电力传动控制系统-上海开放大学

1、第三篇第四章第三篇第四章电力传动控制系统电力传动控制系统上海开放大学上海开放大学1第三篇第三篇 电力传动自动控制系电力传动自动控制系统统第四章第四章 基于稳态模型的交流基于稳态模型的交流电动机调速系统电动机调速系统1. 交流电动机调速方法交流电动机调速方法2. 基于稳态模型异步电动机调速基于稳态模型异步电动机调速3. 基频以下电压补偿控制基频以下电压补偿控制4. 转速开环变压变频调速系统转速开环变压变频调速系统25. SVPWM控制原理及方法控制原理及方法6. 绕线异步电动机双馈调速绕线异步电动机双馈调速7. 同步电动机调速系统同步电动机调速系统3第三篇第四章第三篇第四章4 在实际应用中往往也

2、要求拖动生产机械的在实际应用中往往也要求拖动生产机械的交流电动机的转速能够调节，但是要实现交流电动机的转速能够调节，但是要实现交流调速要比直流调速复杂和困难得多。交流调速要比直流调速复杂和困难得多。 按照异步电动机的基本原理，从定子传入按照异步电动机的基本原理，从定子传入转子的电磁功率可分成两部分：一部分转子的电磁功率可分成两部分：一部分 为为拖动负载的有效功率；另一部分是与转差拖动负载的有效功率；另一部分是与转差率成正比的转差功率率成正比的转差功率 。1.异步电动机的调速异步电动机的调速第三篇第四章第三篇第四章5 从能量转换的角度看，转差功率是否增大，从能量转换的角度看，转差功率是否增大，是

3、消耗掉还是回收，是消耗掉还是回收， 是评价调速系统效是评价调速系统效率的一个指标。率的一个指标。 转差功率消耗型转差功率消耗型 ：以增加转差功率的消耗来换：以增加转差功率的消耗来换取转速的降低（恒转矩负载时），转差功率都取转速的降低（恒转矩负载时），转差功率都转换成热能消耗掉。越向下调效率越低。这类转换成热能消耗掉。越向下调效率越低。这类调速方法的效率最低。调速方法的效率最低。异步电动机的调速异步电动机的调速第三篇第四章第三篇第四章6 转差功率馈送型：转差功率馈送型： 转差功率的一部分消耗掉，转差功率的一部分消耗掉，大部分则通过变流装置回馈电网或转化成机械大部分则通过变流装置回馈电网或转化成机

4、械能予以利用，转速越低时回收的功率越多，效能予以利用，转速越低时回收的功率越多，效率比前者高。率比前者高。 转差功率不变型转差功率不变型 ： 转差功率中转子铜损部分的转差功率中转子铜损部分的消耗是不可避免的，但由于这类调速方法无论消耗是不可避免的，但由于这类调速方法无论转速高低，转速高低， 转差率保持不变，所以转差功率的转差率保持不变，所以转差功率的消耗也基本不变，因此效率最高。消耗也基本不变，因此效率最高。异步电动机的调速异步电动机的调速第三篇第四章第三篇第四章7 风机、水泵对调速范围和动态性能的要风机、水泵对调速范围和动态性能的要求都不高，只要有一般的调速性能就足求都不高，只要有一般的调速

5、性能就足够了。需要调速，但对调速性能要求不够了。需要调速，但对调速性能要求不高的生产机械，也属于一般性能调速。高的生产机械，也属于一般性能调速。 基于稳态模型的变压变频调速。基于稳态模型的变压变频调速。一般性能调速和节能调速一般性能调速和节能调速第三篇第四章第三篇第四章8 高性能交流调速系统高性能交流调速系统基于动态模型的矢量控制技术、直接转矩控基于动态模型的矢量控制技术、直接转矩控制制 特大容量、极高转速的交流调速特大容量、极高转速的交流调速厚板轧机、矿井卷扬机等，以及极高转速的厚板轧机、矿井卷扬机等，以及极高转速的拖动，如高速磨头、离心机等，都以采用交流拖动，如高速磨头、离心机等，都以采用

6、交流调速为宜。调速为宜。高性能的交流调速系统高性能的交流调速系统第三篇第四章第三篇第四章9 基于交流电动机的稳态模型，其动态性基于交流电动机的稳态模型，其动态性能不高，是在交流调速发展初期出现的。能不高，是在交流调速发展初期出现的。 基于交流电动机的动态模型，能实现高基于交流电动机的动态模型，能实现高动态性能，是随着客观需要和研究成果动态性能，是随着客观需要和研究成果陆续开发出来的。陆续开发出来的。两类交流调速两类交流调速第三篇第四章第三篇第四章10 转差功率消耗型异步电动机调速转差功率消耗型异步电动机调速 特点是以增加转差功率的消耗来换取转速特点是以增加转差功率的消耗来换取转速的降低，在调速

7、过程中产生大量的转差功的降低，在调速过程中产生大量的转差功率，并消耗在转子电路中。率，并消耗在转子电路中。 主要有改变定子电压调速法、转子电路串主要有改变定子电压调速法、转子电路串接电阻调速法等。接电阻调速法等。 转差功率消耗型转差功率消耗型第三篇第四章第三篇第四章11 改变定子电压调速改变定子电压调速 同步转速同步转速n1和临界转和临界转差率差率 sm 不变，临界不变，临界转矩转矩Tm成平方减小。成平方减小。 对于恒转矩负载，调对于恒转矩负载，调速范围小。速范围小。 对于风机类负载，调对于风机类负载，调速范围可扩大。速范围可扩大。转差功率消耗型转差功率消耗型第三篇第四章第三篇第四章12 改变

8、定子电压调速改变定子电压调速 对于高转差率笼式异对于高转差率笼式异步电动机改变电动机步电动机改变电动机定子电压，可获得较定子电压，可获得较大的恒转矩转矩负载大的恒转矩转矩负载调速范围。调速范围。 但机械特性太软。但机械特性太软。转差功率消耗型转差功率消耗型第三篇第四章第三篇第四章13 转子电路串接电阻调速，只适用于绕线转子电路串接电阻调速，只适用于绕线式异步电动机。式异步电动机。转差功率消耗型转差功率消耗型第三篇第四章第三篇第四章14 转子电路串接电阻转子电路串接电阻调速调速 同步转速同步转速n1和临界转和临界转矩矩Tm不变。不变。 临界转差率临界转差率 sm 增加。增加。 对于恒转矩负载，调

9、对于恒转矩负载，调速范围较大，但机械速范围较大，但机械特性软。特性软。转差功率消耗型转差功率消耗型第三篇第四章第三篇第四章15 转差功率馈送型异步电动机调速方法转差功率馈送型异步电动机调速方法 在绕线式异步电动机转子电路中串入附加电在绕线式异步电动机转子电路中串入附加电源装置产生电动势源装置产生电动势 Eadd ，以实现高效平滑调，以实现高效平滑调速。速。 绕线式异步电动机，定、转子电路同时与外绕线式异步电动机，定、转子电路同时与外电路相连，转差功率可以从转子回馈到电网，电路相连，转差功率可以从转子回馈到电网，也可以由电网向转子馈入，故称作双馈调速也可以由电网向转子馈入，故称作双馈调速系统。系

10、统。转差功率馈转差功率馈送送型型第三篇第四章第三篇第四章16 转差功率馈送型异步电动机调速方法，转差功率馈送型异步电动机调速方法，只适用于绕线式异步电动机。只适用于绕线式异步电动机。转差功率馈转差功率馈送送型型第三篇第四章第三篇第四章17 绕线式异步电动机转子功率可双向传输绕线式异步电动机转子功率可双向传输 可工作于次同步调速方式可工作于次同步调速方式 ，理想空载转，理想空载转速低于同步转速。速低于同步转速。转差功率馈转差功率馈送送型型 也可工作于超同步也可工作于超同步调速方式。调速方式。第三篇第四章第三篇第四章18 转差功率不变型异步电动机调速方法转差功率不变型异步电动机调速方法 转差功率只

11、有转子铜耗，而且无论转速转差功率只有转子铜耗，而且无论转速高低，转差功率基本不变。高低，转差功率基本不变。 主要有变极调速和变频调速两种。主要有变极调速和变频调速两种。转差功率不变型转差功率不变型第三篇第四章第三篇第四章19 变极调速变极调速多速异步电动机多速异步电动机 电动机的转速电动机的转速 同步转速同步转速 改变极对数，改变极对数， 即可改变同步转速即可改变同步转速n1，从，从而改变电动机的转速而改变电动机的转速n，这就是变极调速，这就是变极调速的基本原理。的基本原理。 转差功率不变型转差功率不变型1(1)nns1160=pfnn第三篇第四章第三篇第四章20 变极调速变极调速多速异步电动

12、机多速异步电动机 改变定子绕组的极对数，改变定子绕组的极对数， 通常用改变定子绕组通常用改变定子绕组的联结方式来实现。的联结方式来实现。 变极调速是有级调速，不能实现均匀平滑的无变极调速是有级调速，不能实现均匀平滑的无级调速，且能实现的速度档也不可能太多。级调速，且能实现的速度档也不可能太多。 接线头较多，并需要专门的换接开关。接线头较多，并需要专门的换接开关。转差功率不变型转差功率不变型第三篇第四章第三篇第四章21 变频调速变频调速 电动机的转速电动机的转速 同步转速同步转速 改变电源频率可以调节异步电动机的转速。变改变电源频率可以调节异步电动机的转速。变频调速属于转差功率不变型调速类型，具

13、有调频调速属于转差功率不变型调速类型，具有调速范围宽，平滑性好等特点，是异步电动机调速范围宽，平滑性好等特点，是异步电动机调速最有发展前途的一种方法。速最有发展前途的一种方法。转差功率不变型转差功率不变型1160=pfnn1(1)nns第三篇第四章第三篇第四章22 恒压频比控制变频调速恒压频比控制变频调速转差功率不变型转差功率不变型第三篇第四章第三篇第四章23 异步电动机的转速异步电动机的转速 同步转速同步转速 人为改变转差的方法：改变定子电压调速、串人为改变转差的方法：改变定子电压调速、串接电阻调速、绕线式异步电动机双馈调速。与接电阻调速、绕线式异步电动机双馈调速。与负载变化引起的转差变化不

14、同，改变转差的方负载变化引起的转差变化不同，改变转差的方法是指人为的改变参数使转差发生变化。法是指人为的改变参数使转差发生变化。 改变同步转速的方法：变频调速、改变极对数。改变同步转速的方法：变频调速、改变极对数。调速方法调速方法1(1)nns1160=pfnn第三篇第四章第三篇第四章24 同步电动机转速同步电动机转速 同步电动机转差同步电动机转差s=0，同步电动机调速系，同步电动机调速系统只能是转差功率不变型。统只能是转差功率不变型。 同步电动机转子极对数是固定的，只能同步电动机转子极对数是固定的，只能是变压变频调速。是变压变频调速。同步电动机调速同步电动机调速1160=pfnnn第三篇第四

15、章第三篇第四章25 采用稳态等值电路来分析异步电动机在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。上设计异步电动机调速系统。2.基于稳态模型异步电动机调速基于稳态模型异步电动机调速第三篇第四章第三篇第四章26 异步电动机稳态数学模型包括异步电动异步电动机稳态数学模型包括异步电动机稳态等值电路和机械特性，两者既有机稳态等值电路和机械特性，两者既有联系，又有区别。联系，又有区别。 稳态等值电路描述了在一定的转差率下电动机稳态等值电路描述了在一定的转

16、差率下电动机的稳态电气特性。的稳态电气特性。 机械特性则表征了转矩与转差率（或转速）的机械特性则表征了转矩与转差率（或转速）的稳态关系。稳态关系。异步电动机稳态数学模型异步电动机稳态数学模型第三篇第四章第三篇第四章27 同步转速同步转速 转速与转差率转速与转差率 供电电源频率供电电源频率 电动机极对数电动机极对数 异步电动机稳态数学模型异步电动机稳态数学模型1160pfnn11nnsn1(1)ns n1fpn第三篇第四章第三篇第四章28 忽略空间和时间谐波，忽略磁饱和，忽忽略空间和时间谐波，忽略磁饱和，忽略铁损。略铁损。异步电动机稳态等值电路异步电动机稳态等值电路第三篇第四章第三篇第四章29

17、忽略励磁电流，忽略励磁电流， 简化等值电路。简化等值电路。 相电流相电流异步电动机稳态等值电路异步电动机稳态等值电路2212lrlsrssrsLLsRRUII第三篇第四章第三篇第四章30 电磁转矩（机械特性方程式电磁转矩（机械特性方程式 ） 机械同步角速度机械同步角速度异步电动机机械特性异步电动机机械特性22122122212122 113/33lrlsrsrsplrlsrsrsprrpmmeLLsRsRsRUnLLsRRsRUnsRInPTpmn11第三篇第四章第三篇第四章31 最大转矩，又称临界转矩最大转矩，又称临界转矩 临界转差率：对应最大转矩的转差率临界转差率：对应最大转矩的转差率异步

18、电动机机械特性异步电动机机械特性221212)(23lrlsssspemLLRRUnT2212)(lrlssrmLLRRs第三篇第四章第三篇第四章32 额定电压、额额定电压、额定频率供电，定频率供电，且无外加电阻且无外加电阻和电抗时的机和电抗时的机械特性方程式，械特性方程式，称作固有特性称作固有特性或自然特性。或自然特性。异步电动机机械特性异步电动机机械特性第三篇第四章第三篇第四章33 变压变频调速是改变异步电动机同步转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，同步转速随频率而速的一种调速方法，同步转速随频率而变化变化异步电动机变压变频调速异步电动机变压变频调速ppnnfn26060

19、111第三篇第四章第三篇第四章34 定子每相电动势的有效值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忽略定子绕组电阻和漏磁感抗压降异步电动机的气隙磁通异步电动机的气隙磁通14.44SgsmNEf N k14.44SsgsmNUEf N k第三篇第四章第三篇第四章35 气隙磁通气隙磁通 为了保持气隙磁通恒定，应使为了保持气隙磁通恒定，应使 或近似为或近似为 气隙磁通控制气隙磁通控制1gEf常数11/mgsEfUfs1Uf常数第三篇第四章第三篇第四章36 异步电动机运行在基频（额定频率）以异步电动机运行在基频（额定频率）以下，保持每极磁通量为额定值不变。下，保持每极磁通量为额定值不变。

20、 如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费。心，是一种浪费。 如果磁通过大，又会使铁心饱和，从而如果磁通过大，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时还会因绕导致过大的励磁电流，严重时还会因绕组过热而损坏电机。组过热而损坏电机。基频以下调速基频以下调速第三篇第四章第三篇第四章37 频率从额定值向下调节时，电动势频率频率从额定值向下调节时，电动势频率比为恒值的控制方式。比为恒值的控制方式。 当电动势值较高时，忽略定子电阻和漏当电动势值较高时，忽略定子电阻和漏感压降，恒压频比的控制方式感压降，恒压频比的控制方式基频以下调速基频以下调速14.44Sgs

21、NmNEN kf常值114.44SgssNmNEUN kff常值第三篇第四章第三篇第四章38 低频补偿（低频转矩提升）低频补偿（低频转矩提升）低频时，定子电阻和漏感压降所占的份量比低频时，定子电阻和漏感压降所占的份量比较显著，不能再忽略。较显著，不能再忽略。人为地把定子电压抬高一些，以补偿定子阻人为地把定子电压抬高一些，以补偿定子阻抗压降。抗压降。负载大小不同，需要补偿的定子电压也不一负载大小不同，需要补偿的定子电压也不一样。样。基频以下调速基频以下调速第三篇第四章第三篇第四章39 恒压频比控制特性恒压频比控制特性 通用变频器在控制软通用变频器在控制软件中备有不同的补偿件中备有不同的补偿特性，

22、以供用户选择。特性，以供用户选择。 a无补偿无补偿 b带定子电压补带定子电压补偿偿基频以下调速基频以下调速第三篇第四章第三篇第四章40 基频以上调速基频以上调速频率从额定值向上升高，受到电机绝缘频率从额定值向上升高，受到电机绝缘耐压和磁路饱和的限制，定子电压不能耐压和磁路饱和的限制，定子电压不能随之升高，只能保持额定电压不变。随之升高，只能保持额定电压不变。导致磁通与频率成反比地降低，使得异导致磁通与频率成反比地降低，使得异步电动机工作在弱磁状态。步电动机工作在弱磁状态。基频以上调速基频以上调速第三篇第四章第三篇第四章41 变压变频调速的控制特性变压变频调速的控制特性变压变频调速控制特性变压变

23、频调速控制特性 基频以下，恒压基频以下，恒压频比，磁通量为频比，磁通量为额定值。额定值。 基频以上，额定基频以上，额定电压不变，弱磁。电压不变，弱磁。第三篇第四章第三篇第四章42 基频以下，由于磁通恒定，允许输出转基频以下，由于磁通恒定，允许输出转矩恒定，属于矩恒定，属于“恒转矩调速恒转矩调速”方式。方式。 基频以上，转速升高时磁通减小，允许基频以上，转速升高时磁通减小，允许输出转矩也随之降低。由于转速上升，输出转矩也随之降低。由于转速上升，允许输出功率基本恒定，属于允许输出功率基本恒定，属于“恒功率恒功率调速调速”方式。方式。变压变频调速控制特性变压变频调速控制特性第三篇第四章第三篇第四章4

24、3 基频以下采用恒压频比控制基频以下采用恒压频比控制 异步电动机机械特性方程式改写为异步电动机机械特性方程式改写为 当当s较小时，忽略上式分母中含较小时，忽略上式分母中含s各项各项变压变频调速机械特性变压变频调速机械特性22122121)()(3lrlsrsrspeLLsRsRRsUnTsRsUnTrspe12132113repsR TsnU第三篇第四章第三篇第四章44 基频以下采用恒压频比控制基频以下采用恒压频比控制 对于同一转矩，转速降落基本不变对于同一转矩，转速降落基本不变 在恒压频比的条件下把频率向下调节时，机械在恒压频比的条件下把频率向下调节时，机械特性基本上是平行下移的。特性基本上

25、是平行下移的。变压变频调速机械特性变压变频调速机械特性21113602repsepRTnUnsnsTn 第三篇第四章第三篇第四章45 基频以下采用恒压频比控制基频以下采用恒压频比控制 临界转矩临界转矩 随着频率的降低而减小，当频率较低时，电动随着频率的降低而减小，当频率较低时，电动机带载能力减弱，采用低频定子压降补偿，适机带载能力减弱，采用低频定子压降补偿，适当地提高电压，可以增强带载能力。当地提高电压，可以增强带载能力。变压变频调速机械特性变压变频调速机械特性221121)(123lrlsssspemLLRRUnT第三篇第四章第三篇第四章46 基频以下采用恒压频比控制基频以下采用恒压频比控制

26、 转差功率转差功率 与转速无关，故称作转差功率不变型。与转速无关，故称作转差功率不变型。变压变频调速机械特性变压变频调速机械特性21213resmespR TPsPsTUn第三篇第四章第三篇第四章47 基频以上，电压保持额定值，基频以上，电压保持额定值， 机械特性方程式可写成机械特性方程式可写成 当当s较小时，忽略上式分母中含较小时，忽略上式分母中含s各项各项 变压变频调速机械特性变压变频调速机械特性2212212)()(3lrlsrsrsNpeLLsRsRsRUnT213sNeprUsTnR第三篇第四章第三篇第四章48 基频以上，电压保持额定值，基频以上，电压保持额定值， 临界转矩临界转矩

27、临界转差临界转差 变压变频调速机械特性变压变频调速机械特性221212)(123lrlssssNpemLLRRUnT2212)(lrlssrmLLRRs第三篇第四章第三篇第四章49 基频以上，电压保持额定值，基频以上，电压保持额定值， 带负载时的转速降落带负载时的转速降落 对于相同的电磁转矩，角频率越大，转速降落对于相同的电磁转矩，角频率越大，转速降落越大，机械特性越软，与直流电动机弱磁调速越大，机械特性越软，与直流电动机弱磁调速相似。相似。变压变频调速机械特性变压变频调速机械特性21112210602reppsNR TnsnsnnU 第三篇第四章第三篇第四章50 基频以上，电压保持额定值，基

28、频以上，电压保持额定值， 转差功率转差功率 带恒功率负载运行，转差功率基本不变。带恒功率负载运行，转差功率基本不变。变压变频调速机械特性变压变频调速机械特性221123resmepsNR TPsPsTn U221eT常数第三篇第四章第三篇第四章51变压变频调速机械特性变压变频调速机械特性第三篇第四章第三篇第四章为了使参考极性为了使参考极性与电动状态下的与电动状态下的实际极性相吻合，实际极性相吻合，感应电动势采用感应电动势采用电压降的表示方电压降的表示方法，由高电位指法，由高电位指向低电位。向低电位。52第三篇第四章第三篇第四章53气隙磁通在定子每相绕组中的感应电气隙磁通在定子每相绕组中的感应电

29、动势动势 定子磁通在定子每相绕组中的感应电定子磁通在定子每相绕组中的感应电动势动势 转子磁通在定子每相绕组中的感应电转子磁通在定子每相绕组中的感应电动势动势 14.44SgsmNEf N k14.44SssmsNEf N k14.44SrsmrNEf N k第三篇第四章第三篇第四章54保持定子磁通恒定保持定子磁通恒定定子电动势不好直接控制，能够直接控定子电动势不好直接控制，能够直接控制的只有定子电压，按制的只有定子电压，按补偿定子电阻压降，抑制了定子电阻对补偿定子电阻压降，抑制了定子电阻对性能的影响。性能的影响。 1/sE常数sssEIRU1第三篇第四章第三篇第四章55忽略励磁电流，转子电流忽

30、略励磁电流，转子电流电磁转矩，电磁转矩，s相同时，大于恒压频比控相同时，大于恒压频比控制制2212)(lrlsrsrLLsREI212222113()sreprlslrEsRTnRsLL第三篇第四章第三篇第四章临界转差率大于恒压频比控制临界转差率大于恒压频比控制临界转矩大于恒压频比控制临界转矩大于恒压频比控制56)(1lrlsrmLLRs)(12321lrlsspemLLEnT第三篇第四章第三篇第四章保持气隙磁通恒定保持气隙磁通恒定定子电压定子电压除了补偿定子电阻压降外，还应补偿除了补偿定子电阻压降外，还应补偿定子漏抗压降，抑制了定子漏阻抗对定子漏抗压降，抑制了定子漏阻抗对性能的影响。性能的影

31、响。 571/gE常数glsssEILjRU11)(第三篇第四章第三篇第四章忽略励磁电流，转子电流忽略励磁电流，转子电流电磁转矩，电磁转矩，582212lrrgrLsREI2 2122 12122122133lrrrgprlrrgpeLsRRsEnsRLsREnT第三篇第四章第三篇第四章临界转差率临界转差率临界转矩临界转矩与恒定子磁通控制方式相比较，恒气隙与恒定子磁通控制方式相比较，恒气隙磁通控制方式的临界转差率和临界转矩磁通控制方式的临界转差率和临界转矩更大，机械特性更硬。更大，机械特性更硬。591lrrmLRs21123lrspemLEnT第三篇第四章第三篇第四章保持转子磁通恒定保持转子磁

32、通恒定定子电压定子电压除了补偿定子定子漏阻抗压降外，还应除了补偿定子定子漏阻抗压降外，还应补偿转子漏抗压降，抑制了转子漏抗对补偿转子漏抗压降，抑制了转子漏抗对性能的影响。性能的影响。 60r1/E常数11()sslslrrURjLLIE第三篇第四章第三篇第四章忽略励磁电流，转子电流忽略励磁电流，转子电流电磁转矩，电磁转矩，机械特性是一条直线，和直流电动机一机械特性是一条直线，和直流电动机一样的线性机械特性，这正是高性能交流样的线性机械特性，这正是高性能交流变频调速所要求的稳态性能。变频调速所要求的稳态性能。61sREIrrr/12122133rrprrrpeRsEnsRsREnT第三篇第四章第

33、三篇第四章 a）恒压频比控制）恒压频比控制 b）恒定子磁通控制）恒定子磁通控制 c）恒气隙磁通控制）恒气隙磁通控制 d）恒转子磁通控制）恒转子磁通控制62第三篇第四章第三篇第四章恒压频比控制最容易实现，机械特性基本上恒压频比控制最容易实现，机械特性基本上是平行下移，硬度也较好，能够满足一般的是平行下移，硬度也较好，能够满足一般的调速要求，低速时需适当提高定子电压，以调速要求，低速时需适当提高定子电压，以近似补偿定子阻抗压降。近似补偿定子阻抗压降。恒定子磁通、恒气隙磁通和恒转子磁通的控恒定子磁通、恒气隙磁通和恒转子磁通的控制方式均需要定子电压补偿，控制要复杂一制方式均需要定子电压补偿，控制要复杂

34、一些。些。63第三篇第四章第三篇第四章 恒定子磁通和恒气隙磁通的控制方式虽恒定子磁通和恒气隙磁通的控制方式虽然改善了性能。但机械特性还是非线性然改善了性能。但机械特性还是非线性的，仍受到临界转矩的限制。的，仍受到临界转矩的限制。 恒转子磁通控制方式可以获得和直流他恒转子磁通控制方式可以获得和直流他励电动机一样的线性机械特性，性能最励电动机一样的线性机械特性，性能最佳。佳。64第三篇第四章第三篇第四章654.转速开环变压变频调速系统转速开环变压变频调速系统 系统本身没有自动限制起制动电流的作用，系统本身没有自动限制起制动电流的作用，频率设定必须通过给定积分算法产生平缓频率设定必须通过给定积分算法

35、产生平缓的升速或降速信号。的升速或降速信号。*11101*11101*11*1100)()()(ttdownNttupNdttdttt第三篇第四章第三篇第四章66转速开环变压变频调速系统转速开环变压变频调速系统 转速开环变压变频调速系统转速开环变压变频调速系统压频特性给定积分第三篇第四章第三篇第四章67转速开环变压变频调速系统转速开环变压变频调速系统 系统硬件：系统硬件： 主电路、驱动主电路、驱动电路、微机控电路、微机控制电路、信号制电路、信号采集与故障综采集与故障综合电路。合电路。第三篇第四章第三篇第四章68主回路与驱动电路主回路与驱动电路 二极管整流器和由全控开关器件二极管整流器和由全控开

36、关器件IGBT或功率或功率模块模块IPM组成的组成的PWM逆变器，构成交逆变器，构成交-直直-交交电压源型变压变频器。电压源型变压变频器。 驱动电路的作用是将微机控制电路产生的驱动电路的作用是将微机控制电路产生的PWM信号经功率放大后，控制电力电子器件信号经功率放大后，控制电力电子器件的开通或关断，起到弱电控制强电的作用。的开通或关断，起到弱电控制强电的作用。 第三篇第四章第三篇第四章69微机数字控制电路微机数字控制电路 以微处理器为核心的数字电路，其功能主要以微处理器为核心的数字电路，其功能主要是接受各种设定信息和指令，再根据它们的是接受各种设定信息和指令，再根据它们的要求形成驱动逆变器工作

37、的要求形成驱动逆变器工作的PWM信号。信号。 主要采用单片机或主要采用单片机或DSP，PWM信号可以由微信号可以由微机本身的软件产生，由机本身的软件产生，由PWM端口输出，也可端口输出，也可采用专用的采用专用的PWM生成电路芯片。生成电路芯片。第三篇第四章第三篇第四章70控制软件控制软件 控制软件是系统的核心，除了控制软件是系统的核心，除了PWM生成、给生成、给定积分和压频控制等主要功能软件外，还包定积分和压频控制等主要功能软件外，还包括信号采集，故障综合及分析，键盘及给定括信号采集，故障综合及分析，键盘及给定电位器输入，显示和通讯等辅助功能软件。电位器输入，显示和通讯等辅助功能软件。 现代通

38、用变频器功能强大，可设定或修改的现代通用变频器功能强大，可设定或修改的参数达数百个。有多组压频比曲线可供选择，参数达数百个。有多组压频比曲线可供选择，具有多段加、减速功能，还具有摆频、频率具有多段加、减速功能，还具有摆频、频率跟踪以及逻辑控制和跟踪以及逻辑控制和PI控制等功能。控制等功能。第三篇第四章第三篇第四章71空间矢量空间矢量PWM (SVPWM)控制技术广泛运用控制技术广泛运用于变频器中，驱动交流电机时，使电机的磁于变频器中，驱动交流电机时，使电机的磁链接近圆形旋转磁场，从而减小电机电磁转链接近圆形旋转磁场，从而减小电机电磁转矩的脉动。矩的脉动。 第三篇第四章第三篇第四章72把逆变器和

39、交流电动机视为一体，以圆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，形旋转磁场为目标来控制逆变器的工作，这种控制方法称作这种控制方法称作“磁链跟踪控制磁链跟踪控制”。磁链轨迹的控制是通过交替使用不同的磁链轨迹的控制是通过交替使用不同的电压空间矢量实现的，所以又称电压空间矢量实现的，所以又称“电压电压空间矢量空间矢量PWM（SVPWM，Space Vector PWM）控制）控制”。第三篇第四章第三篇第四章73交流电动机绕组的电压是随时间变化的，交流电动机绕组的电压是随时间变化的，如果考虑到它们所在绕组的空间位置，如果考虑到它们所在绕组的空间位置，可以定义为空间矢量。可

40、以定义为空间矢量。三相定子电压空间矢量三相定子电压空间矢量2AOjBOjCOkukuekueAOBOCOuuu32第三篇第四章第三篇第四章74按空间矢量功率与三按空间矢量功率与三相瞬时功率相等的原相瞬时功率相等的原则则 三相合成空间矢量三相合成空间矢量000AOBOCOuuu23k22()3jjAOBOCOuueuesu第三篇第四章第三篇第四章75当定子相电压为三相平衡正弦电压时，当定子相电压为三相平衡正弦电压时，三相合成矢量，三相合成矢量，112111224cos()cos()cos()33332jjmmmjtjtmsUtUteUteU eU esAOBOCOuuuu第三篇第四章第三篇第四章

41、76在三相平衡正弦在三相平衡正弦电压供电时，定电压供电时，定子电压空间矢量子电压空间矢量的幅值恒定，以的幅值恒定，以电源角频率为电电源角频率为电气角速度在空间气角速度在空间作恒速旋转。作恒速旋转。第三篇第四章第三篇第四章77合成空间矢量表示的定子电压方程式合成空间矢量表示的定子电压方程式 忽略定子电阻压降，定子合成电压与合忽略定子电阻压降，定子合成电压与合成磁链空间矢量的近似关系为成磁链空间矢量的近似关系为dtdRssssiudtdssu dtssu第三篇第四章第三篇第四章78当电动机由三相平衡正弦电压供电时，电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，其空间矢量以恒动机定子磁

42、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速旋转，磁链矢量顶端的运动轨迹呈圆形（简称为磁链圆）。（简称为磁链圆）。定子磁链矢量定子磁链矢量定子电压矢量定子电压矢量)(1tjses11()()21()jtjtssdeedtsu第三篇第四章第三篇第四章79旋转磁场与电压空间矢量的运动轨迹旋转磁场与电压空间矢量的运动轨迹第三篇第四章第三篇第四章80PWM逆变器共有逆变器共有8种工作状态种工作状态用用“1”表示每相上桥臂开关导通，用表示每相上桥臂开关导通，用“0”表表示下桥臂开关导通。示下桥臂开关导通。8种工作状态：种工作状态：100、110、010、011、001、101以及以及

43、111和和000。第三篇第四章第三篇第四章81前前6种状态有输出电种状态有输出电压，属有效工作状压，属有效工作状态。态。后两种全部是上管后两种全部是上管通或下管通，没有通或下管通，没有输出电压，称之为输出电压，称之为零工作状态。零工作状态。第三篇第四章第三篇第四章826个有效工个有效工作矢量作矢量 幅值为幅值为 互差互差602个零矢量个零矢量16uu23dU07uu、第三篇第四章第三篇第四章83每个工作周期中，每个工作周期中，6种有效工作状态各出种有效工作状态各出现一次，每一种状态现一次，每一种状态持续持续60，6个电压个电压矢量共转过矢量共转过360，形成一个封闭的正六形成一个封闭的正六边形

44、。边形。第三篇第四章第三篇第四章84采用采用PWM控制，就可控制，就可以使交流电机的磁通尽以使交流电机的磁通尽量接近圆形。量接近圆形。需要的电压矢量不是需要的电压矢量不是6个基本电压矢量时，可个基本电压矢量时，可以用两个基本矢量和零以用两个基本矢量和零矢量的组合来实现。矢量的组合来实现。第三篇第四章第三篇第四章85按按6个有效工作矢个有效工作矢量将电压矢量空量将电压矢量空间分为对称的六间分为对称的六个扇区，每个扇个扇区，每个扇区对应区对应60。第三篇第四章第三篇第四章86当期望输出电压矢量落当期望输出电压矢量落在某个扇区内时，按平在某个扇区内时，按平行四边形合成法则，用行四边形合成法则，用相邻

45、的两个有效工作矢相邻的两个有效工作矢量合成期望的输出矢量，量合成期望的输出矢量，这就是这就是SVPWM的基本的基本思想。思想。第三篇第四章第三篇第四章87在一个开关周期在一个开关周期 T0，合成电压矢量合成电压矢量u1、u2作用时间作用时间 零矢量作用时间零矢量作用时间121231200002233jsddttttUU eTTTTuuus012sin()3du TtUs022usindTtU2100ttTt第三篇第四章第三篇第四章88两个基本矢量作用时间之和应满足两个基本矢量作用时间之和应满足当当输出电压矢量最大幅值输出电压矢量最大幅值ss1202u2usin()sin cos()136ddt

46、tTUU6smax2dUu第三篇第四章第三篇第四章89以开关损耗和谐波分量都较小为原则，以开关损耗和谐波分量都较小为原则，来安排基本矢量和零矢量的作用顺序。来安排基本矢量和零矢量的作用顺序。在减少开关次数在减少开关次数的同时，尽量使的同时，尽量使PWM输出波型输出波型对称，以减少谐对称，以减少谐波分量。波分量。第三篇第四章第三篇第四章90SVPWM方式的逆变器输出线电压基波方式的逆变器输出线电压基波最大值为直流侧电压，比最大值为直流侧电压，比SPWM逆变器逆变器输出电压最多提高了约输出电压最多提高了约15%。定子磁链矢量轨迹为正定子磁链矢量轨迹为正6N边形，轨迹更边形，轨迹更接近于圆，谐波分量

47、小，能有效减小转接近于圆，谐波分量小，能有效减小转矩脉动。矩脉动。第三篇第四章第三篇第四章91占据占据/3的定子磁链的定子磁链矢量轨迹等分为矢量轨迹等分为N个小区间，每个小个小区间，每个小区间所占的时间区间所占的时间NT103第三篇第四章第三篇第四章92在每个小区间内，在每个小区间内，定子磁链矢量的增定子磁链矢量的增量为量为非基本电压矢量，非基本电压矢量，必须用两个基本矢必须用两个基本矢量合成。量合成。0)()(Tkkssu第三篇第四章第三篇第四章93N=4 ，60实际的实际的定子磁链矢量轨迹定子磁链矢量轨迹 。在期望的磁链圆周在期望的磁链圆周围波动。围波动。N越大，越大，磁链轨迹越接近于磁链

48、轨迹越接近于圆，但开关频率随圆，但开关频率随之增大。之增大。第三篇第四章第三篇第四章94N=4 ，360实际实际的定子磁链矢量轨的定子磁链矢量轨迹迹 。由于由于N是有限的，所是有限的，所以磁链轨迹只能接近以磁链轨迹只能接近于圆，而不可能等于于圆，而不可能等于圆。圆。第三篇第四章第三篇第四章95晶闸管相控整流或二极管整流输入电流晶闸管相控整流或二极管整流输入电流谐波分量大，功率因数低。谐波分量大，功率因数低。 把把PWM控制技术用于整流电路，就形成控制技术用于整流电路，就形成了了PWM整流电路。通过控制，可以使其整流电路。通过控制，可以使其输入电流非常接近正弦波，且和输入电输入电流非常接近正弦波

49、，且和输入电压同相位，功率因数近似为压同相位，功率因数近似为1。第三篇第四章第三篇第四章96三相三相PWM整流电路是最基本的整流电路是最基本的PWM整流整流电路之一，其应用也最为广泛。电路之一，其应用也最为广泛。 SPWM控制或控制或SVPWM控制控制第三篇第四章第三篇第四章97绕线型异步电动机，定、转子电路同时绕线型异步电动机，定、转子电路同时与外电路相连，转差功率可以从转子回与外电路相连，转差功率可以从转子回馈到电网，也可以由电网向转子馈入，馈到电网，也可以由电网向转子馈入，故称作双馈调速系统。故称作双馈调速系统。电功率是馈入定子绕组和电功率是馈入定子绕组和/或转子绕组，或转子绕组，还是由

50、定子绕组和还是由定子绕组和/或转子绕组馈出，则或转子绕组馈出，则要视电动机的工况而定。要视电动机的工况而定。第三篇第四章第三篇第四章98定子与交流电网直定子与交流电网直接连接，转子与外接连接，转子与外接电动势相连。接电动势相连。转子绕组回路中附转子绕组回路中附加一个可控交流电加一个可控交流电动势，实现绕线型动势，实现绕线型异步电动机的调速。异步电动机的调速。第三篇第四章第三篇第四章99定子与交流电网直接连接，同步转速不变定子与交流电网直接连接，同步转速不变在转子绕组回路中引入一个可控的交流附加在转子绕组回路中引入一个可控的交流附加电动势，附加电动势的频率与转子电动势相电动势，附加电动势的频率与

51、转子电动势相同，相位与转子电动势相反。同，相位与转子电动势相反。异步电动机运行时，附加电动势吸收转差功异步电动机运行时，附加电动势吸收转差功率回馈至电网，或从电网吸收转差功率。率回馈至电网，或从电网吸收转差功率。116 0pfnn第三篇第四章第三篇第四章100异步电动机电动运行时，转子相电动异步电动机电动运行时，转子相电动势势异步电动机的转差率异步电动机的转差率 s转子开路相电动势转子开路相电动势转子短路情况下，转子相电流转子短路情况下，转子相电流0rrsEE 0rE2020)(rrrrsXRsEI第三篇第四章第三篇第四章101串入相位与转子电动势相反的附加电串入相位与转子电动势相反的附加电动

52、势后转差率和转子电流动势后转差率和转子电流未串入附加电动势的转差率和转子电未串入附加电动势的转差率和转子电流流0220()raddrsrrs EEIRs X0220=()rrsrrsEIRsX第三篇第四章第三篇第四章102引入附加电动势后，电动机转子回路的合成引入附加电动势后，电动机转子回路的合成电动势减小，转子电流和电磁转矩也相应减电动势减小，转子电流和电磁转矩也相应减小，由于负载转矩未变，电动机必然减速。小，由于负载转矩未变，电动机必然减速。随着转差增大，转子电动势增大，转子电流随着转差增大，转子电动势增大，转子电流 也逐渐增大，直至转子电流又恢复到负载所也逐渐增大，直至转子电流又恢复到负

53、载所需的值，电动机进入新的较低转速的稳定状需的值，电动机进入新的较低转速的稳定状态。态。=rsrsIIss nn第三篇第四章第三篇第四章103可控附加电动势可以把转子的转差功可控附加电动势可以把转子的转差功率传输到与之相连的交流电源或外电率传输到与之相连的交流电源或外电路中去，也可以从外面吸收功率到转路中去，也可以从外面吸收功率到转子中来。子中来。从功率传送的角度看，可以认为是控从功率传送的角度看，可以认为是控制异步电动机转子转差功率的大小与制异步电动机转子转差功率的大小与流向来实现对电动机转速的调节。流向来实现对电动机转速的调节。 第三篇第四章第三篇第四章104转子电动势的频率应转子电动势的

54、频率应转速不同而不同，附转速不同而不同，附加电动势与转子电动加电动势与转子电动势的频率一致。势的频率一致。必须通过一个具有功必须通过一个具有功率传递和频率变换的率传递和频率变换的功率变换单元功率变换单元CU。第三篇第四章第三篇第四章105异步电动机的功率关系异步电动机的功率关系电磁功率电磁功率 转差功率转差功率电动机轴上机械功率电动机轴上机械功率转子串入附加电动势极性和大小不同，转子串入附加电动势极性和大小不同，功率和转差都可正可负，可以有不同的功率和转差都可正可负，可以有不同的工作状况。工作状况。mmmPssPP)1 ( mPmsPmPs)1 ( 第三篇第四章第三篇第四章106转差率转差率转

55、速转速附加电动势附加电动势转子电流转子电流02200()raddrrrsEEIRsX01s10nn0addE以此工况为参考方向以此工况为参考方向00addraddEsnsEE第三篇第四章第三篇第四章107异步电动机的功率关系异步电动机的功率关系电动机作电动运行，转差率电动机作电动运行，转差率0s1，从定子侧，从定子侧输入功率。输入功率。轴上输出机械功率，转差功率在扣除转子损轴上输出机械功率，转差功率在扣除转子损耗后由附加电势吸收耗后由附加电势吸收,从转子侧馈送到电网。从转子侧馈送到电网。电动机在低于同步转速下工作，故称为次同电动机在低于同步转速下工作，故称为次同步电动运行。步电动运行。mmmP

56、ssPP)1 ( 第三篇第四章第三篇第四章108转差率转差率转速转速附加电动势附加电动势转子电流转子电流02200()raddrrrsEEIRsX1s0n 0addE00addraddEsnsEE 第三篇第四章第三篇第四章109异步电动机的功率关系异步电动机的功率关系电动机作倒拉反接制动运行，转差率电动机作倒拉反接制动运行，转差率1s，从，从定子侧输入功率，轴上输入机械功率，两部定子侧输入功率，轴上输入机械功率，两部分合成转差功率。分合成转差功率。转差功率在扣除转子损耗后由附加电势吸收转差功率在扣除转子损耗后由附加电势吸收从转子侧馈送到电网。从转子侧馈送到电网。(1)mmmPs PsP第三篇第

57、四章第三篇第四章110转差率转差率转速转速附加电动势附加电动势02200220()0()raddrrraddrrrsEEIRsXEsERsX 01s10nn0addE00addaddrEsnEsE第三篇第四章第三篇第四章111异步电动机的功率关系异步电动机的功率关系 电动机作回馈制动运行，转差率电动机作回馈制动运行，转差率0s1，从轴，从轴上输入机械功率，转子侧从电网吸收转差功率，上输入机械功率，转子侧从电网吸收转差功率，扣除转子损耗后合并为电磁功率扣除转子损耗后合并为电磁功率 电磁功率从定子侧馈送至电网。电磁功率从定子侧馈送至电网。 电动机低于同步转速，故称为次同步回馈制动。电动机低于同步转

58、速，故称为次同步回馈制动。(1)mmms Ps PP第三篇第四章第三篇第四章112转差率转差率转速转速附加电动势附加电动势转子电流转子电流0s 1nn02200220()0()raddrrrraddrrsEEIRsXs EERsX 0addE0addraddEsnsEE第三篇第四章第三篇第四章113异步电动机的功率关系异步电动机的功率关系电动机作回馈制动运行，转差率电动机作回馈制动运行，转差率s0，从轴上，从轴上输入机械功率。输入机械功率。转差功率在扣除转子损耗后由附加电势吸收转差功率在扣除转子损耗后由附加电势吸收从转子侧馈送到电网，电磁功率从定子侧馈从转子侧馈送到电网，电磁功率从定子侧馈送至

59、电网。送至电网。电动机高于同步转速，称为超同步回馈制动。电动机高于同步转速，称为超同步回馈制动。(1)mmms PPsP第三篇第四章第三篇第四章114转差率转差率转速转速附加电动势附加电动势转子电流转子电流0s 1nn0addE02200220()0()raddrrraddrrrsEEIRsXEs ERsX0addaddrEsnEsE第三篇第四章第三篇第四章115异步电动机的功率关系异步电动机的功率关系转子侧附加电势从电网吸收转差功率，扣除转子侧附加电势从电网吸收转差功率，扣除转子损耗后与定子侧从电网吸收电磁功率合转子损耗后与定子侧从电网吸收电磁功率合并。并。电动机作电动运行，转差率电动机作电

60、动运行，转差率s0，从轴上输出，从轴上输出机械功率。机械功率。电动机高于同步转速，称为超同步电动运行。电动机高于同步转速，称为超同步电动运行。(1)mmmPsPs P第三篇第四章第三篇第四章116绕线转子异步风力发电机组原理图绕线转子异步风力发电机组原理图第三篇第四章第三篇第四章117绕线转子异步风力发电机组原理图绕线转子异步风力发电机组原理图当风速较低时，发电机转速当风速较低时，发电机转速n小于定子小于定子旋转磁场同步转速旋转磁场同步转速n1，工作于次同步回，工作于次同步回馈制动状态馈制动状态 。当风速较高时，发电机转速当风速较高时，发电机转速n大于定子大于定子旋转磁场同步转速旋转磁场同步转