第5章 运动控制系统基于稳态模型异步电动机调速系统

1、电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统 运动控制系统运动控制系统第第5章章基于稳态模型的异基于稳态模型的异步电动机调速系统步电动机调速系统 基于稳态模型的异步电动机调速基于稳态模型的异步电动机调速l在基于稳态模型的异步电动机调速在基于稳态模型的异步电动机调速系统中，采用稳态等值电路来分析系统中，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异步电动机在不同电压和频率供电条件下的转矩与磁通的稳态关系和条件下的转矩与磁通的稳态关系和机械特性，并在此基础上设计异步机械特性，并在此基础上设计异步电动机调速系统。电动机调速系统。基于稳态模型的调速方法基于稳态模型的调速方法l常用的基于稳态模型的异

2、步电动机常用的基于稳态模型的异步电动机调速方法有调压调速和变压变频调调速方法有调压调速和变压变频调速两类。速两类。内内 容容 提提 要要n异步电动机稳态数学模型和调速方法异步电动机稳态数学模型和调速方法n异步电动机调压调速异步电动机调压调速n异步电动机变压变频调速异步电动机变压变频调速n电力电子变压变频器电力电子变压变频器n转速开环变压变频调速系统转速开环变压变频调速系统n转速闭环转差频率控制的变压变频调速转速闭环转差频率控制的变压变频调速系统系统5.1 异步电动机稳态数学模异步电动机稳态数学模型和调速方法型和调速方法l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

3、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稳态等值电路描述了在一定的转差率下电动机的稳态电气特性。下电动机的稳态电气特性。机械特性则表征了转矩与转差率（或机械特性则表征了转矩与转差率（或转速）的稳态关系。转速）的稳态关系。5.1.1异步电动机稳态数学模型异步电动机稳态数学模型l转差率与转速的关系转差率与转速的关系11nnsn1(1)ns n或或 电动机极对数电动机极对数 供电电源频率供电电源频率 l同步转速同步转速 1160pfnn1fpn异步电动机稳态等效电路异步电动机稳态等效电路图图5-1 异步电动机异步电

4、动机T型等效电路型等效电路假定条件：忽略空间和时间谐波，假定条件：忽略空间和时间谐波，忽略磁饱和，忽略铁损忽略磁饱和，忽略铁损异步电动机稳态等效电路异步电动机稳态等效电路式中式中 l转子相电流（折合到定子侧）转子相电流（折合到定子侧） 212121lrlsrssrLCLsRCRUImlsmlssLLLjLjRC11111异步电动机稳态等效电路异步电动机稳态等效电路图图5-2 异步电动机简化等效电路异步电动机简化等效电路忽略励磁电流忽略励磁电流异步电动机稳态等效电路异步电动机稳态等效电路2212lrlsrssrsLLsRRUIIl简化等效电路的相电流简化等效电路的相电流异步电动机的机械特性异步电

5、动机的机械特性l异步电动机传递的电磁功率异步电动机传递的电磁功率 l机械同步角速度机械同步角速度 sRIPrrm2 3pmn11异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性l异步电动机的电磁转矩（机械特性方程式异步电动机的电磁转矩（机械特性方程式 ）22122122212122 113/33lrlsrsrsplrlsrsrsprrpmmeLLsRsRsRUnLLsRRsRUnsRInPT异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性对对s求导，并令求导，并令 0dsdTel最大转矩，又称临界转矩最大转矩，又称临界转矩 221212)(23lrlsssspemLLRRUnT异步电动机的机械特性异步电动机的

6、机械特性l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2212)(lrlssrmLLRRs异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性将机械特性方程式分母展开将机械特性方程式分母展开2222222112222222113232psresrsrlslrpsrlslrssrrn U R sTs RRsR RsLLn U R sLLsR ssR RR异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性当当s很小时，忽略分母中含很小时，忽略分母中含s各项各项213psern U sTsRl转矩近似与转矩近似与s成正比，机械特性近似为直成正比，机械特性近似为直线线 异步电动机的机械特性异步电动机的机

7、械特性当当s较大时，忽略分母中较大时，忽略分母中s的一次项和零次项的一次项和零次项l转矩近似与转矩近似与s成反比，机械特性是一段双曲成反比，机械特性是一段双曲线线22221131psreslslrn U RTss RLL异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性l异步电动机由额异步电动机由额定电压、额定频定电压、额定频率供电，且无外率供电，且无外加电阻和电抗时加电阻和电抗时的机械特性方程的机械特性方程式，称作固有特式，称作固有特性或自然特性。性或自然特性。图图5-3 异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性5.1.2异步电动机的调速方异步电动机的调速方法与气隙磁通法与气隙磁通l异步电动机的调速方

8、法异步电动机的调速方法所谓调速，就是人为地改变机械特性所谓调速，就是人为地改变机械特性的参数，使电动机的稳定工作点偏离固有的参数，使电动机的稳定工作点偏离固有特性，工作在人为机械特性上，以达到调特性，工作在人为机械特性上，以达到调速的目的。速的目的。异步电动机的调速方法异步电动机的调速方法由异步电动机的机械特性方程式由异步电动机的机械特性方程式可知，能够改变的参数可分为可知，能够改变的参数可分为3类：类：电动机参数、电源电压和电源频率（或角频电动机参数、电源电压和电源频率（或角频率）。率）。22222113psresrlslrn U R sTsRRsLL异步电动机的气隙磁通异步电动机的气隙磁通

9、l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14.44SgsmNEf N k14.44SsgsmNUEf N k异步电动机的气隙磁通异步电动机的气隙磁通l气隙磁通气隙磁通 l为了保持气隙磁通恒定，应使为了保持气隙磁通恒定，应使 11/mgsEfUf1gEf常数s1Uf常数或近似为或近似为 5.2 异步电动机调压调速异步电动机调压调速l保持电源频率为额定频率，只改变定保持电源频率为额定频率，只改变定子电压的调速方法称作调压调速。子电压的调速方法称作调压调速。l由于受电动机绝缘和磁路饱和的限制，由于受电动机绝

10、缘和磁路饱和的限制，定子电压只能降低，不能升高，故又定子电压只能降低，不能升高，故又称作降压调速。称作降压调速。异步电动机调压调速异步电动机调压调速l调压调速的基本特征：电动机同步转速保调压调速的基本特征：电动机同步转速保持额定值不变持额定值不变 l气隙磁通气隙磁通 随定子电压的降低而减小，属于弱磁调速。随定子电压的降低而减小，属于弱磁调速。11160NNpfnnn14.44SsmsNUf N k5.2.1 异步电动机调压调速的主电路异步电动机调压调速的主电路图图5-4 晶闸管交流调压器调速晶闸管交流调压器调速TVC双双向晶闸管向晶闸管交流调压交流调压器器a) 不可逆不可逆电路电路b) 可逆电

11、可逆电路路5.2.2 异步电动机调压调速异步电动机调压调速的机械特性的机械特性可调可调 l调压调速的机械特性表达式调压调速的机械特性表达式22222113psresrlslrn U R sTsRRsLLsUl电磁转矩与定子电压的平方成正比电磁转矩与定子电压的平方成正比 5.2.2 异步电动机调压调速异步电动机调压调速的机械特性的机械特性l临界转差率保持不变临界转差率保持不变 l理想空载转速保持为同步转速不变理想空载转速保持为同步转速不变 01Nnn2212)(lrlssrmLLRRs5.2.2 异步电动机调压调速异步电动机调压调速的机械特性的机械特性l临界转矩临界转矩 221212)(23lr

12、lsssspemLLRRUnTl 随定子电压的减小而成平方比地下随定子电压的减小而成平方比地下降降5.2.2 异步电动机调压调速异步电动机调压调速的机械特性的机械特性图图5-5 异步电动机调压调速的机械特性异步电动机调压调速的机械特性5.2.2 异步电动机调压调速异步电动机调压调速的机械特性的机械特性l带恒转矩负载时，普通笼型异步电动机降带恒转矩负载时，普通笼型异步电动机降压调速时的稳定工作范围为压调速时的稳定工作范围为 调速范围有限，图中调速范围有限，图中A、B、C为恒转矩负载为恒转矩负载在不同电压时的稳定工作点。在不同电压时的稳定工作点。l带风机类负载运行，调速范围可以稍大一带风机类负载运

13、行，调速范围可以稍大一些，图中些，图中D、E、F为风机类负载在不同电压为风机类负载在不同电压时的稳定工作点。时的稳定工作点。0mss5.2.2 异步电动机调压调速异步电动机调压调速的机械特性的机械特性带恒转矩负载工作时，定子侧输入的电带恒转矩负载工作时，定子侧输入的电磁功率磁功率故电磁功率恒定不变，与转速无关。故电磁功率恒定不变，与转速无关。 11LmmLpTPTn1LT、均为常数均为常数 5.2.2 异步电动机调压调速异步电动机调压调速的机械特性的机械特性l转差功率转差功率 随着转差率的加大而增加。随着转差率的加大而增加。l带恒转矩负载的降压调速就是靠增大转带恒转矩负载的降压调速就是靠增大转

14、差功率、减小输出功率来换取转速的降低。差功率、减小输出功率来换取转速的降低。l增加的转差功率全部消耗在转子电阻上，增加的转差功率全部消耗在转子电阻上，这就是转差功率消耗型的由来。这就是转差功率消耗型的由来。1 LsmmLpTPsPsTsn5.2.2 异步电动机调压调速异步电动机调压调速的机械特性的机械特性l增加转子电阻值，增加转子电阻值，临界转差率加大，临界转差率加大，可以扩大恒转矩负可以扩大恒转矩负载下的调速范围，载下的调速范围，这种高转子电阻电这种高转子电阻电动机又称作交流力动机又称作交流力矩电动机。矩电动机。l缺点是机械特性缺点是机械特性较软。较软。 图图5-6 高转子电阻电动机（交流力

15、矩高转子电阻电动机（交流力矩电动机）在不同电压下的机械特性电动机）在不同电压下的机械特性5.2.3 闭环控制的调压调速系统闭环控制的调压调速系统l要求带恒转要求带恒转矩负载的调矩负载的调压系统具有压系统具有较大的调速较大的调速范围时，往范围时，往往须采用带往须采用带转速反馈的转速反馈的闭环控制系闭环控制系统统。图图5-7 带转速负反馈闭环控带转速负反馈闭环控制的交流调压调速系统制的交流调压调速系统 5.2.3 闭环控制的调压调速系统闭环控制的调压调速系统l当系统带负载稳定时，如果负载增大或减当系统带负载稳定时，如果负载增大或减小，引起转速下降或上升，反馈控制作用小，引起转速下降或上升，反馈控制

16、作用会自动调整定子电压，使闭环系统工作在会自动调整定子电压，使闭环系统工作在新的稳定工作点。新的稳定工作点。l按照反馈控制规律，将稳定工作点连接起按照反馈控制规律，将稳定工作点连接起来便是闭环系统的静特性。来便是闭环系统的静特性。5.2.3 闭环控制的调压调速系统闭环控制的调压调速系统l静特性左右静特性左右两边都有极两边都有极限，它们是限，它们是额定电压下额定电压下的机械特性的机械特性和最小输出和最小输出电压下的机电压下的机械特性。械特性。图图5-8 转速闭环控制的交流转速闭环控制的交流调压调速系统静特性调压调速系统静特性sNUminsU*5.2.4降压控制应用降压控制应用l三相异步电动机直接

17、接电网起动时，起动三相异步电动机直接接电网起动时，起动电流比较大，而起动转矩并不大。电流比较大，而起动转矩并不大。2212lrlsrssrstsstLLRRUII2222113psrestsrlslrn U RTRRLL*5.2.4降压控制应用降压控制应用l中、大容量电动机的起动电流大，会使电中、大容量电动机的起动电流大，会使电网压降过大，影响其它用电设备的正常运网压降过大，影响其它用电设备的正常运行，甚至使该电动机本身根本起动不起来。行，甚至使该电动机本身根本起动不起来。l必须采取措施来降低其起动电流，常用的必须采取措施来降低其起动电流，常用的办法是降压起动。办法是降压起动。*软起动器软起动

18、器l当电压降低时，起动电流将随电压成正比当电压降低时，起动电流将随电压成正比地降低，从而可以避开起动电流冲击的高地降低，从而可以避开起动电流冲击的高峰。峰。l起动转矩与电压的平方成正比，起动转矩起动转矩与电压的平方成正比，起动转矩的减小将比起动电流的降低更多，降压起的减小将比起动电流的降低更多，降压起动时又会出现起动转矩不够的问题。动时又会出现起动转矩不够的问题。l降压起动只适用于中、大容量电动机空载降压起动只适用于中、大容量电动机空载（或轻载）起动的场合。（或轻载）起动的场合。*5.2.4降压控制应用降压控制应用l三相异步电动机运行时的总损耗三相异步电动机运行时的总损耗 smechCurFe

19、Cusppppppl电机的运行效率电机的运行效率 pPPPP2212*轻载降压运行轻载降压运行l为了减少轻载时的能量损耗，降低定子电为了减少轻载时的能量损耗，降低定子电压可以降低气隙磁通，这样可以同时降低压可以降低气隙磁通，这样可以同时降低铁损和励磁电流。铁损和励磁电流。l过分降低电压和磁通，转子电流必然增大，过分降低电压和磁通，转子电流必然增大，定子电流反而可能增加，铁损的降低将被定子电流反而可能增加，铁损的降低将被铜损的增加填补，效率反而更差了。铜损的增加填补，效率反而更差了。l当负载转矩一定时，轻载降压运行有一个当负载转矩一定时，轻载降压运行有一个最佳电压值，此时效率最高。最佳电压值，此

20、时效率最高。5.3 异步电动机变压变频调速异步电动机变压变频调速l变压变频调速是改变异步电动机同步转速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，同步转速随频率而变化的一种调速方法，同步转速随频率而变化ppnnfn260601115.3.1 变压变频调速的基本原理变压变频调速的基本原理l异步电动机的实际转速异步电动机的实际转速 1111(1)ns nnsnnnl稳态速降稳态速降 1snn 随负载大小变化随负载大小变化 气隙磁通气隙磁通控制控制l只要控制只要控制14.44SgsmNEf N k1=()4.44SgSSLsgs NmEI RXUEf Nk便可控制气隙磁通便可控制气隙磁通 基

21、频以下调速基频以下调速 l当异步电动机在基频（额定频率）以下运当异步电动机在基频（额定频率）以下运行时，如果磁通太弱，没有充分利用电机行时，如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；如果磁通过大，又的铁心，是一种浪费；如果磁通过大，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时还会因绕组过热而损坏电机。严重时还会因绕组过热而损坏电机。l最好是保持每极磁通量为额定值不变。最好是保持每极磁通量为额定值不变。基频以下调速基频以下调速 l当频率从额定值向下调节时，必须使当频率从额定值向下调节时，必须使 14.44SgsNmNEN kf常值l基频以下应采用电

22、动势频率比为恒值的基频以下应采用电动势频率比为恒值的控制方式。控制方式。基频以下调速基频以下调速 l恒压频比的控制方式恒压频比的控制方式 当电动势值较高时，忽略定子电阻和漏感当电动势值较高时，忽略定子电阻和漏感压降，压降，gsEU 基频以下调速基频以下调速 l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。量比较显著，不能再忽略。人为地把定子电压抬高一些，以补偿定人为地把定子电压抬高一些，以补偿定子阻抗压降。子阻抗压降。负载大小不同，需要补偿的定子电压也负载大小不同，需要补偿的定子电压也不一样。不一样。

23、基频以下调速基频以下调速 l通常在控制软通常在控制软件中备有不同件中备有不同斜率的补偿特斜率的补偿特性，以供用户性，以供用户选择。选择。a无补偿无补偿 b带定子带定子电压补偿电压补偿图图5-9 恒压频比控制特性恒压频比控制特性基频以上调速基频以上调速 l在基频以上调速时，频率从向上升高，在基频以上调速时，频率从向上升高，受到电机绝缘耐压和磁路饱和的限制，受到电机绝缘耐压和磁路饱和的限制，定子电压不能随之升高，最多只能保定子电压不能随之升高，最多只能保持额定电压不变。持额定电压不变。l这将导致磁通与频率成反比地降低，这将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。使得异步电动机工作

24、在弱磁状态。变压变频调速变压变频调速 图图5-10 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5.3.2 变压变频调速时的机械变压变频调速时的机械特性特性l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22122121)()(3lrlsrsrspeLLsRsRRsUnT基频以下调速基频以下调速l当当s很小时，忽略上式分母中含很小时，忽略上式分母中含s各项，各项，sRsUnTrspe1213或或 2113sperUnTRs基频以下调速基频以下调速l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

25、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。2111210602reeppsR TnsnsTnnU 基频以下调速基频以下调速l临界转矩临界转矩 随着频率的降低而减小。随着频率的降低而减小。l当频率较低时，电动机带载能力减弱，采当频率较低时，电动机带载能力减弱，采用低频定子压降补偿，适当地提高电压，可用低频定子压降补偿，适当地提高电压，可以增强带载能力。以增强带载能力。221121)(123lrlsssspemLLRRUnT基频以下调速基频以下调速l转差功率转差功率 与转速无关，故称作转差功率不变型。21213resmespR TPsPsTUn基频以上调速基频以上调速l电压不能从

26、额定值再向上提高，只能电压不能从额定值再向上提高，只能保持不变，机械特性方程式可写成保持不变，机械特性方程式可写成l临界转矩表达式临界转矩表达式 2212212)()(3lrlsrsrsNpeLLsRsRsRUnT221212)(123lrlssssNpemLLRRUnT基频以上调速基频以上调速l临界转差临界转差 l当当s很小时，忽略上式分母中含很小时，忽略上式分母中含s各项各项 2212)(lrlssrmLLRRs213sNeprUsTnR或或21123repsNR Tsn U基频以上调速基频以上调速l带负载时的转速降落带负载时的转速降落 l对于相同的电磁转矩，角频率越大，转速对于相同的电磁

27、转矩，角频率越大，转速降落越大，机械特性越软，与直流电动机弱降落越大，机械特性越软，与直流电动机弱磁调速相似。磁调速相似。21112210602reppsNR TnsnsnnU 基频以上调速基频以上调速l转差功率转差功率 l带恒功率负载运行时带恒功率负载运行时221123resmepsNR TPsPsTn U转差功率基本不变。转差功率基本不变。221eT常数变压变频调速时的机械特性变压变频调速时的机械特性图图5-11 异步电动机变压变频调速机械特性异步电动机变压变频调速机械特性变压变频调速变压变频调速l在基频以下，由于磁通恒定，允许输在基频以下，由于磁通恒定，允许输出转矩也恒定，属于出转矩也恒

28、定，属于“恒转矩调速恒转矩调速”方式。方式。l在基频以上，转速升高时磁通减小，在基频以上，转速升高时磁通减小，允许输出转矩也随之降低，由于转速允许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，属于上升，允许输出功率基本恒定，属于“近似的恒功率调速近似的恒功率调速”方式。方式。5.3.3 基频以下电压补偿控制基频以下电压补偿控制 l在基频以下运行时，采用恒压频比的控在基频以下运行时，采用恒压频比的控制方法具有控制简便的优点。制方法具有控制简便的优点。l但负载的变化时定子压降不同，将导致但负载的变化时定子压降不同，将导致磁通改变，须采用定子电压补偿控制。磁通改变，须采用定子电压补偿控制。

29、l根据定子电流的大小改变定子电压，以根据定子电流的大小改变定子电压，以保持磁通恒定。保持磁通恒定。5.3.3 基频以下电压补偿控制基频以下电压补偿控制 l为了使参考极为了使参考极性与电动状态性与电动状态下的实际极性下的实际极性相吻合，感应相吻合，感应电动势采用电电动势采用电压降的表示方压降的表示方法，由高电位法，由高电位指向低电位。指向低电位。 图图5-12 异步电动机等值电路和感应电动势异步电动机等值电路和感应电动势三种磁通三种磁通l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 14.44SgsmNEf N kl定子全磁通在定子每相绕组中的感应电动势定子全磁通在定

30、子每相绕组中的感应电动势 l转子全磁通在转子每相绕组中的感应电动势转子全磁通在转子每相绕组中的感应电动势 14.44SssmsNEf N k14.44SrsmrNEf N k恒定子磁通控制恒定子磁通控制 l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，能够直接控制定子电动势不好直接控制，能够直接控制的只有定子电压，按的只有定子电压，按l补偿定子电阻压降，就能够得到恒定子磁补偿定子电阻压降，就能够得到恒定子磁通。通。 1/ fEssssEIRU1常值常值恒定子磁通控制恒定子磁通控制 l忽略励磁电流，转子电流忽略励磁电流，转子电流l电磁转矩电磁转矩 2212)(lrlsrsrLLs

31、REI22122 121221221)(3)(3lrlsrrsprlrlsrspeLLsRRsEnsRLLsREnT恒定子磁通控制恒定子磁通控制 恒压频比控制时的转矩式恒压频比控制时的转矩式 两式相比可知，恒定子磁通控制时转矩表达式两式相比可知，恒定子磁通控制时转矩表达式的分母小于恒压频比控制特性中的同类项。的分母小于恒压频比控制特性中的同类项。l当转差率当转差率s相同时，采用恒定子磁通控制方式相同时，采用恒定子磁通控制方式的电磁转矩大于恒压频比控制方式。的电磁转矩大于恒压频比控制方式。22122121)()(3lrlsrsrspeLLsRsRRsUnT恒定子磁通控制恒定子磁通控制 l临界转差

32、率临界转差率 l临界转矩临界转矩 )(1lrlsrmLLRs)(12321lrlsspemLLEnT频率变化时，恒定子磁通控制的临界转矩恒定频率变化时，恒定子磁通控制的临界转矩恒定不变不变 。恒定子磁通控制恒定子磁通控制 比较可知比较可知l恒定子磁通控制的临界转差率大恒定子磁通控制的临界转差率大于恒压频比控制方式。于恒压频比控制方式。l恒定子磁通控制的临界转矩也大恒定子磁通控制的临界转矩也大于恒压频比控制方式。于恒压频比控制方式。恒气隙磁通控制恒气隙磁通控制 l保持气隙磁通恒定：保持气隙磁通恒定： l定子电压定子电压l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

33、压降。漏抗压降。 1/gEglsssEILjRU11)(常值常值恒气隙磁通控制恒气隙磁通控制 l转子电流转子电流l电磁转矩电磁转矩 2212lrrgrLsREI2 2122 12122122133lrrrgprlrrgpeLsRRsEnsRLsREnT恒气隙磁通控制恒气隙磁通控制 l临界转差率临界转差率 l临界转矩临界转矩 l与恒定子磁通控制方式相比较，恒气隙磁通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更大，机械控制方式的临界转差率和临界转矩更大，机械特性更硬。特性更硬。 1lrrmLRs21123lrspemLEnT恒转子磁通控制恒转子磁通控制 l保持转子磁通恒定

34、：保持转子磁通恒定： l定子电压定子电压l除了补偿定子电阻压降外，还应补偿定除了补偿定子电阻压降外，还应补偿定子和转子漏抗压降。子和转子漏抗压降。 1/rE11()sslslrrURjLLIE常值常值恒转子磁通控制恒转子磁通控制 l转子电流转子电流l电磁转矩电磁转矩 sREIrrr/12122133rrprrrpeRsEnsRsREnT恒转子磁通控制恒转子磁通控制 l机械特性完全是一条直线，可以获机械特性完全是一条直线，可以获得和直流电动机一样的线性机械特得和直流电动机一样的线性机械特性，这正是高性能交流变频调速所性，这正是高性能交流变频调速所要求的稳态性能。要求的稳态性能。不同控制方式下的机

35、械特性不同控制方式下的机械特性 图图5-13 异步电动机在不同控制方式下的机械特性异步电动机在不同控制方式下的机械特性a）恒压频比控制）恒压频比控制b）恒定子磁通控）恒定子磁通控制制c）恒气隙磁通控）恒气隙磁通控制制 d）恒转子磁通控）恒转子磁通控制制不同控制方式的比较不同控制方式的比较 l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。不同控制方式下的比较

36、不同控制方式下的比较l恒定子磁通、恒气隙磁通和恒转子磁通的恒定子磁通、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，控制要复控制方式均需要定子电压补偿，控制要复杂一些。杂一些。l恒定子磁通和恒气隙磁通的控制方式虽然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改善了低速性能。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。l恒转子磁通控制方式可以获得和直流他励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，性能最佳。电动机一样的线性机械特性，性能最佳。5.4 电力电子变压变频器电力电子变压变频器l异步电动机变频调速需要电压与

37、频率均可异步电动机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。5.4 电力电子变压变频器电力电子变压变频器l交交-直直-交变频器：先将恒压恒频的交流电交变频器：先将恒压恒频的交流电整成直流，再将直流电逆变成电压与频率整成直流，再将直流电逆变成电压与频率均为可调的交流，称作间接变频。均为可调的交流，称作间接变频。l交交-交变频器：将恒压恒频的交流电直接变交变频器：将恒压恒频的交流电直接变换为电压与频率均为可调的交流电，无需换为电压与频率均为

38、可调的交流电，无需中间直流环节，称作直接变频。中间直流环节，称作直接变频。5.4 电力电子变压变频器电力电子变压变频器图图5-14 变频器结构示意图变频器结构示意图a）交）交-直直-交变频器交变频器b）交）交-交交变频器变频器 脉冲宽度调制技术脉冲宽度调制技术l现代变频器中用得最多的控制技术是脉冲现代变频器中用得最多的控制技术是脉冲宽度调制（宽度调制（Pulse Width Modulation），简），简称称PWM。l基本思想是控制逆变器中电力电子器件的基本思想是控制逆变器中电力电子器件的开通或关断，输出电压为幅值相等、宽度按开通或关断，输出电压为幅值相等、宽度按一定规律变化的脉冲序列，用这

39、样的高频脉一定规律变化的脉冲序列，用这样的高频脉冲序列代替期望的输出电压。冲序列代替期望的输出电压。5.4.1 PWM变频器主回路变频器主回路图图5-15 交交-直直-交变频器主回路结构图交变频器主回路结构图5.4.1 PWM变频器主回路变频器主回路l左边是不可控整流桥，将三相交流电左边是不可控整流桥，将三相交流电整流成电压恒定的直流电压。整流成电压恒定的直流电压。l右边是逆变器，将直流电压变换为频右边是逆变器，将直流电压变换为频率与电压均可调的交流电。率与电压均可调的交流电。l中间的滤波环节是为了减小直流电压中间的滤波环节是为了减小直流电压脉动而设置的。脉动而设置的。5.4.1 PWM变频器

40、主回路变频器主回路l主回路只有一套可控功率级，具有结主回路只有一套可控功率级，具有结构、控制方便的优点，采用脉宽调制的构、控制方便的优点，采用脉宽调制的方法，输出谐波分量小。方法，输出谐波分量小。l缺点是当电动机工作在回馈制动状态缺点是当电动机工作在回馈制动状态时能量不能回馈至电网，造成直流侧电时能量不能回馈至电网，造成直流侧电压上升，称作泵升电压。压上升，称作泵升电压。直流母线供电直流母线供电l采用直流母线供电给多台逆变器，可采用直流母线供电给多台逆变器，可以减少整流装置的电力电子器件，逆变以减少整流装置的电力电子器件，逆变器从直流母线上汲取能量，还可以通过器从直流母线上汲取能量，还可以通过

41、直流母线来实现能量平衡，提高整流装直流母线来实现能量平衡，提高整流装置的工作效率。置的工作效率。l当某个电动机工作在回馈制动状态时，当某个电动机工作在回馈制动状态时，直流母线能将回馈的能量送至其他负载，直流母线能将回馈的能量送至其他负载，实现能量交换，有效地抑制泵升电压。实现能量交换，有效地抑制泵升电压。直流母线供电直流母线供电图图5-16 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5.4.2正弦波脉宽调制技术正弦波脉宽调制技术l以频率与期望的输出电压波相同的正以频率与期望的输出电压波相同的正弦波作为调制波，以频率比期望波高得弦波作为调制波，以频率比期望波高得多的等腰三角

42、波作为载波。多的等腰三角波作为载波。l由它们的交点确定逆变器开关器件的由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得幅值相等、宽度按通断时刻，从而获得幅值相等、宽度按正弦规律变化的脉冲序列，这种调制方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（法称作正弦波脉宽调制（Sinusoidal pulse Width Modulation，简称，简称SPWM）。）。5.4.2 正弦波脉宽调制技术正弦波脉宽调制技术图图5-17 三相三相PWM逆变器双极逆变器双极性性SPWM波形波形a) 三相正弦调制波与三相正弦调制波与双极性三角载波双极性三角载波b）、）、c）、）、d）三相）三相电压电压

43、e）输出线电压）输出线电压f）电动机相电压）电动机相电压*5.4.3 消除指定谐波消除指定谐波PWMl普通的普通的SPWM变频器输出电压带有一定的变频器输出电压带有一定的谐波分量，为降低谐波分量，减少电动机转谐波分量，为降低谐波分量，减少电动机转矩脉动，可以采用直接计算各脉冲起始与终矩脉动，可以采用直接计算各脉冲起始与终了相位的方法，以消除指定次数的谐波。了相位的方法，以消除指定次数的谐波。l在在SPWM的基础上衍生出的的基础上衍生出的“消除指定次消除指定次数谐波数谐波PWM”（SHEPWM，Selected Harmonics Elimination PWM）控制技术。）控制技术。*5.4.

44、3 消除指定谐波消除指定谐波PWM图图5-18 变压变频器输出的相电压变压变频器输出的相电压PWM波形波形*5.4.3 消除指定谐波消除指定谐波PWMl要消除第要消除第k次谐波分量，只须令次谐波分量，只须令1212( 1) cos01midkmiiUUkkkl基波幅值为所要求的电压值基波幅值为所要求的电压值1121 2( 1) cosmidmiiUU期望值5.4.4 电流跟踪电流跟踪PWM（CFPWM）控制技术）控制技术l电流跟踪电流跟踪PWM（CFPWM，Current Follow PWM）的控制方法是：在原来主回）的控制方法是：在原来主回路的基础上，采用电流闭环控制，使实际电路的基础上，

45、采用电流闭环控制，使实际电流快速跟随给定值。流快速跟随给定值。l在稳态时，尽可能使实际电流接近正弦波在稳态时，尽可能使实际电流接近正弦波形，这就能比电压控制的形，这就能比电压控制的SPWM获得更好的获得更好的性能。性能。5.4.4 电流跟踪电流跟踪PWM（CFPWM）控制技术）控制技术图图5-19 电流滞环跟踪控制的电流滞环跟踪控制的A相原理图相原理图5.4.4 电流跟踪电流跟踪PWM（CFPWM）控制技术）控制技术l电流控制器是带滞环的比较器，环宽为电流控制器是带滞环的比较器，环宽为2h。将给定电流与输出电流进行比较，电流偏差将给定电流与输出电流进行比较，电流偏差超过超过h时，经滞环控制器时

46、，经滞环控制器HBC控制逆变器控制逆变器上（或下）桥臂的功率器件动作。上（或下）桥臂的功率器件动作。5.4.4 电流跟踪电流跟踪PWM（CFPWM）控制技术）控制技术图图5-20 电流滞环跟踪控制时的三相电流电流滞环跟踪控制时的三相电流波形与相电压波形与相电压PWM波形波形l电流滞环跟踪控制方法电流滞环跟踪控制方法的精度高、响应快，且的精度高、响应快，且易于实现。但功率开关易于实现。但功率开关器件的开关频率不定。器件的开关频率不定。5.4.4 电流跟踪电流跟踪PWM（CFPWM）控制技术）控制技术l电流跟踪控制的精度与滞环的宽度有关，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

47、许开关频率的制同时还受到功率开关器件允许开关频率的制约。约。l当环宽选得较大时，开关频率低，但电流当环宽选得较大时，开关频率低，但电流波形失真较多，谐波分量高；波形失真较多，谐波分量高；l如果环宽小，电流跟踪性能好，但开关频如果环宽小，电流跟踪性能好，但开关频率却增大了。率却增大了。l实际使用中，应在器件开关频率允许的前实际使用中，应在器件开关频率允许的前提下，尽可能选择小的环宽。提下，尽可能选择小的环宽。5.4.5 电压空间矢量电压空间矢量PWM（SVPWM）控制技术）控制技术l把逆变器和交流电动机视为一体，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，这种旋转

48、磁场为目标来控制逆变器的工作，这种控制方法称作控制方法称作“磁链跟踪控制磁链跟踪控制”，磁链轨迹，磁链轨迹的控制是通过交替使用不同的电压空间矢量的控制是通过交替使用不同的电压空间矢量实现的，所以又称实现的，所以又称“电压空间矢量电压空间矢量PWM（SVPWM，Space Vector PWM）控制）控制”。空间矢量的定义空间矢量的定义l交流电动机绕组的电压、电流、磁链等物交流电动机绕组的电压、电流、磁链等物理量都是随时间变化的，如果考虑到它们所理量都是随时间变化的，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。在绕组的空间位置，可以定义为空间矢量。l 定义三相定子电压空间矢量定义三相定

49、子电压空间矢量 2AOjBOjCOkukuekueAOBOCOuuu32k为待定系数为待定系数 空间矢量的合成空间矢量的合成l三相合成矢量三相合成矢量2jjAOBOCOkukuekuesAOBOCOuuuu图图5-21 电压空间矢量电压空间矢量000AOBOCOuuu的合成矢量的合成矢量 空间矢量的定义空间矢量的定义l定子电流空间矢量定子电流空间矢量 2jjAOBOCOkikiekiesAOBOCOiiii2jjAOBOCOkkekesAOBOCOl定子磁链空间矢量定子磁链空间矢量 空间矢量表达式空间矢量表达式 l空间矢量功率表达式空间矢量功率表达式 2222222p =Re()Re()()(

50、)Re()s sjjjjAOBOCOAOBOCOAO AOBO BOCO COjjjBO AOCO AOAO BOjjjCO BOAO COBO COkuueueiieiekuiuiuikuieuieuieuieuieuieu iss、ii共轭矢量共轭矢量 空间矢量表达式空间矢量表达式 考虑到考虑到 0AOBOCOiii232233p =()22AO AOBO BOCO COkuiuiuik pp=AO AOBO BOCO COuiuiuil三相瞬时功率三相瞬时功率 l按空间矢量功率与三相瞬时功率相等的原则按空间矢量功率与三相瞬时功率相等的原则 23k空间矢量表达式空间矢量表达式 22()3j

51、jAOBOCOuueuesu22()3jjAOBOCOiieiesi22()3jjAOBOCOees空间矢量表达式空间矢量表达式 l当定子相电压为三相平衡正弦电压时，三当定子相电压为三相平衡正弦电压时，三相合成矢量相合成矢量112111224cos()cos()cos()33332jjmmmjtjtmsUtUteUteU eU esAOBOCOuuuu空间矢量表达式空间矢量表达式 l以电源角频率为角速度作恒速旋转的空以电源角频率为角速度作恒速旋转的空间矢量，幅值间矢量，幅值 l在三相平衡正弦电压供电时，若电动机转在三相平衡正弦电压供电时，若电动机转速已稳定，则定子电流和磁链的空间矢量速已稳定，

52、则定子电流和磁链的空间矢量的幅值恒定，以电源角频率为电气角速度的幅值恒定，以电源角频率为电气角速度在空间作恒速旋转。在空间作恒速旋转。32smUU电压与磁链空间矢量的关系电压与磁链空间矢量的关系 l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 l忽略定子电阻压降，定子合成电压与合成忽略定子电阻压降，定子合成电压与合成磁链空间矢量的近似关系为磁链空间矢量的近似关系为dtdRssssiudtdssu dtssu或或电压与磁链空间矢量的关系电压与磁链空间矢量的关系 l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，其空间矢量以电动机定子

53、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轨迹呈圆恒速旋转，磁链矢量顶端的运动轨迹呈圆形（简称为磁链圆）。形（简称为磁链圆）。l定子磁链矢量定子磁链矢量)(1tjsesl定子电压矢量定子电压矢量111()()()211()jtsjtjtssdedtjeesu电压与磁链空间矢量的关系电压与磁链空间矢量的关系 图图5-22 旋转磁场与电压空旋转磁场与电压空间矢量的运动轨迹间矢量的运动轨迹图图5-23 电压矢量圆轨迹电压矢量圆轨迹电压空间矢量电压空间矢量 l直流电源中点直流电源中点O和交流电动机中点和交流电动机中点O的电位的电位不等，但合成电压矢量的表达式相等。不等，但合成电压矢量的表达

54、式相等。l因此，三相合成电压空间矢量与参考点无关。因此，三相合成电压空间矢量与参考点无关。222222()32()()()322(1)()33jjAOBOCOjjAOOBOOCOOjjjjjjABCOOABCuueueuuuueuueuu eu eueeuu eu esAOBOCOuuuu8个基本空间矢量个基本空间矢量lPWM逆变器共有逆变器共有8种工作状态种工作状态 当当 100ABCSSSuuu222dddABCUUU2423322(1)(1)3 23 2224242(1 coscos)(sinsin)3 233333jjjjddddUUeeeeUjU1u8个基本空间矢量个基本空间矢量依此

55、类推，可得依此类推，可得8个基本空间矢量个基本空间矢量 。当当 1 10ABCSSSuuu222dddABCUUU2423332(1)(1)3 2222424(1coscos)(sinsin)3 2333322(13)3 23jjjjdddjddUUeeeeUjUjU e2u8个基本空间矢量个基本空间矢量l2个零矢量个零矢量l6个有效工作矢量个有效工作矢量07uu、16uu幅值为幅值为 23dU空间互差空间互差 3基本电压空间矢量图基本电压空间矢量图图图5-24 基本电压空间矢量图基本电压空间矢量图正六边形空间旋转磁场正六边形空间旋转磁场 l6个有效工作矢量完成一个周期，输出基波个有效工作矢量

56、完成一个周期，输出基波电压角频率电压角频率 l6个有效工作矢量个有效工作矢量16uu每个有效工作矢量作用每个有效工作矢量作用 3顺序分别作用顺序分别作用t时间，并使时间，并使 13tt31正六边形空间旋转磁场正六边形空间旋转磁场 k=1,2,3,4,5,6 l定子磁链矢量的增量定子磁链矢量的增量 tss = u(1)3( )( )23sskjdkktUt e ul定子磁链矢量运动方向与电压矢量相同，定子磁链矢量运动方向与电压矢量相同，增量的幅值等于增量的幅值等于23dUt正六边形空间旋转磁场正六边形空间旋转磁场 l定子磁链矢量的运动轨定子磁链矢量的运动轨迹为迹为 图图5-25 定子磁链矢量增量

57、定子磁链矢量增量(1)( )( )( )( )ssssskkkkk t u正六边形空间旋转磁场正六边形空间旋转磁场 图图5-26 正六边形定子磁链轨迹正六边形定子磁链轨迹l在一个周期内，在一个周期内，6个有效工作矢量个有效工作矢量顺序作用一次，顺序作用一次，定子磁链矢量是定子磁链矢量是一个封闭的正六一个封闭的正六边形。边形。正六边形空间旋转磁场正六边形空间旋转磁场 l正六边形定子磁链的大小与直流侧电压成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。正比，而与电源角频率成反比。 1|( )| |( )| | ( )|2233 3ssddkkktUUt u正六边形空间旋转磁场正六

58、边形空间旋转磁场 122|( )| |( )| | ( )|33 3dssdUkkktUt ul在基频以下调速时，应保持正六边形定子在基频以下调速时，应保持正六边形定子磁链的最大值恒定。磁链的最大值恒定。l若直流侧电压恒定，则若直流侧电压恒定，则1越小时，越小时， t越越大，势必导致大，势必导致 增大。增大。正六边形空间旋转磁场正六边形空间旋转磁场 1dU常数l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 l在变频的同时必须调节直流电压，造成了控在变频的同时必须调节直流电压，造成了控制的复杂性。制的复杂性。正六边形空间旋转磁场正六边形空间旋转磁场 l有效的方法是插入零矢

59、量有效的方法是插入零矢量l当零矢量作用时，定子磁链矢量的增量当零矢量作用时，定子磁链矢量的增量表明定子磁链矢量停留不动。表明定子磁链矢量停留不动。 0s =正六边形空间旋转磁场正六边形空间旋转磁场 l有效工作矢量作用时间有效工作矢量作用时间当 tt1l零矢量作用时间零矢量作用时间10ttt1110()3ttt l定子磁链矢量的增量为定子磁链矢量的增量为(1)31012( )( )3kjssdkkttUt e u0正六边形空间旋转磁场正六边形空间旋转磁场 l在时间在时间t1段内，定子磁链矢量轨迹沿着有段内，定子磁链矢量轨迹沿着有效工作电压矢量方向运行。效工作电压矢量方向运行。l在时间在时间t0段

60、内，零矢量起作用，定子磁链段内，零矢量起作用，定子磁链矢量轨迹停留在原地，等待下一个有效工作矢量轨迹停留在原地，等待下一个有效工作矢量的到来。矢量的到来。l正六边形定子磁链的最大值正六边形定子磁链的最大值112|( )| |( )| |( )|3sssdkkktUt u正六边形空间旋转磁场正六边形空间旋转磁场 l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l输出频率越低，输出频率越低，t越大，零矢量作用时间越大，零矢量作用时间t0也越大，定子磁链矢量轨迹停留的时间越也越大，定子磁链矢量轨迹停留的时间越长。长。l由此可知，由此可知，零矢量的插入有效地解决了定子零矢量的插入有效地解