以外，只要用等效转子的电阻 代替实际转子中的电阻 2 r s r2 即可。 （2-3 2 22 1rs rr ss ） 式中,为异步电动机的等效负载电阻，等效负载电阻上消耗的电功率为 2 1s r s ，这部分损耗在实际电路中并不存在，实质上是表征了

41、异步电动机输出的机 2 22 1 () s i r s 械功率。频率折算后的电路如图 2-1 所示。 图 2-1 转子绕组频率折算后的异步电动机的定、转子电路 2.1.2 绕组的折算 进行频率折算以后，虽然已将旋转的异步电动机转子电路转化为了等效的静止电路， 但还不能把定、转子电路连接起来，因为两个电路的电动势还不相等。和变压器的绕组 折算一样，异步电动机绕组折算也就是人为地用一个相数、每相串联匝数以及绕组系数 和定子绕组一样的绕组代替相数为 m2，每相串联匝数为 n1以及绕组系数为而经过频率 折算的转子绕组。但仍然要保证折算前后转子对定子的电磁效应不变，即转子的磁动势、 转子总的视在功率、铜

42、耗及转子漏磁场储能均保持不变。转子折算值上均加“ ”表示。 （1）折算后的转子相电流 2 i 由保持转子磁通势不变的原则，即 22 ff （2-4） 12 11 2222 0.90.9 22 ww mm n kin ki pp 折算后的转子电流有效值为 （2-5 222 222 111 1 w wi m n k iii m n kk ） f1 f1 . . 式中称电流比。 111 222 w i w m n k k m n k （2）折算后的转子电动势 2 e 由于定、转子磁动势在绕组折算前后都不变，故气隙中的主磁通也不变，绕组折算 前后的转子电动势分别为 （2- 2122 4.44 wm e

43、f n k 6） 2111 4.44 wm ef n k （2-7） 比较上两式得 （2-8） 11 2221 22 w e w n k eek ee n k 式中称电压比。 11 22 w e w n k k n k （3）折算后的转子阻抗 2 z 由折算前后转子铜耗不变的原则有 （2- 22 111222 222 121222 w w m n kmim rrr mimm n k 9） 同理由绕组折算前后转子电路的无功功率不变可导出 （2- 22ei xk k x 10） 22ei zk k z （2-11） 以上可见，转子电路向定子电路进行绕组折算的规律是；电流除以电流比，电 i k 压乘

44、以电压比，阻抗 乘以电压比与电流比的乘积。 e k e k i k 注意；折算只改变相关的值大小，而不改变其相位的大小。 2.2 稳态等效电路 根据电机学原理，在下述三个条件下，异步电动机的稳态模型5t 型等效电路表示。 （1）忽略空间和时间谐波；（2）忽略磁饱和；（3）忽略铁损。 根据折算前后各物理量的关系，可以作出折算后的 t 型等效电路，如图 2-2 所示。 . . ? 1 =e 2 0 ? 图 2-2 三相异步电动机的 t 型等效电路 利用与 t 形等效电路一致的折算后的基本方程式，根据前面的分析可将折算后三相 异步电动机的基本方程式归纳如下： （2-12） . 0 . 01 2 .

45、1 . 0 2 . 1 . . 2 2 2 . 2 1 . 11 . 1 )(0 ize ee iii ijx s r e izeu （1）当空载运行时，由图可见相当于转子开路。 12 1 ,0, s nn sr s （2）转子堵转时（接上电源转子被堵住转不动时），相当于 2 1 0,1,0 s nsr s 变压器二次侧短路情况。因此在异步电动机启动初始接上电源时，就相当于短路状态， 会使电动机电流很大，这在电机实验及使用电动机时应多加注意。 . . 3 异步电动机变压变频调速基本原理 异步电机的变压变频调速系统一般简称变频调速系统。由于在变频调速时转差功率 不变，在各种异步电动机调速系统中效

46、率最高，同时性能也最好，故是交流调速的主要 发展方向。 3.1 变压变频调速基本原理 变压变频调速是改变同步转速的一种调速方法，同步转速随频率而变化，即 （3-1 11 1 6060 2 pp f n nn ） 异步电动机转速为 （3- 1111 (1)nnsnsnnn 2） 其中，稳态速降与负载有关。 1 nsn 为了达到良好的控制效果，常采用电压-频率协调控制。三相异步电动机定子每相 电 动势的有效值为 1 4.44 s gsnm ef n k （3-3） 式中：气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值，定子频率， g e 1 f 定子每相绕组匝数，定子基波绕组系数，每极气隙磁通量。 s n

47、 s n k m 由式（3-3）可知，主要控制好和，便可达到控制气隙磁通的目的，对此，需 g e 1 f 要考虑基频（额定频率）以下和基频以上两种情况。 3.1.1 基频以下调速 基频以下运行时，如果磁通太弱，就没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；如果 磁通过大，又会使铁心饱和，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。最好是保持每极磁通量为额定值不变。因此，当频率从额定值向下调 m mn 1 f 1n f 节时，必须同时降低，使常值 g e 1 4.44 s g snmn e n k f (3-4) 即采用电动势频率比为恒值的控制方式。 然而，异步电动机绕组中的电动势是难以直接

48、控制的，当电动势值较高时，可以忽 . . 略定子电阻和漏磁感抗压降，而认为定子相电压，则得 sg ue 常值 （3-5 1 / s uf ） 这就是恒压频比的控制方式。 低频时，和都较小，定子电阻和漏磁感抗压降所占的分量比较显著，不能再 s u g e 忽略。这时，可以人为地把定子电压抬高一些，以便近似地补偿定子阻抗压降，称 s u 作低频补偿，也可称作低频转矩提升。带定子压降补偿的恒压频比控制特性示于图 3-1 中 b 线，无补偿的控制特性则为 a 线。 o us f 1 usnusn f 1n f 1n a无无补补偿偿 b带带定定子子压压降降补补偿偿 图 3-1 恒压频比控制特性 a无偿补

49、 b带定子压降补偿 3.1.2 基频以上调速 在基频以上调速时，频率从向上升高，受到电机绝缘耐压的限制，定子电压 n f1 不能随之升高，只能保持额定电压不变，这将导致磁通与频率成反比地降低，us sn u 使得异步电动机工作在弱磁状态。 3.2 基频以下电压-频率协调控制时的机械特性 3.2.1 恒压恒频正弦波供电时异步电动机的机械特性 当定子电压和电源角频率恒定时，可以改写成如下形式： s u 1 22 1 22 1 2 1 )()( 3 lrlsrs rs pe llsrsr rsu nt 当 s 很小时，忽略分母中含 s 各项，则，转矩近似与 s 成正比，s r su nt r s p

50、e 1 2 1 3 . . 机械特性是一段直线，见图 6-3。当 s 接近于 1 时，可忽略分母中的，则)(sfte r r ，s 接近于 1 时转矩近似与 s 成反比，这时， sllrs ru nt lrlss rs pe 1 )( 3 22 1 2 1 2 1 是对称于原点的一段双曲线。当 s 为以上两段的中间数值时，机械特性从直线)(sfte 段逐渐过渡到双曲线段，如图 3-3 所示。 sm n n0 s te 1 0 0 te n n0 s te 1 0 0 te temax temax temax temax 图 3-3 恒压恒频时异步电机的机械特性 3.2.2 基频以下电压一频率协

51、调控制时的机械特性 由式（3-8)的机械特性方程式可以看出，当负载要求某一组转矩te和转速n(或转差 率s)的数值时，电压us和频率可以有多种配合。在us和的不同配合下，机械特性 1 1 也是不一样的，因此可以有不同方式的电压一频率协调控制。 (1) 恒压频比控制(us=恒值)前已指出。 1 同步转速随频率变化，带负载时的转速降落，在机 0 n p 0 n n 2 60 1 1 2 60 s n snn p o 械特性近似直线段上，可以导出，由此可见，当为恒值时，对 2 1 1 3 s p er u n tr s 1 / s u 于同一转矩，是基本不变的，也是基本不变的。在恒压频比的条件下改变

52、频率 e t 1 sn 时，机械特性基本上是平行下移，如图 6-4 所示。 1 频率越低时最大转矩值越小，最大转矩是随着的降低而减小的。频率很低 maxe t 1 时，太小将限制电动机的带载能力，采用定子压降补偿，适当地提高电压，可 maxe t s u . . 以增强带载能力，见图 3-4。 e t o n e t o n n0 n 03 n 02 n 01 n n1 n1 11 11 12 12 13 13 131211n1 补偿定子压 降后的特性 图 3-4 恒压频比控制时变频调速的机械特性 (2) 恒eg1控制 气隙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 g e s

53、 e 中的感应电动势；转子全磁通在转子绕组中的感应电动势（折合到定子边） 。 r e 在电压-频率协调控制中，恰当地提高电压，克服定子阻抗压降以后，能维持 s u 为恒值（基频以下） ，则无论频率高低，每极磁通均为常值，由等效电路得转 1 / g e m 子电流和电磁转矩 , 2 2 1 2 lr r g r l s r e i 2 2 1 22 1 2 1 2 2 1 2 2 1 3 3 lrr r g p r lr r gp e lsr rs e n s r l s r en t 这就是恒时的机械特性方程式。 1 / g e 当 s 很小时，忽略分母中含 s 项，则，机械特性的这一段近似s

54、 r s e nt r g pe 1 2 1 3 为一条直线。当 s 接近于 1 时，可忽略分母中的项，则，这 2 r r sls r e nt lr r g pe 1 3 2 1 2 1 是一段双曲线。 将对 s 求导，并令，可得恒控制特性在最大转矩时的转差率 e t0/dsdte 1 / g e . . 和最大转矩，当为恒值时，恒定不变。可见 1 lr r m l r s 2 1 max 1 2 3 lr g pe l e nt 1 / g e maxe t 恒恒控制的稳态性能是优于恒控制的，它正是恒控制中补偿定子压降 1 / g e 1 / s u 1 / s u 所追求的目标。 (3)

55、 恒er1 控制 如果把电压-频率协调控制中的电压再进一步提高，把转子漏抗的压降也抵消掉， s u 得到恒控制，电磁转矩，机械 1 / r e sr e i r r r / 1 2 1 2 2 1 3 3 r r p r r r p e r se n s r s r e n t 特性完全是一条直线，也把它画在图 6-6 上。显然，恒控制的稳态性能)(sfte 1 / r e 最好，可以获得和直流电动机一样的线性机械特性。 气隙磁通的感应电动势对应于气隙磁通幅值，转子全磁通的感应电动势对 g e m r e 应于转子全磁通幅值：，只要能够按照转子全磁通幅值 rm rmnsr knfe s 1 4

56、4 . 4 进行控制，就可以获得恒。恒值 rm 1 / r e 0 s 1 0te 0 s 1 0te 恒 er/1 控制 恒 eg/1 控制 恒 us/1 控制 a b c 图 3-5 不同电压频率协调控制方式时的机械特性 小结： 恒压频比（=恒值）控制最容易实现，变频机械特性基本上是平行下移，硬 1 / s u 度也较好，能够满足一般的调速要求，但低速带载能力有些差强人意，须对定子压降实 行补偿。 恒控制是通常对恒压频比控制实行电压补偿的标准，可以在稳态时达到 1 / g e . . ，从而改善了低速性能。但机械特性还是非线性的，产生转矩的能力仍受到恒值 m 限制。 恒控制可以得到和直流他

57、励电动机一样的线性机械特性，按照转子全磁通 1 / r e 恒定进行控制即得=恒值，在动态中也尽可能保持恒定是矢量控制系统所 rm 1 / r e rm 追求的目标，当然实现起来是比较复杂的。 3.3 基频以下的电流补偿控制 基频以下运行时，采用恒压频比5式具有控制简便的优点，但负载的变化将导致磁 通的改变，因此采用定子电流补偿控制，根据定子电流的大小改变定子电压，可保持磁 通恒定。将异步电动机 t 型等效电路再次绘出如下图。为了使参考极性与电动状态下的 实际极性相吻合，感应电动势采用电压降的表示方法，由高电位指向抵电位。 图3-6 异步电动机的稳态等效电路和感应电动势 气隙磁通在定子每相绕组

58、中的感应电动势如式：m （3-mnsgsknfe144 . 4 19） 定子全磁通在定子每相绕组中的感应电动势为：ms （3-msnsssknfe144 . 4 20） 转子全磁通在转子绕组中的感应电动势（折合到定子边）为：mr （3-mrnsrsknfe144. 4 21） 以下分别讨论保持定子磁通、气隙磁通和转子磁通恒定的控制方法及msmmr 机械特性。 3.3.1恒定子磁通控制 ms . . 由式（3-20）可知，只要使=常值，即保证定子磁通恒定，则定子电压1/ fesms 为 （3-ssseiru 1 22） 外加电压应按式（3-22）提高以补偿定子电阻压降。忽略励磁电流时，由图 3-

59、2 0i 等效电路可得 （3- 2 11 2 1 2 )()(rs r s r ll s r e i 23） 代入电磁转矩关系式，得 （3- 2 11 2 1 22 1 2 1 2 11 2 1 2 2 1 )( )(3 )()( 3 rsr rs p r rs r sp e llsr rse n s r ll s r en t 24） 与异步电动机的电磁转矩式相比较，横定子磁通控制是转矩表达式的分母小于ms 恒控制特性中的同类项。当转差率 s 相同时，恒定子磁通控制的电磁转矩大1/sums 于恒控制方式，或者说，当负载转矩相同时，恒定子磁通控制的转速降落小1/sums 于恒控制方式。1/su

60、 将式（3-24）对 s 求导，并令，可求出临界转差率0 s e d dt （3- )(111rs r m ll r s 25） 和临界转矩 （3- )( 1 )( 2 3 11 2 1rs sp em ll en t 26） 与式临界转差率和临界转矩相比较，恒定子磁通控制的临界转差率和临界转矩 ms 均大于恒控制方式。当频率变化时，临界转矩恒定不变，机械特性见下图： 1/suemt . . 3.3.2 恒气隙磁通控制 m 维持为恒值，保持气隙磁通为常值，定子电压为1/gem （3-gssseiljru 111)( 27） 除了补偿定子电阻压降外，还应补偿定子漏抗电阻压降，由等效电路可得 （3