交流电动机及变频调速技术

1、周国兴教授交流电动机及变频调速技术交流电动机及变频调速技术周国兴教授第一章 交流电动机与电力拖动基础知识第一节 交流电机的工作原理-异步电动机和同步电动机一 三相异步电动机 当 三相对称绕组旋转磁场m_三相交流电压 旋转速度为：图1 异步电动机旋转方向由A,B,C相序而变。表示为鼠笼，感应出电势 e2=BLv,方向右手定则判断。(左手)，产生力矩使转子跟随旋转磁场方向，旋转速度为，所以叫异步电机。若，就没有力矩了。所以， = 转差率：，如定子与异步电机一样为三相对称绕组。二 三相同步电机旋转磁场m_ 转子为直流励磁的电磁铁。如图示：因此，转子就跟随定子旋转磁场，以同样的速度n1旋转，所以叫同步

2、电动机。这种转子励磁的同步电机，目前主要用于发电机，及大功率的同步电动机。目前有一种转子为永磁的同步电动机，称为永磁同步电动机，在中小功率和伺服电机方面发展很有前途。图2图3这种电动机定子与异步电动机一样，只是将转子表面贴有（或嵌有）永磁铁（铷铁硼）。因此，转子就没有滑环和电刷了。见图3。因为同步电动机的特性好，再加上永磁的磁场可以设计得较高，因此同步电动机的功率密度可以做得较大。也就是同容量的永磁同步电动机比异步电动机小很多。另外，可以做成多极，扁形，适宜制成低速大力矩的无齿轮系统，目前已广泛用于电梯。如 通力电梯中 16极，P=8 ,.所以 （变频器输出）这样的电梯曳引机就没有齿轮箱了。第

3、二节 交流异步电机的参数和机械特性一等值电路图4 等效电路图所以，异步电机有定子，转子和励磁共6个参数。这些参数难以检测，而且是非线性的，又可能随时而变化，这就是异步电动机难以控制的原因。几个公式：（转子频率）所以，当负载增加时，产生足够力矩满足负载需要。二异步电动机的功率关系1输入功率 2去掉：定子损耗 励磁损耗 剩下电磁功率 通过感应传递到转子。3机械输出功率 减掉转子损耗。一个电动机名牌上标明10KW，即是轴上能输出额定功率10KW。其效率 = 4几个力学公式： 功率： 9550975=9.8 式中：TNm，n=转/分经验 或 GD2= GD2d+ GD2f 力矩平衡：，电动机力矩，负载

4、力矩负载折算到电动机轴上的GD2 f一般情况下不知道，可以认为GD2 f GD2d当 加速 恒速 减速 根据上式,可以计算电动机的起、制动时间和加速、减速时间。注意： 负载力矩的或 与负载性质和工作状态有关。三、异步电动机的机械特性（的关系曲线）1机械特性曲线上4个点的说明：S点同步转速点（即理想空载转速点）；点额定工作点或工作点；点最大力矩工作点（极限）；点起动点，这时的力矩即为起动力矩；一般运行在点直线为 能稳定运行2 ，因此定子电压下降会造成力矩以平方关系的下降13起动点，电流很大，但并不大。图5：异步机机械特性4为最大力矩点，超过这一力矩电机就堵转四异步电动机调速方法：调极对数双速，多

5、速电动机调频率 平滑调速调速方法调转差率（包括定子调压，转子调电阻），很少用了图6 变频调速五、电气制动方法 电源反接制动（起重机上有用，制动电流很大，必须采取技术措施） 回馈制动：，减速过程，车辆下坡，重物下放 。如电梯上从6极绕组切换到24极绕组时， 回馈制动。转子转速（24极），发电状态图7：回馈制动过程右手判定电势方向，左手判定力矩方向。说明：转子感应电流产生的力矩是阻止转子的惯性速度的，所以很快制动减速，直到转子转速。（24极） 能耗制动：定子绕组某两相突然送入直流电，形成电磁铁，转子的惯性使转子绕组中产生电流，产生制动力矩。见图：用右手判断转子感应电势（电流）方向。左手判断力矩为阻

6、止电机转子原有的惯性运行方向，所以很快制动，能量消耗在转子电阻中。准确停车也叫直流制动防止倒溜图8：能耗制动第三节 同步电动机转子直流励磁式和转子永磁式两类一励磁式同步电动机（为图2） 定子为三相对称绕组，送入三相电流后产生旋转磁场，其转速为；转子因为是电磁铁，所以就跟随着定子旋转磁场转动，且，所以称同步电动机。图9从矢量图上的几何关系，可知定子电流 及其分量 转子励磁电流 定子电流与轴夹角 ， 与的夹角即为功率因数角，且。因此我们可以在控制系统中，可以设定的励磁分量，以调节角，即调节功率因数。如希望=0，即。这就是励磁同步电动机至今在大型电力拖动系统中，还是有市场的原因之一，它一方面可以作功

7、，同时也能调节功率因数。同步电动机力矩。这就是同步电动机可用矢量变换的办法进行力矩控制的原理。二永磁式同步电动机（图3）目前常用的为铷铁硼（Nd.Fe.B）永磁材料，1983年制成这种材料。全球85%的储量在中国，因此我国有发展永磁同步电机的有利条件。图10 我们要设法检测转子的位置。然后希望与d轴，即与M轴的夹角，这样：，即定子电流没有励磁分量。，即定子电流完全为力矩分量。所以永磁同步电动机，必须有转子位置检测器。随时检测到转子的位置。然后控制定子电流矢量： 以这样的三相电流作为指令，组成一个电流跟踪型变频调速系统，如图11：PI调节器直流控制图11：电流跟踪型正弦波永磁同步电机调速系统从图

8、11可见：这种自控式电流跟踪型正弦波永磁同步电机调速系统，有以下优点：1）、控制系统组成很简单，不用普通的PWM形成器，而用电流跟踪的办法通过二位式调节器实现PWM控制。而且不需矢量控制这么复杂的坐标变换。2）、电机轴上装转子位置检测器，检测转子永磁极的位置，然后指令变频器工作，使定子电流矢量与转子位置夹角既不容易失步，又能产生较大的力矩，使动态性能大大提高。3）、由于电机本身的特点，功率密度高，体积比同容量异步电机小30%左右，转子没有发热损耗，效率高10%，无滑环、可靠性也好。4）、便于制成扁型多级结构，低速性能好，过载倍数大，宜于无齿轮直接转动。5）、对电梯、起重类负荷，出现停电或超速时

9、，只要把定子三相绕组自行短接，就能实现低速“溜车”，不会产生重大事故。第二章 变频调速基本知识第一节 变频调速原理一、 什么叫变频调速? ，改变电源频率就能使电动机平滑调速，如6P电机 50Hz n1=1000rpm 25Hz n1=500 rpm 5Hz n1=100 rpm5Hz 1Hz n1=20 rpm图12：变频调速所以平滑调节电动机的供电频率，就能平滑调节其速度。运行在转差率s很小的条件下二、 为什么变频调速能节能？从图12可见，异步电动机的变频调速机械特性平行下移。都工作在转差率S很小的条件下，如6p电机，频率从50Hz调节到5Hz转速从960rpm下降到96rpm（恒转矩），他

10、们的转差率，都不大。如果采用其它调速方法改变S，如定子调压，从960rpm调到96rpm时，这时的，因此转子感应很大的电压，形成很大的电流而发热。三、怎样实现变频？工业用电频率一般为50Hz，要得到一个频率可以连续调节的变频电源，过去曾使用变频发电机组。随着技术的进步，现在都用大功率半导体开关器件来实现电子式变频，常用的是AC1DCAC2 模式，即交直交模式。如单相变频电路，见图13图13：单相变频原理图开关管1、2和3、4，两组轮流导通，就把直流变成交变的方波。这也就是交流了。如果控制工作周期，也即可以改变输出频率。图14为典型的三相桥式180变频器（常用）R图14 三相桥式180度变频器U

11、ab图15 180导通型变频器工作原理说明： 180导通型变频器，每管工作180，6个管子互差60依次触发导通。 同一时刻有三个管子同时导通，如t1时刻（60范围内），管1、5、6同时导通。从等效电路上看出三相的电压分配。 ，如电容足够大，则。 大电容（电解）C，是储能电容，起到恒压源的作用。不仅容量要大，而且耐压要高，而且能经受大电流冲击，不能称它为滤波电容。电阻R为限制大容量充电电流过大的限流电阻，充电后短路掉。 IGBT模块IPM新一代智能功率模块 IGBT等效：场效应管（MOSFET）电压触发加GTR（大功率三极管）的耐压高，管压降小。 T7 管为泵升电压限制，驱动能耗制动电阻Rt，在

12、减速过程中电动机转速n1（旋转磁场转速）电机的机械惯性使其发电通过6个续流二极管把发出的交流电整流为直流电向大电容充电充电到一定限值为700v时控制器发出信号触发T7 管，使Rt接入，电容放电。这样重复充放电，把能量在电阻上消耗掉一些，同时，对电机起到能耗制动作用。第二节 变频调速基本问题一、为什么要用变频调速？前述能平滑调速，且节能，这是基本点。另外： 异步电动机本身坚固、便宜、无维修。 已经解决了静、动态性能问题可与直流调速系统媲美。 在特大、特小功率系统中有优势，交流电机可以制成高压，特大容量、小电机可以用永磁同步电机。 实现超高速运行的可能性、如，。 防爆等特殊环境下运行。 实现软起动

13、，无触点快速正反转，快速制动等。 多电机同步运行二、恒磁通控制问题异步电动机力矩公式： 没有独立的励磁绕组，如何维持恒定？ 和都与转差率S有关，是一个时间变量所以异步机的力矩不像直流机那么容易控制。根据： 常数但是定子绕组的每相反电势，无法直接测量，而极电压V1与差。而且是矢量关系。所以在频率较低时，电压必须提升。为补偿，以使常数是电压提升，也即力矩提升，所以在调频的时候，同时要调电压。即常数。这是一种最简单的维持恒定的控制方法。在开环运行低频范围内必须加“电压提升”，20%否则起动力矩不够。为了维持C，所以在调频的过程中，必须同时调压，这就是VV、VF，即3VF的由来。三、脉宽调制问题：（S

14、.P.W.M，正弦波脉宽调制）1、 什么叫脉宽调制？把变频器输出的交流方波，斩波成为不同宽度的小方波组合，得到等效的正弦波。并控制其脉宽周期，实现调频。图16为正弦脉宽调制波形等效正弦波图16 SPWM波形2、 为什么要把方波变成SPWM波形？ 谐波小（高频调制，调制频率可达16KC），以使输出电流基本为正弦波，使电机的脉动力矩（电流）小。 一个逆变器，同时实现常数的控制。 较高。 动态响应快（开关频率高）。 低速性能好。3、 SPWM的实现把方波调制成等效正弦波是基于等面积的概念。图17 SPWM等效正弦波原理方法： 正弦波与波(三角波)相调制硬件专用芯片HEF4752、Siemens 45

15、20等。被调制波 调制波SPWM电流跟踪型单片机 80C196MC图17：SPWM的形成第三节 异步电机的“矢量控制”（一）、基本思想寻找等效直流电机 图 18 定子励磁恒定前述异步电动机： 图 19 异步电机模型 所以，调频时一定要调压VV . VF 3VF变压.变频双输入（U1，f1）,双输出（，）,是多变量系统，而且相互交叉耦合的 异步电机没有独立的励磁绕组难U1，i1都是独立的时间变量，其夹角也在变。磁通也是一个正弦分布的空间旋转矢量。希望寻找：两个独立的变量 一个分量决定磁通 一个分量决定力矩 并能直观和测量，并分别进行控制，但又不失其交流电机的本质（等功率，等旋转磁场）。Im (励

16、磁分量无功分量)方法：It (力矩分量有功分量) 把I1分解分别进行闭环控制还原成交流量来控制交流电动机。这就是交流电机的坐标变换控制法简称“矢量控制 ”。 1971年Blascheke发明。 图20 异步电动机等效变换示意图三相电动机 两相电动机 直流电动机 等效条件： 产生同样的旋转磁场 功率不变1.等效直流机（虚拟），m,t 坐标 （旋转）两相异步机，, 坐标 （固定）三相异步机，a,b,c 坐标 （固定）（二）、坐标变换 3/2 变换 图21三相变两相投影图 矩阵表达式：同理，电压、磁通都可以32变换 矩阵系数：A=C3/2、2相3相变换 VRVD 矢量旋转 或 图22 矢量旋转矩阵表

17、达式：VA矢量分析 图 23 矢量分析（三）、异步电动机坐标变换结构图图24 等效异步电机 内部是控制等效直流电机 闭环，维持恒定 闭环，实现间接力矩控制 实现速度的高动态响应 （四）、矢量控制原理框图 图 25矢量控制典型框图 （六）、典型的矢量控制系统 转速、力矩、磁通闭环的矢量控制系统图 26转子磁链矢量控制框图 . . . 优点：得到了直流双闭环的特性和效果， 补偿了磁通闭环的不足。 缺点：受电机参数的影响， 等 电机转子参数的变化和不可测性，影响系统的转矩控制精度。 为此引进了许多方法，形成了多种方案。第三章 典型生产机械及其变频调速系统第一节 典型生产机械的负载转矩特性一. 恒转矩

18、负载1. 反抗性（摩擦性）恒转矩负载这种负载性质，其转矩与转速无关，而且总是反对运动的方向。如金属压延，机床台面行走。图27 反抗性恒转矩负载图28 位能性转矩负载2. 位能性负载（电梯、起重机）电梯、起重机类负载为位能性负载，其特点是负载力矩总是由重力决定，因此其方向总是的，不随转速方向而改变。二.通风机、泵类负载其特点是 图29 通风机负载特性三. 恒功率负载有些生产机械的工艺要求，如车床。粗切消小，大 精切消大，小 因此可以认为 图30 恒功率负载特性由图30可见，这种负载在额定频率（转速）以下为恒磁通，恒转矩性质。在50Hz以上，进入弱磁区，即恒功率区。第二节 电梯的变频调速系统一、

19、位能性负载的四象限运行G1=较厢自重：1000kgG2=载重，如1000kg 平衡重为什么这样配置，以便获得较小的曳引功率如空较厢时：两边力差500k满载时：两边力差也为500k如果不用平衡重，就变成卷扬机了，因此在满载时要有2000kg的提升力，这样电机的功率就要增加倍。图31 电梯示意图图31电梯示意图电梯要完成四种工作状态：1、重载上升 ， 处于第一象限，电动运行状态2、空（轻）载上升 ， ，较厢上升越来越快 ，到第二象限，电机再生制动，3、空载下降 ， 反转电动状态：第三象限4、重载下降 ， 重物匀速下降，电机处于制动状态图32 电梯四象限运行二、 电梯电动机功率选择对1000kg（1

20、5人）= 平衡系数 =0.55 蜗轮蜗杆0.75 斜齿轮0.85 无齿轮 代入上式选择11.2kw的电梯专用电动机25A 6p（p=3）金茂大厦电梯， 无凿=0.85实际选永磁同步电动机：130kw，270v，325A，157r.p.m，41.9Hz，32极以电梯为例，校验计算机机械部分参数转动比 绳轮直挂由图31可见：电梯的运行线速度，即为绳轮的线速度三、 电梯的运行曲线电梯是垂直交通工具，因此有一个平稳和舒适的问题，当然可靠性是第一位的。控制起动段0t3制动段t4t7 的所谓S形曲线，就是为了限制其加速度和加加速度，以使人感到舒适。一般因此要求变频器有S曲线功能，或电脑控制板有S曲线的速度指令曲线。要实现速度的S曲线，关键是电动机的力矩控制，特别是起动和制动这一阶段电动机必须有适当的动态力矩，以控制。为此电梯需用“矢量控制”变频器，并且要在现场适当地调整到“舒适”为止。图33 电梯运行速度图第三节 风机和水泵的节能调速风机水泵的电力消耗约占全国总发电量的30%，因此其节电调速的意义很重大。过去风机和泵常用恒速电机驱动，控制流量靠阀门或挡板，这样浪费很多电能。风机和泵类负载的主要参数有：流量压力H（Pa，mpa），轴功率电动机功率：图34