电力拖动自动控制系统——运动控制系统：第5章 异步电动机稳态数学模型和调速方法

1、CompanyLOGO第第 2 篇交流调速系统篇交流调速系统概概 述述 直流电力拖动和交流电力拖动在19世纪先后诞生。在20世纪上半叶的年代里，鉴于直流拖动具有优越的调速性能，高性能可调速拖动都采用直流电机，而约占电力拖动总容量80%以上的不变速拖动系统则采用交流电机。交流调速系统的性能却始终无法与直流调速系统相匹敌 20世纪6070年代，随着电力电子技术的发展，使得采用电力电子变换器的交流拖动系统得以实现，特别是大规模集成电路和计算机控制的出现，高性能交流调速系统便应运而生 直流电机具有电刷和换相器因为必须经常检查维修、换向火花使直流电机的应用环境受到限制、以及换向能力限制了直流电机的容量和

2、速度等缺点日益突出起来，用交流可调拖动取代直流可调拖动的呼声越来越强烈。交流拖动控制系统已经成为当前电力拖动控制的主要发展方向2交流拖动控制系统的应用领域交流拖动控制系统的应用领域 主要有三个方面：n一般性能的节能调速 n高性能的交流调速系统和伺服系统 n特大容量、极高转速的交流调速 3n一般性能的节能调速 在过去大量的所谓“不变速交流拖动”中，风机、水泵等通用机械的容量几乎占工业电力拖动总容量的一半以上，其中有不少场合并不是不需要调速，只是因为过去的交流拖动本身不能调速，不得不依赖挡板和阀门来调节送风和供水的流量，因而把许多电能白白地浪费了。 如果换成交流调速系统，把消耗在挡板和阀门上的能量

3、节省下来，每台风机、水泵平均都可以节约 20 30% 以上的电能，效果是很可观的。 但风机、水泵的调速范围和对动态快速性的要求都不高，只需要一般的调速性能。交流拖动控制系统的应用领域交流拖动控制系统的应用领域4n高性能的交流调速系统和伺服系统 鉴于交流电机比直流电机结构简单、成本低廉、工作可靠、维护方便、惯量小、效率高，如果改成交流拖动，显然能够带来不少的效益。但是，其电磁转矩难以像直流电机那样通过电枢电流施行灵活的实时控制。 20世纪70年代初发明了矢量控制技术，或称磁场定向控制技术，通过坐标变换，把交流电机的定子电流分解成转矩分量和励磁分量，把交流电机的定子电流分解成转矩分量和励磁分量，用

4、来分别控制电机的转矩和磁通，就可以获得和直流电机相仿的高动态性能，从而使交流电机的调速技术取得了突破性进展。 直接转矩控制、解耦控制等方法，形成了一系列可以和直流调速系统媲美的高性能交流调速系统和交流伺服系统。交流拖动控制系统的应用领域交流拖动控制系统的应用领域5n特大容量、极高转速的交流调速 直流电机的换向能力限制了它的容量转速积不超过106 kW r /min，超过这一数值时，其设计与制造就非常困难了。 交流电机没有换向器，不受这种限制，因此，特大容量的电力拖动设备，如厚板轧机、矿井卷扬机等，以及极高转速的拖动，如高速磨头、离心机等，都以采用交流调速为宜。交流拖动控制系统的应用领域交流拖动

5、控制系统的应用领域6交流调速系统交流调速系统n交流电机主要分为异步电机（即感应电机）和同步电机两大类，每类电机又有不同类型的调速系统。 交流调速系统的主要类型 按电动机的调速方法分类 调电压调速 转差离合器调速 转子串电阻调速 绕线电机串级调速或双馈电机调速 变极对数调速 变频调速1060(1)/(1)pnfsnns7 按电动机的能量转换类型分类n从定子传入转子的电磁功率可分成两部分：一部分是拖动负载的有效功率，称作机械功率；另一部分是传输给转子电路的转差功率，与转差率 s 成正比。 PmechPmPs交流调速系统交流调速系统即 Pm = Pmech + Ps Ps = sPm Pmech =

6、 (1 s) Pmn从能量转换的角度上看，转差功率是否增大，是消耗掉还是得到回收，是评价调速系统效率高低的标志。从这点出发，可以把异步电机的调速系统分成三类8从能量转换的角度上看，转差功率是否增大，是消耗掉还是得到回收，是评价调速系统效率高低的标志可以把异步电机的调速系统分成三类： 1. 转差功率消耗型调速系统 全部转差功率都转换成热能消耗在转子回路中，上述的第、三种调速方法(降压、转差离合器、串电阻)都属于这一类。 在三类异步电机调速系统中，这类系统的效率最低，而且越到低速时效率越低，它是以增加转差功率的消耗来换取转速的降低的。可是这类系统结构简单，设备成本最低，所以还有一定的应用价值。交流

7、调速系统交流调速系统9从能量转换的角度上看，转差功率是否增大，是消耗掉还是得到回收，是评价调速系统效率高低的标志。可以把异步电机的调速系统分成三类： 2.转差功率馈送型调速系统交流调速系统交流调速系统 除转子铜损外，大部分转差功率在转子侧通过变流装置馈出或馈入，转速越低，能馈送的功率越多，上述第种调速方法属于这一类。无论是馈出还是馈入的转差功率，扣除变流装置本身的损耗后，最终都转化成有用的功率，因此这类系统的效率较高，但要增加一些设备。10从能量转换的角度上看，转差功率是否增大，是消耗掉还是得到回收，是评价调速系统效率高低的标志。可以把异步电机的调速系统分成三类： 3. 转差功率不变型调速系统

8、 转差功率只有转子铜损，而且无论转速高低，转差功率基本不变，因此效率更高，上述的第、两种调速方法属于此类。其中变极对数调速是有级的，应用场合有限。只有变压变频调速应用最广，可以构成高动态性能的交流调速系统，取代直流调速；但在定子电路中须配备与电动机容量相当的变压变频器，相比之下，设备成本最高。 交流调速系统交流调速系统11CompanyLOGO中国地质大学中国地质大学 自动化学院自动化学院 自动控制系自动控制系第二篇第二篇 交交流调速系统流调速系统第第5章章 基于稳态模型的异步电动机调速系统基于稳态模型的异步电动机调速系统 主主 讲：陈讲：陈 鑫鑫基于稳态模型的异步电动机调速基于稳态模型的异步

9、电动机调速在基于稳态模型的异步电动机调速系统中，采用稳态等值电路来分析异步电动机在不同电压和频率供电条件下的转矩与磁通的稳态关系和机械特性，并在此基础上设计异步电动机调速系统常用的基于稳态模型的异步电动机调速方法有调压调速和变压变频调速两类13目目 录录转速开环变压变频调速系统转速开环变压变频调速系统电力电子变压变频器电力电子变压变频器异步电动机调压调速异步电动机调压调速异步电动机稳态数学模型和调速方法异步电动机稳态数学模型和调速方法异步电动机变压变频调速异步电动机变压变频调速14转速闭环转差频率控制的变压变频调速系统转速闭环转差频率控制的变压变频调速系统5.1 异步电动机稳态数学模型和调速方

10、法异步电动机稳态数学模型和调速方法n包括异步电动机稳态等值电路和机械特性 稳态等值电路描述了在一定的转差率下电动机的稳态电气特性 机械特性表征了转矩与转差率（或转速）的稳态关系 异步电动机稳态数学模型15 5.1 异步电动机稳态数学模型和调速方法异步电动机稳态数学模型和调速方法图5-1 异步电动机T型等效电路 假定条件：忽略空间和时间谐波，忽略磁饱和，忽略铁损 异步电动机稳态等效电路n转差率与转速的关系或 电动机极对数 供电电源频率 其中，同步转速 1fpn11nnsn1(1)ns n1160pfnn16 5.1 异步电动机稳态数学模型和调速方法异步电动机稳态数学模型和调速方法n转子相电流（折

11、合到定子侧） 异步电动机稳态等效电路222111srrslslrUIRRCLC Ls式中11111slslsmmRjLLCjLL 17图5-2 异步电动机简化等效电路由于 ，因此，忽略励磁电流，可以得到简化等效电路5.1 异步电动机稳态数学模型和调速方法异步电动机稳态数学模型和调速方法 异步电动机稳态等效电路mlsLL11C n简化等效电路的相电流2221ssrrslslrUIIRRLLs18n异步电动机传递的电磁功率 n 机械同步角速度 异步电动机的机械特性5.1 异步电动机稳态数学模型和调速方法异步电动机稳态数学模型和调速方法23rrmI RPs11mpnn异步电动机的电磁转矩（机械特性方

12、程式 ）222112211222212133/3 ppsrmremrslslrprsrrsrlslnn U RsPRTsRRLLsnR ssRRsILUL19对s求导，并令 n最大转矩，又称临界转矩 5.1 异步电动机稳态数学模型和调速方法异步电动机稳态数学模型和调速方法 异步电动机的机械特性0edTds22221123psresrlslrn U RTsssRRLLn临界转差率：对应最大转矩的转差率2221()rmslslrRsRLL22221132()psemsslslrn UTRRLL20将机械特性方程式分母展开5.1 异步电动机稳态数学模型和调速方法异步电动机稳态数学模型和调速方法 异步

13、电动机的机械特性2222222112222222113232psresrsrlslrpsrlslrssrrn U R sTs RRsR RsLLn U R sLLsR ssR RR转矩近似与s成正比，机械特性近似为直线 当s很小时，忽略分母中含s各项213presn U ssRT当s较大时，忽略分母中s的一次项和零次项22221113psrselslrTn U Rs RLsL转矩近似与s成反比，机械特性是一段双曲线21异步电动机由额定电压、额定频率供电，且无外加电阻和电抗时的机械特性方程式，称作固有特性或自然特性图5-3 异步电动机的机械特性5.1 异步电动机稳态数学模型和调速方法异步电动机稳

14、态数学模型和调速方法 异步电动机的机械特性转矩近似与s成正比，机械特性近似为直线 当s很小时，忽略分母中含s各项213presn U ssRT当s较大时，忽略分母中s的一次项和零次项22221113psrselslrTn U Rs RLsL转矩近似与s成反比，机械特性是一段双曲线22n异步电动机的调速人为地改变机械特性的参数，使电动机的稳定工作点偏离固有特性，工作在人为机械特性上，以达到调速的目的 异步电动机的调速方法与气隙磁通5.1 异步电动机稳态数学模型和调速方法异步电动机稳态数学模型和调速方法n异步电动机的调速分类22222113presrslslrnRTsRssLLUR1）电动机参数2

15、）电源电压3）电源频率（或角频率）23三相异步电动机定子每相电动势的有效值忽略定子绕组电阻和漏磁感抗压降n异步电动机的气隙磁通5.1 异步电动机稳态数学模型和调速方法异步电动机稳态数学模型和调速方法14.44SgsNmEf N k式中，Eg气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值 Ns定子每相绕组串联匝数 KNs定子基波绕组系数 m每极气隙磁通量14.44SsgsNmUEf N k24n如果f1是常数，气隙磁通满足 n为了保持气隙磁通恒定， ，应使 1gEf常数s1Uf常数或近似为 5.1 异步电动机稳态数学模型和调速方法异步电动机稳态数学模型和调速方法14.44SsgsNmUEf N kn异步

16、电动机的气隙磁通mgsEU11/mgsEfUf255.2 异步电动机调压调速异步电动机调压调速保持电源频率为额定频率，只改变定子电压的调速方法称作调压调速由于受电动机绝缘和磁路饱和的限制，定子电压只能降低，不能升高，故又称作降压调速调压调速的基本特征：n电动机同步转速保持额定值不变 n气隙磁通 随定子电压Us的降低而减小，属于弱磁调速11160NNpfnnn14.44SsmsNUf N k26图5-4 晶闸管交流调压器调速TVC双向晶闸管交流调压器a) 不可逆电b) 可逆电路 异步电动机调压调速的主电路n一般采用三对晶闸管反并联或三个双向晶闸管分别串联在三相电路中5.2 异步电动机调压调速异步

17、电动机调压调速27其中 可调，电磁转矩与定子电压的平方成正比 n调压调速的机械特性表达式sU 异步电动机调压调速的机械特性22222113psresrlslrn U R sTsRRsLLTeOnn0TemaxsmTLUsN0.7UsNABCFDE0.5UsN风机类负载特性恒转矩负载特性n当 ， ，即调压时理想空载转速0eT 0s01Nnn保持不变5.2 异步电动机调压调速异步电动机调压调速28n临界转差率保持不变 5.2 异步电动机调压调速异步电动机调压调速 异步电动机调压调速的机械特性2221()rmslslrRsRLL22122132()psslslmrsenRRLUTLn临界转矩 随定子

18、电压的减小而成平方比地下降TeOnn0TemaxsmTLUsN0.7UsNABCFDE0.5UsN风机类负载特性恒转矩负载特性29n带恒转矩负载时，普通笼型异步电动机降压调速时的稳定工作范围为 缺点：调速范围有限（图中A、B、C为恒转矩负载在不同电压时的稳定工作点）n带风机类负载运行，调速范围可以稍大一些，图中D、E、F为风机类负载在不同电压时的稳定工作点5.2 异步电动机调压调速异步电动机调压调速 异步电动机调压调速的机械特性0mssTeOnn0TemaxsmTLUsN0.7UsNABCFDE0.5UsN风机类负载特性恒转矩负载特性30n带恒转矩负载工作时，定子侧输入的电磁功率1, LT由于

19、 均为常数，故电磁功率恒定不变，与转速无关5.2 异步电动机调压调速异步电动机调压调速 异步电动机调压调速的机械特性11LmmLpTPTnn电机输出功率11LmechmLpTPTsn随转差率s的增加而减小n转差功率 11LsmmLpTPsPsTsn随转差率s的增加而增加，转速越低，转差功率越大耗散31n转差功率随着转差率的加大而增加 n带恒转矩负载的降压调速就是靠增大转差功率、减小输出功率来换取转速的降低n增加的转差功率全部消耗在转子电阻上，这就是转差功率消耗型的由来5.2 异步电动机调压调速异步电动机调压调速 异步电动机调压调速的机械特性smPsPTeOnn0TemaxsmTLUsN0.7U

20、sNABCFDE0.5UsN风机类负载特性恒转矩负载特性32临界转差率临界转差率:5.2 异步电动机调压调速异步电动机调压调速 异步电动机调压调速的机械特性2221()rmslslrRsRLL22221132()psemsslslrn UTRRLLn增加转子电阻值，临界转差率加大，可以扩大恒转矩负载下的调速范围，这种高转子电阻电动机又称作交流力矩电动机n缺点：机械特性较软33n普通异步电机降压调速范围窄；高转自电阻电机机械特性软，因此开环无法满足恒转矩下较大调速范围需求n采用带转速反馈的闭环控制系统带转速负反馈闭环控制的交流调压调速系统 闭环控制的调压调速系统5.2 异步电动机调压调速异步电动

21、机调压调速34n当系统带负载稳定时，如果负载增大或减小，引起转速下降或上升，反馈控制作用会自动调整定子电压，使闭环系统工作在新的稳定工作点n将稳定工作点连接起来便是闭环系统的静特性5.2 异步电动机调压调速异步电动机调压调速 闭环控制的调压调速系统n静特性左右两边都有极限，即额定电压下的机械特性和最小输出电压下的机械特性35n三相异步电动机直接接电网起动时，起动电流比较大，而起动转矩并不大 降压控制应用5.2 异步电动机调压调速异步电动机调压调速2221ssrrslslrUsIIRRLL2221ssstrstsrlslrUIIRRLL2222113psrestsrlslrn U RTRRLL2

22、2221123psresrlslrn U RTsssRRLLn一般笼型异步电动机,起动电流和起动转矩对其额定值的倍数分别为4-7倍与0.9-1.3倍n中、大容量电动机的起动电流大，会使电网压降过大，影响其它用电设备的正常运行，甚至使该电动机本身根本起动不起来n必须降低起动电流，或降压起动36n当电压降低时，起动电流将随电压成正比地降低，从而可以避开起动电流冲击的高峰n起动转矩与电压的平方成正比，起动转矩的减小将比起动电流的降低更多，降压起动时又会出现起动转矩不够的问题n降压起动只适用于中、大容量电动机空载（或轻载）起动的场合5.2 异步电动机调压调速异步电动机调压调速 降压控制应用软起动器一级

23、降压起动 软起动器 直接起动375.3 异步电动机变压变频调速异步电动机变压变频调速n变压变频调速是改变异步电动机同步转速的一种调速方法，同步转速随频率而变化n异步电机实际转速n气隙磁通的控制11160602ppfnnn 变压变频调速的基本原理 1111(1)ns nnsnnn稳态速降随负载大小变化14.44smsgNEN Kf14.44ssgsNmUEf N K控制好定子每相感应电动势（约等于定子相电压）Eg 和电源频率f1就能控制气隙磁通38异步电动机T型等效电路假定条件：忽略空间和时间谐波，忽略磁饱和，忽略铁损5.3 异步电动机变压变频调速异步电动机变压变频调速 变压变频调速的基本原理

24、定子频率，单位为Hz； 定子每相绕组串联匝数； 基波绕组系数； 每极气隙磁通量，单位为Wb。 f1NskNsmn定子每相电动势Sg1sNm4.44Ef N kn只要控制好 Eg 和 f1 ，便可达到控制磁通m的目的，对此，需要考虑基频（额定频率）以下和基频以上两种情况。 395.3 异步电动机变压变频调速异步电动机变压变频调速n在进行电机调速时，希望保持电机中每极磁通量 m为额定值不变。 如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费； 如果过分增大磁通，铁心饱和导致过大的励磁电流，可能损坏电机。 基频以下调速14.44ssgmNNNEKf 常值基频以下采用感生电动势频率比为恒值14.44s

25、ssmNNNUKf常值定子相电压频率比为恒值恒压频比40n补偿定子阻抗压降 在低频时 Us 和 Eg 都较小，定子阻抗压降所占的份量就比较显著，不再能忽略。需要把电压 Us 抬高一些，近似地补偿定子压降5.3 异步电动机变压变频调速异步电动机变压变频调速 基频以下调速OUsf 1图6-1 恒压频比控制特性UsNf 1Na 无补偿无补偿 b 带定子压降补偿带定子压降补偿 带定子压降补偿的恒压频比控制特性示于下图中的 b 线，无补偿的控制特性则为a 线。 带压降补偿的恒压频比控制特性415.3 异步电动机变压变频调速异步电动机变压变频调速 在基频以上调速时，频率应该从 f1N 向上升高，但定子电压

26、Us 却不可能超过额定电压UsN ，最多只能保持Us = UsN ，这将迫使磁通与频率成反比地降低，相当于直流电机弱磁升速的情况 基频以上调速42图6-2 异步电机变压变频调速的控制特性 f1N恒转矩调速恒转矩调速UsUsNmNm恒功率调速恒功率调速mUsf1O 变压变频控制特性5.3 异步电动机变压变频调速异步电动机变压变频调速 如果电机在不同转速时所带的负载都能使电流达到额定值，即都能在允许温升下长期运行，则转矩基本上随磁通变化 在基频以下，磁通恒定时转矩也恒定，属于“恒转矩调速”性质，而在基频以上，转速升高时转矩降低，基本上属于“恒功率调速”43n恒压恒频正弦波供电时异步电动机的机械特性

27、n基频以下电压-频率协调控制时的机械特性n基频以上恒压变频时的机械特性 变压变频调速时的机械特性5.3 异步电动机变压变频调速异步电动机变压变频调速44当定子电压 Us 和电源角频率 1 之比恒定时，电磁转矩方程： 恒压恒频正弦波供电时异步电动机的机械特性5.3 异步电动机变压变频调速异步电动机变压变频调速2s1rep22221sr1sr3()()llUsRTnsRRsLL 当s很小时，可忽略上式分母中含s各项，则 转矩近似与s成正比，机械特性 Te = f（s）是一段直线2s1ep1r3UsTnsR 当 s 接近于1时，可忽略上式分母中的Rr ，则 Te = f（s）是对称于原点的一段双曲线

28、2s1rep2221s1sr13() llURTns RLLs45当s很小时，机械特性 Te = f（s）是一段直线当 s 接近于1时，机械特性 Te = f（s）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，机械特性从直线段逐渐过渡到双曲线段smnn0sTe010TeTemaxTemax图6-3 恒压恒频时异步电机的机械特性 机械特性5.3 异步电动机变压变频调速异步电动机变压变频调速46 基频以下电压-频率协调控制时的机械特性5.3 异步电动机变压变频调速异步电动机变压变频调速当s很小时，可忽略上式分母中含s各项，则2s1ep1r3UsTnsRre12sp13RTsUn负载下转速

29、降落2re111ps60102epRTnsnsTnnU 当恒压频比时，对于同一转矩 ， 基本不变，因此，当电源频率 向下调节时，机械特性基本平行下移47 为了近似地保持气隙磁通不变，以便充分利用电机铁心，发挥电机产生转矩的能力，在基频以下须采用恒压频比控制。这时，同步转速随频率变化 恒压频比控制（ Us /1 ）5.3 异步电动机变压变频调速异步电动机变压变频调速eTOnN0n03n02n01nN1111213131211N110p602nn485.3 异步电动机变压变频调速异步电动机变压变频调速 基频以下电压-频率协调控制时的机械特性n临界转矩2ps212semssr11312()llnUR

30、RLLTeTOnN0n03n02n01nN1111213131211N1495.3 异步电动机变压变频调速异步电动机变压变频调速 基频以下电压-频率协调控制时的机械特性n恒转矩调速带定子电压补偿的恒压频比控制基本上保证气隙磁通不变，输出转矩不变。eTOnN0n03n02n01nN1111213131211N1n基频以下变频调速时转差功率2re11ps60102epRTnsTnnU 14.44sssmNNNUKf常值222113eremppsssTR TUsPPnn定子侧输入电磁功率转差功率不变型调速方法505.3 异步电动机变压变频调速异步电动机变压变频调速n临界转矩2rep22221sr1s

31、sNr3()()llsRTnsRRsLLU2emp2221ss1sr312()sNllTn URRLLn临界转差率222s1sr()rmllRsRLL515.3 异步电动机变压变频调速异步电动机变压变频调速当s很小时2repsN22221sr1sr3()()llsRTnUsRRsLL2ep13sNrUsTnR3112p3resNR Tsn U21112260102reppsNR TnsnsnnU 转速降落525.3 异步电动机变压变频调速异步电动机变压变频调速n转差功率2211223eremppsNssTR TsPnnPU恒功率负载时，有221eT常数转差功率不变53n基频以下时，恒压频比控制

32、简便，但负载变化导致磁通变化，需要定子电压补偿5.3 异步电动机变压变频调速异步电动机变压变频调速 基频以下的电压补偿控制n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，由高电位指向低电位。 54n气隙磁通在定子每相绕组中的感应电动势 n定子全磁通在定子每相绕组中的感应电动势 n转子全磁通在转子每相绕组中的感应电动势 三种磁通5.3 异步电动机变压变频调速异步电动机变压变频调速14.44SmNgsEN kf14.44SssNmsEf N k14.44SrsNmrEf N k55n保持定子磁通恒定： 定子电动势不好直接控制，能够直接控制的只有定子电压，按n补偿定子电

33、阻压降，就能够得到恒定子磁通5.3 异步电动机变压变频调速异步电动机变压变频调速1/sEf 常值14.44SssNmsEf N k1sssUREI电阻压降56n忽略励磁电流，转子电流n电磁转矩 22122 121221221)(3)(3lrlsrrsprlrlsrspeLLsRRsEnsRLLsREnT5.3 异步电动机变压变频调速异步电动机变压变频调速2221()srrlslrEIRLLs57恒压频比控制时的转矩式 结论：1）恒定子磁通控制时转矩表达式的分母小于恒压频比控制特性中的同类项2）当转差率s相同时，采用恒定子磁通控制方式的电磁转矩大于恒压频比控制方式5.3 异步电动机变压变频调速异

34、步电动机变压变频调速电磁转矩 212222113()replsrlrsERsRTnsLL212122213()()rssreplslrUsRRsRTnsLL58n临界转差率 n临界转矩 n频率变化时，恒定子磁通控制的临界转矩恒定不变5.3 异步电动机变压变频调速异步电动机变压变频调速1()rmlslrRsLL21312()psemlslrnETLL2ps1em2221ss1sr32()llnUTRRLL59n临界转差率 n临界转矩 5.3 异步电动机变压变频调速异步电动机变压变频调速1()rmlslrRsLL21312()psemlslrnETLL2ps1em2221ss1sr32()llnU

35、TRRLL2221()rmslslrRsRLL结论：1）恒定子磁通控制的临界转差率大于恒压频比控制方式2）恒定子磁通控制的临界转矩也大于恒压频比控制方式60Eg 气隙（或互感）磁通在定子每相绕组中的感应电动势Es 定子全磁通在定子每相绕组中的感应电动势Er 转子全磁通在转子绕组中的感应电动势（折合到定子边）5.3 异步电动机变压变频调速异步电动机变压变频调速Us1RsLlsLlrLmRr /sIsI0IrEgEsEr 如果在电压频率协调控制中，恰当地提高电压Us的数值，使它在克服定子阻抗压降以后，能维持 Eg /1 为恒值（基频以下），则无论频率高低，每极磁通 m 均为常值S1gsNm4.44

36、N kEf11sslsgURjLIE61n 转子电流n输出电磁转矩5.3 异步电动机变压变频调速异步电动机变压变频调速Us1RsLlsLlrLmRr /sIsI0IrEgEsErgr22 2r1r lEIRLs22pggr1rep2222211r1r2 2r1r33llnEERsRTnsRsLRLs62n输出电磁转矩5.3 异步电动机变压变频调速异步电动机变压变频调速22pggr1rep2222211r1r2 2r1r33llnEERsRTnsRsLRLs当s很小时，可忽略式中分母含 s 项机械特性近似为一条直线2g1ep1r3EsTnsR当s接近于1时，忽略分母中的 Rr2 项整条特性与恒压

37、频比特性相似2grep211r13lERTnsLs机械特性近似为一条双曲线63恒 Eg /1 特性分母中含 s 项的参数要小于恒 Us /1 特性中的同类项，s 值要更大一些才能使该项占有显著的份量，从而不能被忽略，因此恒 Eg /1 特性的线性段范围更宽n性能比较5.3 异步电动机变压变频调速异步电动机变压变频调速21g222rep21r1r3lsRsTRnEL212122213()()rssreplslrUsRRsRTnsLL64n临界转差率 n临界转矩5.3 异步电动机变压变频调速异步电动机变压变频调速rm1r lRsL2gemp1r312lETnLn临界转差率 n临界转矩 1()rml

38、slrRsLL21312()psemlslrnETLL65当Eg /1 为恒值时，Tem 恒定不变，其稳态性能优于恒 Us /1 控制的性能。这正是恒 Eg /1 控制中补偿定子压降所追求的目标 5.3 异步电动机变压变频调速异步电动机变压变频调速2gemp1r312lETnLeTOnN0n03n02n01nN1111213131211N1Tem66如果把电压频率协调控制中的电压再进一步提高，把转子漏抗上的压降也抵消掉，得到恒 Er /1 控制5.3 异步电动机变压变频调速异步电动机变压变频调速Us1RsLlsLlrLmRr /sIsI0IrEgEsErn定子电压11()sslslrrURLj

39、LIE14.44NsmrrsN kEf67n电磁转矩机械特性完全是一条直线5.3 异步电动机变压变频调速异步电动机变压变频调速22prrr1ep211rr33nERETnsRssR 结论： 恒 Er /1 控制的稳态性能和直流电机一样为线性机械特性。这正是高性能交流变频调速所要求的性能 n转子电流rrr/EIRs68a）恒压频比控制b）恒定子磁通控制c）恒气隙磁通控制d）恒转子磁通控制 不同控制方式下的机械特性5.3 异步电动机变压变频调速异步电动机变压变频调速（1）恒压频比（ Us /1 = Constant ）控制最容易实现，它的变频机械特性基本上是平行下移，硬度也较好，能够满足一般的调速

40、要求，但低速带载对定子压降实行补偿69a）恒压频比控制b）恒定子磁通控制c）恒气隙磁通控制d）恒转子磁通控制 不同控制方式下的机械特性5.3 异步电动机变压变频调速异步电动机变压变频调速（2）恒Eg /1 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m= Constant，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限制 70a）恒压频比控制b）恒定子磁通控制c）恒气隙磁通控制d）恒转子磁通控制 不同控制方式下的机械特性5.3 异步电动机变压变频调速异步电动机变压变频调速（3）恒 Er /1 控制可以得到和直流他励电机一样的线性机械特性，按照转子全磁通 rm

41、 恒定进行控制，即得 Er /1 = Constant而且，在动态中也尽可能保持 rm 恒定是矢量控制系统的目标，实现比较复杂71n性能分析 在基频以上变频调速时，由于定子电压 Us= UsN 不变，机械特性基频以上恒压变频时的机械特性5.3 异步电动机变压变频调速异步电动机变压变频调速2repsN22221sr1sr3()()llsRTn UsRRsLLn最大转矩2empsN2221ss1sr312()llTn URRLL恒功率调速恒功率调速eTOnN0nc0nb0na0nN1a1b1c1c1b1a1N1 用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波OutOut5.4 电力电子变压变频器电力电

42、子变压变频器80 正弦脉宽调制（SPWM）波的产生 5.4 电力电子变压变频器电力电子变压变频器cTuu频率可调的载波信号三角波频率不变的基波信号正弦波频率可随载波信号变化的调制信号SPWM波Tcuu81信号波载波图6-4调制电路Ud+V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoRLuruc单相桥式PWM逆变电路 VT1VT2VT3VT4单相桥式PWM逆变电路 5.4 电力电子变压变频器电力电子变压变频器82n单极性控制方式如果在正弦调制波的半个周期内，三角载波只在正或负的一种极性范围内变化，所得到的SPWM波也只处于一个极性的范围内5.4 电力电子变压变频器电力电子变压变频器正弦波脉宽调制技

43、术（ SPWM ）图6-5urucuOtOtuouofuoUd-Ud83n双极性控制方式如果在正弦调制波半个周期内，三角载波在正负极性之间连续变化，则SPWM波也是在正负之间变化5.4 电力电子变压变频器电力电子变压变频器正弦波脉宽调制技术（ SPWM ）图6-6urucuOtOtuouofuoUd-Ud84 图6-19 三相桥式PWM逆变器主电路原理图调制电路VT1VD1VD2VD3VD4ucVD6VD5BACOOC+C+urAurBurC2Ud2UdVT3VT5VT4VT6VT2PWM逆变器主电路及输出波形5.4 电力电子变压变频器电力电子变压变频器85三相桥式PWM逆变器的双极性SPWM

44、波形 uuAO tOOOOUd2-Ud2uBuCuABuAO t t t tO turaurburcutUd23Ud2 5.4 电力电子变压变频器电力电子变压变频器三相正弦调制波双极三角载波A相输出与O之间相电压B相输出与O之间相电压C相输出与O之间相电压AB相电压A相输出与O之间相电压电机相电压正弦波脉宽调制技术（ SPWM ）86uuAO tOOOOUd2-Ud2uBuCuABuAO t t t tO turaurburcutUd23Ud2 5.4 电力电子变压变频器电力电子变压变频器正弦波脉宽调制技术（ SPWM ）n自然采样法开关器件通断时刻由调制波与载波交点确定n特点： 1）构造方便

45、87 电流跟踪PWM（CFPWM）控制技术n电流跟踪PWM（CFPWM，Current Follow PWM）在原来主回路的基础上，采用电流闭环控制，使实际电流快速跟随给定值n在稳态时，尽可能使实际电流接近正弦波形，这就能比电压控制的SPWM获得更好的性能5.4 电力电子变压变频器电力电子变压变频器将给定电流 i*a 与输出电流 ia 进行比较，电流偏差 ia 超过时 h，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。电流控制器是带滞环的比较器，环宽为2h88滞环比较方式的指令电流和输出电流n基本原理把指令电流i*和实际输出电流i的偏差i*-i作为滞环比较器的输入。 V1（或

46、VD1）通时，i 增大 V2（或VD2）通时，i 减小 通过的滞环比较器控制，i在i*+I和i*-I的范围内呈锯齿状地跟踪指令电流i*n参数的影响 环宽过宽时，开关频率低，跟踪误差大；环宽过窄时，跟踪误差小 开关频率过高，开关损耗增大 L大时，i的变化率小，跟踪慢 L小时，i的变化率大，开关频率过高滞环环宽电抗器L的作用5.4 电力电子变压变频器电力电子变压变频器 电流跟踪PWM（CFPWM）控制技术O图6-23tiii*+ Ii*- Ii*应在器件开关频率允许的前提下，尽可能选择小的环宽89三相电流跟踪型PWM逆变电路 +-iAi*AV4+-iBi*B+-iCi*CV1V6V3V2V5UdA

47、BC5.4 电力电子变压变频器电力电子变压变频器 电流跟踪PWM（CFPWM）控制技术（1）硬件电路简单（2）实时控制，电流响应快（3）不用载波，输出电压波形中不含特定频率的谐波（4）和计算法及调制法相比，相同开关频率时输出电流中高次谐波含量多（5）闭环控制，是各种跟踪型PWM变流电路的共同特点90三相电流跟踪型PWM逆变电路输出波形 图6-25Oti*UOtuABiUi5.4 电力电子变压变频器电力电子变压变频器91 电压空间矢量PWM（SVPWM）控制技术5.4 电力电子变压变频器电力电子变压变频器n问题的提出 经典的SPWM控制主要着眼于使变压变频器的输出电压尽量接近正弦波，并未顾及输出

48、电流的波形 电流滞环跟踪控制则直接控制输出电流，使之在正弦波附近变化，这就比只要求正弦电压前进了一步 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n磁链跟踪控制把逆变器和交流电动机视为一体，按照跟踪圆形旋转磁场来控制逆变器的工作n由于磁链的轨迹是交替使用不同的电压空间矢量得到的，所以又称“电压空间矢量PWM（SVPWM，Space Vector PWM）控制”92 空间矢量的定义 交流电动机绕组的电压、电流、磁链等物理量都是随时间变化的，分析时常用时间相量来表示，考虑到它们所在绕组的空间位置，也可以如图所示定义为空间矢量uA0， uB0 ， u

49、C0 电压空间矢量 5.4 电力电子变压变频器电力电子变压变频器93 空间矢量的定义 n定子电压空间矢量：uA0 、 uB0 、 uC0 的方向始终处于各相绕组的轴线上，而大小则随时间按正弦规律脉动，时间相位互相错开的角度也是120 其中， ，k为待定系数n合成空间矢量：2AOjBOjCOkukuekueAOBOCOuuu325.4 电力电子变压变频器电力电子变压变频器000AOBOCOuuu2s=jjAOBOCOkukuekueAOBOCOuuuu94n定子电流空间矢量 n定子磁链空间矢量 空间矢量的定义 2jjAOBOCOkikiekiesAOBOCOiiii2jjAOBOCOkkekes

50、AOBOCO5.4 电力电子变压变频器电力电子变压变频器2s=jjAOBOCOkukuekueAOBOCOuuuun定子电压空间矢量 确定k的大小95n空间矢量功率表达式 其中， 共轭矢量 空间矢量的定义 5.4 电力电子变压变频器电力电子变压变频器2222222p =Re()Re()()()Re()s sjjjjAOBOCOAOBOCOAO AOBO BOCO COjjjBO AOCO AOAO BOjjjCO BOAO COBO COkuueueiieiekuiuiuikuieuieuieuieuieuieu iss、ii96n空间矢量功率表达式 空间矢量的定义 5.4 电力电子变压变频器

51、电力电子变压变频器22Re()jjjjjjBO AOCO AOAO BOCO BOAO COBO COuieuieuieuieuieuie1()2AO AOBO BOCO COuiuiui0AOBOCOiii232222=Re()1()()23=()2p32s sAO AOBO BOCO COAO AOBO BOCO COAO AOBO BOCO COkuiuiuikuiuiuikuiipikuuu i带入上面的功率表达式，97n空间矢量功率表达式 空间矢量的定义 5.4 电力电子变压变频器电力电子变压变频器22Re()jjjjjjBO AOCO AOAO BOCO BOAO COBO COu

52、ieuieuieuieuieuie1()2AO AOBO BOCO COuiuiui0AOBOCOiii2322=Re()p33=()22s sAO AOBO BOCO COkuuiuik piu i带入上面的功率表达式，按照矢量功率与瞬时功率相等原则23=12k23k 98n定子电流空间矢量 n定子磁链空间矢量 空间矢量的定义 22()3jjAOBOCOiieiesi22()3jjAOBOCOees5.4 电力电子变压变频器电力电子变压变频器22()3jjAOBOCOuueuesun定子电压空间矢量 9924033s240332244()()()()2433330334(324cos()co

53、s()cos()33222jjjABCjjjmmmjtjtjtjtjtjtjjjmjtjtjtmueueueUteUteUteeeeeeeUeeeeeeU u2)()342()()3323322jtjtjtjtjtjtjtjtmmeeeeeeeUU e 5.4 电力电子变压变频器电力电子变压变频器100n当定子相电压为三相平衡正弦电压时，三相合成矢量5.4 电力电子变压变频器电力电子变压变频器 空间矢量的定义 112111224cos()cos()cos()33332jjmmmjtjtmsUtUteUteU eU esAOBOCOuuuun在三相平衡正弦电压供电时，若电动机转速已稳定，则定子电

54、流和磁链的空间矢量的幅值恒定，以电源角频率为电气角速度在空间作恒速旋转101 电压与磁链空间矢量的关系 n合成空间矢量表示的定子电压方程式 n忽略定子电阻压降，定子合成电压与合成磁链空间矢量的近似关系为或5.4 电力电子变压变频器电力电子变压变频器dRdtsss suiddtssudtssu102n当电动机由三相平衡正弦电压供电时，电动机定子磁链幅值恒定，其空间矢量以恒速旋转，磁链矢量顶端的运动轨迹呈圆形（简称为磁链圆）n定子磁链矢量n定子电压矢量5.4 电力电子变压变频器电力电子变压变频器 电压与磁链空间矢量的关系 1()jtses111()()()211()jtjtjtsssdejeedt

55、su103n定子电压矢量5.4 电力电子变压变频器电力电子变压变频器 电压与磁链空间矢量的关系 111()()()211()jtjtjtsssdejeedtsu1jtsU esu1=ssU旋转磁场与电压空间矢量的运动轨迹电压矢量圆轨迹104 主电路原理图三相逆变器-异步电动机调速系统主电路原理图 等效为开关5.4 电力电子变压变频器电力电子变压变频器105 PWM逆变器基本输出电压矢量 结论：直流电源中点O和交流电动机中点O的电位不等，但合成电压矢量的表达式相等三相合成电压空间矢量与参考点无关222222()32()()()322(1)()33jjAOBOCOjjAOOBOOCOOjjjjjj

56、ABCOOABCuueueuuuueuueuu eu eueeuu eu esAOBOCOuuuu5.4 电力电子变压变频器电力电子变压变频器106 PWM逆变器基本输出电压矢量 5.4 电力电子变压变频器电力电子变压变频器n开关工作状态 逆变器采用180导通型，功率开关器件有8种工作状态：6 种有效开关状态；2 种无效状态（因为逆变器这时并没有输出电压）： 上桥臂开关 VT1、VT3、VT5 全部导通下桥臂开关 VT2、VT4、VT6 全部导通107 PWM逆变器基本输出电压矢量 5.4 电力电子变压变频器电力电子变压变频器n开关工作状态6 种有效开关状态；2 种无效状态108 开关控制模式

57、 对于六拍阶梯波的逆变器，在其输出的每个周期中6 种有效的工作状态各出现一次。逆变器每隔 /3 时刻就切换一次工作状态（即换相），而在这 /3 时刻内则保持不变。 5.4 电力电子变压变频器电力电子变压变频器100状态（ VT6、VT1、VT2导通）O+-iCUdiAiBidVT1VT6VT22= 2dAOdBOCOUUUUUu1uAO-uCO-uBOABC三相的合成空间矢量为 u1，其幅值等于Ud，方向沿A轴（即X轴）109 开关控制模式 对于六拍阶梯波的逆变器，在其输出的每个周期中6 种有效的工作状态各出现一次。逆变器每隔 /3 时刻就切换一次工作状态（即换相），而在这 /3 时刻内则保持

58、不变。 5.4 电力电子变压变频器电力电子变压变频器100状态（ VT6、VT1、VT2导通）u1uAO-uCO-uBOABC110状态（ VT1、VT2、VT3导通）u2uAO-uCOuBOABC合成空间矢量变成图中的 u2 ，它在空间上滞后于u1 的相位为 /3 弧度，存在的时间也是 /3 110 8个基本空间矢量当 5.4 电力电子变压变频器电力电子变压变频器100ABCSSSuuu222dddABCUUU2423322(1)(1)3 23 2224242(1 coscos)(sinsin)3 233333jjjjddddUUeeeeUjU1u因此，100状态（ VT6、VT1、VT2导

59、通）下电压矢量为111 8个基本空间矢量当 5.4 电力电子变压变频器电力电子变压变频器1 10ABCSSSuuu222dddABCUUU2423332(1)(1)3 2222424(1coscos)(sinsin)3 2333322(13)3 23jjjjdddjddUUeeeeUjUjU e2u110状态（ VT6、VT1、VT2导通）下电压矢量为1128个基本空间矢量n6个有效工作矢量幅值为 空间互差 5.4 电力电子变压变频器电力电子变压变频器 PWM逆变器基本输出电压矢量 16uu23dU3113 对于六拍阶梯波的逆变器，在其输出的每个周期中6 种有效的工作状态各出现一次。逆变器每隔

60、 /3 时刻就切换一次工作状态（即换相），而在这 /3 时刻内则保持不变。 5.4 电力电子变压变频器电力电子变压变频器 依此类推，随着逆变器工作状态的切换，电压空间矢量的幅值不变，而相位每次旋转 /3，直到一个周期结束 在一个周期中 6 个电压空间矢量共转过 2 弧度，形成一个封闭的正六边形u1u2u3u4u5u6u7 u8 PWM逆变器基本输出电压矢量 114n电压空间矢量与磁链矢量的关系 5.4 电力电子变压变频器电力电子变压变频器 正六边形空间旋转磁场 设在逆变器工作开始时定子磁链空间矢量为 1，在第一个 /3 期间，电动机上施加的电压空间矢量为u1 在 /3 所对应的时间 t 内，施