运动控制学理论第5章.

1、第5章 交流调速系统基础 第第5章章 交流调速系统基础交流调速系统基础 5.1 概述概述 5.2 交流异步电机基础交流异步电机基础 5.3 交流调速的基本方法交流调速的基本方法 5.4 逆变器的分类及指标逆变器的分类及指标习题与思考题习题与思考题 第5章 交流调速系统基础 5.1概述概述直流传动和交流传动在19世纪中期先后诞生， 其后的大部分时间， 交流传动主要应用于不变速传动系统。 不变速传动占整个电气传动的80%， 其余约20%的调速传动一般采用直流调速系统。 第5章 交流调速系统基础 之所以形成这样的格局， 是由于直流电机比交流电机更容易控制。 从第1章可以看出， 通过调节直流电机的主磁

2、通和电枢电流调节转速， 既可以通过调节电枢电压调节电枢电流， 又可以通过调节励磁电压调节主磁通， 两者相互独立， 互不影响， 可以分别控制， 容易得到满意的控制效果。 与此相反， 交流电机虽然结构较直流电机简单得多， 但调速控制复杂， 实现高精度调速控制较为困难。 第5章 交流调速系统基础 20世纪70年代的能源危机标志着廉价能源时代的结束， 迫使人们用更多的精力考虑节约能源的问题。 此时交流电机成了重要的研究对象。 这时由于交流电机主要应用于拖动风机、 水泵、 压缩机等风机泵类负载， 当需要调节流量时， 只能采用挡板、 闸阀、 回流、 放空等措施， 造成了大量的能源浪费， 而这类交流电机应用

3、所占比重又非常大。 与此同时， 计算机技术和电力电子技术取得了日新月异的发展， 现代控制理论和智能控制方法也日益成熟， 为研究交流调速系统提供了技术支持。 第5章 交流调速系统基础 矢量控制、 直接转矩控制及智能控制等先进控制方法的应用， 使交流电机调速控制逐步实现了可在调速范围、 稳态误差、 响应时间等方面与直流电机调速相媲美的调速结果。 目前交流调速系统已从当初只用于风机、 水泵、 压缩机等的软启动和开环控制， 扩展到各类高精度的调速应用领域， 而且交流调速的性价比已优于直流调速， 交流调速系统取代直流调速系统已成为不可逆转的趋势， 传动系统的新格局已经形成。 第5章 交流调速系统基础 5

4、.1.1交流调速系统的发展历史交流调速系统的发展历史1. 电力电子器件的发展电力电子器件的发展1956年美国贝尔（BELL）电话公司发明了PNPN可触发晶体管， 1957年美国通用电器公司（GE）对其进行了商业化开发， 并命名为晶体闸流管， 简称为晶闸管（Thyristor）或可控硅（Silicon Controlled Rectifier， SCR）。 经过60年代的完善和发展， 晶闸管已经形成了从低压小电流到高压大电流的系列产品。 第5章 交流调速系统基础 在这一期间， 其他科学家同时还研制了一系列晶闸管派生器件， 如不对称晶闸管（Asymmetrical Thyristor， AST）、

5、 逆导晶闸管（Reverse Conducting Thyristor， RCT）等。 80年代又研制开发了可关断晶闸管（Gate Turn Off Thyristor， GTOT）。 由于晶闸管类器件基本上是换流型器件， 其工作频率比较低， 因而由其组成的频率变换装置在电网侧谐波成分高， 功率因数低。 第5章 交流调速系统基础 20世纪70年代， 大功率晶体管（三极管）已进入工业应用阶段， 它被广泛应用于数百千瓦以下的功率电路中。 大功率晶体管的工作频率比晶闸管高， 达林顿功率晶体管的工作频率可达10 kHz, 非达林顿功率晶体管的工作频率可达20 kHz。 大功率晶体管的缺点在于存在二次击

6、穿、 不易并联以及开关频率仍然偏低等问题， 使其使用受到了限制。 第5章 交流调速系统基础 20世纪70年代后期， 功率场效应管（Power OSFET）开始进入实用阶段， 这标志着电力半导体器件进入高频化阶段。 在80年代又研制了电流垂直流动结构器件（VDMOS）， 它具有工作频率高（可达MHz）， 开关损耗小， 安全工作区宽， 几乎不存在二次击穿， 输入阻抗高， 易并联（漏源电阻为正温度特性）等特点， 是目前高频化的主要器件。 尽管VDMOS器件的开关频率高， 但导通电阻大这一缺点限制了它在高频大中功率领域的应用。 第5章 交流调速系统基础 20世纪80年代电力电子器件较为引人注目的成就之

7、一就是开发了双极型复合器件。 研制复合器件的主要目的就是实现器件在高电压、 大电流及开关频率之间的合理折中。 由于MOS器件为电压驱动型器件， 且开关频率高， 而双极型器件又具有电流容量大、 耐高压的特点， 故将上述两种器件复合从而产生出高频、 高压、 大电流器件。 目前最有发展前途的复合器件有绝缘栅双极型晶体管IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）和MOS栅控晶闸管（MCT）（MOS Controlled Thyristor）。 第5章 交流调速系统基础 IGBT于1982年在美国研制成功并于1985年投入市场， MCT于80年代后期投入市场， 这两种

8、器件均为场控器件， 其工作频率都超过20 kHz。 同期发展的另一种器件是静电感应晶体管SIT（Static Induction Transistor）和静电感应晶闸管SITH（Static Induction Thyristor）, 两者都是利用门极电场改变空间电荷区宽度来开关电流通道原理制成的器件。 80年代另一重要的发明是功率集成电路(HVIC)和智能化功率集成电路(Smart Power IC)的研制成功， 它们是在制造过程中， 将功率电子电路和信息电子电路一起集成在一个芯片上或是封装在一个模块内产生的。 前者较后者简单， 后者具有信号测试及处理、 系统保护及故障诊断等功能， 实际上是

9、一种微型化的功率变换装置。 第5章 交流调速系统基础 2. 模拟控制到数字控制的发展模拟控制到数字控制的发展交流电机控制经历了从模拟控制到数字控制的发展。 数字控制器与模拟控制器相比较， 具有可靠性高、 参数调整方便、 更改控制策略灵活、 控制精度高、 对环境因素不敏感等优点。 由于功率器件工作在开关方式， 所以特别适合于数字控制和数字驱动。 第5章 交流调速系统基础 用专用集成电路模块(Application Specific Integrated Circuit， ASIC)、 单片机、 高性能的数字信号处理器（Digital Signal Processor， DSP）来解决电机控制器不

10、断增加的计算量和速度需求是目前最为普遍的做法。 将一系列外围设备如模/数转换器（A/D）、 脉宽调制发生器（PWM）和数字信号处理器（DSP）集成在一起， 就获得一个功能强大又非常经济的电机控制专用的DSP芯片。第5章 交流调速系统基础 近年来， 各种集成化的单片DSP的性能得到很大的提高， 软件和开发工具越来越多、 越来越好， 价格却大幅度降低， 低端产品的价格已接近单片机的价格水平， 但却比单片机具有更高的性能价格比。 越来越多的单片机用户开始选用DSP器件来提高产品性能， DSP器件取代高档单片机的时机已成熟。 第5章 交流调速系统基础 3. 电机控制理论的发展电机控制理论的发展1964

11、年A.Schonung和H.Stemmler提出把通信系统调制技术应用到逆变技术中， 1975年Bristol大学的S.R.Bowes将其应用于逆变器之中， 使交流调速技术达到了一个新的高度。 此后， 不同的调制方法如三次谐波PWM调制、 随机PWM、 空间向量SVPWM、 电流环PWM等相继问世， 成为高速逆变器的主要控制方式。 第5章 交流调速系统基础 20世纪70年代， 德国学者提出了矢量控制原理， 针对交流电机强耦合的特点， 采用现代控制理论解耦， 进行矢量变换， 仿照直流调速原理， 使调速系统的静、 动态特性达到了直流调速水平。 80年代中期， 针对矢量调速的不足， 德国学者又提出了

12、直接转矩控制原理， 对交流电机的转矩直接进行控制， 它避免了矢量控制繁杂的坐标变换。 利用电压型逆变器的工作过程， 通过控制磁链的走走停停， 调整了定子磁链和转子磁链的夹角， 从而实现了对电机转矩的直接控制。 近年来， 智能控制， 如自适应控制、 模糊控制、 神经网络控制等也逐渐应用于交流调速中。 第5章 交流调速系统基础 从20世纪70年代的调压调速、 串极调速等， 到20世纪80年代的变频调速， 各种技术已经发展到成熟阶段。特别是矢量控制、 直接转矩控制、 智能控制的应用， 使交流调速系统可以与直流调速系统相媲美， 可靠性和价格也越来越被人们所接受， 交流传动取代直流传动的趋势已经形成。

13、交流调速的主要难点来自于交流电机的数学模型。 由于其强耦合特性， 也造成了转矩控制困难。 第5章 交流调速系统基础 5.1.2交流调速与直流调速的比较交流调速与直流调速的比较在实际应用中， 交流调速在以下系统应用方面优于直流调速： (1) 大功率应用； (2) 高速应用； (3) 易燃、 易爆、 多尘环境； (4) 高压（610 kV）环境。 第5章 交流调速系统基础 目前交流调速技术改造中的应用主要可分为三大类： (1） 节能， 改恒速为交流调速； (2） 减少维护， 改直流调速为交流调速； (3） 在直流调速实现困难的场合应用， 如用于大容量、 高速电动机车等。 第5章 交流调速系统基础

14、5.2交流异步电机基础交流异步电机基础5.2.1交流异步电机工作原理交流异步电机工作原理如图5-1所示， 在恒定磁场内， 安放一个能够自由转动的圆柱形铁芯转子， 在转子上镶有若干导条， 导条两端用导电环短接， 形成电气回路， 这种转子称为鼠笼转子。 用外力旋转磁铁可以看到， 和恒定磁场没有机械连接的鼠笼转子也一起转动。 第5章 交流调速系统基础 图5-1异步电动机作用原理第5章 交流调速系统基础 我们知道， 当导体和磁场之间有相对运动时，当导体和磁场之间有相对运动时， 在导在导体中就产生电动势。体中就产生电动势。 鼠笼转子导条两端用导电环短接，鼠笼转子导条两端用导电环短接， 形成了电气回路，形

15、成了电气回路， 导体中产生了电流，导体中产生了电流， 感应电势和感应感应电势和感应电流的方向按右手定则确定。电流的方向按右手定则确定。 流过电流的导条在磁场中流过电流的导条在磁场中将受到电磁力的作用，将受到电磁力的作用， 其受力方向按左手定则确定。其受力方向按左手定则确定。 因此， 在图5-1中， N极和S极下的导条都受到同一方向的电磁力作用， 产生电磁转矩， 使转子随外力旋转方向转动， 即转子的旋转方向与磁场的旋转方向相同。 第5章 交流调速系统基础 转子导体在旋转磁场中产生感应电流，转子导体在旋转磁场中产生感应电流， 而流过电而流过电流的转子导体在磁场中又受到电磁力的作用，流的转子导体在磁

16、场中又受到电磁力的作用， 从而使从而使转子转动起来，转子转动起来， 这就是异步电机的工作原理。这就是异步电机的工作原理。 当转子转速等于旋转磁场转速时， 由于导体和磁场之间没有相对运动， 转子导体中无电流流动， 导条在磁场中没有受到电磁力的作用， 所以转子不会受力而运动； 当转子转速小于旋转磁场转速时， 由于导体和磁场之间有相对运动， 转子导体中有电流流动， 导条在磁场中受到电磁力的作用， 所以转子受力而运动。 第5章 交流调速系统基础 显然， 转子的转速低于旋转磁场的转速， 这就是异步电动机“异步”名称的由来。 转速差n=n0n是表示异步电机工作状态的重要参数， 常用转差率s表示异步的程度：

17、式中, n0为旋转磁场转速， n为转子转速。 由异步电机工作原理可知， 转子转速的工作范围是0nn0， 即0s1。 由于转子不需要外接电源，由于转子不需要外接电源， 转子导条中的电势和电流转子导条中的电势和电流均是由旋转磁场感应产生的，均是由旋转磁场感应产生的， 因此又称异步电机为感应电因此又称异步电机为感应电机。机。 （5-1）00nnsn第5章 交流调速系统基础 5.2.2交流异步电机组成交流异步电机组成异步电机主要由两部分组成： 静止的定子组件和转动的转子组件。 三相异步电机的种类很多， 但各类三相异步电机的基本结构是相同的， 它们都由定子和转子这两大基本部分组成， 在定子和转子之间具有

18、一定的气隙， 此外， 还有端盖、 轴承、 接线盒、 吊环等其他附件， 如图5-2所示。 第5章 交流调速系统基础 图5-2封闭式三相鼠笼型异步电动机结构图第5章 交流调速系统基础 三相电动机外壳包括机座、 端盖、 轴承、 接线盒及吊环等部件。 机座的作用是保护和固定三相电机的定子绕组。 中、 小型三相电动机的机座还有两个端盖支承着转子， 它是三相电机机械结构的重要组成部分。 通常， 机座的外表要求散热性能好， 所以一般都铸有散热片。 端盖的作用是把转子固定在定子内腔中心， 使转子能够在定子中均匀地旋转。 轴承盖的作用是固定转子， 使转子不能轴向移动， 另外起存放润滑油和保护轴承的作用。 接线盒

19、的作用是保护和固定绕组的引出线端子。 吊环安装在机座的上端， 用来起吊、 搬抬三相电机。 第5章 交流调速系统基础 异步电机定子铁芯是电动机磁路的一部分， 由0.350.5 mm厚、 表面涂有绝缘漆的薄硅钢片叠压而成， 如图5-3所示。 由于硅钢片较薄而且片与片之间是绝缘的， 所以减少了由于交变磁通通过而引起的铁芯涡流损耗。 铁芯内圆有均匀分布的槽口， 用来嵌放定子绕组。第5章 交流调速系统基础 图5-3定子铁芯及冲片示意图（a） 定子铁芯； （b） 定子冲片第5章 交流调速系统基础 定子绕组是三相电机的电路部分。 三相电机有三相绕组， 三相绕组由三个彼此独立的绕组组成， 且每个绕组又由若干线

20、圈连接而成。 每个绕组即为一相， 每个绕组在空间相差120电角度。 线圈由绝缘铜导线或绝缘铝导线绕制。 中、 小型三相电机多采用圆漆包线； 大、 中型三相电动机的定子线圈则用较大截面的绝缘扁铜线或扁铝线绕制后， 再按一定规律嵌入定子铁芯槽内。 定子三相绕组的六个出线端都引至接线盒上， 首端分别标为U1、V1、 W1， 末端分别标为U2、 V2、 W2。 这六个出线端在接线盒里的排列如图5-4所示， 可以接成星形或三角形。 第5章 交流调速系统基础 图5-4定子绕组的连接(a） 星形连接； （b） 三角形连接第5章 交流调速系统基础 转子铁芯是用0.5 mm厚的硅钢片叠压而成的， 套在转轴上。

21、转子铁芯的作用和定子铁芯相同， 一方面作为电动机磁路的一部分， 一方面用来安放转子绕组。 异步电动机的转子绕组分为绕线型与笼型两种， 由此分为绕线转子异步电机与笼型异步电机。 绕线型绕组也是三相绕组(u, v, w)， 一般接成星形， 三相引出线分别接到转轴上三个与转轴绝缘的集电环上， 通过电刷装置与外电路相连， 这就有可能在转子电路中串接电阻或电动势以改善电机的运行性能， 见图5-5。 第5章 交流调速系统基础 图5-5绕线形转子与外加变阻器的连接第5章 交流调速系统基础 笼形绕组在转子铁芯的每一个槽中插入一根铜条， 在铜条两端各用一个铜环（称为端环）把导条连接起来， 称为铜排转子， 如图5

22、-6（a）所示。 也可用铸铝的方法， 把转子导条和端环风扇叶片用铝液一次浇铸而成， 称为铸铝转子， 如图5-6（b）所示。 100 kW以下的异步电机一般采用铸铝转子。 第5章 交流调速系统基础 图5-6笼形转子绕组（a） 铜排转子； （b） 铸铝转子第5章 交流调速系统基础 风扇则用来通风冷却电机。 三相异步电机的定子与转子之间的空气隙一般仅为0.21.5 mm。 气隙太大， 电机运行时的功率因数降低； 气隙太小， 使装配困难， 运行不可靠， 高次谐波磁场增强， 从而使附加损耗增加， 使启动性能变差。 第5章 交流调速系统基础 5.2.3旋转磁场旋转磁场三相异步电机转子之所以会旋转， 实现能

23、量转换， 是因为转子气隙内有一个旋转磁场。 下面来讨论旋转磁场的产生。 U1、 U2、 V1、 V2、 W1、 W2为三相定子绕组， 在空间彼此相隔120， 接成Y形。 三相绕组的首端U1、 V1、 W1接在三相对称电源上， 有三相对称电流通过三相绕组， 三相电流如图5-7所示。 第5章 交流调速系统基础 图5-7三相电流波形第5章 交流调速系统基础 设为了分析方便， 假设电流为正值时， 从绕组的始端流向末端； 电流为负值时， 从绕组的末端流向首端。 根据右手定则， 可画出三相绕组的合成磁势， 参见图5-8。 （5-2）UmVmWmsin2sin32sin3iItiItiIt第5章 交流调速系

24、统基础 图5-8旋转磁场的产生(a) t=0; (b) t=/2; (c) t=; (d)32t第5章 交流调速系统基础 当t=0时， 若每相绕组的匝数为W， 则各相绕组的磁势大小为UVmWm330,22iiIiI UUVVmWWm03232Fi WFi WI WFi WI W第5章 交流调速系统基础 各相绕组磁势的方向根据右手螺旋定则确定， 由图5-8中所示的几何关系可知， t=0 时合成磁势的方向是向下的， 合成磁势的大小为合成磁势的方向如图5-8（a）所示。 （5-3）ooVWmmmm3333cos30cos30222233 22FFI WI WI WF第5章 交流调速系统基础 当t=/

25、2时,各相绕组的磁势大小为UmVmWm11,22iIiIiI UUmVVmWWm1212Fi WI WFi WI WFi WI W第5章 交流调速系统基础 合成磁势的方向指向左方， 示于图5-8（b）中， 其合成磁势的大小为此时较前一个瞬时顺逆时针转过了/2角度， 但合成磁势不变。 （5-4）000UVWm3cos0cos60cos602FFFFF第5章 交流调速系统基础 当t=时， , 各相绕组的磁势大小为合成磁势的方向垂直向上， 示于图5-8（c）中。 合成磁势的大小为UVmWm330,22iiIiI UVmWm330,22FFI WFI WooVWm30cos30cos302FFFF（5

26、-5）第5章 交流调速系统基础 此时又较前一个瞬时沿顺时针转过/2角度， 合成磁势仍不变。 当t=3/2时， 可以用同样的方法得到合成磁势的大小仍为， 方向较前一个瞬时沿顺时针又转过/2角度。 当t=2时， 合成磁势与t=0时相同。 m32F第5章 交流调速系统基础 用数学表达式可以写出在任意时刻的合成磁势式中为定子绕组U与转子绕组u的夹角。 （5-6）UVWmmm( , )( , )( , )( , )22sin()cossin cos3322 +sin cos3333sin()sin()22FtFtFtFtWItttWItFt第5章 交流调速系统基础 根据上述分析可得如下结论：(1) 对称

27、三相电流分别通入对称三相绕组， 所形成的合成磁势大小不变， 都是一相磁势的1.5倍， 其矢端的轨迹是一个随时间变化的圆， 称之为圆旋转磁场。 第5章 交流调速系统基础 (2) 由图5-8可以看出， 当对称的三相电流按iUiViW的顺序加在对应的三相绕组上时， 旋转磁场的转向为顺时针方向， 即旋转磁场的转向总是由通入超前电流的相绕组顺次转向通入滞后电流的相绕组。 因此， 如果三相绕组（U, W， V）通入电流的相序为iUiWiV, 则旋转磁场的转向就变为UWV的逆时针方向了。 因此， 要想改变电机的转子旋转方向， 只要改变三相对称电流的相序就可以了。 第5章 交流调速系统基础 以上分析的是电机产

28、生一对磁极时的情况。 当定子绕组连接形成的是两对磁极时， 运用相同的方法可以分析出此时电流变化一个周期， 磁场只转动了半圈， 即转速减慢了一半。 依此类推， 当旋转磁场具有np对磁极时（即磁极数为2np）， 交流电每变化一个周期， 其旋转磁场就在空间转动1/np转。 因此， 三相电动机定子旋转磁场每分钟的转速n1、 定子电流频率f1及磁极对数np之间的关系是（5-7）11p60fnn第5章 交流调速系统基础 5.2.4旋转磁场对定子绕组的作用旋转磁场对定子绕组的作用异步电机定子绕组是静止不动的， 定子绕组产生的磁势以n1=60f/np的速度相对定子绕组旋转， 其中穿过气隙与转子绕组交链的叫主磁

29、通， 只与定子绕组交链的叫定子漏磁通ls。 定子绕组的磁通如图5-9所示。 第5章 交流调速系统基础 图5-9主磁通和定子漏磁通1s第5章 交流调速系统基础 由于旋转磁场和定子绕组之间有相对运动， 旋转磁场在定子的每相绕组中产生反电势。 由于， 即旋转磁场沿空间正弦分布， 因而穿过定子绕组的磁通也随时间按正弦规律变化， 即=msint。 根据电磁感应定律， 这个交变的磁通在定子每相绕组中所产生的感应电动势为m3( )sin2F tFt第5章 交流调速系统基础 定子每相绕组中所产生的感应电动势有效值为g11m1m1mdddd cos sin()2 sin()2eWttWtWtEt （5-8）1m

30、1m11mg11m24.44222EWfWEfW 第5章 交流调速系统基础 由于在异步电机中， 定子绕组的线圈是沿定子圆周均匀分布的， 因此任意瞬间与不同线圈交链的磁通并不相等， 这样在每相绕组中所产生的感应电动势（等于各个线圈中感应电势之和）小于集中绕组的感应电势， 因此要乘以小于1的系数Kw1， 即Eg=4.44Kw1f1W1m式中: Kw1为定子绕组电势基波的绕组系数， 取决于定子绕组的结构, Kw11； f1为定子绕组感应电势的频率， 等于电源频率； W1为定子每相绕组串联的线圈匝数； m为主磁通的最大值。 第5章 交流调速系统基础 设Rm为一相定子绕组铁损的等效电阻， Lm为一相定子

31、绕组对主磁通的感抗， 则定子绕组感应电势Eg可以复变量表示为Eg(s)=Is(s)(Rm+sLm) （5-9）式中: s为复变量, 令s=j; Is为定子电流。 第5章 交流调速系统基础 现在再来看看定子漏磁通ls的作用。 定子漏磁通和主磁通一样也是交变的， 其交变频率就是电源频率f1， 由于ls只交链定子绕组， 因此它只在定子绕组中产生感应电势Elsg， 把定子漏磁通ls等效为定子漏电抗Xls， 其值为Xls=Lls=2f1Lls （5-10）式中, Lls为定子一相绕组的漏电感。 第5章 交流调速系统基础 图5-10一相定子绕组的等效电路第5章 交流调速系统基础 设定子绕组的导线电阻为Rs

32、， 则定子绕组的电压降为定子电流与定子电阻乘积uls=IsRs， 根据上述分析可得异步电动机定子一相绕组的等效电路， 如图5-10所示。 可以写出电压平衡方程Us(s)=Is(s)(Rs+sLls+Rm+sLm) （5-11）第5章 交流调速系统基础 由于定子一相绕组的导线电阻Rs和漏电抗Lls都是较小的值， 这两部分的电压和定子绕组感应电势Eg相比可以略去不计， 所以异步电动机定子一相绕组的电压平衡方程可写为Us(s)=Is(s)(Rm+sLm)=Eg(s)在数值上UsEg=4.44Kw1f1W1m （5-12）即在U1恒定的情况下， 感应电势E1和产生感应电势的磁通m是基本不变的， 即磁通

33、m的大小取决于外加电压。 第5章 交流调速系统基础 5.2.5旋转磁场对转子绕组的作用旋转磁场对转子绕组的作用异步电机正常运行时， 转子绕组和旋转磁场之间的相对转速是n=n0n （5-13）式中, n0为旋转磁场的转速， 也称为同步转速； n为转子转速， 也称为电机转速， 它小于n0， 并且和n0转向相同。 旋转磁场切割转子绕组的速度为n=n0n=60f2/np， 转子绕组感应电势的频率为第5章 交流调速系统基础 （5-14） 式中, s为转差率， 异步电机正常运行时， 转子的速度与旋转磁场的速度十分接近， 即转差率s很小。 转子绕组所产生的感应电势有效值为Er=4.44f2W2Kw2m=4.

34、44sf1W2Kw2m （5-15）式中, W2为转子一相绕组匝数; Kw2为转子绕组电势的绕组系数， Kw21。 p2p0p00p00210()(1/)60606060n nn nnn nn nn nnnffsn第5章 交流调速系统基础 图5-11一相转子绕组的等效电路第5章 交流调速系统基础 从式(5-15)中可以看出， 当电源频率和电压不变时， 转子的相电势随转差率s而变化。 设Rr为一相转子绕组的等效电阻， Llr为一相转子绕组的漏感抗， 则转子绕组感应电势Er可以复变量表示为Er(s)=Is(s)(Rr+sLlr) （5-16）式中, s为复变量, s=j。 异步电动机一相转子绕组的

35、等效电路如图5-11所示。 第5章 交流调速系统基础 5.2.6转子和定子电路之间的关系转子和定子电路之间的关系在定子绕组中通入对称的三相交流电， 就在空间产生了定子旋转磁场。 定子旋转磁场的转向由定子电流的相序决定， 转子电流的相序由定子旋转磁场的转向决定， 即转子电流与定子电流的相序一致。 第5章 交流调速系统基础 定子旋转磁场对定子的转速由f1决定: n0=60f1/np。 转子旋转磁场对转子的转速取决于f2， n=60f2/np=60f1 s/np=sn0， 转子以转速n在空间旋转， 所以转子旋转磁场对定子的转速n+n=n0 （5-17）即转子旋转磁场对定子的转速也是同步转速。 第5章

36、 交流调速系统基础 转子电流频率f2的大小仅影响转子旋转磁场相对转子的转速， 而转子旋转磁场相对定子的转速永远是同步转速n0， 与f2的大小无关。 也就是说， 在电机中，在电机中， 定子绕组产生一个旋转磁场，定子绕组产生一个旋转磁场， 转子绕组也产生一个旋转磁场，转子绕组也产生一个旋转磁场， 这两个旋转磁场都相对这两个旋转磁场都相对定子以同步转速旋转，定子以同步转速旋转， 因此，因此， 异步电机定子和转子气隙异步电机定子和转子气隙中的旋转磁场是这两个旋转磁场的叠加。中的旋转磁场是这两个旋转磁场的叠加。 第5章 交流调速系统基础 把电机作为次级绕组短路的变压器， 把变压器次级绕组折合到原边， 首

37、先必须把转子绕组感应电势Er的频率f2折合为频率f1:（5-18）rrrrr2lrr1lrr1lr( )( )( )/( )jj(/j)E sE sE ssI sRLRsLRsL第5章 交流调速系统基础 由式（5-8）和式（5-15）可得有效值之比（假定定子绕组电势基波的绕组系数和转子绕组电势基波的绕组系数相等）:式中, N为变压器副边与原边匝数之比。 电机的等效电路如图5-12所示。 图中Is为定子电流， I0为铁损电流， 为折算后的转子电流。 w2r22g1w11KEWWsssNEW KWrI第5章 交流调速系统基础 图5-12异步电机一相绕组等效电路第5章 交流调速系统基础 考虑到铁损R

38、m较小， 可忽略不计。 令， 可得图5-13异步电机一相绕组等效电路的等值电路。rrlr1lr/, j/RsRsN LLN第5章 交流调速系统基础 Eg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)图5-13异步电机一相绕组等效电路的等值电路第5章 交流调速系统基础 5.2.7异步电机的功率及转矩表达式异步电机的功率及转矩表达式异步电机的输入功率为P1=m1U1I1cos1 （5-19）式中, m1为相数； U1为相电压的有效值； I1为相电流的有效值； 1为相电压和相电流的相位角。 第5章

39、 交流调速系统基础 定子铜耗（定子绕组的铜损）为定子铁芯中由于磁滞和涡流而产生的发热损耗统称为铁损， 其大小为转子的电磁功率式中, 为折算后的转子电流有效值； 2为Eg与之间的相位角。 （5-20）（5-21）（5-22）2Cu11 1sPm I R2Fe11 0mPm I rem1rgPm E IrIrI第5章 交流调速系统基础 转子的电磁功率还可以用下式表达（设N=1）:电磁转矩（5-23）（5-24）22em1 2RPm Is1r2ememMmr211pcoscos(N m)2 /gm E IPTCIfn第5章 交流调速系统基础 式中: 为转子绕组的功率因数。 由式（5-24）可知， 电

40、磁转矩的大小与主磁通m及转子电流的有功分量成正比。 这个表达式使用非常不便， 这是由于计算时不仅需要知道主磁通m， 而且要知道转子电流的有功分量。 由式（5-23）的电磁功率表达式得811w1mM4.4410 ;2mpW KCr222r1lr/cos,()RsRLsr2 cosIr2 cosI第5章 交流调速系统基础 由图5-12可以得到转子电流（5-25）（5-26）2r1 2emem11p2 /Rm IPsTfnsr222rs1lslrUIRRLLs 第5章 交流调速系统基础 代入式(5-25)， 得电磁转矩的表达式式中, m1为交流电源相数。 从式（5-27）可以看出， 当电源一定时，

41、即外加电压us和电源频率不变时， 电机电磁转矩是转差率s的函数。 2rp1sem222r1s1lslrsRn mUTRRLLs（5-27）第5章 交流调速系统基础 （5-28）5.3交流调速的基本方法交流调速的基本方法由式（5-1）和式（5-7）可得三相异步电动机转速公式为式中： f1为定子供电频率； s为转差率； n0为同步转速， n0=60f1/np。 从式（5-28）可知， 异步电机的调速方法有： 改变供电频率f1, 改变电动机的极对数p及改变转差率S。 从调速的本质来看， 不同的调速方式无非是改变交流电动机的同步转速或不改变同步转速两种。 10p60(1)(1)fnsnsn第5章 交流

42、调速系统基础 在生产机械中广泛使用的不改变同步转速的调速方法有： 绕线式电机的转子串电阻调速， 斩波调速， 串级调速， 以及应用电磁转差离合器、 液力耦合器、 油膜离合器等调速。 改变同步转速的调速方法有： 应用改变定子极对数的多速电机， 改变定子电压、 频率的变频调速等。 第5章 交流调速系统基础 从调速时的能耗观点来看， 有高效调速方法与低效调速方法两种。 高效调速时转差率不变， 因此无转差损耗， 多速电机调速、 变频调速以及能将转差损耗回收的调速方法等均属高效调速。 有转差损耗的调速方法属低效调速， 如转子串电阻调速方法， 能量就损耗在转子回路中； 电磁离合器的调速方法， 能量损耗在离合

43、器线圈中； 液力耦合器调速， 能量损耗在液力耦合器的油中。 一般来说， 转差损耗随调速范围扩大而增加， 如果调速范围不大， 则能量损耗是很小的。 第5章 交流调速系统基础 5.3.1变极对数调速方法变极对数调速方法 变极对数调速方法用改变定子绕组的接线方式来改变笼形电动机定子极对数， 以达到调速目的。 这种调速方法的特点如下： (1) 具有较硬的机械特性， 稳定性良好。(2) 无转差损耗， 效率高。(3) 接线简单， 控制方便， 价格低。(4) 有级调速， 级差较大， 不能获得平滑调速。(5) 可以与调压调速、 电磁转差离合器配合使用， 获得较高效率的平滑调速特性。 此方法适用于不需要无级调速

44、的生产机械， 如金属切削机床、 升降机、 起重设备、 风机、 水泵等。 第5章 交流调速系统基础 5.3.2变频调速方法变频调速方法 变频调速是改变电动机定子电源的频率， 从而改变其同步转速的调速方法。 变频调速系统的主要设备是提供变频电源的变频器。 变频器可分成交流直流交流变频器和交流交流变频器两大类， 目前国内大都使用交流直流交流变频器， 其控制方法可分为标量控制、 矢量控制和直接转矩控制。 变频调速的特点如下： 第5章 交流调速系统基础 (1) 效率高， 调速过程中没有附加损耗。(2) 应用范围广， 可用于笼形异步电动机。 (3) 调速范围大， 机械特性硬， 精度高。 (4) 技术复杂，

45、 造价高， 维护检修困难。 变频调速方法适用于要求精度高、 调速性能较好的场合。 变频调速是目前应用较为广泛的调速方法， 详见后面相关章节的介绍。 第5章 交流调速系统基础 5.3.3变转差率调速的主要方法变转差率调速的主要方法 变转差率调速的主要方法有串级调速、 绕线式电动机转子串电阻调速和定子调压调速。1. 串级调速串级调速串级调速是指在绕线式电动机转子回路中串入可调节的附加电势来改变电动机的转差， 达到调速的目的。 大部分转差功率被串入的附加电势所吸收， 也可以把吸收的转差功率返回电网或转换成能量加以利用。 根据转差功率吸收利用方式， 串级调速可分为电机串级调速、 机械串级调速及晶闸管串

46、级调速。 串级调速方法适合于风机、 水泵及轧钢机、 矿井提升机、 挤压机等机械。 串级调速在第9章将详细讲述。 第5章 交流调速系统基础 2. 绕线式电动机转子串电阻调速绕线式电动机转子串电阻调速绕线式异步电动机转子串入附加电阻， 使电动机的转差率加大， 电动机在较低的转速下运行。 串入的电阻越大， 电动机的转速越低。 此方法设备简单， 控制方便， 但转差功率以发热的形式消耗在电阻上， 属有级调速， 机械特性较软。 第5章 交流调速系统基础 3. 定子调压调速定子调压调速当改变电动机的定子电压时， 可以得到一组不同的机械特性曲线， 从而获得不同转速。 由于电动机的转矩与电压平方成正比， 因此低

47、速时最大转矩下降很多。 定子调压调速的调速范围较小， 使一般笼形电动机难以应用。 为了扩大调速范围， 调压调速应采用转子电阻值较大的笼形电动机， 如专供调压调速用的力矩电动机， 或者在绕线式电动机上串联频敏电阻。 为了扩大稳定运行范围， 调速范围在2 1以上的场合应采用反馈控制以达到自动调节转速的目的。 第5章 交流调速系统基础 调压调速的主要装置是一个能提供电压变化的电源， 目前常用的调压装置有串联饱和电抗器、 自耦变压器以及晶闸管调压等。 晶闸管调压方式最佳。 调压调速的特点是： (1) 调压调速线路简单， 易实现自动控制。(2) 调压过程中转差功率以发热形式消耗在转子电阻中， 效率较低。

48、 (3) 调压调速一般适用于100 kW以下的生产机械。 变压调速是异步电动机调速方法中比较简便的一种。 由式（5-27）可知， 电磁转矩Tem与定子电压Us的平方成正比， 因此， 改变定子外加电压就可以改变机械特性的函数关系， 从而改变电动机在一定负载转矩下的转速。 第5章 交流调速系统基础 目前， 交流调压器一般有两种方法。 其一是用三对晶闸管反并联或三个双向晶闸管分别串接在三相电路中， 主电路接法有多种方案， 用相位控制改变输出电压； 其二是周期控制， 即在电压零点时控制电源导通和关断， 用不同的电源周期调节平均电压。 两种调压方法的波形示于图5-14。 控制晶闸管相位角调整电压的方法应

49、用较为广泛。 第5章 交流调速系统基础 图5-14晶闸管交流调压器变压调速(TVC)及其控制方式第5章 交流调速系统基础 图5-15为采用晶闸管反并联的异步电机调压控制。 其中， 晶闸管16控制电动机正转运行； 反转时， 可由晶闸管1、 4和710提供逆相序电源， 同时也可用于反接制动。 当需要能耗制动时， 可以根据制动电路的要求选择某几个晶闸管不对称地工作， 例如让1、 2、 6三个器件导通， 其余均关断， 就可使定子绕组中流过半波直流电流， 对旋转的电机转子产生制动作用。 必要时， 还可以在制动电路中串入电阻以限制制动电流。 第5章 交流调速系统基础 图5-15调压控制电路第5章 交流调速

50、系统基础 再次写出电磁转矩表达式（5-27）， 令m1=3, 则这就是异步电动机的机械特性方程式。 它表明， 当转速或转差率一定时， 电磁转矩与定子电压的平方成正比。 这样， 不同电压下的机械特性如图5-16所示， 图中， UsN表示额定定子电压。 （5-29）2rspem2212rs1lslr3RUnsTRRLLs第5章 交流调速系统基础 图5-16不同电压下的机械特性第5章 交流调速系统基础 将式（5-29）对s求导， 并令dTem/ds=0， 可求出对应于最大转矩时的静差率和最大转矩（5-30）（5-31）rm222s1lslr()RsRLL2pse max2221ss1lslr32()

51、n UTRRLL第5章 交流调速系统基础 根据电机稳定运行条件可知, 在图5-16中， 带恒转矩负载TL工作时， 普通笼形异步电动机变电压时的稳定工作点为A、 B、 C， 转差率s的变化范围不超过0Sm， 调速范围有限。 如果带风机类负载运行， 则稳定工作点为D、 E、 F， 调速范围可以稍大一些。 采用普通异步电动机的变电压调速时， 调速范围很窄。 除了调压调速外， 异步电动机的变压控制在软启动器和轻载降压节能运行中也得到了广泛的应用。 emLTTnn第5章 交流调速系统基础 常用的三相异步电动机结构简单， 价格便宜， 而且性能良好， 运行可靠。 对于小容量电动机， 只要供电网络和变压器的容

52、量足够大（一般要求比电机容量大4倍以上）， 而供电线路并不太长（启动电流造成的瞬时电压降低于10%15%）， 可以直接通电启动， 操作也很简便。 对于容量大一些的电动机， 问题就不这么简单了。 在式（5-26）和式（5-29）中已导出异步电动机的电流和转矩方程式， 启动时， s=1， 因此启动电流和启动转矩分别为第5章 交流调速系统基础 (5-32) (5-33) s2222rs1lslrsUIRRLL 2r1spem2212rs1lslrRmUnsTRRLLs第5章 交流调速系统基础 由以上两式不难看出， 在一般情况下， 三相异步电动机的启动电流比较大， 而启动转矩并不大。 中、 大容量电动

53、机的启动电流大， 会使电网压降过大， 影响其他用电设备的正常运行， 甚至使该电动机本身根本启动不起来。 这时， 必须采取措施来降低其启动电流， 常用的办法是降压启动。 由式（5-32）可知， 当电压降低时， 启动电流将随电压成正比地降低， 从而可以避开启动电流的冲击。 第5章 交流调速系统基础 但是， 式（5-33）又表明， 启动转矩与电压的平方成正比， 启动转矩的减小将比启动电流的降低更快， 降压启动时又会出现启动转矩不够的问题。 为了避免出现此问题， 降压启动只适用于中、 大容量电动机空载（或轻载）启动的场合。传统的降压启动方法有： 星-三角（Y-）启动、 定子串电阻或电抗启动、 自耦变压

54、器（又称启动补偿器）降压启动等。 它们都是一级降压启动， 启动过程中电流有两次冲击， 其幅值都比直接启动电流低， 而启动过程时间略长， 如图5-17所示， 纵坐标I1/I1N 为最大电流和额定电流之比。 第5章 交流调速系统基础 图5-17异步电动机的启动过程与电流冲击第5章 交流调速系统基础 带电流闭环的电子控制软启动器可以限制启动电流并保持恒值， 直到转速升高后电流自动衰减下来, 启动时间也比一级降压启动时间短。 主电路采用晶闸管交流调压器， 连续改变其输出电压来保证恒流启动， 稳定运行时可用接触器使晶闸管旁路， 以免晶闸管长期工作。 根据启动时所带负载的大小， 可以调整启动电流以获得最佳

55、的启动效果， 但无论如何调整， 都不宜于满载启动。 负载略重或静摩擦转矩较大时， 可在启动时突加短时的脉冲电流， 以缩短启动时间。 软启动的功能同样也可以用于制动， 以实现软停车。 第5章 交流调速系统基础 5.4逆变器的分类及指标逆变器的分类及指标5.4.1直接变换直接变换所谓直接变换， 就是交流输入通过开关器件与输出连接， 通过开关器件的通断控制， 得到同频率或不同频率的输出交流波形。 不改变输出频率的直接变换器称为交流控制器； 改变输出频率的直接变换器称为周波变换器（Cycloconverter）， 又称为交/交变换（或AC-AC 变换）。第5章 交流调速系统基础 周波变换器的输出频率远

56、低于输入频率， 一般取输入交流频率的1/n， n一般取整数。 周波变换器一般采用晶闸管反并联的结构， 或采用双向晶闸管， 通过自然换相关断晶闸管。 直接变换通常应用于大功率（大于100 kW）工业设备。 常用的交/交变压变频器输出的每一相都是一个正、 反两组晶闸管可控整流装置反并联的可逆线路。 也就是说， 每一相都相当于一套直流可逆调速系统的反并联可逆线路， 如图5-18(a)所示。 第5章 交流调速系统基础 图5-18交/交变压变频器每一相的可逆线路及正反组工作顺序第5章 交流调速系统基础 正、 反两组晶闸管按一定周期相互切换， 在负载上就获得交变的输出电压u0。 u0的幅值取决于各组可控整

57、流装置的控制角， u0的频率取决于正、 反两组整流装置的切换频率。 如果控制角一直不变， 则输出平均电压是方波， 如图5-18(b)所示。 要获得正弦波输出， 就必须在每一组整流装置导通期间不断改变其控制角。 例如， 在正向组导通的半个周期中， 使控制角由/2（对应于平均电压u0=0）逐渐减小到0（对应于u0最大）， 然后再逐渐增加到/2（u0再变为0）， 如图5-19所示。 当角按正弦规律变化时， 半周中的平均输出电压即为图中虚线所示的正弦波。 对反向组负半周的控制类同。 图5-20是单相交/交变频电路输出电压和电流的波形图。第5章 交流调速系统基础 图5-19单相正弦波输出电压波形第5章

58、交流调速系统基础 图5-20单相交/交变频电路输出电压和电流波形第5章 交流调速系统基础 交/交变频电路主要应用于大功率交流电机调速系统， 使用的是三相交/交变频电路, 由三组输出电压相位各差120的单相交/交变频电路组成， 因此前面的许多分析和结论对三相交/交变频电路也适用。 三相交/交变频电路可以由三个单相交/交变频电路组成， 如果每组可控整流装置都用桥式电路， 含6个晶闸管（当每一桥臂都是单管时）， 则三相可逆线路共需36个晶闸管， 即使采用零式电路也需18个晶闸管。 因此， 这样的交/交变压变频器虽然在结构上只有一个变换环节， 省去了中间直流环节， 看似简单， 但所用的器件数量却很多，

59、 总体设备相当庞大。 不过这些设备都是直流调速系统中常用的可逆整流装置， 其技术和制造工艺都很成熟。 第5章 交流调速系统基础 这类交/交变频器的缺点是输入功率因数较低， 谐波电流含量大， 频谱复杂， 因此须配置谐波滤波和无功补偿设备。 交/交变频器的最高输出频率不超过电网频率的1/31/2， 一般主要用于轧机主传动、 球磨机、 水泥回转窑等大容量、 低转速的调速系统， 供电给低速电机直接传动时可以省去庞大的齿轮减速箱。 近年来又出现了一种采用全控型开关器件的矩阵式交/交变压变频器， 其控制方式类似于PWM控制方式， 输出电压和输入电流的低次谐波都较小， 输入功率因数可调， 能量可双向流动， 以获得四象限运行。