《变频器原理森兰》ppt课件

1、 变变 频频 器器 原原 理理 希望森兰科技股份希望森兰科技股份 一一.变频器的原理与组成变频器的原理与组成 (一一)概述概述: 1.定义：转换电能并能改动频率的电能转换安定义：转换电能并能改动频率的电能转换安装。装。 2.交流调速技术开展的概略与趋势：交流调速技术开展的概略与趋势： 交流电机：构造简单，价低，动态呼应好、交流电机：构造简单，价低，动态呼应好、维护方便，但调速困难。维护方便，但调速困难。 直流电机：构造复杂、本钱高、缺点多、维直流电机：构造复杂、本钱高、缺点多、维护困难且任务量大；机械换向器的换向才干限制护困难且任务量大；机械换向器的换向才干限制了电动机的容量单机容量了电动机的

2、容量单机容量12000kW14000kW、电压和速度最高电压、电压和速度最高电压1000多伏、最高转速多伏、最高转速3000r/min。接触式的电。接触式的电流传输又限制了其运用场所；电枢在转子上，电流传输又限制了其运用场所；电枢在转子上，电动机的效率低，散热条件差。为改善换向才干，动机的效率低，散热条件差。为改善换向才干，减小电枢漏感，转子变得粗短惯性增大，影响系减小电枢漏感，转子变得粗短惯性增大，影响系统的动态呼应。统的动态呼应。 交流调速飞速技术开展的缘由：交流调速飞速技术开展的缘由： 电力电子器件制造技术；电力电子电路的变电力电子器件制造技术；电力电子电路的变换技术；换技术；PWM技术

3、，矢量控制技术，直接转矩技术，矢量控制技术，直接转矩控制技术；微机和大规模集成电路根底的数字控控制技术；微机和大规模集成电路根底的数字控制技术。制技术。 (二二)开展趋势与动向开展趋势与动向: VCES=2.7V2.5V、1.5V，fk=40kHz，结温最高，结温最高175 C 6500V2400AIGBT的运用，载波频率可达的运用，载波频率可达16KHz，抑制噪声和机械共震，抑制噪声和机械共震，电机电流在低速时波形接近正弦，减少转矩脉动；电压驱动，电机电流在低速时波形接近正弦，减少转矩脉动；电压驱动，简化了电路；网侧变流器的简化了电路；网侧变流器的PWM控制；矢量控制变频器技术控制；矢量控制

4、变频器技术的通用化，无速度传感器矢量控制系统代表另一新技术动向。的通用化，无速度传感器矢量控制系统代表另一新技术动向。 无速度传感器矢量控制的速度观测模型，建模方法大体上无速度传感器矢量控制的速度观测模型，建模方法大体上有：动态速度估计器；模型参考自顺应方法、基于有：动态速度估计器；模型参考自顺应方法、基于PI调理器法、调理器法、自顺应转速观测器法、转子齿谐波法、滑模观测法等。自顺应转速观测器法、转子齿谐波法、滑模观测法等。 感应电机是一多变量，强耦合及时变参数系统，围绕它有假感应电机是一多变量，强耦合及时变参数系统，围绕它有假设干研讨课题设干研讨课题: 电机参数模型的离散化、电机参数的自测定

5、、电机定子电电机参数模型的离散化、电机参数的自测定、电机定子电流的控制、电机参数的辩识、电机形状估计、系统稳定性分析。流的控制、电机参数的辩识、电机形状估计、系统稳定性分析。 l 主控一体化主控一体化 日本三菱公司将功率芯片和控制电路集成在一快芯片上的日本三菱公司将功率芯片和控制电路集成在一快芯片上的DIPIPM即双列直插式封装的研制曾经完成并推向市场。一种使逆变功率即双列直插式封装的研制曾经完成并推向市场。一种使逆变功率和控制电路到达一体化，智能化和高性能化的和控制电路到达一体化，智能化和高性能化的HVIC高耐压高耐压ICSOCSystem on Chip的概念已被用户接受，首先满足了家电市

6、场低本钱、小型的概念已被用户接受，首先满足了家电市场低本钱、小型化、高可靠性和易运用等的要求。因此叶以展望，随着功率做大，此产品在市化、高可靠性和易运用等的要求。因此叶以展望，随着功率做大，此产品在市场上极具竞争力。场上极具竞争力。 2 小型化小型化 用日本富士用日本富士FUJI电机的三添胜先生的话说，变频器的小型电机的三添胜先生的话说，变频器的小型化就是向发热挑战。这就是说变频器的小型化除了出自支撑部件的实装技术和化就是向发热挑战。这就是说变频器的小型化除了出自支撑部件的实装技术和系统设计的大规模集成化，功率器件发热的改善和冷却技术的开展已成为小型系统设计的大规模集成化，功率器件发热的改善和

7、冷却技术的开展已成为小型化的重要缘由。化的重要缘由。ABB公司将小型变频器定型为公司将小型变频器定型为CompACTM，他向全球发布，他向全球发布的全新概念是，小功率变频器该当象接触器、软起动器等电器元件一样运用简的全新概念是，小功率变频器该当象接触器、软起动器等电器元件一样运用简单，安装方便，平安可靠。单，安装方便，平安可靠。 3 低电磁噪音化低电磁噪音化 今后的变频器都要求在抗干扰和抑制高次谐波方面符合今后的变频器都要求在抗干扰和抑制高次谐波方面符合EMC国际规范国际规范,主要做法是在变频器输入侧加交流电抗器或有源功率因数校正主要做法是在变频器输入侧加交流电抗器或有源功率因数校正Activ

8、e Power Factor Correction APFC电路，改善输入电流波形降低电路，改善输入电流波形降低电网谐波以及逆变桥采取电流过零的开关技术。而控制电源用的开关电源将电网谐波以及逆变桥采取电流过零的开关技术。而控制电源用的开关电源将推崇半谐振方式，这种开关控制方式在推崇半谐振方式，这种开关控制方式在3050M时的噪声可降低时的噪声可降低1520dB。 4 公用化通用变频器中出现公用型家族是近年来的事。其目的是更好公用化通用变频器中出现公用型家族是近年来的事。其目的是更好发扬变频器的独特功能并尽能够地方便用户。如用于起重机负载的发扬变频器的独特功能并尽能够地方便用户。如用于起重机负载

9、的ACC系列，系列，用于交流电梯的用于交流电梯的 Siemens MICO340系列和系列和FUJI FRN5000G11UD系列，其他系列，其他还有用于恒压供水、机械主轴传动、电源再生、纺织、机车牵引等公用系列。还有用于恒压供水、机械主轴传动、电源再生、纺织、机车牵引等公用系列。 5 系统化系统化 作为开展趋势，通用变频器从模拟式、数字式、智能化、多作为开展趋势，通用变频器从模拟式、数字式、智能化、多功能向集中型开展。最近，日本安川提出了以变频器，伺服安装，控制器及功能向集中型开展。最近，日本安川提出了以变频器，伺服安装，控制器及通讯安装为中心的通讯安装为中心的D&M&C概念，并制定了相应的

10、规范。目的是为用户概念，并制定了相应的规范。目的是为用户提供最正确的系统。因此可以预见在今后变频器的高速呼应器件和高性能提供最正确的系统。因此可以预见在今后变频器的高速呼应器件和高性能控制将是根本条件。控制将是根本条件。 假设希望把转矩误差控制在假设希望把转矩误差控制在3%以内，需求对磁通变化作修以内，需求对磁通变化作修正正(补偿励磁电抗引起的饱和及定子铁损的变化补偿励磁电抗引起的饱和及定子铁损的变化)；假设希望把；假设希望把转矩误差控制在转矩误差控制在1%以内，需求对定子和转子的铁损进展补偿以内，需求对定子和转子的铁损进展补偿. 矩阵式变频器、直接驱动技术高精度：电机和负载间刚矩阵式变频器、

11、直接驱动技术高精度：电机和负载间刚性耦合，高速和高加速度、高动态呼应、高机械刚度和可靠性、性耦合，高速和高加速度、高动态呼应、高机械刚度和可靠性、低噪声和零保养，部件减少可降低噪声，磨损部件只需旋转或低噪声和零保养，部件减少可降低噪声，磨损部件只需旋转或直线轴承，做到永久性光滑和无需维修的一次性装配，可实现直线轴承，做到永久性光滑和无需维修的一次性装配，可实现零保养。零保养。 (三三)交流电机的调速方法交流电机的调速方法: 调压调速、电磁调速、绕线式电机转子串电阻调速、串级调速、变极调调压调速、电磁调速、绕线式电机转子串电阻调速、串级调速、变极调速、变频调速等速、变频调速等 (四四)变频器的构

12、成变频器的构成:主回路整流器、中间直流环节、逆变器主回路整流器、中间直流环节、逆变器控制回路控制回路维护回路维护回路(五五)变频器的分类变频器的分类:1、按直流电源性质分、按直流电源性质分: 电流型、电压型电流型、电压型(1)电流型电流型 Id趋于平稳；四象限运转趋于平稳；四象限运转 (2)电压型电压型 Ed趋于平稳；不选择负载的通用性趋于平稳；不选择负载的通用性(3)电流源供电时交流电机任务特性电流源供电时交流电机任务特性:多功能控制板多功能控制板主回路主回路图图(五五) 交交-直直-交变频器构造图交变频器构造图 图图(六六) 电压型与电流型交不断一交变频器电压型与电流型交不断一交变频器a电

13、压型变频器电压型变频器 b电流型变频器电流型变频器变频器输出电压方波经变频器输出电压方波经L/R积分为电流波形近似为正弦波积分为电流波形近似为正弦波特点称号特点称号电压型变频器电压型变频器电流型变频器电流型变频器储能元件储能元件电容器电容器电抗器电抗器波形的特点波形的特点电压波形为矩形波电压波形为矩形波电流波形近似正弦波电流波形近似正弦波电流波形为矩形波电流波形为矩形波电压波形为近似正弦波电压波形为近似正弦波回路构成上回路构成上的特点的特点 有反响二极管有反响二极管直流电源并联大容量直流电源并联大容量电容低阻抗电压源电容低阻抗电压源电动机四象限运转需求再生变流器电动机四象限运转需求再生变流器无

14、反响二极管无反响二极管直流电源串联大电感直流电源串联大电感高阻抗电流源高阻抗电流源电动机四象限运转容易电动机四象限运转容易特性上的特特性上的特点点负载短路时产生过电流负载短路时产生过电流转距呼应较快转距呼应较快输入功率因数高输入功率因数高负载短路时能抑制过电流负载短路时能抑制过电流转距呼应慢转距呼应慢输入功率因数低输入功率因数低电压型变频器和电流型变频起对比电压型变频器和电流型变频起对比 a、电机起动转矩小；、电机起动转矩小； b、可以稳定运转范围窄，在大部分的转速范围内是电机运、可以稳定运转范围窄，在大部分的转速范围内是电机运转不稳定区。转不稳定区。 缘由：恒流源供电时，定子磁势是恒定的。空

15、载时，全部定缘由：恒流源供电时，定子磁势是恒定的。空载时，全部定子磁势用于励磁，气隙中产生很强的磁场，铁心高度饱和。负子磁势用于励磁，气隙中产生很强的磁场，铁心高度饱和。负载添加时，转子减速而转差率增大，转子电流添加。由于转子载添加时，转子减速而转差率增大，转子电流添加。由于转子电流的去磁作用，气隙合成磁场减小，磁场变弱，先退出饱和电流的去磁作用，气隙合成磁场减小，磁场变弱，先退出饱和磁场变化缓慢，而未随转子电流的添加磁场很快变弱，导致端磁场变化缓慢，而未随转子电流的添加磁场很快变弱，导致端电压急剧下降，单位转子电流产生的转矩减小，导致转子电流电压急剧下降，单位转子电流产生的转矩减小，导致转子

16、电流进一步增大，构成恶性循环，使转矩很快下降到较小数值进一步增大，构成恶性循环，使转矩很快下降到较小数值. 实践上，电流源不是真正的恒流源，等效为电压源驱动下实践上，电流源不是真正的恒流源，等效为电压源驱动下的恒流源。的恒流源。 R1X1X2R2/SxmIIII121m图图(七七) 异步电机在恒流源供电时异步电机在恒流源供电时的等值电路的等值电路 由戴维南定理，开路电势和由戴维南定理，开路电势和 等效内阻：等效内阻：m1thXIE2mgXXX22m22m12)XX()SR(XII由此求出由此求出I2:电磁转矩：电磁转矩：)XX()SR(f2XIn3SRI3npnPT22m2212m21p222

17、1pm1p1m1nT电压源供电转矩转电压源供电转矩转-速特性速特性电流源供电转矩转电流源供电转矩转-速特性速特性图图(八八) 电流源供电机转矩电流源供电机转矩-转速特性转速特性 由由1式画出其转矩式画出其转矩-转速转速特性如图特性如图7。并求出最大转矩和。并求出最大转矩和临界转差率：临界转差率：)xx(f4XInT2m12m21pmax2m2mxaXXRS 电压源供电的情况下，最大电压源供电的情况下，最大转矩出如今转矩出如今 的的)XX(RS212mxa地方。由于地方。由于 ，所以在恒流源供电时，最大转矩出如今转，所以在恒流源供电时，最大转矩出如今转差率小得多的地方。电机转矩差率小得多的地方。

18、电机转矩-转速特性成尖峰状，起动转矩很转速特性成尖峰状，起动转矩很小，小， 稳定运转的范围很窄。稳定运转的范围很窄。 1mXX 2、按输出电压的调理方式分类、按输出电压的调理方式分类: (1)PAM方式方式 脉幅调理，改动直流电压幅值的调压方式。脉幅调理，改动直流电压幅值的调压方式。 相控整流器；直流斩波器。相控整流器；直流斩波器。 (2)PWM方式方式: 整流器为二极管，变频器的输出电压由逆变器按整流器为二极管，变频器的输出电压由逆变器按PWM方方式完成。式完成。 SPWM-输出电压平均值为正弦波的输出电压平均值为正弦波的PWM方式。方式。 3、按控制方式、按控制方式: (1)V/F控制控制

19、 逆变器的控制脉冲发生器同时受控于逆变器的控制脉冲发生器同时受控于f和和v，而，而v与与f的关系由的关系由v/f决议。决议。 开环控制，无开环控制，无PG控制电路简单，通用性强，经济性好，用控制电路简单，通用性强，经济性好，用于速度精度要求不非常严厉或负载变动较小的场所。于速度精度要求不非常严厉或负载变动较小的场所。 (2)转差频率控制转差频率控制 转差补偿的闭环控制方式，可到达直流转差补偿的闭环控制方式，可到达直流双闭环的程度。双闭环的程度。 (3)矢量控制矢量控制: 基于电机动态模型的控制方式，既控制量的大小，又控制方基于电机动态模型的控制方式，既控制量的大小，又控制方向向. 要求动态性能

20、较高的场所运用。要求动态性能较高的场所运用。4、按主电路运用的器件、按主电路运用的器件IGBT GTR GTO SCR IGCT MOSFET IPM5、按运用的电压、按运用的电压高压变频器高压变频器(210KV) 低压变频器低压变频器(380V 660V) 正弦脉宽调制技术图解正弦脉宽调制技术图解二、二、PWM技术技术n 1、定义：利用半导体器件的开通和关断，把直流电压变成、定义：利用半导体器件的开通和关断，把直流电压变成一定外形的电压脉冲序列，以实现变频、变压及控制和消除一定外形的电压脉冲序列，以实现变频、变压及控制和消除谐波为目的的一门技术。谐波为目的的一门技术。n 2、数学分析：、数学

21、分析： f(t) t 221221221100000000)()()()sincos()(ttttttntdtfbtdtfatdtfatnbtnaatfnnnn(1)图图(九九) 脉冲波形图脉冲波形图 f(t)为奇函数，由付立叶级数的性质为奇函数，由付立叶级数的性质:f(t)=-f(t),那么那么a0=a0=020002221sin)(sin)(ttdntfttdntfbttn设设f(t)幅度为幅度为1，那么，那么2011)(tttf(2)在方波的半波内斩为在方波的半波内斩为m个脉冲，斩角分别为个脉冲，斩角分别为m21那么对于奇数那么对于奇数n和奇数和奇数m有有 :mkknkmnnnnnntt

22、dnttdnttdnb11222cos) 1(coscoscossinsinsin22124321(3)对于奇数对于奇数n和偶数和偶数m 有有:mkknkmmnnnnnnttdnttdnttdnb11222cos) 1(coscoscossinsinsin22114321(4)于是，由于是，由(3)和和(4)式对于奇数式对于奇数n和恣意的和恣意的m均有均有:211210:cos)1(mknmkknb式中(5) 对于奇函数，偶次谐波为零，仅有奇次谐波，即：对于奇函数，偶次谐波为零，仅有奇次谐波，即：tntfnnsin)(127 . 5 . 3 . 1n各次谐波的幅值为各次谐波的幅值为:52322

23、531FFF则相隔和与设,6321tntfnnsincos)(612(6)各次谐波的幅值为各次谐波的幅值为:5335031FFF 讨论：讨论：(1)利用利用PWM技术可控制逆变器的输出波形，使谐波技术可控制逆变器的输出波形，使谐波 含量减少。含量减少。 (2)谐波的减少是以减少基波幅度为代价。谐波的减少是以减少基波幅度为代价。 3、SPWM (1)自然采样法自然采样法 (2)规那么采样法规那么采样法图图(十十) 三相三相SPWM变变频器输出波形频器输出波形 三、异步电机变频调速控制战略三、异步电机变频调速控制战略 变频器控制的对象是电机，首先研讨电机等效图变频器控制的对象是电机，首先研讨电机等

24、效图 (一一)等效图等效图: 1、转子电势、转子电势: 转子电势的频率为转子电势的频率为f2 ，转子旋转后，由于转子导体与磁，转子旋转后，由于转子导体与磁场之间的相对运动速度减小，转子感应电势的频率也随之减小，此时场之间的相对运动速度减小，转子感应电势的频率也随之减小，此时: f2=f1S (1) 转子不动时，一相的电势为转子不动时，一相的电势为: E2=4.44f1w2 kw2 (2) 式中式中: W2-转子一相绕组匝数转子一相绕组匝数 KW2-转子绕组系数转子绕组系数 转子旋转后一相的电势为转子旋转后一相的电势为: E2 S =4.44f2W2Kw2 =4.44f1SW2KW2 =E2S

25、(3) 2、转子电势平衡方程、转子电势平衡方程: 当转子无外加电阻，自成短路时，其一相等值电路如图当转子无外加电阻，自成短路时，其一相等值电路如图: = (R2+ X2S) (4) 式中式中: R2- 转子一相电阻值转子一相电阻值 X2S-转子旋转后一相的漏抗转子旋转后一相的漏抗 X2S= 其中其中: X2-转子不动时一相的漏抗转子不动时一相的漏抗 X2=L2 L2-转子旋转后一相的漏电感转子旋转后一相的漏电感 图图(1) 转子等值电路图转子等值电路图S2E2IRX222IjSE2SXLSfLf2212222 且且: E1=4.44f1W1KW1 由于由于E1I1ZI,于是于是:. 3、定子电

26、势平衡方程、定子电势平衡方程: 式中式中: Z1=R1+I1X1 U1定子相电压定子相电压 E1定子一相绕组的感应电势定子一相绕组的感应电势 I1定子相电流定子相电流 R1定子一相绕组的电阻定子一相绕组的电阻 X1定子一相绕组的漏抗定子一相绕组的漏抗 X1=L1R1 x1图图(2) 定子等值电路图定子等值电路图1U1I1E1E1U1I=-+Z1 (5)11EU或者或者 U1 E1=4.44f1W1KW1(4)折合算法折合算法:即即 (6)222R)SS1(RSRR2 X22E2I2S)S1(R图图(3) 转子电路值图转子电路值图 (7)(2222SsjXRIE)(2222SjXRISE)(22

27、22jXSRIE等式两端除以等式两端除以S又又222222)1()(RSSIjXRIE2S)S1(R上耗费的电功率代表旋转电机转子轴上输出的机械功率上耗费的电功率代表旋转电机转子轴上输出的机械功率.折合关系折合关系:2W221W111122KWmKWmK:KII :电流变比式中电流2W21W1ee22KWKWK:KEE:电势变比式中电势(8) (9)m1,m2分别为定子相数和转子相数分别为定子相数和转子相数电阻电阻: (10)式中式中:K=Ke K1KRR222KXX:电抗 (11)折算后折算后(6)式为式为: (12) (7)式为式为: (13)2E2I2R2I2RSS1图图(4) 异步电机

28、折算后转子异步电机折算后转子一相等值电路图一相等值电路图 (5)等值电路等值电路:适用上，为简化问题，适用上，为简化问题，常用一个和异步电机等常用一个和异步电机等效，数值上相等的电路效，数值上相等的电路表示异步电机表示异步电机,称为等值称为等值电路。电路。 于是于是:)XjSR(IE2222222222R)SS1(I)XjR(IE 1-SSR1X110UIXm1-SSR1X110UIXm1-SSR1X110UIXm或R1X110UIXm1-SSR1X110UIXm或R1X110UIXm-E11-SSR1X110UIXm或R1X110UIXm-E11-SSR1X110UIXm或R1X110UIX

29、m-E21-SSR1X110UIXm或R1X110UIXm2E1-SSR1X110UIXm或R1X110UIXm-E1图图(5) 异步电机等值电路图异步电机等值电路图2R2R2X2I1IXm= LmLm励磁电感励磁电感 (二二)机械特性机械特性: 假设：忽略铁心磁饱假设：忽略铁心磁饱和，忽略铁损，忽略空和，忽略铁损，忽略空间和时间谐波。由异步间和时间谐波。由异步电机等值电路图电机等值电路图2R1I2I2XS )()()()(112222222122122ELRLSREI (14)式中式中:1221S转子角频率定子角频率由于：由于：Pm= T1SRI3npnPT2221pm1p1m (15) (

30、16)fE()L(R211122222222122121121122222222)()(3)()(143:)15()14(2LSRRSEnfERLRnTpp式式代入式中式中:np极对数；极对数； -同步角速度，同步角速度，(16)式为异步电机的机械特性方程式。式为异步电机的机械特性方程式。讨论讨论:1TnS0n0UUU0.70.51N1N1NABCSmTnS0n0UUU0.70.51N1N1NABCm(1)当当S一定时，一定时，T与与U1平方成正比平方成正比.由由(16)式可画出不同电压的机式可画出不同电压的机械特性曲线械特性曲线:对对(16)式求导：式求导：dT/dS =0得临界转差率得临界

31、转差率: (17)临界转矩为临界转矩为:图图(6) 异步电机不同电压下的机械特性异步电机不同电压下的机械特性S212mLRS211222pmax)fE(L21R4n3TPn1TnABC (2)带恒转矩负载时，普通笼型电机变电压时的稳定任务点带恒转矩负载时，普通笼型电机变电压时的稳定任务点为为A、B、C转差率的变化范围不超越转差率的变化范围不超越0-Sm ，调速范围小。，调速范围小。 (3)为了能在恒转矩负载下扩展变电压调速范围，应增大转为了能在恒转矩负载下扩展变电压调速范围，应增大转子电阻，这就要求电机转子绕组有较高的电阻值，此时电机子电阻，这就要求电机转子绕组有较高的电阻值，此时电机机械特性

32、曲线如图示，由图可见恒转矩负载下调速范围扩展机械特性曲线如图示，由图可见恒转矩负载下调速范围扩展了，而且堵转时也不会烧坏电机，但机械特性很软，普通采了，而且堵转时也不会烧坏电机，但机械特性很软，普通采用闭环任务，这种电机叫力矩电机。用闭环任务，这种电机叫力矩电机。 (三三)电压频率协调控制下的机械特性电压频率协调控制下的机械特性: 由由(16)式阐明，电机带负载稳定运式阐明，电机带负载稳定运行时，对于同一种负载要求，即以一行时，对于同一种负载要求，即以一定的转速定的转速(或转差率或转差率)，在一定的负载转，在一定的负载转矩下运转，电压矩下运转，电压U1与频率与频率f1有多种配合有多种配合,图图

33、(7) 力矩电机机械特性曲线力矩电机机械特性曲线电压电压U1与频率与频率f1的不同配合，机械特性也不一样的不同配合，机械特性也不一样,因此有不同的电压因此有不同的电压频率频率协调控制协调控制. 1.恒压频比控制恒压频比控制(U1/f1=常数常数): 为充分利用铁心为充分利用铁心,近似地坚持近似地坚持 为常数为常数,发扬电机产生转矩的才干，由发扬电机产生转矩的才干，由: U1 E1=4.44f1w1kw1 U1/f1=4.44w1kw1 1.恒压频比控制恒压频比控制(U1/f1=常数常数):mmmmin)/ r (Sn260snnmin)/ r (n260n1pp100带负载时的速降由由(16)

34、式式: 当当S极小时极小时,忽略分母中的含忽略分母中的含S各项得各项得: (18) 结论结论: 1当当U1/ 恒值时，对于同一转矩，恒值时，对于同一转矩， 根本不变，根本不变，即在即在U1/ =恒值时，机械特性是一族平行曲线。恒值时，机械特性是一族平行曲线。21S112112)(31UnRTSp21221222222112222222)(3)()()(13)()(143111112ERSnERLSSRnfERLRnTpppnT11223344 图图(8) 恒压频比控制时变恒压频比控制时变频调速机械特性频调速机械特性 由图可见：当转矩增大到最大由图可见：当转矩增大到最大值以后再降低，特性曲线又折

35、回值以后再降低，特性曲线又折回来来.频率越低时最大转矩越小，对频率越低时最大转矩越小，对于于T表达式有：表达式有： 当当U1/ =恒值时，恒值时，T随随 的降低而减小，当很低，的降低而减小，当很低，T太小太小,调速系统带载才干差，采用补偿定子的压降，可提升转矩调速系统带载才干差，采用补偿定子的压降，可提升转矩. (19)21122122222)(3)()()(131111ERSnERLSSRnTpp111 2.恒功率控制恒功率控制: 假设坚持假设坚持 正比于正比于1/f1，即，即Tf1=1那么电磁功率为那么电磁功率为:TCfE121则Cnf60TTfPp11m 随随f1的升高的升高,转矩特性曲

36、线变软，转矩特性曲线变软，Tmax也随也随f1的提高而减小，的提高而减小，由于受定子电压地限制，通常坚持由于受定子电压地限制，通常坚持U1=U1N近似恒功率运转方近似恒功率运转方式式.3.恒恒Er/ 控制控制: 假设把电压假设把电压/频率协调控制中的电压频率协调控制中的电压U1相对地再提高一点，相对地再提高一点，把转子漏抗上的压降也抵消掉把转子漏抗上的压降也抵消掉,就得到恒就得到恒Er/ 控制，其机械特控制，其机械特性如下性如下:11nTab图图(10) 不同电压不同电压频率协频率协调控制下的机械特性调控制下的机械特性a-Er/ bU1/R1X110UIXm-E1ErRS2图图(9) 异步电机

37、稳态等效电路和异步电机稳态等效电路和感应电动势感应电动势2X2I1IEr转子全磁通感应电动势转子全磁通感应电动势.由图可见由图可见:S/REI2r2带入转矩公式(20)11222222111)(3)/(3RSEnSRSREnTrprp 不作任何近似就得出不作任何近似就得出,机械特性机械特性T=f(s)完全是一条直线，这完全是一条直线，这与直流电机特性一样与直流电机特性一样. 又又(21) 坚持坚持 =C,那么那么T与与 成线性关系，这种关系不因定子频成线性关系，这种关系不因定子频率的改动而改动，与率的改动而改动，与f1无关。无关。 小结：小结： 采用采用U1/f1=C控制的变频器属于第一代产品

38、，大多采用控制的变频器属于第一代产品，大多采用16位位CPU，是恒气隙磁通控制方式，即用假设干条曲线来协调，是恒气隙磁通控制方式，即用假设干条曲线来协调U1与与f1的关系。机械特性根本平行下移，机械硬度尚可，能的关系。机械特性根本平行下移，机械硬度尚可，能满足普通调速要求，但低速转矩差，须补偿。恒压频比控制满足普通调速要求，但低速转矩差，须补偿。恒压频比控制变频器是一种转速，开环的控制系统动、静态要求不高变频器是一种转速，开环的控制系统动、静态要求不高222222222221222213)(3:RnSRInTRISRIEppr则因此的消费机械经常运用。的消费机械经常运用。 (1)利用人为选定利

39、用人为选定V/f曲线的方式，很难根据负载转矩变化恰当地调曲线的方式，很难根据负载转矩变化恰当地调整电机矩转，负载冲击或起动过快，有时会引起过流跳闸。所以根据整电机矩转，负载冲击或起动过快，有时会引起过流跳闸。所以根据定子电流调理变频器电压的方法，并不反映负载矩转，因此，定子电定子电流调理变频器电压的方法，并不反映负载矩转，因此，定子电压也不能根据负载转矩变化恰当地改动电磁矩转，特别在低速下，定压也不能根据负载转矩变化恰当地改动电磁矩转，特别在低速下，定子电压的设定值相对较小，采用人为选定子电压的设定值相对较小，采用人为选定V/f曲线或自动补偿，实现曲线或自动补偿，实现准确的补偿是困难的。由于定

40、子电阻的压降随负载改动，当负载较重准确的补偿是困难的。由于定子电阻的压降随负载改动，当负载较重时，能够补偿缺乏；负载较轻时能够产生过补偿，磁路饱和时，能够补偿缺乏；负载较轻时能够产生过补偿，磁路饱和. (2)采用采用V/f控制方式，无法准确的控制电机实践转速。电机的转速，控制方式，无法准确的控制电机实践转速。电机的转速，不全取决于定子频率，而由转差率不全取决于定子频率，而由转差率(负载负载)决议。因此决议。因此V/f控制方式静态控制方式静态稳定度不高。稳定度不高。 3转速极低的时转矩不够转速极低的时转矩不够. 4这类变频器采用硬件中断过流跳闸，当维护电路的时间这类变频器采用硬件中断过流跳闸，当

41、维护电路的时间常数选择不当时，维护电路的可靠性令人疑心。现实上时间常常数选择不当时，维护电路的可靠性令人疑心。现实上时间常数选择颇费脑筋数选择颇费脑筋, 大维护灵敏度不够大维护灵敏度不够; 小抗干扰才干差，不得小抗干扰才干差，不得不折衷思索。不折衷思索。 图中提供了一组图中提供了一组U/f曲线，可以顺应低曲线，可以顺应低频时不同负载对频时不同负载对U/f曲线的不同要求。曲线的不同要求。 曲线曲线0称为根本称为根本U/f曲线，它不含定子曲线，它不含定子压降补偿。压降补偿。 曲线曲线15为低频段不同程度地提高定为低频段不同程度地提高定子电压的子电压的U/f曲线，称为曲线，称为“电压补偿，也电压补偿

42、，也称为称为“转矩补偿或转矩补偿或“转矩提升。适用转矩提升。适用于恒转矩负载。于恒转矩负载。图图(11) 不同负载对不同负载对U/f曲线曲线曲线曲线0102为低频段不同程度地减少定子电压的为低频段不同程度地减少定子电压的U/f曲线，称为曲线，称为“负补偿。负补偿。适用于风机、泵类负载。适用于风机、泵类负载。设定设定U/f曲线的原那么是：以最低任务频率时能带动负载为前提，尽量减曲线的原那么是：以最低任务频率时能带动负载为前提，尽量减少补偿程度，以免少补偿程度，以免“补偿过分，导致磁路饱和而跳闸。补偿过分，导致磁路饱和而跳闸。4、高功能型、高功能型U/f控制控制采用这种控制方式，采用这种控制方式，

43、可以使极低速度下的转可以使极低速度下的转矩过载才干到达或超越矩过载才干到达或超越150%，调速比到达，调速比到达1：30，静态机械特性硬度，静态机械特性硬度高，具有挖土机特性和高，具有挖土机特性和“无跳闸才干。无跳闸才干。图图(12) 高功能型高功能型U/f控制框图控制框图 (三三)转速闭环转速闭环,转差频率控制转差频率控制: 1.转差频率控制的根本概念转差频率控制的根本概念: 转速开环变频器系统可满足普通平滑调速的要求，但动、静转速开环变频器系统可满足普通平滑调速的要求，但动、静态性能有限。要提高动、静态性能，首先用转速反响的闭环控态性能有限。要提高动、静态性能，首先用转速反响的闭环控制。任

44、何一个机电传动系统有：制。任何一个机电传动系统有：dtdnJTTpL(22) 转矩的控制部分包括有功、无功电流检测器、磁通补偿器、转差补偿转矩的控制部分包括有功、无功电流检测器、磁通补偿器、转差补偿器器 和电流限制控制器。后三者的作用是根据电动机定子电流的有功分量和电流限制控制器。后三者的作用是根据电动机定子电流的有功分量It和和无功分量无功分量Iw去计算变频器的频率和电压参考值，即图中的去计算变频器的频率和电压参考值，即图中的 ，以保证转，以保证转子磁场的恒定，并在负载出现冲击的情况下，适当地补偿子磁场的恒定，并在负载出现冲击的情况下，适当地补偿 ，防止过流跳闸。，防止过流跳闸。11fU 和

45、2 由由(22)式可知：提高系统的动、静态性能，主要控制转速的式可知：提高系统的动、静态性能，主要控制转速的变化率变化率 ，显然控制转矩就能控制，显然控制转矩就能控制 。 直流控制与电流成正比，控制电流就能控制转矩。交流调速直流控制与电流成正比，控制电流就能控制转矩。交流调速中，需控制的是电压中，需控制的是电压(电流电流)和频率，如何经过控制电压和频率，如何经过控制电压(电流电流)和和频率来控制转矩？交流异步电机中，影响转矩的要素较多，转频率来控制转矩？交流异步电机中，影响转矩的要素较多，转矩表达式为矩表达式为:dtddtd1W1pm22mmKWn23C:cosICT式中 (23)由由(14)

46、式式: 2222122222)()()()(111LSRSELSREI2222222222)()()(121LSRRLSRSRCOS (24) 思索到电机构造参数思索到电机构造参数Cm与其他各量的关系，对比与其他各量的关系，对比(24)式与式与(16)式式: (16)222222111111111122222)(21:21244. 444. 4)(:111111LSRRSkWCTkWkWkwfELSRRSECTmwmmwmwmwmm于是又代入转矩表达式2222221)()()(3111LSRRSEnTpNoImage 当电机稳态运转时，当电机稳态运转时，S很小，因此很小，因此 也很小，普通为也

47、很小，普通为 的的2%5%，因此近似以为：，因此近似以为： 那么得到：那么得到：NoImage21NoImage222mmRKT (25) 上式阐明：在上式阐明：在S很小的范围内很小的范围内, 只需维持只需维持 不变不变, T就近似与就近似与 成正比成正比(负载转矩增大，那么负载转矩增大，那么 增大，输出转矩增大增大，输出转矩增大)。这与直。这与直流电机一样，到达间接控制转矩的目的，控制流电机一样，到达间接控制转矩的目的，控制 就代表控制转就代表控制转矩矩. 2.转差频率控制的规律转差频率控制的规律:上面只是找到转矩与转差频率近似正比的关系，可以阐明转上面只是找到转矩与转差频率近似正比的关系，

48、可以阐明转m22 (26) 2.转差频率控制的规律转差频率控制的规律:2222RL112222221:)(:222WmmmmKWCKLRRKT式中则差频率控制的根本概念，现推导详细的控制规律差频率控制的根本概念，现推导详细的控制规律: (1).控制规律控制规律1 -控制转差频率代表控制转矩控制转差频率代表控制转矩由图由图(13)：当：当 较小时，较小时，T与与TmaxTmmaxTmmax图图(13) 恒定控制时恒定控制时T=f( )曲线曲线2m 成正比：当成正比：当 = 时，时，T=Tmax ，取，取dT/dS=0那么那么因此，转差频率控制的系统因此，转差频率控制的系统中，只需给中，只需给 限

49、幅，使其限限幅，使其限幅值为幅值为: (27)22mmmaxL2KT22maxLR22maxmLR22222就可以坚持就可以坚持T与与 的关系，也就可以用转差频率控制来代表转的关系，也就可以用转差频率控制来代表转矩控制。矩控制。 2控制规律控制规律2-坚持坚持 恒定恒定 忽略铁心磁饱和，铁损时忽略铁心磁饱和，铁损时 与与I0成正比成正比mR1LLLUIIES111m220I12R图图(14) 异步电机等值电路图异步电机等值电路图m021III(28)m11021212LjEILjSREI2 代入代入(28)式式:取等式两端相量的幅值取等式两端相量的幅值 (29)2122202222022221

50、2121)()()()(1111111111LjRLLjRILjSRLLjSRILjSRLjLLjSRELjLjSREImmmmm22222222012121)(LRLLRIImI1I02022mILLL图图(15) 坚持坚持 恒定时恒定时 函数曲线函数曲线m)(fI21讨论：当讨论：当 不变不变(I0不变不变)，I1与与 函数关系如图函数关系如图(15)m2 (1)当当 =0时，时，I1=I0，在，在理想空载时定子电流等于励磁理想空载时定子电流等于励磁电流。电流。 (2)假设假设 增大，增大，(29)式中式中分子中含分子中含 项的系数大于分项的系数大于分母中含母中含 项的系数项的系数,因此因

51、此I1增增大大. (3)当当 时时022m2ILLL)inf(L (4) 为正、负值时，为正、负值时，I1对应不变，曲线轴对称。按对应不变，曲线轴对称。按(29)式的式的关系控制定子电流就能坚持关系控制定子电流就能坚持 恒定。恒定。 m2222222 优点与缺乏优点与缺乏: (1)频率控制环节输入转差信号，而频率信号是由转差信号与频率控制环节输入转差信号，而频率信号是由转差信号与实践转速信号相加后得到的，因此在转速变化过程中，实践频实践转速信号相加后得到的，因此在转速变化过程中，实践频率率 随实践转速随实践转速 同步地上升或下降，与转速开环系统频率的同步地上升或下降，与转速开环系统频率的给定信

52、号与电压成正比的情况相比，加、减速更平滑，且容易给定信号与电压成正比的情况相比，加、减速更平滑，且容易稳定稳定. (2)由于在动态过程中转速调理器饱和，系统能以对应于由于在动态过程中转速调理器饱和，系统能以对应于 的限幅转矩的限幅转矩Tm进展控制，保证了允许条件下快速性。因此，转进展控制，保证了允许条件下快速性。因此，转差频率闭环系统具备了直流电机双闭环控制系统的优点，是一差频率闭环系统具备了直流电机双闭环控制系统的优点，是一比较优越的控制战略，构造也不复杂，有广泛的运用价值，但比较优越的控制战略，构造也不复杂，有广泛的运用价值，但是：假设仔细调查其静、动态性能就会发现，根本型转差频率是：假设

53、仔细调查其静、动态性能就会发现，根本型转差频率控制系统还不能到达直流双闭环的程度，其缘由是控制系统还不能到达直流双闭环的程度，其缘由是: mr1 )(fI21 1分析转差频率控制规律时，是从电机稳态等效电路和转分析转差频率控制规律时，是从电机稳态等效电路和转矩公式出发的。矩公式出发的。 只在稳态时成立，动态过程中只在稳态时成立，动态过程中 的的变化未研讨，但一定不恒定，变化未研讨，但一定不恒定， 势必影响动态性能。势必影响动态性能。 2电流调理器只控制电流的幅值，并未控制电流的相位，电流调理器只控制电流的幅值，并未控制电流的相位，而在动态过程中电流的相位假设不及时赶上去，将延缓转矩而在动态过程

54、中电流的相位假设不及时赶上去，将延缓转矩的变化的变化. 3 是非线性的，无论采用何种方式产生，都是近是非线性的，无论采用何种方式产生，都是近似的，存在一定误差。似的，存在一定误差。 4在频率控制环节中在频率控制环节中 ，使实践频率，使实践频率 随实践转随实践转速速 上升或下降，这本是转差频率控制的优点，但是假设上升或下降，这本是转差频率控制的优点，但是假设测速信号不准确和有干扰，也会呵斥误差测速信号不准确和有干扰，也会呵斥误差.mCmrr211四电压空间矢量控制：四电压空间矢量控制：(磁链跟踪控制磁链跟踪控制UUUUAOBOCOABC图图16电压空间矢量电压空间矢量 按照电压所加绕组的空间位置

55、来定按照电压所加绕组的空间位置来定义，如图义，如图16A,B,C分别表示在空间分别表示在空间静止不动的电机定子三相绕组的轴线，静止不动的电机定子三相绕组的轴线，三相定子相电压三相定子相电压UAO,UBO,UCO分别加在分别加在三相绕组上，可定义三个电压空间矢量三相绕组上，可定义三个电压空间矢量uAO,uBO和和uCO,，它们的方向始，它们的方向始終終在各相在各相的轴线上，而大小随时间按正弦规律作的轴线上，而大小随时间按正弦规律作脉动方式，相位互差脉动方式，相位互差120度。度。11、八十年代初日本学者提出了根本磁通轨迹的电压空间矢量、八十年代初日本学者提出了根本磁通轨迹的电压空间矢量或称磁通轨

56、迹法。该方法以三相波形的整体生效果果为前提，或称磁通轨迹法。该方法以三相波形的整体生效果果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成二相调以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成二相调制波形。这种方法被称为电压空间矢量控制。典型机种如制波形。这种方法被称为电压空间矢量控制。典型机种如1989年前年前后进入中国市场的后进入中国市场的FUJI富士富士FRN5OOOG5/P5、SANKEN MF系列等。系列等。2、引人频率补偿控制，以消除速度控制的稳态误差。、引人频率补偿控制，以消除速度控制的稳态误差。3、基于电机的稳态模型，用直流电流信号重建相电流，如西门子基于电机的

57、稳态模型，用直流电流信号重建相电流，如西门子MicroMaster系列系列,由此估算出磁链幅值，并经过反响控制来消除低由此估算出磁链幅值，并经过反响控制来消除低速时定子电阻对性能的影响。速时定子电阻对性能的影响。4、将输出电压、电流进展闭环控制，、将输出电压、电流进展闭环控制，以提高动态负载下的电压控制精度和稳定度，同时也一定程度上求以提高动态负载下的电压控制精度和稳定度，同时也一定程度上求得电流波形的改善。这种控制方法的另一个益处是对再生引起的过得电流波形的改善。这种控制方法的另一个益处是对再生引起的过电压、过电流抑制较为明显，从而可以实现快速的加减速。然而，电压、过电流抑制较为明显，从而可

58、以实现快速的加减速。然而，在上述四种方法中，由于未引入转矩的调理，系统性能没有得到根在上述四种方法中，由于未引入转矩的调理，系统性能没有得到根本性的改善本性的改善. 可定义电流和磁链的空间矢量可定义电流和磁链的空间矢量I和和 。1111dtdIRu111,I ,u分别为三相电压，电流，磁链的合成空间矢量。分别为三相电压，电流，磁链的合成空间矢量。当转速不是很低时，定子电阻压降较小，可忽略不计，那么：当转速不是很低时，定子电阻压降较小，可忽略不计，那么：dtudtdu1111313233 式式32阐明，阐明，u1的大小等于的大小等于 的变化率，而方向那么与的变化率，而方向那么与 的运动方向一致。

59、的运动方向一致。11uuu11111图图17旋转磁场与电压旋转磁场与电压空间矢量运动轨迹的关系空间矢量运动轨迹的关系tjm11e)2t( jm1tjm1tjm1111eej)e(dtdu34 由由34式可知，当磁链幅值式可知，当磁链幅值 一一定时，定时，u1的大小与的大小与 成正比，方向为成正比，方向为磁链圆形轨迹的切线方向。如图磁链圆形轨迹的切线方向。如图17m1这样，电机旋转磁场的外形问题就可这样，电机旋转磁场的外形问题就可转化为电压空间矢量运动轨迹的外形转化为电压空间矢量运动轨迹的外形问题。问题。 ABCV1V2V3V4V5V6U/2U/2M 上桥臂器件导通用上桥臂器件导通用“1表示，下

60、桥表示，下桥臂器件导通用臂器件导通用“0表示。表示。图图18逆变器原理图逆变器原理图 8种任务形状种任务形状100，110，010，011，001，101与与111，000。uuuuuu1234560121图图17电机空间矢量电机空间矢量与磁链矢量的关系与磁链矢量的关系电压空间矢量依次为电压空间矢量依次为u1,u2u61tu 一个周期中只需一个周期中只需6次开关切换，只次开关切换，只产生正六边形旋转磁场，而不是圆形产生正六边形旋转磁场，而不是圆形旋转磁场。利用电压空间矢量的线性旋转磁场。利用电压空间矢量的线性组合，以获得更多的与组合，以获得更多的与u1.u8相位相位不同的电压空间矢量，最终构成