运动控制系统-第4章 基于稳态模型的异步电动机调速系统

1、第第4章章基于稳态模型的异步基于稳态模型的异步电动机调速系统电动机调速系统异步电动机具有结构简单、制造容易、异步电动机具有结构简单、制造容易、转速高、容量大，维修工作量小等优点，转速高、容量大，维修工作量小等优点，早期多用于不可调传动。早期多用于不可调传动。随着电力电子技术的发展，静止式变频随着电力电子技术的发展，静止式变频器的诞生，异步电动机在可调传动中逐器的诞生，异步电动机在可调传动中逐渐得到广泛的应用。变压变频调速是异渐得到广泛的应用。变压变频调速是异步电动机常用的一种调速方式，具有效步电动机常用的一种调速方式，具有效率高、调速范围大等优点。率高、调速范围大等优点。4.1 4.1 异步电

2、动机变压变频调速基本原异步电动机变压变频调速基本原理理4.2 4.2 交流交流PWMPWM变频技术变频技术4.3 4.3 转速开环变压变频调速系统转速开环变压变频调速系统4.4 4.4 转速闭环转差频率控制的变压变转速闭环转差频率控制的变压变频调速系统频调速系统从异步电动机稳态数学模型出从异步电动机稳态数学模型出发，论述变压变频调速基本原发，论述变压变频调速基本原理及基频以下电流补偿控制。理及基频以下电流补偿控制。在三个假定在三个假定条件下：条件下：忽略空间和忽略空间和时间谐波，时间谐波，忽略磁饱忽略磁饱和，忽略和，忽略铁损，异步铁损，异步电动机的稳电动机的稳态模型可以态模型可以用用T T型等

3、效型等效电路电路 mLsRlsLlrLsUsI0IsRr1rI图图4-1 异步电动机异步电动机T型等效电路型等效电路式中式中 212121lrlsrssrLCLsRCRUImlsmlssLLLjLjRC11111（4-1） 忽略励磁电流，得到简化等效电路忽略励磁电流，得到简化等效电路图图4-2 异步电动机简化等效电路异步电动机简化等效电路sRlsLlrLsUsIsRr1rI2212lrlsrssrsLLsRRUII（4-2） 异步电动机的电磁转矩异步电动机的电磁转矩 22122122212122 113/33lrlsrsrsplrlsrsrsprrpmmeLLsRsRsRUnLLsRRsRUn

4、sRInPT（4-3） 将式（将式（4-34-3）对）对s s求导，并令求导，并令临界转差率临界转差率n临界转矩临界转矩 2212)(lrlssrmLLRRs221212)(23lrlsssspemLLRRUnT0dsdTe（4-4） （4-5） 恒压恒频供恒压恒频供电时异步电电时异步电动机的机械动机的机械特性特性eTns1n10emTms0图图4-3 异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性变压变频调速是改变同步转速的一种调变压变频调速是改变同步转速的一种调速方法，同步转速随频率而变化速方法，同步转速随频率而变化 ppnnfn26060111（4-6） n异步电动机转速异步电动机转速nnsn

5、nsnn1111)1 (（4-7） 三相异步电动机定子每相电动势的有效值三相异步电动机定子每相电动势的有效值mNsgSkNfE44. 41（4-8） n只要控制好只要控制好 和和 ，便可达到控制气，便可达到控制气隙磁通隙磁通 的目的。的目的。 gE1fm基频以下运行时，保持每极磁通量为额定基频以下运行时，保持每极磁通量为额定值不变。因此，当频率从额定值向下调节值不变。因此，当频率从额定值向下调节时，必须使时，必须使常值mNNsgSkNfE44. 41（4-9） 即采用电动势频率比为恒值的控制方式。即采用电动势频率比为恒值的控制方式。异步电动机绕组中的电动势是难以直接控制的，异步电动机绕组中的电

6、动势是难以直接控制的，当电动势值较高时，可忽略定子电阻和漏磁感当电动势值较高时，可忽略定子电阻和漏磁感抗压降，认为抗压降，认为 ，则得则得常值1fUs这就是恒压频比的控制方式。这就是恒压频比的控制方式。（4-10） gsEU 低频时，定子电低频时，定子电阻和漏磁感抗压阻和漏磁感抗压降所占的份量比降所占的份量比较显著，可以人较显著，可以人为地把定子电压为地把定子电压抬高一些，以便抬高一些，以便近似地补偿定子近似地补偿定子阻抗压降，称作阻抗压降，称作低频补偿，也可低频补偿，也可称作低频转矩提称作低频转矩提升。升。图图4-4 恒压频比控制特性恒压频比控制特性b带补偿，带补偿， a无补偿无补偿在基频以

7、上调速时，频率从向上升高，受在基频以上调速时，频率从向上升高，受到电机绝缘耐压的限制，定子电压不能随到电机绝缘耐压的限制，定子电压不能随之升高，只能保持额定电压不变，这将导之升高，只能保持额定电压不变，这将导致磁通与频率成反比地降低，使得异步电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。动机工作在弱磁状态。把基频以下把基频以下和基频以上和基频以上两种情况的两种情况的控制特性画控制特性画在一起，如在一起，如图图所示。所示。图图4-5 异步电动机变压变频调速的控制特性异步电动机变压变频调速的控制特性在基频以下采用恒压频比控制时，可将异在基频以下采用恒压频比控制时，可将异步电动机的电磁转

8、矩改写为步电动机的电磁转矩改写为22122121)()(3lrlsrsrspeLLsRsRRsUnT（4-11）sRsUnTrspe1213n当当s很小时，可忽略上式分母中含很小时，可忽略上式分母中含s各项，各项，（4-12）带负载时的转速降落带负载时的转速降落 esperpTUnTRsnsnn2121110260（4-14）1/sUeTn为恒值时，对于同一转矩为恒值时，对于同一转矩基本不变。基本不变。临界转矩临界转矩 221121)(123lrlsssspemLLRRUnT（4-15）emT1临界转矩临界转矩随着随着的降低而减小。的降低而减小。 当频率较低时，很小，电动机带载能力减弱，当频率

9、较低时，很小，电动机带载能力减弱，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，见图以增强带载能力，见图4-64-6。由于保持气隙磁通不变，故允许输出转矩基本由于保持气隙磁通不变，故允许输出转矩基本不变，所以基频以下的变频调速属于恒转矩调不变，所以基频以下的变频调速属于恒转矩调速。速。 机械特性方程式机械特性方程式 2212212)()(3lrlsrsrsNpeLLsRsRsRUnT（4-16）临界转矩表达式临界转矩表达式221212)(123lrlssssNpemLLRRUnT（4-17）1n当角频率当角频率提高时，同步转速随之提高，提高时，

10、同步转速随之提高，临界转矩减小，机械特性上移，而形状临界转矩减小，机械特性上移，而形状基本不变。基本不变。 由于频率提高而定子电压不变，气隙由于频率提高而定子电压不变，气隙磁通势必减弱，允许输出转矩减小，磁通势必减弱，允许输出转矩减小，但转速却升高了，可以认为允许输出但转速却升高了，可以认为允许输出功率基本不变。所以基频以上的变频功率基本不变。所以基频以上的变频调速属于弱磁恒功率调速。调速属于弱磁恒功率调速。基频以下运行时，采用恒压频比的控基频以下运行时，采用恒压频比的控制方法具有控制简便的优点，但负载制方法具有控制简便的优点，但负载的变化将导致磁通的改变，因此采用的变化将导致磁通的改变，因此

11、采用定子电流补偿控制，根据定子电流的定子电流补偿控制，根据定子电流的大小改变定子电压，可保持磁通恒定。大小改变定子电压，可保持磁通恒定。 为了使参考为了使参考极性与电动极性与电动状态下的实状态下的实际极性相吻际极性相吻合，感应电合，感应电动势采用电动势采用电压降的表示压降的表示方法，由高方法，由高电位指向低电位指向低电位。电位。 mLsRlsLlrLsUsI0IsRr1rIsEgErE图图4-7 异步电动机等效电路异步电动机等效电路气隙磁通在定子每相绕组中的感应电动势气隙磁通在定子每相绕组中的感应电动势mNsgSkNfE44. 41n定子全磁通在定子每相绕组中的感应电动定子全磁通在定子每相绕组

12、中的感应电动势势 msNssSkNfE44. 41（4-18） 转子全磁通在转子绕组中的感应电动势转子全磁通在转子绕组中的感应电动势（折合到定子边）（折合到定子边）14.44SrsNmrEf N k（4-19） 只要使只要使 常值，即可保持定子常值，即可保持定子磁通磁通 恒定，则定子电压为恒定，则定子电压为1/ fEsmssssEIRU1（4-20） 忽略励磁电流忽略励磁电流 2212)(lrlsrsrLLsREI（4-21） 电磁转矩电磁转矩 22122 121221221)(3)(3lrlsrrsprlrlsrspeLLsRRsEnsRLLsREnT（4-22） 定子磁通控制转矩表达式的分

13、母小于恒定子磁通控制转矩表达式的分母小于恒 控制特性中的同类项。当控制特性中的同类项。当转差转差s s相同时，恒定子磁通控制的电磁转相同时，恒定子磁通控制的电磁转矩大于恒矩大于恒 控制方式，或者控制方式，或者说，当负载转矩相同时，恒定子磁通控说，当负载转矩相同时，恒定子磁通控制的转速降落小于恒制的转速降落小于恒 控制方控制方式。式。 1/sU1/sU1/sU临界转差率临界转差率 )(1lrlsrmLLRs（4-23） )(12321lrlsspemLLEnTn临界转矩临界转矩 （4-24） 恒定子磁通控制的临界转差率和临界转矩恒定子磁通控制的临界转差率和临界转矩均大于恒均大于恒 控制方式。控制

14、方式。 1/sUn当频率变化时，临界转矩当频率变化时，临界转矩恒定不变。恒定不变。 维持为维持为 恒值，保持气隙磁通为常恒值，保持气隙磁通为常值，定子电压为值，定子电压为1/gEglsssEILjRU11)(（4-25） n除了补偿定子电阻压降外，还应补偿定子除了补偿定子电阻压降外，还应补偿定子漏抗电阻压降。漏抗电阻压降。 由图由图4-74-7等效电路可得等效电路可得 2212lrrgrLsREI（4-26） 电磁转矩电磁转矩 2 2122 12122122133lrrrgprlrrgpeLsRRsEnsRLsREnT（4-27） 临界转差率临界转差率 1lrrmLRs（4-28） 21123

15、lrspemLEnTn临界转矩临界转矩 （4-29） 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。 定子电压定子电压（4-30） n且保持且保持 恒定，即可保持转子磁通恒定，即可保持转子磁通恒定恒定 rlrlsssEILLjRU11)(1/rE转子电流为转子电流为 （4-31） sREIrrr/n电磁转矩电磁转矩 12122133rrprrrpeRsEnsRsREnT（4-32） 机械特性完全是一条直线，恒机械特性完全是一条直线，恒 控制的稳态性能最好，可以获得和

16、直流电控制的稳态性能最好，可以获得和直流电动机一样的线性机械特性，这正是高性能动机一样的线性机械特性，这正是高性能交流变频调速所要求的性能。交流变频调速所要求的性能。 1/rE恒压频比控制最容易实现，它的变频机械恒压频比控制最容易实现，它的变频机械特性基本上是平行下移，硬度也较好，能特性基本上是平行下移，硬度也较好，能够满足一般的调速要求，低速时需适当提够满足一般的调速要求，低速时需适当提高定子电压，以近似补偿定子阻抗压降。高定子电压，以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流补偿，控制要复杂一制方式均需要定子电流补

17、偿，控制要复杂一些。些。恒定子磁通和恒气隙磁通的控制方式虽然改恒定子磁通和恒气隙磁通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，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。产生转矩的能力仍受到限制。恒转子磁通的控制方式，可以得到和直流他恒转子磁通的控制方式，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。励电动机一样的线性机械特性，性能最佳。a a）恒控制）恒控制b b）恒定子磁）恒定子磁通控制通控制c c）恒气隙磁）恒气隙磁通控制通控制d d）恒转子磁）恒转子磁通控制通控制eTns1n100abcd图图4-8 异步电动机变频调速需要电压与频率均可异步电动机

18、变频调速需要电压与频率均可调的交流电源，常用的交流可调电源是由调的交流电源，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，电力电子器件构成的静止式功率变换器，一般称为变频器。一般称为变频器。图图4-94-9整流逆变直流恒压恒频变压变频直接变频变压变频恒压恒频a）交-直-交变频器b）交-交变频器图图4-10 4-10 交交- -直直- -交变频器主回路结构图交变频器主回路结构图图图4-11 4-11 直流母线方式的变频器主回路结构图直流母线方式的变频器主回路结构图以频率与期望的输出电压波相同的正弦波作以频率与期望的输出电压波相同的正弦波作为调制波（为调制波（Modulation wa

19、veModulation wave），以频率比期），以频率比期望波高得多的等腰三角波作为载波（望波高得多的等腰三角波作为载波（Carrier Carrier wavewave），当调制波与载波相交时，由它们的），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获得高度相等、宽度按正弦规律变化的脉冲序列，这种调制方法称作正弦波脉宽调制序列，这种调制方法称作正弦波脉宽调制（Sinusoidal pulse Width ModulationSinusoidal pulse Width Modulation

20、，简称简称SPWMSPWM） 双极性控制方式的双极性控制方式的PWMPWM方式，三相输出电压共有方式，三相输出电压共有8 8个状态，个状态， 、 、 分别表示分别表示A A、B B、C C三三相的开关状态，相的开关状态，“1 1”表示上桥臂导通，表示上桥臂导通，“0 0”表表示下桥臂导通。示下桥臂导通。 、 、 分别为以电源中点参考点的分别为以电源中点参考点的三相输出电压，三相输出电压， 、 、 为电动机三为电动机三相电压。相电压。电动机中点电压电动机中点电压（4-334-33）AuBuCuASBSCS3CBAOuuuuAOuBOuCOu图图4-12 4-12 三相三相PWMPWM逆逆变器双极

21、变器双极性性SPWMSPWM波波形形电流跟踪电流跟踪PWMPWM（CFPWMCFPWM，Current Follow Current Follow PWMPWM）的控制方法是：在原来主回路的）的控制方法是：在原来主回路的基础上，采用电流闭环控制，使实际电基础上，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，这就能比电使实际电流接近正弦波形，这就能比电压控制的压控制的SPWMSPWM获得更好的性能。获得更好的性能。图图4-134-13电流滞环跟踪控制的电流滞环跟踪控制的A A相原理图相原理图图图4-144-14 电电流滞环跟

22、踪流滞环跟踪控制时的三控制时的三相电流波形相电流波形与相电压与相电压PWMPWM波形波形电流跟踪控制的精度与滞环的宽度有关，同时电流跟踪控制的精度与滞环的宽度有关，同时还受到功率开关器件允许开关频率的制约。当还受到功率开关器件允许开关频率的制约。当环宽选得较大时，开关频率低，但电流波形失环宽选得较大时，开关频率低，但电流波形失真较多，谐波分量高；如果环宽小，电流跟踪真较多，谐波分量高；如果环宽小，电流跟踪性能好，但开关频率却增大了。实际使用中，性能好，但开关频率却增大了。实际使用中，应在器件开关频率允许的前提下，尽可能选择应在器件开关频率允许的前提下，尽可能选择小的环宽。小的环宽。把逆变器和交

23、流电动机视为一体，以圆形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，这旋转磁场为目标来控制逆变器的工作，这种控制方法称作种控制方法称作“磁链跟踪控制磁链跟踪控制”，磁链，磁链轨迹的控制是通过交替使用不同的电压空轨迹的控制是通过交替使用不同的电压空间矢量实现的，所以又称间矢量实现的，所以又称“电压空间矢量电压空间矢量PWMPWM（SVPWMSVPWM，Space Vector PWMSpace Vector PWM）控制）控制”。电压空间矢量的定义电压空间矢量的定义2jCOjBOAOeueuuCOBOAOuuu（4-50） 32图图4-16 4-16 电压空间矢量电压空

24、间矢量2jCOjBOAOeueuuCOBOAOsuuuu0AOu0BOu0COu 是一个以电源角频率是一个以电源角频率 为电气角速度作为电气角速度作恒速旋转的空间矢量，它的幅值不变，是相电压恒速旋转的空间矢量，它的幅值不变，是相电压幅值的幅值的3/23/2倍，当某一相电压为最大值时，合成倍，当某一相电压为最大值时，合成电压矢量就落在该相的轴线上。电压矢量就落在该相的轴线上。tjstjmjmjmmeueUetUetUtU1123)34cos()32cos()cos(2111COBOAOsuuuu（4-52） su1（4-534-53） 2jCOjBOAOeieiiCOBOAOsiiii（4-54

25、） 2jCOjBOAOeeCOBOAOs当异步电动机的三相对称定子绕组由当异步电动机的三相对称定子绕组由三相电压供电时，对每一相都可写出三相电压供电时，对每一相都可写出一个电压平衡方程式，求三相电压平一个电压平衡方程式，求三相电压平衡方程式的矢量和，即得用合成空间衡方程式的矢量和，即得用合成空间矢量表示的定子电压方程式矢量表示的定子电压方程式dtdRssssiu（4-55） 当电动机转速不是很低时，定子电阻当电动机转速不是很低时，定子电阻压降所占的成分很小，可忽略不计，压降所占的成分很小，可忽略不计，则定子合成电压与合成磁链空间矢量则定子合成电压与合成磁链空间矢量的近似关系为的近似关系为（4-

26、56） dtdssu dtssu（4-57） 或或 当电动机由三相平衡正弦电压供电时，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）。定子轨迹呈圆形（简称为磁链圆）。定子磁链旋转矢量磁链旋转矢量（4-58） )(1tjses式（式（4-584-58）对）对t t求导得求导得 （4-59） )2(1)(1)(111)(tjstjstjseejedtdsun磁链幅值等于电压与频率之比，方向与磁磁链幅值等于电压与频率之比，方向与磁链矢量正交，即磁链圆的切线方向

27、，如图链矢量正交，即磁链圆的切线方向，如图4-17所示。所示。图图4-17 4-17 旋转磁场与电旋转磁场与电压空间矢量的运动轨迹压空间矢量的运动轨迹图图4-18 电压矢量圆轨迹电压矢量圆轨迹直流电源中点和交流电动机中点的电位不等，但直流电源中点和交流电动机中点的电位不等，但合成电压矢量的表达式相等。因此，三相合成电合成电压矢量的表达式相等。因此，三相合成电压空间矢量与参考点无关。压空间矢量与参考点无关。 22222)1 ()()()(jCjBAjjOOjCjBAjOOCjOOBOOAjCOjBOAOeueuueeueueuueuueuuuueueuuCOBOAOsuuuu（4-60） PWM

28、PWM逆变器共有逆变器共有8 8种工作状态，当种工作状态，当（ ， ， ）= =（1 1，0 0，0 0）时，）时，（ ， ， ）= =（ ， ， ），代入式（），代入式（4-604-60）得得2dU2dU（4-61） ASBSCSAuBuCu2dUddjjdjjdUjUeeUeeU)34sin32(sin)34cos32cos1(2)1 (2)1 (2343221u当当 （ ， ， ）= =（1 1，1 1，0 0）时，）时，（ ， ， ）= =（ ， ， ），得），得2dU2dU（4-62） ASBSCSAuBuCu2dU334322)31 (2)34sin32(sin)34cos32co

29、s1(2)1 (2)1 (2jdddjjdjjdeUjUjUeeUeeU2u依此类推，可得依此类推，可得8 8个基本空间矢量，见个基本空间矢量，见表表4-24-2，其中，其中6 6个有效工作矢量个有效工作矢量 ，幅值为直流电压，幅值为直流电压 ，在，在空间互差空间互差 。另另2 2个为零矢量个为零矢量 和和 。1u6udU30u7u图图4-19 4-19 基本电压空间矢量图基本电压空间矢量图6 6个有效工作矢量按至的顺序分别作用时间个有效工作矢量按至的顺序分别作用时间 13t（4-63） t31n每个有效工作矢量作用每个有效工作矢量作用/3/3 弧度，弧度，6个有效个有效工作矢量完成一个周期，

30、输出基波电压角频工作矢量完成一个周期，输出基波电压角频率率。 在时间在时间tt内，定子磁链矢量的增量为内，定子磁链矢量的增量为（4-64） k=1,2,3,4,5,6 。3)1()()(kjdssetUtkkun定子磁链矢量的增量方向与电压矢量相同，定子磁链矢量的增量方向与电压矢量相同，幅值等于直流侧电压与作用时间的乘积。幅值等于直流侧电压与作用时间的乘积。 定子磁链矢量的运动定子磁链矢量的运动轨迹为轨迹为（4-65） tkkkkksssss)() 1()() 1()(u) 1( k)(ktkks)()(u图图4-20 定子磁链矢量增量与电压矢量定子磁链矢量增量与电压矢量和时间增量和时间增量的

31、关系的关系图图4-21 4-21 正六边形正六边形定子磁链定子磁链轨迹轨迹由正六边形的性质可知由正六边形的性质可知 （4-66） n正六边形定子磁链的大小与直流侧电压成正正六边形定子磁链的大小与直流侧电压成正比，而与电源角频率成反比。在基频以下调比，而与电源角频率成反比。在基频以下调速时，应保持正六边形定子磁链的最大值恒速时，应保持正六边形定子磁链的最大值恒定定 。 13| )(| )(| )(|ddssUtUtkkku要保持正六边形定子磁链不变，必须使要保持正六边形定子磁链不变，必须使 为常数，这意味着在变频的同时必须调节为常数，这意味着在变频的同时必须调节直流电压，造成了控制的复杂性。直流

32、电压，造成了控制的复杂性。 有效的方法是插入零矢量，使有效工作矢有效的方法是插入零矢量，使有效工作矢量的作用时间仅为量的作用时间仅为 ，其余的时间，其余的时间。 1dUtt1用零矢量来补。用零矢量来补。10ttt在在/3/3弧度内定子磁链矢量的增量为弧度内定子磁链矢量的增量为（4-67） n正六边形定子磁链的最大值正六边形定子磁链的最大值。 3)1(101)()(kjdssetUttkk0u11| )(| )(| )(|tUtkkkdsssu（4-68） 在直流电压不变的条件下，要保持在直流电压不变的条件下，要保持 恒定，恒定，只要使只要使 为常数。为常数。零矢量的插入有效地解决了定子磁链矢量

33、幅值与零矢量的插入有效地解决了定子磁链矢量幅值与旋转速度的矛盾。旋转速度的矛盾。| )(|ks1t在时间段在时间段 内，定子磁链矢量轨迹沿内，定子磁链矢量轨迹沿着有效工作电压矢量方向运行。着有效工作电压矢量方向运行。在时间段在时间段 内，零矢量起作用，定子内，零矢量起作用，定子磁链矢量轨迹停留在原地，等待下一个有磁链矢量轨迹停留在原地，等待下一个有效工作矢量的到来。效工作矢量的到来。电源角频率越低，零矢量作用时间也越大，电源角频率越低，零矢量作用时间也越大，定子磁链矢量轨迹停留的时间越长。定子磁链矢量轨迹停留的时间越长。 1t0t每个有效工作矢量在一个周期内只作用一每个有效工作矢量在一个周期内

34、只作用一次的方式只能生成正六边形的旋转磁场，次的方式只能生成正六边形的旋转磁场，与在正弦波供电时所产生的圆形旋转磁场与在正弦波供电时所产生的圆形旋转磁场相差甚远，六边形旋转磁场带有较大的谐相差甚远，六边形旋转磁场带有较大的谐波分量，这将导致转矩与转速的脉动。波分量，这将导致转矩与转速的脉动。要获得更多边形或接近圆形的旋转磁场，要获得更多边形或接近圆形的旋转磁场，就必须有更多的空间位置不同的电压空间就必须有更多的空间位置不同的电压空间矢量以供选择，但矢量以供选择，但PWMPWM逆变器只有逆变器只有8 8个基本个基本电压矢量，能否用这电压矢量，能否用这8 8个基本矢量合成其他个基本矢量合成其他多个

35、矢量多个矢量? ?答案是肯定的，按空间矢量的平行四边形答案是肯定的，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，这就是电压空间矢量成期望的输出矢量，这就是电压空间矢量PWMPWM（SVPWMSVPWM）的基本思想。）的基本思想。按按6 6个有效工作矢量将电压矢量空间分为对个有效工作矢量将电压矢量空间分为对称的六个扇区，每个扇区对应称的六个扇区，每个扇区对应/3/3，当期，当期望的输出电压矢量落在某个扇区内时，就望的输出电压矢量落在某个扇区内时，就用该扇区的两条边等效合成期望的输出矢用该扇区的两条边等效合成期望的输出矢量。量。所

36、谓等效是指在一个开关周期内，产生的所谓等效是指在一个开关周期内，产生的定子磁链的增量近似相等。定子磁链的增量近似相等。图图4-22 4-22 电压空间矢量的电压空间矢量的6 6个扇区个扇区以期望输出矢量以期望输出矢量落在第落在第I I扇区为扇区为例，分析电压空例，分析电压空间矢量间矢量PWMPWM的基的基本工作原理，由本工作原理，由于扇区的对称性，于扇区的对称性，可推广到其它各可推广到其它各个扇区。个扇区。图图4-23 期望输出电期望输出电压矢量的合成压矢量的合成在一个开关周期在一个开关周期 中，中， 的作用时间的作用时间为为 ， 的作用时间为的作用时间为 ，按矢量合，按矢量合成法则可得成法则

37、可得juuUTtjUTtUTteUTtUTtTtTtssdddjddssincos3sin3cos02020130201202101uuu（4-69） 0T1u1t2u2t令实部与虚部分别相等，解得令实部与虚部分别相等，解得（4-71） )sin31(cosu0s1dUTtsin3u23sinsinUu0sd0s2dUTTt（4-70） 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（4-73） （4-72） 1)6cos(3u2)sin31(cosuss021ddUUTttn输出电压矢量最大幅值为输出电压矢量最大幅值为 23usmaxdU由期望输出电压矢量的幅值及位置可确由期望

38、输出电压矢量的幅值及位置可确定相邻的两个基本电压矢量以及它们作定相邻的两个基本电压矢量以及它们作用时间的长短。用时间的长短。通常以开关损耗较小和谐波分量较小为通常以开关损耗较小和谐波分量较小为原则，安排基本矢量和零矢量的作用顺原则，安排基本矢量和零矢量的作用顺序，一般在减少开关次数的同时，尽量序，一般在减少开关次数的同时，尽量使使PWMPWM输出波型对称，以减少谐波分量。输出波型对称，以减少谐波分量。按照对称原则，将两个基本电压矢量按照对称原则，将两个基本电压矢量的作用时间、平分为二后，安放在开的作用时间、平分为二后，安放在开关周期的首端和末端，把零矢量的作关周期的首端和末端，把零矢量的作用时

39、间放在开关周期的中间，并按开用时间放在开关周期的中间，并按开关次数最少的原则选择零矢量。关次数最少的原则选择零矢量。图图4-24 4-24 零矢量集中的零矢量集中的SVPWMSVPWM实现实现0T0t10011011111010021t21t22t22t2u1u1u2u7uAuBuCu0T0t10011000011010021t21t22t22t2u1u1u2u0uAuBuCu)(a)(b将零矢量平均分为将零矢量平均分为4 4份，在开关周期份，在开关周期的首、尾各放的首、尾各放1 1份，在中间放两份，份，在中间放两份，将两个基本电压矢量的作用时间、平将两个基本电压矢量的作用时间、平分为二后，插

40、在零矢量间。分为二后，插在零矢量间。按开关损耗较小的原则，选取零矢量。按开关损耗较小的原则，选取零矢量。 图图4-25 4-25 零矢量分布的零矢量分布的SVPWMSVPWM实现实现0T20t10011011111010021t21t22t22t2u1u1u2u7uAuBuCu0u0u00000040t40t将占据将占据/3/3的定子磁链矢量轨迹等分的定子磁链矢量轨迹等分为为N N个小区间，每个小区间所占的时个小区间，每个小区间所占的时间为间为 NT103则定子磁链矢量轨迹为正则定子磁链矢量轨迹为正6N边形，轨边形，轨迹接近于圆，谐波分量小，能有效减迹接近于圆，谐波分量小，能有效减小转矩脉动。

41、小转矩脉动。图图4-26 N=44-26 N=4时，期望的时，期望的定子磁链矢量轨迹定子磁链矢量轨迹图图4-27 时，实际的定子时，实际的定子磁链矢量轨迹磁链矢量轨迹图图4-284-28定子旋定子旋转磁链矢量转磁链矢量轨迹轨迹实际的定子磁链矢量轨迹在期望的磁链实际的定子磁链矢量轨迹在期望的磁链圆周围波动。圆周围波动。N N越大，磁链轨迹越接近于越大，磁链轨迹越接近于圆，但开关频率随之增大。圆，但开关频率随之增大。由于由于N N是有限的，所以磁链轨迹只能接近是有限的，所以磁链轨迹只能接近于圆，而不可能等于圆。于圆，而不可能等于圆。 1. 1. 逆变器共有逆变器共有8 8个基本输出矢量，个基本输出

42、矢量，6 6个有效工个有效工作矢量和作矢量和2 2个零矢量，在一个旋转周期内，每个零矢量，在一个旋转周期内，每个有效工作矢量只作用个有效工作矢量只作用1 1次的方式，只能生成次的方式，只能生成正正6 6边形的旋转磁链，谐波分量大，将导致转边形的旋转磁链，谐波分量大，将导致转矩脉动。矩脉动。2. 2. 用相邻的用相邻的2 2个有效工作矢量，可合成任意个有效工作矢量，可合成任意的期望输出电压矢量，使磁链轨迹接近于圆。的期望输出电压矢量，使磁链轨迹接近于圆。开关周期越小，旋转磁场越接近圆，但功率器开关周期越小，旋转磁场越接近圆，但功率器件的开关频率提高。件的开关频率提高。3. 3. 利用电压空间矢量

43、直接生成三相利用电压空间矢量直接生成三相PWMPWM波，计算简便。波，计算简便。4. 4. 与一般的与一般的SPWMSPWM相比较，相比较，SVPWMSVPWM控制控制方式的输出电压可提高方式的输出电压可提高15%15%。对于风机、水泵类性能要求不高、只要在对于风机、水泵类性能要求不高、只要在一定范围内能实现高效率的调速就行的负一定范围内能实现高效率的调速就行的负载，可以根据电动机的稳态模型，采用转载，可以根据电动机的稳态模型，采用转速开环电压频率协调控制的方案，这就是速开环电压频率协调控制的方案，这就是一般的通用变频器控制系统。一般的通用变频器控制系统。所谓所谓“通用通用”，包含两方面的含义

44、：一是，包含两方面的含义：一是可以和通用的笼型异步电动机配套使用；可以和通用的笼型异步电动机配套使用；二是具有多种可供选择的功能，适用于各二是具有多种可供选择的功能，适用于各种不同性质的负载。种不同性质的负载。 由于系统本身没有自动限制起制动电流的作用，由于系统本身没有自动限制起制动电流的作用，因此，频率设定必须通过给定积分算法产生平因此，频率设定必须通过给定积分算法产生平缓的升速或降速信号缓的升速或降速信号 MsU)(1fUsPWM控制11*1),(*11tf图图4-34 转速开环变压变频调速系统转速开环变压变频调速系统其中其中 为上升时间，为上升时间， 为下降时为下降时间，可根据负载需要分

45、别进行选择。间，可根据负载需要分别进行选择。*11101*11101*11*1100)()()(ttdownNttupNdttdttt（4-88） updown当实际频率大于或等于额定频率时，只能当实际频率大于或等于额定频率时，只能保持额定电压不变。而当实际频率小于额保持额定电压不变。而当实际频率小于额定频率时，一般是带低频补偿的恒压频比定频率时，一般是带低频补偿的恒压频比控制。控制。NNNsfUfU111111)()(（4-89） 图图4-354-35为基于微机控制的数字控制通用变频为基于微机控制的数字控制通用变频器器异步电动机调速系统硬件原理图。它包异步电动机调速系统硬件原理图。它包括主电

46、路、驱动电路、微机控制电路、信号括主电路、驱动电路、微机控制电路、信号采集与故障综合电路。采集与故障综合电路。控制软件是系统的核心，除了控制软件是系统的核心，除了PWMPWM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。图图4-35 4-35 数字控制通用变频器数字控制通用变频器- -异步电动机调速系统硬件原理图异步电动机调速系统硬件原理图转速开环变频调速系统可以满足平滑调速转速开环变频调速系统可以

47、满足平滑调速的要求，但静、动态性能和调速范围都有的要求，但静、动态性能和调速范围都有限。限。采用转速闭环控制可提高静、动态性能，采用转速闭环控制可提高静、动态性能，实现稳态无静差，转速闭环转差频率控制实现稳态无静差，转速闭环转差频率控制的变压变频调速是基于异步电动机稳态模的变压变频调速是基于异步电动机稳态模型的转速闭环控制系统，但需增加转速传型的转速闭环控制系统，但需增加转速传感器、相应的检测电路和测速软件等。感器、相应的检测电路和测速软件等。异步电动机的电磁转矩公式异步电动机的电磁转矩公式 2 2122 1213lrrrgpeLsRRsEnTmNssmNssmNssgkNkNkNfE1112

48、1244. 444. 4代入代入将将 定义转差角频率定义转差角频率2 2122 122223lrrrmNsspeLsRRskNnT则则（4-90） 1ss22 2)(lrsrrsmmeLRRKT（4-91） 2223NsspmkNnK其中其中 当电机稳态运行时，转差当电机稳态运行时，转差s s较小，可以认为，较小，可以认为，则转矩可近似表示为则转矩可近似表示为2rsmmeRKT（4-92） 若能够保持气隙磁通不变，且在若能够保持气隙磁通不变，且在s s值较小的值较小的稳态运行范围内，异步电动机的转矩就近稳态运行范围内，异步电动机的转矩就近似与转差角频率成正比。似与转差角频率成正比。也就是说，在

49、保持气隙磁通不变的前提下，也就是说，在保持气隙磁通不变的前提下，可以通过转差角频率来控制转矩，这就是可以通过转差角频率来控制转矩，这就是转差频率控制的基本思想。转差频率控制的基本思想。 临界转矩临界转矩22lrmmemLKTlrrlrrsmLRLRn临界转差临界转差（4-93） （4-94） 要保证系统稳定运行，必须使要保证系统稳定运行，必须使系统最大的允许转差频率小于系统最大的允许转差频率小于临界转差频率临界转差频率eTsemTsm0lrrsmsLRmax就可以用转差频率来控制转就可以用转差频率来控制转矩。矩。n这是转差频率控制的基本这是转差频率控制的基本规律之一。规律之一。图图4-36 （

50、4-95） 上述规律是在保持恒定的前提下才成立上述规律是在保持恒定的前提下才成立的，那么如何保持恒定，是转差频率控的，那么如何保持恒定，是转差频率控制系统要解决的第二个问题。制系统要解决的第二个问题。按恒控制时可保持恒定，由单相等效电按恒控制时可保持恒定，由单相等效电路可得定子电压，路可得定子电压，m1111)()(glsssglssssELjRIELjRIU（4-96） 由此可见，要实现恒由此可见，要实现恒 控制，必须采控制，必须采用定子电流补偿控制，以抵消定子电阻用定子电流补偿控制，以抵消定子电阻和漏抗的压降。和漏抗的压降。理论上说，定子电流补偿应该是幅值和理论上说，定子电流补偿应该是幅值

51、和相位的补偿，但这无疑使控制系统复杂，相位的补偿，但这无疑使控制系统复杂，若忽略电流相量相位变化的影响，仅采若忽略电流相量相位变化的影响，仅采用幅值补偿。用幅值补偿。mm图图4-37 4-37 定子电流补偿的电压定子电流补偿的电压频率特性频率特性111112121)()()(),(gslsgslsgslssssCIZEIZEILRIfU（4-97） 在在 的范围内，转矩基本上与转差的范围内，转矩基本上与转差成正比，条件是气隙磁通不变。成正比，条件是气隙磁通不变。在不同的定子电流值时，按图在不同的定子电流值时，按图4-374-37的函数的函数关系控制定子电压和频率，就能保持气隙关系控制定子电压和

52、频率，就能保持气隙磁通恒定。磁通恒定。sms转速闭环的转差频率控制变压变频调速系转速闭环的转差频率控制变压变频调速系统共有两个转速反馈控制，以下分析两个统共有两个转速反馈控制，以下分析两个转速反馈的控制作用。转速反馈的控制作用。内环为正反馈，将转速调节器内环为正反馈，将转速调节器ASRASR的输出信的输出信号转差频率给定与实际转速相加，得到定号转差频率给定与实际转速相加，得到定子频率给定信号，子频率给定信号，*1s（4-99） n由于正反馈是不稳定结构，需设置转速负由于正反馈是不稳定结构，需设置转速负反馈外环，才能使系统稳定运行，反馈外环，才能使系统稳定运行，ASR为为转速调节器，一般选用转速

53、调节器，一般选用PI调节器。调节器。图图4-38 4-38 转差频率控制的转速闭环变压变频调速系转差频率控制的转速闭环变压变频调速系统结构原理图统结构原理图突加给定，假定转速调节器突加给定，假定转速调节器ASRASR的比例系数足的比例系数足够大，则够大，则ASRASR很快进入饱和，输出为限幅值，很快进入饱和，输出为限幅值，由于转速和电流尚未建立，给定定子频率，由于转速和电流尚未建立，给定定子频率，定子电压定子电压max*1smaxmax1sgsgsCEU（4-100） 起动电流等于最大的允许电流起动电流等于最大的允许电流 22max22max1max/lrsrglrsrgrQsQsLRCLRE

54、IIIn起动转矩等于系统最大的允许输出转矩起动转矩等于系统最大的允许输出转矩max2max21max33rsgprsgpeQeRCnREnTT（4-101） （4-102） 随着电流的建立和转速的上升，定子电压和频随着电流的建立和转速的上升，定子电压和频率按式（率按式（4-964-96）的规律上升，但由于转差频率）的规律上升，但由于转差频率不变，起动电流和起动转矩也不变，电动机在不变，起动电流和起动转矩也不变，电动机在允许的最大输出转矩下加速运行。允许的最大输出转矩下加速运行。因此，转差频率控制变压变频调速系统通过最因此，转差频率控制变压变频调速系统通过最大转差频率间接限制了最大的允许电流。大

55、转差频率间接限制了最大的允许电流。与直流调速系统相似，起动过程可分为转矩上与直流调速系统相似，起动过程可分为转矩上升、恒转矩升速与转速调节三个阶段：在恒转升、恒转矩升速与转速调节三个阶段：在恒转矩升速阶段内，转速调节器矩升速阶段内，转速调节器ASRASR不参与调节，不参与调节，相当于转速开环，在正反馈内环的作用下，保相当于转速开环，在正反馈内环的作用下，保持加速度恒定；转速超调后，持加速度恒定；转速超调后，ASRASR退出饱和，退出饱和，进入转速调节阶段，最后达到稳态。进入转速调节阶段，最后达到稳态。系统已进入稳定运行，负载转矩增大时，系统已进入稳定运行，负载转矩增大时，在负载转矩的作用下转速

56、下降，正反馈在负载转矩的作用下转速下降，正反馈内环的作用使下降，但在外环的作用下，内环的作用使下降，但在外环的作用下，给定转差频率上升，定子电压频率上升，给定转差频率上升，定子电压频率上升，电磁转矩增大，转速回升，到达稳态时，电磁转矩增大，转速回升，到达稳态时，转速仍等于给定值，电磁转矩等于负载转速仍等于给定值，电磁转矩等于负载转矩。转矩。图图4-39 4-39 转差频率控制的转速闭环变压变转差频率控制的转速闭环变压变频调速系统静态特性频调速系统静态特性eT0*LTLT系统具有一定的重载起动和过载能力，且起动系统具有一定的重载起动和过载能力，且起动电流小于允许电流，最大转差频率应满足电流小于允

57、许电流，最大转差频率应满足 22max2)(3sNlrIgsNrIsgpeNTrILCIRCnTR（4-103） 转差角频率与实测转速相加后得到定子转差角频率与实测转速相加后得到定子频率，在调速过程中，实际频率随着实频率，在调速过程中，实际频率随着实际转速同步地上升或下降，有如水涨而际转速同步地上升或下降，有如水涨而船高，因此加、减速平滑而且稳定。船高，因此加、减速平滑而且稳定。在起动过程中转速调节器在起动过程中转速调节器ASRASR饱和，系统饱和，系统以对应于的最大转矩起、制动，并限制以对应于的最大转矩起、制动，并限制了最大电流，保证了在允许条件下的快了最大电流，保证了在允许条件下的快速性。速性。转差频率控制系统是基于异步电动机稳态转差频率控制系统是基于异步电动机稳态模型的，所谓的模型的，所谓的“保持磁通恒定保持磁通恒定”的结论的结论也只在稳态情况下才能成立。在动态中难也只在稳态情况下才能成立。在动态中难以保持磁通恒定，这将影响到系统的动态以保持磁通恒定，这将影响到系统的动态性能。性能。只抓住了定子电流的幅值，没有控制到电只抓住了定子电流的幅值，没有控制到电流的相位，而在动态中电流的相位也是影流的相位，而在动态中电流的相位也是影响转矩变化的因素。响转矩变化的因素。