交流调速系统概述.doc

1、交流调速系统概述1.1、交流调速系统的特点对于可调速的电力拖动系统，工程上往往把它分为直流调速系统和交流调速系统两类,这主要是根据采用什么电流制型式的电动机来进行电能与机械能的转换而划分的。所谓交流调速系统， 就是以交流电动机作为电能机械能的转换装置，并对其进行控制以产生所需要的转速。 相比于直流电动机，交流电动机具有结构简单，制造成本低， 坚固耐用， 运行可靠，维护方便，惯性小，动态响应好，以及易于向高压、高速和大功率方向发展等优点。随着电力电子技术，大规模集成电路和计算机控制技术的迅速发展，交流可调传动得到了广泛的发展， 诸如交流电动机的串级调速、各种类型的变频调速，特别是矢量控制技术的应

2、用， 使得交流调速系统逐步具备了宽的调速范围、较高的稳速精度、快速的动态响应以及在四象限作可逆运行等良好的技术性能。现在从数百瓦的伺服系统到数百千瓦的特大功率高速传动系统，从一般要求的小范围调速传动到高精度、快响应、大范围的调速传动，从单机传动到多机协调运转，已几乎都可采用交流调速传动。1.2 交流调速系统的应用由于交流调速系统的优越性，其已经普遍应用于现代工业中，主要由以下几个方面：（ 1）、风机、水泵、压缩机耗能占工业用电的 40%，进行变频、串级调速，可以节能。（ 2）、对电梯等垂直升降装置调速实现无级调速，运行平稳、档次提高。（ 3）、纺织、造纸、印刷、烟草等各种生产机械，采用交流无级

3、变速，提高产品的质量和效率。（ 4）、钢铁企业在轧钢、输料、通风等多种电气传动设备上使用交流变频传动。（ 5）、有色冶金行业如冶炼厂对回转炉、培烧炉、球磨机、给料等进行变频无级调速控制。（ 6）、油田利用变频器拖动输油泵控制输油管线输油。此外，在炼油行业变频器还被应用于锅炉引风、送风、输煤等控制系统。（ 7）、变频器用于供水企业、高层建筑的恒压供水。（ 8）、变频器在食品、 饮料、包装生产线上被广泛使用， 提高调速性能和产品质量。（ 9）、变频器在建材、陶瓷行业也获得大量应用。如水泥厂的回转窑、给料机、风机均可采用交流无级变速。（ 10）、机械行业是企业最多、分布最广的基础行业。从电线电缆的制

4、造到数控机床的制造。电线电缆的拉制需要大量的交流调速系统。一台高档数控机床上就需要多台交流调速甚至精确定位传动系统，主轴一般采用变频器调速（只调节转速）或交流伺服主轴系统（既无级变速又使刀具准确定位停止），各伺服轴均使用交流伺服系统，各轴联动完成指定坐标位置移动。1.3、交流调速系统分类交流调速系统分为交流异步电动机调速系统和交流同步电动机调速系统两大类。1 、在交流异步电动机中，从定子传入转子的电磁功率pm 可以分成两部分：一部分pmech （1- s） pm 是拖动负载的有效功率，另一部分是ps spm 与转差率 s成正比的转差功率，转差功率的流向是调速系统效率高低的标志。就转差功率的流向

5、向而言， 交流异步电动机调速系统可以分为三种：（ 1）、转差功率消耗型调速系统这种调速系统全部转差功率都被消耗掉，用增加转差功率的消耗来换取转速的降低，转差率 s增大，转差功率psspm 增大，以发热形式消耗在转子电路里，使得系统效率也随之降低。 定子调压调速、 电磁转差离合器调速及绕线式异步电动机转子串电阻调速这三种方法属于这一类，这类调速系统存在着调速范围愈宽，转差功率ps 愈大，系统效率愈低的问题，故不值得提倡。（ 2）、转差功率馈送型调速系统这种调速系统的大部分转差功率通过变流装置回馈给电网或者加以利用，转速越低回馈的功率越多， 但是增设的装置也要多消耗一部分功率。绕线式异步电动机转子

6、串级调速即属于这一类， 它将转差功率通过整流和逆变作用， 经变压器回馈到交流电网， 但没有以发热形式消耗能量，即使在低速时，串级调速系统的效率也是很高的。（ 3）、转差功率不变型调速系统这种调速系统中，转差功率仍旧消耗在转子里，但不论转速高低，转差功率基本不变。如变极对数调速， 变频调速即属于这一类，由于在调速过程中改变同步转速n0 ，转差率 s是一定的，故系统效率不会因调速而降低。在改变n0 的两种调速方案中，又因变极对数调速为有极调速，且极数很有限，调速范围窄，所以，目前在交流调速方案中，变频调速是最理想，最有前途的交流调速方案。2 、在交流同步电动机中，由于其转差功率恒为零，从定子传入的

7、电磁功率Pm 全部变为机 械轴上输出的机械功率 Pm ech ，只能是转差功率不变 型的调速系统。其表达式为nn160fnp, 同步电动机的调速只能通过改变同步转速n1 实现，由于同步电动机极对数是固定的，只能采用变压变频调速。交流调速系统的调速2.1 三大调速方案由电机与拖动技术知，交流异步电动机的转速公式如下：（1）60f 1- snpn（1-1）式中pn 电动机定子绕阻的磁极对数；f 1 电动机定子电压供电频率；s 电动机的转差率。由电机理论知道，三相异步电动机定子每相电动势的有效值是Eg4.44f 1 N 1m （ 1-2 ）式中 Eg 气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值（V）；f

8、 1 定子频率（ Hz）；N 1 定子每相绕组串联匝数；m 每极磁通量（ Wb）。从上两式中可以看出，调节交流异步电动机的转速有三大类方案。1、变压变频调速当异步电动机的磁极对数pn 一定，转差率 s 定时，改变定子绕组的供电频率f 1 可以达到调速目的， 为了达到良好的控制效果，常采用电压频率协调控制，电动机转速 n 基本上与电源的频率f 1 成正比，因此，就能平滑地调节供电电源的频率，无级地调节异步电动机的转速。变频调速调速范围大，低速特性较硬，只要控制好Eg 和 f 1 便可达到控制气隙磁通m 的目的，对此有基频（额定频率f 50Hz ）以下和基频以上两种情况，基频f50Hz 以下，保持

9、气隙磁通不变，属于恒转矩调速方式；在基频f50Hz 以上，保持定子电压不变，属于恒功率调速方式。（ 1) 、基频以下调速在基频一下调速时， 为了保持电动机的负载能力，应保持气隙磁通m 为额定值m N 不变，这就要求频率f 1 从额定值f 1 N 向下调节时，必须同时降Eg 使Eg 4.44f 1N 1m常数, 即保持电动势与频率之比常数进行控制。这种控制又称为恒磁通变频调速，属于恒转矩调速方式。但是，Eg 难于直接检测和直接控制。 （当 Eg 和 f 1 的值较高时，定子的漏阻抗压降相对比较小，如忽略不计，则可近似地保持定子相电压Us 和频率 f 1 的比值为常数，即认为 U 1 Eg ，保持

10、U sf 1 常数即可） , 这就是恒压频比控制方式，是近似的恒磁通控制。低频时， U 1 和 Eg 都较小，定子电阻和漏磁感抗压降（主要是定子电阻压降）所占的分量比较显著，不能再忽略。这时，可以人为地适当提高定子电压Us ，以便近似地补偿定子阻抗压降，使气隙磁通基本保持不变。图 1 基频以下调速机械特性（ 2）、基频以下电流补偿控制基频以下运行时，采用恒压频比的控制方法具有控制简便的有点，但负载的变化将导致磁通的改变， 因此采用需要采用定子电流补偿，根据电子电流的大小改变电子电压，保持磁通恒定。有保持定子磁通m s（曲线a）、气隙磁通m （曲线b）和转子磁通mr （曲线c）恒定的三种控制方法

11、，以下图2是这三种控制方法的特性曲线图 2 不同控制方式下，异步电动机的机械特性与恒压频比控制相比，恒定子磁通m s、恒气隙磁通m 和恒转子磁通mr 的控制方式均需要定子电流补偿，控制要复杂一些。恒定子磁通m s 和恒气隙磁通m 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， 产生转矩的能力受到限制。恒转子磁通mr 的控制方式，可以得到和直流他励电动机一样的线性机械特性，性能最佳。（ 3）、基频以上调速在基频以上调速时， 频率可以从 f 1 N 往上升高， 但受电机绝缘耐压的限制，定子电压 U s却不能超过额定电压，最多只能保持Us U sN 额定电压不变。由式（ 1-2 ）可知，这

12、必然会导致主磁通m 随着 f 1 的上升而降低，使异步电动机工作在弱磁状态，允许输出转矩减小，但转速却升高了， 可以认为允许输出转功率基本不变， 属于近似的恒功率调速方式。 其机械特性曲线在固有特性曲线之上。2、改变电动机的极对数调速n160f 1由异步电动机的同步转速pn可知，在供电电源频率f 1 不变的条件下，通过改接定子绕组的连接方式来改变异步电动机定子绕组的磁极对数pn ，即可改变异步电动机的同步转速n1 ，从而达到调速的目的。这种控制方式比较简单，只要求电动机定子绕组有多个抽头， 然后通过触点的通断来改变电动机的磁极对数。 采用这种控制方式， 电动机转速的变化是有级的，不是连续的，

13、一般最多只有三档，适用于自动化程度不高，且只需有级调速的场合。3、改变电动机的变转差率调速s来改变电动机转速。改变转差率由式（ 1-1 ）知，可以通过改变异步电动机的转差率调速的方法很多，常用的方案有：异步电动机定子调压调速、电磁转差离合器调速、绕线式异步电动机转子回路串电阻调速和串级调速等。（1）、异步电动机定子调压调速定子调压调速系统就是在恒定交流电源与交流电动机之间接入晶闸管作为交流电压控制器，这种调压调速系统仅适用于一些属短时与重复短时作深调速运行的负载。 为了能得到好的调速精度与能稳定运行， 一般采用带转速负反馈的控制方式。 所使用的电动机可以是绕线式异电动机或是有高转差率的鼠笼式异

14、步电动机。（2）、电磁转差离合器调速电磁转差离台器调速系统，是由鼠笼式异步电动机、电磁转差离合器以及控制装置组合而成。鼠笼式电动机作为原动机以恒速带动电磁离合器的电枢转动， 通过对电磁离合器励磁电流的控制实现对其磁极的速度调节。这种系统一般也采用转速闭环控制。（3）、绕线式异步电动机转子回路串电阻调速绕线式异步电动机转子回路串电阻调速就是通过改变转子回路所串电阻来进行调速， 这种调速方法简单，但调速是有级的， 串入较大附加电阻后，电动机的机械特性很软，低速运行损耗大，稳定性差。（ 4）、绕线式异步电动机串级调速绕线式异步电动机串级调速系统就是在电动机的转子回路中引入与转子电势同频率的反向电势E

15、f，只要改变这个附加的，同电动机转子电压同频率的反向电势Ef，就可以对绕线式异步电动机进行平滑调速。Ef越大，电动机转速越低。上述这些调速的共同特点是在调速过程中没有改变电动机的同步转速n0 ，所以低速时转差率s较大。2.2 、异步电动机的调速系统1、脉冲宽度调制技术在异步电动机变频调速时，为了得到理想的控制效果需要有电压与频率均可调的交流电源，常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器， 一般称为变频器。 这就涉及到了交流 PWM变频技术， 即脉冲宽度调制技术， 这是现代变频器中用得最多的控制技术。脉冲宽度调制 （ PWM)的基本思想是： 控制逆变器中的电力电子器件的开通或关断

16、，输出电压为高度相等、 宽度按一定规律变化的脉冲序列，用这样的高频脉冲序列代替期望的输出电压。 传统的交流PWM技术是用正玄波来调制等腰三角波，称为正弦脉冲宽度调制（ SPWM)，随着控制技术的发展，产生了电流跟踪PWM(CFPWM)控制技术和电压空间矢量PWM(SVPWM)控制技术。（1）、正弦脉冲宽度调制（SPWM)SPWM是以频率与期望值得输出电压波相同的正弦波作为调制波，以频率与期望波高得多的等腰三角波作为载波，当调制波与载波相交时，由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得高度相等、宽度按正弦规律变化的脉冲序列。U dSPWM 采用三相分别调制，在调制度为1 时，输出相电压的

17、基波幅值为2 ，输出线电压3 U d0.866 9。若调制度大于 1，直流电压的利用率的基波幅值为 2，直流电压的利用率为可以提高，但会产生失真现象，谐波分量增加。这是普通SPWM 变频器的一个短处，其输出电压带有一定得谐波分量，为降低谐波分量，减少电动机的转矩脉动，在SPWM 的基础上衍生出“消除指定次数谐波”的SHEPWM 控制技术。（ 2）、电流跟踪 PWM(CFPWM)控制技术SPWM控制技术的目的只在于使输出电压接近正玄波，并为考虑到电流波形因负载的性质及大小的影响。对了、交流电动机来说，应该保证为正玄波的是电流，稳态时在绕组中通入三相平衡的正弦电流才能使合成的电磁转矩为恒定值，不产

18、生脉动， 这就是以正弦波电流为控制目标的优越性，电流跟踪PWM就能实现这种控制。CFPWM的控制方法是在原有主回路的基础上，采用电流闭环控制，使实际电流快速跟随给定值， 在稳态时， 尽可能使实际电流接近正弦波形。常用的电流闭环控制方法是电流滞环跟踪 PWM。在电流滞环跟踪PWM的控制系统中， 以PWM变压变频器的A 相控制原理为例。其中， 电流控制器是滞环的比较器，环宽为2h，将给定电流与输出电流进行比较，当电流偏差i A 超过h 时，经滞环控制器HBC控制逆变器A 相上（或下）桥臂的功率器件动作。B、 C两相的控制与A 相相同。电流跟踪 PWM(CFPWM)控制技术的特点是精度高、响应快，且

19、易于实现，但功率开关器件的开关频率不定。一般可采用具有恒定开关频率的电流控制器来克服。具有电流滞环跟踪控制的 PWM型变压变频器用于调速系统时， 只需要改变电流给定信号的频率即可实现变频调速， 无需再人为地调节逆变器电压。 此时，电流控制环只是系统的内环，外环仍应有转速外环，才能视不同负载的需要自动控制给定电流的幅值。（ 3）、电压空间矢量 PWM(SVPWM)控制技术交流电动机需要输入三相正弦电流的最终目的是在电动机空间形成圆形旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩。 把逆变器和交流电动机视为一体， 以圆形旋转磁场为目标来控制逆变器的工作， 这种控制方法称作为 “磁链跟踪控制” 磁链轨迹的控制是通

20、过交替使用不同的电压空间矢量实现的，所以又称为“电压空间矢量PWM控制”。电压空间矢量控制是一种新的控制理论和控制技术，它的基本思想是：按空间矢量的平行四边形合成法则， 用相邻的两个有效工作矢量合成期望的输出矢量， 设法摸拟直流电动机的控制特点来进行交流电动机的控制。调速的关键问题是转矩控制问题，为使交流电动机得到和直流电动机一样的转矩控制性能，必须通过坐标变换理论，按转子磁链定向把交流电动机的定子电流分解成磁场定向坐标的励磁分量和与之相垂直的坐标转矩分量，把固定坐标系变换为旋转坐标系解耦后，交流量的控制变为直流量的控制便等同于直流电动机。即如果在调速过程中始终维持定子电流的励磁分量不变， 而

21、控制转矩分量，它就相当于直流电机中维持励磁不变，而通过控制电枢电流来控制电机的转矩一样，能使系统具有较好的动态特性。SVPWM控制模式的特点:1）、逆变器共有8 个基本输出矢量，6 个有效工作矢量和2 个零矢量，在一个旋转周期内，每个有效工作矢量只作用1 次的方式；只能生成正六边形的旋转磁链，谐波分量大，将导致转矩脉动。2）、用相邻的2 个有效工作矢量，可合成任意的期望输出电压矢量，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提高。3）、利用电压空间矢量直接生成三相PWM 波，计算方便。4）、与一般的SPWM 相比较， SVPWM 控制方式的输出电压可提高15%。

22、异步电动机按转子磁链定向的矢量控制系统通过坐标变换和按转子磁链定向， 可以得到等效的直流电动机模型， 在按转子磁链定向坐标系中， 用直流机的方法控制电磁转矩与磁链， 然后将转子磁链定向坐标系中的控制量经逆变换得到三相坐标系的对应量， 以施以控制。 由于变换的是矢量， 所以坐标变换也可称作矢量变换，相应的控制系统成为矢量控制系统。图 3矢量控制系统控制原理结构图按转子磁链定向的矢量控制系统的关键是准确定向， 也就是说需要获得转子磁链矢量的空间位置，根据转子磁链的实际值进行矢量变换的方法，称作直接定向。转子磁链的直接检测相当困难， 实际的系统中， 多采用间接计算的方法， 即利用容易测得的电压、电流

23、或转速等信号，借助于转子磁链模型，实时计算磁链的幅值与空间位置。在计算模型中， 由于主要实测信号的不同， 分为电流模型和电压模型两种。 电压模型更适合于中、高速范围，而电流模型能适应低速。有时为了提高准确度，把两种模型结合起来，在低速时采用电流模型，在中、高速时采用电压模型。矢量控制系统的特点：（ 1）、按转子磁链定向， 实现了定子电流励磁分量和转矩分量的解耦，需要电流闭环控制。（ 2）、转子磁链系统的控制对象是稳定的惯性环节， 可以采用磁链闭环控制， 也可以是开环控制。（ 3）、采用连续的 PI 控制，转矩与磁链变化平稳，电流闭环控制可有效地限制启、制动电流。异步电动机按定子磁链控制的直接转

24、矩控制系统矢量控制方法的提出使交流传动系统的动态特性得到了显著的改善，并且具有调速范围宽的特点。 但是经典的矢量控制方法比较复杂，它要进行坐标变换，且需精确测算出转子磁链的大小和方向，比较麻烦， 且其精度受转子参数变化的影响很大。继而又出现了一种对交流电动机实现直接转矩控制的新方法，它避开了矢量控制中的两次坐标变换及求矢量的模与相角的复杂计算工作量，直接在它的转速环里面，利用转矩反馈直接控制电机的电磁转矩，其基本原理是根据定子磁链幅值偏差和电磁转矩偏差的符号，再根据当前定子磁链矢量所在的位置， 直接选取合适的电压空间矢量，减少定子磁链幅值的偏差和电磁转矩的偏差，实现电磁转矩与定子磁链的控制，响

25、应较快，控制性能比矢量控制还好。直接转矩控制系统简称 DTC 能的交流电动机变压变频调速系统，转矩。系统，是继矢量控制系统之后发展起来的另一种高动态性在它的转速环里面，利用转矩反馈直接控制电机的电磁图 4 直接转矩控制系统原理结构在转速环里面设置了转速内环，可以抑制定子磁链对内环控制对象的扰动，从而实现了s 的符号和电磁转矩Te 的符号，再依据当前定子磁链矢量s 所在的位置，直接选取合适的电压空间矢量，减小定子磁链幅值的偏差和电磁转矩的偏差，实现电磁转矩与定子磁链的控制。转速双闭环：ASR 的输出作为电磁转矩的给定信号；设置转矩控制内环，它可以抑制磁链变化对转速子系统的影响，控制器：用滞环控制

26、器取代通常的从而使转速和磁链子系统实现了近似的解耦。PI 调节器。转矩和磁链的与 VC系统一样，它也是分别控制异步电动机的转速和磁链，但在具体控制方法上，DTC 系统与 VC 系统不同的特点是：（1）、转矩和磁链的控制采用双位式控制器，并在PWM逆变器中直接用这两个控制信号产生电压的SVPWM波形省去了旋转变换和电流控制，简化了控制器的结构。（ 2）、选择定子磁链作为被控量， 计算磁链的模型可以不受转子参数变化的影响，提高了控制系统的鲁棒性。 如果从数学模型推导按定子磁链控制的规律， 显然要比按转子磁链定向时复杂，但是，由于采用了非线性的双位式控制，这种复杂性对控制器并没有影响。（ 3）、由于

27、采用了直接转矩控制， 在加减速或负载变化的动态过程中，可以获得快速的转矩响应， 但必须注意限制过大的冲击电流， 以免损坏功率开关器件， 因此实际的转矩响应的快速性也是有限的。直接转矩控制系统与矢量控制系统的比较性能与特点直接转矩控制系统矢量控制系统磁链控制定子磁链闭环控制转子磁链闭环控制，间接定向时是开环控制转矩控制双位式控制，有转矩脉动连续控制，比较平滑电流控制无闭环控制闭环控制坐标变换静止坐标变换，较简单旋转坐标变换，较复杂磁链定向需知道定子磁链矢量的位按转子磁链定向置，但无须定向调速范围不够宽比较宽转矩动态响应较快不够快2.3同步电动机的调速系统1 、同步电动机的分类与异步电动机相比，在

28、稳态时同步电动机的稳态转速等于同步转速，即nn1 ；定子除了定子磁动势外， 在转子侧还有独立的直流励磁或者永久磁钢励磁；同步电动机的气隙是不均匀的有凸极和隐极之分，异步电动机要靠加大转差后才能提高转矩，而同步电动机只需加大功率角就能增大转矩，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，动态响应快。同步电动机按励磁方式分为可控励磁同步电动机和永久同步电动机。可控励磁同步电动机在转子侧有独立的直流励磁，可以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。永磁同步电动机的转子用永磁材料制成，无需直流励磁，具有体积小、重量轻，运行效率高，结构紧凑和动态性能好的特点。2、同步电

29、动机的特点与异步电动机相比，同步电动机具有以下特点：（ 1）、交流电机旋转磁场的同步转速n1 与定子电源频率f 1 有确定的关系：60f 160w 1n12 npnp异步电动机的稳态转速总是低于同步转速的，而同步电动机的稳态转速等于同步转速。（ 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，在转子侧还有对立的直流励磁，或者靠永久磁钢励磁。（ 3）、同步电动机转子除直流励磁磁阻外，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和凸极之分，隐极式电机气隙均匀，凸极式则不均匀。同步电动机按励磁方式分为可控励磁同步电动机和永磁同步电动机两种。

30、其中，永磁同步电动机按气隙磁场分布分为正弦波永磁同步电动机和梯形波永磁同步电动机（无刷直流电动机）。分析同步电动机恒频恒压时的稳定运行问题，在 0的范围内， 同步电动机能够2稳定运行。在的范围内，当负载转矩加大时，转子减速使矩角增加，但随着2增加，电磁转矩反而减小，由于电磁转矩的减小，导致继续增加，最终，同步电动机转速偏离同步转速，出现失步现象，同步电动机不能稳定运行。当同步电动机在工频电源下起动时，定子磁动势以同步转速旋转，电动机转速具有较大的滞后，不能快速跟上同步转速；在一个周期内，电磁转矩平均值等于零，故同步电动机不能起动。 同步电动机中转子有起动绕组，使电动机按异步电动机的方式起动，当转速接近同步转速时再通入励磁电流牵入同步。3 、同步电动机的调速方式n60fn1同步电动机的转速等于同步转速，即np而同步电动机有确定的极对数，同步电动机的调速只能是改变电源频率的变频调速。由于，同步电动机变频调速的电压频率特性与异步电动机变频调速相同，基频以下采用带定子压降补偿的恒压频比控制方式，基频以上采用电压恒定的控制方式。同步电动机的变频调速方法有三种：用独立的变压变频装置给同步电动机供电的称作他控调速系统， 根据转子位置直接控制变压变频装置换相时刻的称作自控变频调速系统，