变频器的原理

1、 变变 频频 器器 原原 理理 希望森兰科技股份有限公司希望森兰科技股份有限公司 一一.变频器的原理与组成变频器的原理与组成 (一一)概述概述: 1.定义：转换电能并能改变频率的电能转换装置。定义：转换电能并能改变频率的电能转换装置。 2.交流调速技术发展的概况与趋势：交流调速技术发展的概况与趋势： 交流电机：结构简单，价低，动态响应好、维护方便，但调速困难。交流电机：结构简单，价低，动态响应好、维护方便，但调速困难。 直流电机：结构复杂、成本高、故障多、维护困难且工作量大；机械换向直流电机：结构复杂、成本高、故障多、维护困难且工作量大；机械换向器的换向能力限制了电动机的容量（单机容量器的换向

2、能力限制了电动机的容量（单机容量12000kW14000kW）、电压和）、电压和速度（最高电压速度（最高电压1000多伏、最高转速多伏、最高转速3000r/min）。接触式的电流传输又限制）。接触式的电流传输又限制了其使用场合；电枢在转子上，电动机的效率低，散热条件差。为改善换向了其使用场合；电枢在转子上，电动机的效率低，散热条件差。为改善换向能力，减小电枢漏感，转子变得粗短惯性增大，影响系统的动态响应。能力，减小电枢漏感，转子变得粗短惯性增大，影响系统的动态响应。 交流调速飞速技术发展的原因：交流调速飞速技术发展的原因： 电力电子器件制造技术；电力电子电路的变换技术；电力电子器件制造技术；电

3、力电子电路的变换技术；PWM技术，矢量控制技术，矢量控制技术，直接转矩控制技术；微机和大规模集成电路基础的数字控制技术。技术，直接转矩控制技术；微机和大规模集成电路基础的数字控制技术。 (二二)发展趋势与动向发展趋势与动向: IGBT的应用，载波频率可达的应用，载波频率可达16KHz，抑制噪声和机械共震，电机电流，抑制噪声和机械共震，电机电流在低速时波形接近正弦，减少转矩脉动；电压驱动，简化了电路；网侧变流在低速时波形接近正弦，减少转矩脉动；电压驱动，简化了电路；网侧变流器的器的PWM控制；矢量控制变频器技术的通用化，无速度传感器矢量控制系控制；矢量控制变频器技术的通用化，无速度传感器矢量控制

4、系统代表另一新技术动向。统代表另一新技术动向。 无速度传感器矢量控制的速度观测模型，建模方法大体上有：动态速度无速度传感器矢量控制的速度观测模型，建模方法大体上有：动态速度估计器；模型参考自适应方法、基于估计器；模型参考自适应方法、基于PI调节器法、自适应转速观测器法、转调节器法、自适应转速观测器法、转子齿谐波法、滑模观测法等。子齿谐波法、滑模观测法等。 感应电机是一多变量，强耦合及时变参数系统，围绕它有若干研究课题感应电机是一多变量，强耦合及时变参数系统，围绕它有若干研究课题: 电机参数模型的离散化、电机参数的自测定、电机定子电流的控制、电电机参数模型的离散化、电机参数的自测定、电机定子电流

5、的控制、电机参数的辩识、电机状态估计、系统稳定性分析。机参数的辩识、电机状态估计、系统稳定性分析。 l 主控一体化主控一体化 日本三菱公司将功率芯片和控制电路集成在一快芯片上日本三菱公司将功率芯片和控制电路集成在一快芯片上的的DIPIPM（即双列直插式封装）的研制已经完成并推向市场。一种使逆变（即双列直插式封装）的研制已经完成并推向市场。一种使逆变功率和控制电路达到一体化，智能化和高性能化的功率和控制电路达到一体化，智能化和高性能化的HVIC（高耐压（高耐压IC）SOC（System on Chip）的概念已被用户接受，首先满足了家电市场低成本、小）的概念已被用户接受，首先满足了家电市场低成本

6、、小型化、高可靠性和易使用等的要求。因此叶以展望，随着功率做大，此产品型化、高可靠性和易使用等的要求。因此叶以展望，随着功率做大，此产品在市场上极具竞争力。在市场上极具竞争力。 2 小型化小型化 用日本富士（用日本富士（FUJI）电机的三添胜先生的话说，变频器的小）电机的三添胜先生的话说，变频器的小型化就是向发热挑战。这就是说变频器的小型化除了出自支撑部件的实装技型化就是向发热挑战。这就是说变频器的小型化除了出自支撑部件的实装技术和系统设计的大规模集成化，功率器件发热的改善和冷却技术的发展已成术和系统设计的大规模集成化，功率器件发热的改善和冷却技术的发展已成为小型化的重要原因。为小型化的重要原

7、因。ABB公司将小型变频器定型为公司将小型变频器定型为CompACTM，他向，他向全球发布的全新概念是，小功率变频器应当象接触器、软起动器等电器元件全球发布的全新概念是，小功率变频器应当象接触器、软起动器等电器元件一样使用简单，安装方便，安全可靠。一样使用简单，安装方便，安全可靠。 3 低电磁噪音化低电磁噪音化 今后的变频器都要求在抗干扰和抑制高次谐波方面符合今后的变频器都要求在抗干扰和抑制高次谐波方面符合EMC国际标准国际标准,主要做法是在变频器输入侧加交流电抗器或有源功率因数校正主要做法是在变频器输入侧加交流电抗器或有源功率因数校正（Active Power Factor Correcti

8、on APFC）电路，改善输入电流波形降低）电路，改善输入电流波形降低电网谐波以及逆变桥采取电流过零的开关技术。而控制电源用的开关电源将电网谐波以及逆变桥采取电流过零的开关技术。而控制电源用的开关电源将推崇半谐振方式，这种开关控制方式在推崇半谐振方式，这种开关控制方式在3050M时的噪声可降低时的噪声可降低1520dB。 4 专用化通用变频器中出现专用型家族是近年来的事。其目的是更好专用化通用变频器中出现专用型家族是近年来的事。其目的是更好发挥变频器的独特功能并尽可能地方便用户。如用于起重机负载的发挥变频器的独特功能并尽可能地方便用户。如用于起重机负载的ACC系列，系列，用于交流电梯的用于交流

9、电梯的 Siemens MICO340系列和系列和FUJI FRN5000G11UD系列，其他系列，其他还有用于恒压供水、机械主轴传动、电源再生、纺织、机车牵引等专用系列。还有用于恒压供水、机械主轴传动、电源再生、纺织、机车牵引等专用系列。 5 系统化系统化 作为发展趋势，通用变频器从模拟式、数字式、智能化、多作为发展趋势，通用变频器从模拟式、数字式、智能化、多功能向集中型发展。最近，日本安川提出了以变频器，伺服装置，控制器及功能向集中型发展。最近，日本安川提出了以变频器，伺服装置，控制器及通讯装置为中心的通讯装置为中心的”D&M&C”概念，并制定了相应的标准。目的是为用户概念

10、，并制定了相应的标准。目的是为用户提供最佳的系统。因此可以预见在今后变频器的高速响应器件和高性能控提供最佳的系统。因此可以预见在今后变频器的高速响应器件和高性能控制将是基本条件。制将是基本条件。 若希望把转矩误差控制在若希望把转矩误差控制在3%以内，需要对磁通变化作修正以内，需要对磁通变化作修正(补偿励磁电补偿励磁电抗引起的饱和及定子铁损的变化抗引起的饱和及定子铁损的变化)；若希望把转矩误差控制在；若希望把转矩误差控制在1%以内，需要以内，需要对定子和转子的铁损进行补偿对定子和转子的铁损进行补偿. 矩阵式变频器、直接驱动技术（高精度：电机和负载间刚性耦合，高矩阵式变频器、直接驱动技术（高精度：

11、电机和负载间刚性耦合，高速和高加速度、高动态响应、高机械刚度和可靠性、低噪声和零保养，部件速和高加速度、高动态响应、高机械刚度和可靠性、低噪声和零保养，部件减少可降低噪声，磨损部件只有旋转或直线轴承，做到永久性润滑和无需维减少可降低噪声，磨损部件只有旋转或直线轴承，做到永久性润滑和无需维修的一次性装配，可实现零保养。修的一次性装配，可实现零保养。 (三三)交流电机的调速方法交流电机的调速方法: 调压调速、电磁调速、绕线式电机转子串电阻调速、串级调速、变极调调压调速、电磁调速、绕线式电机转子串电阻调速、串级调速、变极调速、变频调速等速、变频调速等 (四四)变频器的构成变频器的构成:主回路（整流器

12、、中间直流环节、逆变器）主回路（整流器、中间直流环节、逆变器）控制回路控制回路保护回路保护回路(五五)变频器的分类变频器的分类:1、按直流电源性质分、按直流电源性质分: 电流型、电压型电流型、电压型(1)电流型电流型 Id趋于平稳；四象限运行趋于平稳；四象限运行 (2)电压型电压型 Ed趋于平稳；不选择负载的通用性趋于平稳；不选择负载的通用性(3)电流源供电时交流电机工作特性电流源供电时交流电机工作特性:多功能控制板多功能控制板主回路主回路图图(五五) 交交-直直-交变频器结构图交变频器结构图 图图(六六) 电压型与电流型交一直一交变频器电压型与电流型交一直一交变频器a）电压型变频器 b）电流

13、型变频器变频器输出电压方波经变频器输出电压方波经L/R积分为电流波形近似为正弦波积分为电流波形近似为正弦波特点名称特点名称电压型变频器电压型变频器电流型变频器电流型变频器储能元件储能元件电容器电容器电抗器电抗器波形的特点波形的特点电压波形为矩形波电压波形为矩形波电流波形近似正弦波电流波形近似正弦波电流波形为矩形波电流波形为矩形波电压波形为近似正弦波电压波形为近似正弦波回路构成上回路构成上的特点的特点 有反馈二极管有反馈二极管直流电源并联大容量直流电源并联大容量电容（低阻抗电压源）电容（低阻抗电压源）电动机四象限运转需要再生用变流器电动机四象限运转需要再生用变流器无反馈二极管无反馈二极管直流电源

14、串联大电感直流电源串联大电感（高阻抗电流源）（高阻抗电流源）电动机四象限运转容易电动机四象限运转容易特性上的特特性上的特点点负载短路时产生过电流负载短路时产生过电流转距响应较慢转距响应较慢输入功率因数高输入功率因数高负载短路时能抑制过电流负载短路时能抑制过电流转距响应快转距响应快输入因素低输入因素低电压型变频器和电流型变频起对比电压型变频器和电流型变频起对比 a、电机起动转矩小；、电机起动转矩小； b、能够稳定运行范围窄，在大部分的转速范围内是电机运、能够稳定运行范围窄，在大部分的转速范围内是电机运行不稳定区。行不稳定区。 原因：恒流源供电时，定子磁势是恒定的。空载时，全部定原因：恒流源供电时

15、，定子磁势是恒定的。空载时，全部定子磁势用于励磁，气隙中产生很强的磁场，铁心高度饱和。负子磁势用于励磁，气隙中产生很强的磁场，铁心高度饱和。负载增加时，转子减速而转差率增大，转子电流增加。由于转子载增加时，转子减速而转差率增大，转子电流增加。由于转子电流的去磁作用，气隙合成磁场减小，磁场变弱，先退出饱和电流的去磁作用，气隙合成磁场减小，磁场变弱，先退出饱和磁场变化缓慢，而未随转子电流的增加磁场很快变弱，导致端磁场变化缓慢，而未随转子电流的增加磁场很快变弱，导致端电压急剧下降，单位转子电流产生的转矩减小，导致转子电流电压急剧下降，单位转子电流产生的转矩减小，导致转子电流进一步增大，形成恶性循环，

16、使转矩很快下降到较小数值进一步增大，形成恶性循环，使转矩很快下降到较小数值. 实际上，电流源不是真正的恒流源，等效为电压源驱动下的实际上，电流源不是真正的恒流源，等效为电压源驱动下的恒流源。恒流源。 R1X1X2R2/SxmIIII121m图图(七七) 异步电机在恒流源供电时异步电机在恒流源供电时的等值电路的等值电路 由戴维南定理，开路电势和由戴维南定理，开路电势和 等效内阻：等效内阻：m1thXIE2mgXXX22m22m12)XX()SR(XII由此求出由此求出I2:电磁转矩：电磁转矩：)XX()SR(f2XIn3SRI3npnPT22m2212m21p2221pm1p1m（1）nT电压源

17、供电转矩转电压源供电转矩转-速特性速特性电流源供电转矩转电流源供电转矩转-速特性速特性图图(八八) 电流源供电机转矩电流源供电机转矩-转速特性转速特性 由（由（1）式画出其转矩）式画出其转矩-转速转速特性如图特性如图7。并求出最大转矩和。并求出最大转矩和临界转差率：临界转差率：)xx(f4XInT2m12m21pmax2m2mxaXXRS 电压源供电的情况下，最大电压源供电的情况下，最大转矩出现在转矩出现在 的的)XX(RS212mxa地方。由于地方。由于 ，所以在恒流源供电时，最大转矩出现在转，所以在恒流源供电时，最大转矩出现在转差率小得多的地方。电机转矩差率小得多的地方。电机转矩-转速特性

18、成尖峰状，起动转矩很转速特性成尖峰状，起动转矩很小，小， 稳定运行的范围很窄。稳定运行的范围很窄。 1mXX 2、按输出电压的调节方式分类、按输出电压的调节方式分类: (1)PAM方式方式 脉幅调节，改变直流电压幅值的调压方式。脉幅调节，改变直流电压幅值的调压方式。 相控整流器；直流斩波器。相控整流器；直流斩波器。 (2)PWM方式方式: 整流器为二极管，变频器的输出电压由逆变器按整流器为二极管，变频器的输出电压由逆变器按PWM方式完成。方式完成。 SPWM-输出电压平均值为正弦波的输出电压平均值为正弦波的PWM方式。方式。 3、按控制方式、按控制方式: (1)V/F控制控制 逆变器的控制脉冲

19、发生器同时受控于逆变器的控制脉冲发生器同时受控于f和和v，而，而v与与f的关系的关系由由v/f决定。决定。 开环控制，无开环控制，无PG控制电路简单，通用性强，经济性好，用于速度精度控制电路简单，通用性强，经济性好，用于速度精度要求不十分严格或负载变动较小的场合。要求不十分严格或负载变动较小的场合。 (2)转差频率控制转差频率控制 转差补偿的闭环控制方式，可达到直流双闭环的水转差补偿的闭环控制方式，可达到直流双闭环的水平。平。 (3)矢量控制矢量控制: 基于电机动态模型的控制方式，既控制量的大小，又控制方基于电机动态模型的控制方式，既控制量的大小，又控制方向向. 要求动态性能较高的场合使用。要

20、求动态性能较高的场合使用。4、按主电路使用的器件、按主电路使用的器件IGBT GTR GTO SCR IGCT MOSFET IPM5、按使用的电压、按使用的电压高压变频器高压变频器(210KV) 低压变频器低压变频器(380V 660V) 正弦脉宽调制技术图解正弦脉宽调制技术图解二、二、PWM技术技术n 1、定义：利用半导体器件的开通和关断，把直流电压变成一定形状的、定义：利用半导体器件的开通和关断，把直流电压变成一定形状的电压脉冲序列，以实现变频、变压及控制和消除谐波为目标的一门技术。电压脉冲序列，以实现变频、变压及控制和消除谐波为目标的一门技术。 2、数学分析：、数学分析： f(t) t

21、 221221221100000000)()()()sincos()(ttttttntdtfbtdtfatdtfatnbtnaatfnnnn(1)图图(九九) 脉冲波形图脉冲波形图 f(t)为奇函数，由付立叶级数的性质为奇函数，由付立叶级数的性质:f(t)=-f(t),则则a0=a0=020002221sin)(sin)(ttdntfttdntfbttn设设f(t)幅度为幅度为1，则，则2011)(tttf(2)在方波的半波内斩为在方波的半波内斩为m个脉冲，斩角分别为个脉冲，斩角分别为m21则对于奇数则对于奇数n和奇数和奇数m有有 :mkknkmnnnnnnttdnttdnttdnb11222

22、cos) 1(coscoscossinsinsin22124321(3)对于奇数对于奇数n和偶数和偶数m 有有:mkknkmmnnnnnnttdnttdnttdnb11222cos) 1(coscoscossinsinsin22114321(4)于是，由于是，由(3)和和(4)式对于式对于奇数奇数n和任意的和任意的m均有均有:211210:cos)1(mknmkknb式中(5) 对于奇函数，偶次谐波为零，仅有奇次谐波，即：对于奇函数，偶次谐波为零，仅有奇次谐波，即：tntfnnsin)(127 . 5 . 3 . 1n各次谐波的幅值为各次谐波的幅值为:52322531FFF则相隔和与设,632

23、1tntfnnsincos)(612(6)各次谐波的幅值为各次谐波的幅值为:5335031FFF 讨论：讨论：(1)利用利用PWM技术可控制逆变器的输出波形，使谐波技术可控制逆变器的输出波形，使谐波 含量减少。含量减少。 (2)谐波的减少是以减少基波幅度为代价。谐波的减少是以减少基波幅度为代价。 3、SPWM (1)自然采样法自然采样法 (2)规则采样法规则采样法图图(十十) 三相三相SPWM变变频器输出波形频器输出波形 三、异步电机变频调速控制策略三、异步电机变频调速控制策略 变频器控制的对象是电机，首先研究电机等效图变频器控制的对象是电机，首先研究电机等效图 (一一)等效图等效图: 1、转

24、子电势、转子电势: 转子电势的频率为转子电势的频率为f2 ，转子旋转后，由于转子导体与磁，转子旋转后，由于转子导体与磁场之间的相对运动速度减小，转子感应电势的频率也随之减小，此时场之间的相对运动速度减小，转子感应电势的频率也随之减小，此时: f2=f1S (1) 转子不动时，一相的电势为转子不动时，一相的电势为: E2=4.44f1w2 kw2 (2) 式中式中: W2-转子一相绕组匝数转子一相绕组匝数 KW2-转子绕组系数转子绕组系数 转子旋转后一相的电势为转子旋转后一相的电势为: E2 S =4.44f2W2Kw2 =4.44f1SW2KW2 =E2S (3) 2、转子电势平衡方程、转子电

25、势平衡方程: 当转子无外加电阻，自成短路时，其一相等值电路如图当转子无外加电阻，自成短路时，其一相等值电路如图: = (R2+ X2S) (4) 式中式中: R2- 转子一相电阻值转子一相电阻值 X2S-转子旋转后一相的漏抗转子旋转后一相的漏抗 X2S= 其中其中: X2-转子不动时一相的漏抗转子不动时一相的漏抗 X2=L2 L2-转子旋转后一相的漏电感转子旋转后一相的漏电感 图图(1) 转子等值电路图转子等值电路图S2E2IRX222IjSE2SXLSfLf2212222 且且: E1=4.44f1W1KW1 由于由于E1I1ZI,于是于是:. 3、定子电势平衡方程、定子电势平衡方程: 式中

26、式中: Z1=R1+I1X1 U1定子相电压定子相电压 E1定子一相绕组的感应电势定子一相绕组的感应电势 I1定子相电流定子相电流 R1定子一相绕组的电阻定子一相绕组的电阻 X1定子一相绕组的漏抗定子一相绕组的漏抗 X1=L1R1 x1图图(2) 定子等值电路图定子等值电路图1U1I1E1E1U1I=-+Z1 (5)11EU或者或者 U1 E1=4.44f1W1KW1(4)折合算法折合算法:即即 (6)222R)SS1(RSRR2 X22E2I2S)S1(R图图(3) 转子电路值图转子电路值图 (7)(2222SsjXRIE)(2222SjXRISE)(2222jXSRIE等式两端除以等式两端

27、除以S又又222222)1()(RSSIjXRIE2S)S1(R上消耗的电功率代表旋转电机转子轴上输出的机械功率上消耗的电功率代表旋转电机转子轴上输出的机械功率.折合关系折合关系:2W221W111122KWmKWmK:KII :电流变比式中电流2W21W1ee22KWKWK:KEE:电势变比式中电势(8) (9)m1,m2分别为定子相数和转子相数分别为定子相数和转子相数电阻电阻: (10)式中式中:K=Ke K1KRR222KXX:电抗 (11)折算后折算后(6)式为式为: (12) (7)式为式为: (13)2E2I2R2I2RSS1图图(4) 异步电机折算后转子异步电机折算后转子一相等值

28、电路图一相等值电路图 (5)等值电路等值电路:实用上，为简化问题，常用实用上，为简化问题，常用一个和异步电机等效，数值一个和异步电机等效，数值上相等的电路表示异步电机上相等的电路表示异步电机,称为等值电路。称为等值电路。 于是于是:)XjSR(IE2222222222R)SS1(I)XjR(IE 1-SSR1X110UIXm1-SSR1X110UIXm1-SSR1X110UIXm或R1X110UIXm1-SSR1X110UIXm或R1X110UIXm-E11-SSR1X110UIXm或R1X110UIXm-E11-SSR1X110UIXm或R1X110UIXm-E21-SSR1X110UIXm

29、或R1X110UIXm2E1-SSR1X110UIXm或R1X110UIXm-E1图图(5) 异步电机等值电路图异步电机等值电路图2R2R2X2I1IXm= LmLm励磁电感励磁电感 (二二)机械特性机械特性: 假设：忽略铁心磁饱假设：忽略铁心磁饱和，忽略铁损，忽略空和，忽略铁损，忽略空间和时间谐波。由异步间和时间谐波。由异步电机等值电路图电机等值电路图2R1I2I2XS )()()()(112222222122122ELRLSREI (14)式中式中:1221S转子角频率定子角频率由于：由于：Pm= T1SRI3npnPT2221pm1p1m (15) (16)fE()L(R21112222

30、2222122121121122222222)()(3)()(143:)15()14(2LSRRSEnfERLRnTpp式式代入式中式中:np极对数；极对数； -同步角速度，同步角速度，(16)式为异步电机的机械特性方程式。式为异步电机的机械特性方程式。讨论讨论:1TnS0n0UUU0.70.51N1N1NABCSmTnS0n0UUU0.70.51N1N1NABCm(1)当当S一定时，一定时，T与与U1平方成正比平方成正比.由由(16)式可画出不同电压的机式可画出不同电压的机械特性曲线械特性曲线:对对(16)式求导：式求导：dT/dS =0得临界转差率得临界转差率: (17)临界转矩为临界转矩

31、为:图图(6) 异步电机不同电压下的机械特性异步电机不同电压下的机械特性S212mLRS211222pmax)fE(L21R4n3TPn1TnABC (2)带恒转矩负载时，普通笼型电机变电压时的稳定工作点为带恒转矩负载时，普通笼型电机变电压时的稳定工作点为A、B、C转差率的变化范围不超过转差率的变化范围不超过0-Sm ，调速范围小。，调速范围小。 (3)为了能在恒转矩负载下扩大变电压调速范围，应增大转子电阻，这为了能在恒转矩负载下扩大变电压调速范围，应增大转子电阻，这就要求电机转子绕组有较高的电阻值，此时电机机械特性曲线如图示，由就要求电机转子绕组有较高的电阻值，此时电机机械特性曲线如图示，由

32、图可见恒转矩负载下调速范围扩大了，而且堵转时也不会烧坏电机，但机图可见恒转矩负载下调速范围扩大了，而且堵转时也不会烧坏电机，但机械特性很软，一般采用闭环工作，这种电机叫力矩电机。械特性很软，一般采用闭环工作，这种电机叫力矩电机。 (三三)电压频率协调控制下的机械特性电压频率协调控制下的机械特性: 由由(16)式表明，电机带负载稳定运式表明，电机带负载稳定运行时，对于同一种负载要求，即以一行时，对于同一种负载要求，即以一定的转速定的转速(或转差率或转差率)，在一定的负载转，在一定的负载转矩下运行，电压矩下运行，电压U1与频率与频率f1有多种配合有多种配合,图图(7) 力矩电机机械特性曲线力矩电机

33、机械特性曲线电压电压U1与频率与频率f1的不同配合，机械特性也不相同的不同配合，机械特性也不相同,因此有不同的电压因此有不同的电压频率频率协调控制协调控制. 1.恒压频比控制恒压频比控制(U1/f1=常数常数): 为充分利用铁心为充分利用铁心,近似地保持近似地保持 为常数为常数,发挥电机产生转矩的能力，由发挥电机产生转矩的能力，由: U1 E1=4.44f1w1kw1 U1/f1=4.44w1kw1 1.恒压频比控制恒压频比控制(U1/f1=常数常数):mmmmin)/ r (Sn260snnmin)/ r (n260n1pp100带负载时的速降由由(16)式式: 当当S极小时极小时,忽略分母

34、中的含忽略分母中的含S各项得各项得: (18) 结论结论: （1）当）当U1/ 恒值时，对于同一转矩，恒值时，对于同一转矩， 基本不变，即在基本不变，即在U1/ =恒值时，机械特性是一族平行曲线。恒值时，机械特性是一族平行曲线。21S112112)(31UnRTSp21221222222112222222)(3)()()(13)()(143111112ERSnERLSSRnfERLRnTpppnT11223344 图图(8) 恒压频比控制时变恒压频比控制时变频调速机械特性频调速机械特性 由图可见：当转矩增大到最大值以由图可见：当转矩增大到最大值以后再降低，特性曲线又折回来后再降低，特性曲线又折

35、回来.频率越低频率越低时最大转矩越小，对于时最大转矩越小，对于T表达式有表达式有： 当当U1/ =恒值时，恒值时，T随随 的降低而减小，当很低，的降低而减小，当很低，T太小太小,调速系统带载能力差，采用补偿定子的压降，可提升转矩调速系统带载能力差，采用补偿定子的压降，可提升转矩. (19)21122122222)(3)()()(131111ERSnERLSSRnTpp111 2.恒功率控制恒功率控制: 若保持若保持 正比于正比于1/f1，即即Tf1=1则电磁功率为则电磁功率为:TCfE121则Cnf60TTfPp11m 随随f1的升高的升高,转矩特性曲线变软，转矩特性曲线变软，Tmax也随也随

36、f1的提高而减小，的提高而减小，由于受定子电压地限制，通常保持由于受定子电压地限制，通常保持U1=U1N近似恒功率运行方式近似恒功率运行方式.3.恒恒Er/ 控制控制: 若把电压若把电压/频率协调控制中的电压频率协调控制中的电压U1相对地再提高一点，把相对地再提高一点，把转子漏抗上的压降也抵消掉转子漏抗上的压降也抵消掉,就得到恒就得到恒Er/ 控制，其机械特性控制，其机械特性如下如下:11nTab图图(10) 不同电压不同电压频率协频率协调控制下的机械特性调控制下的机械特性a-Er/ bU1/R1X110UIXm-E1ErRS2图图(9) 异步电机稳态等效电路和异步电机稳态等效电路和感应电动势

37、感应电动势2X2I1IEr转子全磁通感应电动势转子全磁通感应电动势.由图可见由图可见:S/REI2r2带入转矩公式(20)11222222111)(3)/(3RSEnSRSREnTrprp 不作任何近似就得出不作任何近似就得出,机械特性机械特性T=f(s)完全是一条直线，这与直流电机完全是一条直线，这与直流电机特性相同特性相同. 又又(21) 保持保持 =C,则则T与与 成线性关系，这种关系不因定子频率的改变而改成线性关系，这种关系不因定子频率的改变而改变，与变，与f1无关。无关。 小结：小结： 采用采用U1/f1=C控制的变频器属于第一代产品，大多采用控制的变频器属于第一代产品，大多采用16

38、位位CPU，是，是恒气隙磁通控制方式，即用若干条曲线来协调恒气隙磁通控制方式，即用若干条曲线来协调U1与与f1的关系。机械特性基的关系。机械特性基本平行下移，机械硬度尚可，能满足一般调速要求，但低速转矩差，须补本平行下移，机械硬度尚可，能满足一般调速要求，但低速转矩差，须补偿。恒压频比控制变频器是一种转速，开环的控制系统动、静态要求不高偿。恒压频比控制变频器是一种转速，开环的控制系统动、静态要求不高222222222221222213)(3:RnSRInTRISRIEppr则因此的生产机械经常使用。的生产机械经常使用。 (1)利用人为选定利用人为选定V/f曲线的模式，很难根据负载转矩变化恰当地

39、调整电机曲线的模式，很难根据负载转矩变化恰当地调整电机矩转，负载冲击或起动过快，有时会引起过流跳闸。所以根据定子电流调节矩转，负载冲击或起动过快，有时会引起过流跳闸。所以根据定子电流调节变频器电压的方法，并不反映负载矩转，因此，定子电压也不能根据负载转变频器电压的方法，并不反映负载矩转，因此，定子电压也不能根据负载转矩变化恰当地改变电磁矩转，特别在低速下，定子电压的设定值相对较小，矩变化恰当地改变电磁矩转，特别在低速下，定子电压的设定值相对较小，采用人为选定采用人为选定V/f曲线或自动补偿，实现准确的补偿是困难的。由于定子电曲线或自动补偿，实现准确的补偿是困难的。由于定子电阻的压降随负载改变，

40、当负载较重时，可能补偿不足；负载较轻时可能产生阻的压降随负载改变，当负载较重时，可能补偿不足；负载较轻时可能产生过补偿，磁路饱和过补偿，磁路饱和. (2)采用采用V/f控制方式，无法准确的控制电机实际转速。电机的转速，不全控制方式，无法准确的控制电机实际转速。电机的转速，不全取决于定子频率，而由转差率取决于定子频率，而由转差率(负载负载)决定。因此决定。因此V/f控制方式静态稳定度不高。控制方式静态稳定度不高。 （3）转速极低的时转矩不够）转速极低的时转矩不够. （4）这类变频器采用硬件中断过流跳闸，当保护电路的时间常数选择不当）这类变频器采用硬件中断过流跳闸，当保护电路的时间常数选择不当时，

41、保护电路的可靠性令人怀疑。事实上时间常数选择颇费脑筋时，保护电路的可靠性令人怀疑。事实上时间常数选择颇费脑筋, 大保护灵大保护灵敏度不够敏度不够; 小抗干扰能力差，不得不折衷考虑。小抗干扰能力差，不得不折衷考虑。 图中提供了一组图中提供了一组U/f曲线，可以适应低曲线，可以适应低频时不同负载对频时不同负载对U/f曲线的不同要求。曲线的不同要求。 曲线曲线0称为基本称为基本U/f曲线，它不含定子曲线，它不含定子压降补偿。压降补偿。 曲线曲线15为低频段不同程度地提高定为低频段不同程度地提高定子电压的子电压的U/f曲线，称为曲线，称为“电压补偿电压补偿”，也称为也称为“转矩补偿转矩补偿”或或“转矩

42、提升转矩提升”。适用于恒转矩负载。适用于恒转矩负载。图图(11) 不同负载对不同负载对U/f曲线曲线曲线曲线0102为低频段不同程度地减少定子电压的为低频段不同程度地减少定子电压的U/f曲线，称为曲线，称为“负补负补偿偿”。适用于风机、泵类负载。适用于风机、泵类负载。设定设定U/f曲线的原则是：以最低工作频率时能带动负载为前提，尽量减少曲线的原则是：以最低工作频率时能带动负载为前提，尽量减少补偿程度，以免补偿程度，以免“补偿过分补偿过分”，导致磁路饱和而跳闸。，导致磁路饱和而跳闸。4、高功能型高功能型U/f控制控制采用这种控制方式，可以采用这种控制方式，可以使极低速度下的转矩过载能使极低速度下

43、的转矩过载能力达到或超过力达到或超过150%，频率设，频率设定范围达到定范围达到1：30，静态机械，静态机械特性硬度高，具有挖土机特特性硬度高，具有挖土机特性和性和“无跳闸无跳闸”能力。能力。图图(12) 高功能型高功能型U/f控制框图控制框图 (三三)转速闭环转速闭环,转差频率控制转差频率控制: 1.转差频率控制的基本概念转差频率控制的基本概念: 转速开环变频器系统可满足一般平滑调速的要求，但动、静转速开环变频器系统可满足一般平滑调速的要求，但动、静态性能有限。要提高动、静态性能，首先用转速反馈的闭环控态性能有限。要提高动、静态性能，首先用转速反馈的闭环控制。任何一个机电传动系统有：制。任何

44、一个机电传动系统有：dtdnJTTpL(22) 转矩的控制部分包括有功、无功电流检测器、磁通补偿器、转矩的控制部分包括有功、无功电流检测器、磁通补偿器、转差补偿器转差补偿器 和电流限制控制器。后三者的作用是根据电动机定和电流限制控制器。后三者的作用是根据电动机定子电流的有功分量子电流的有功分量It和无功分量和无功分量Iw去计算变频器的频率和电压参去计算变频器的频率和电压参考值，即图中的考值，即图中的 ，以保证转子磁场的恒定，并在负载出，以保证转子磁场的恒定，并在负载出现冲击的情况下，适当地补偿现冲击的情况下，适当地补偿 ，防止过流跳闸。，防止过流跳闸。11fU 和2 由由(22)式可知：提高系

45、统的动、静态性能，主要控制转速的式可知：提高系统的动、静态性能，主要控制转速的变化率变化率 ，显然控制转矩就能控制，显然控制转矩就能控制 。 直流控制与电流成正比，控制电流就能控制转矩。交流调速直流控制与电流成正比，控制电流就能控制转矩。交流调速中，需控制的是电压中，需控制的是电压(电流电流)和频率，如何通过控制电压和频率，如何通过控制电压(电流电流)和和频率来控制转矩？交流异步电机中，影响转矩的因素较多，转频率来控制转矩？交流异步电机中，影响转矩的因素较多，转矩表达式为矩表达式为:dtddtd1W1pm22mmKWn23C:cosICT式中 (23)由由(14)式式: 2222122222)

46、()()()(111LSRSELSREI2222222222)()()(121LSRRLSRSRCOS (24) 考虑到电机结构参数考虑到电机结构参数Cm与其他各量的关系，对比与其他各量的关系，对比(24)式与式与(16)式式: (16)222222111111111122222)(21:21244. 444. 4)(:111111LSRRSkWCTkWkWkwfELSRRSECTmwmmwmwmwmm于是又代入转矩表达式2222221)()()(3111LSRRSEnTp 当电机稳态运行时，当电机稳态运行时，S很小，因而很小，因而 也很小，一般为也很小，一般为 的的2%5%，因此近似认为：，

47、因此近似认为： 则得到：则得到：21222mmRKT (25) 上式说明：在上式说明：在S很小的范围内很小的范围内, 只要维持只要维持 不变不变, T就近似与就近似与 成正比成正比(负载转矩增大，则负载转矩增大，则 增大，输出转矩增大增大，输出转矩增大)。这与直流。这与直流电机一样，达到间接控制转矩的目的，控制电机一样，达到间接控制转矩的目的，控制 就代表控制转矩就代表控制转矩. 2.转差频率控制的规律转差频率控制的规律:上面只是找到转矩与转差频率近似正比的关系，可以表明转上面只是找到转矩与转差频率近似正比的关系，可以表明转m22 (26) 2.转差频率控制的规律转差频率控制的规律:2222R

48、L112222221:)(:222WmmmmKWCKLRRKT式中则差频率控制的基本概念，现推导具体的控制规律差频率控制的基本概念，现推导具体的控制规律: (1).控制规律控制规律1 -控制转差频率代表控制转矩控制转差频率代表控制转矩由图由图(13)：当：当 较小时，较小时，T与与TmaxTmmaxTmmax图图(13) 恒定控制时恒定控制时T=f( )曲线曲线2m 成正比：当成正比：当 = 时，时，T=Tmax ，取，取dT/dS=0则则因此，转差频率控制的系统因此，转差频率控制的系统中，只要给中，只要给 限幅，使其限限幅，使其限幅值为幅值为: (27)22mmmaxL2KT22maxLR2

49、2maxmLR22222就可以保持就可以保持T与与 的关系，也就可以用转差频率控制来代表转的关系，也就可以用转差频率控制来代表转矩控制。矩控制。 （2）控制规律）控制规律2-保持保持 恒定恒定 忽略铁心磁饱和，铁损时忽略铁心磁饱和，铁损时 与与I0成正比成正比mR1LLLUIIES111m220I12R图图(14) 异步电机等值电路图异步电机等值电路图m021III(28)m11021212LjEILjSREI2 代入代入(28)式式:取等式两端相量的幅值取等式两端相量的幅值 (29)21222022220222212121)()()()(1111111111LjRLLjRILjSRLLjSR

50、ILjSRLjLLjSRELjLjSREImmmmm22222222012121)(LRLLRIImI1I02022mILLL图图(15) 保持保持 恒定时恒定时 函数曲线函数曲线m)(fI21讨论：当讨论：当 不变不变(I0不变不变)，I1与与 函数关系如图函数关系如图(15)m2 (1)当当 =0时，时，I1=I0，在理，在理想空载时定子电流等于励磁电想空载时定子电流等于励磁电流。流。 (2)若若 增大，增大，(29)式中分式中分子中含子中含 项的系数大于分母项的系数大于分母中含中含 项的系数项的系数,因此因此I1增大增大. (3)当当 时时022m2ILLL)inf(L (4) 为正、负

51、值时，为正、负值时，I1对应不变，曲线轴对称。按对应不变，曲线轴对称。按(29)式的式的关系控制定子电流就能保持关系控制定子电流就能保持 恒定。恒定。 m2222222 优点与不足优点与不足: (1)频率控制环节输入转差信号，而频率信号是由转差信号与频率控制环节输入转差信号，而频率信号是由转差信号与实际转速信号相加后得到的，因此在转速变化过程中，实际频实际转速信号相加后得到的，因此在转速变化过程中，实际频率率 随实际转速随实际转速 同步地上升或下降，与转速开环系统频率的同步地上升或下降，与转速开环系统频率的给定信号与电压成正比的情况相比，加、减速更平滑，且容易给定信号与电压成正比的情况相比，加

52、、减速更平滑，且容易稳定稳定. (2)由于在动态过程中转速调节器饱和，系统能以对应于由于在动态过程中转速调节器饱和，系统能以对应于 的限幅转矩的限幅转矩Tm进行控制，保证了允许条件下快速性。因此，转进行控制，保证了允许条件下快速性。因此，转差频率闭环系统具备了直流电机双闭环控制系统的优点，是一差频率闭环系统具备了直流电机双闭环控制系统的优点，是一比较优越的控制策略，结构也不复杂，有广泛的应用价值，但比较优越的控制策略，结构也不复杂，有广泛的应用价值，但是：如果认真考查其静、动态性能就会发现，基本型转差频率是：如果认真考查其静、动态性能就会发现，基本型转差频率控制系统还不能达到直流双闭环的水平，

53、其原因是控制系统还不能达到直流双闭环的水平，其原因是: mr1 )(fI21 （1）分析转差频率控制规律时，是从电机稳态等效电路和转）分析转差频率控制规律时，是从电机稳态等效电路和转矩公式出发的。矩公式出发的。 只在稳态时成立，动态过程中只在稳态时成立，动态过程中 的的变化未研究，但肯定不恒定，变化未研究，但肯定不恒定， 势必影响动态性能。势必影响动态性能。 （2）电流调节器只控制电流的幅值，并未控制电流的相位，）电流调节器只控制电流的幅值，并未控制电流的相位，而在动态过程中电流的相位若不及时赶上去，将延缓转矩的而在动态过程中电流的相位若不及时赶上去，将延缓转矩的变化变化. （3） 是非线性的

54、，无论采用何种方式产生，都是近是非线性的，无论采用何种方式产生，都是近似的，存在一定误差。似的，存在一定误差。 （4）在频率控制环节中）在频率控制环节中 ，使实际频率，使实际频率 随实际转随实际转速速 上升或下降，这本是转差频率控制的优点，但是若测上升或下降，这本是转差频率控制的优点，但是若测速信号不准确和有干扰，也会造成误差速信号不准确和有干扰，也会造成误差.mCmrr211（四）电压空间矢量控制：（四）电压空间矢量控制：(磁链跟踪控制磁链跟踪控制）UUUUAOBOCOABC图（图（16）电压空间矢量）电压空间矢量 按照电压所加绕组的空间位置来定按照电压所加绕组的空间位置来定义，如图（义，如

55、图（16）A,B,C分别表示在空间分别表示在空间静止不动的电机定子三相绕组的轴线，静止不动的电机定子三相绕组的轴线，三相定子相电压三相定子相电压UAO,UBO,UCO分别加在分别加在三相绕组上，可定义三个电压空间矢量三相绕组上，可定义三个电压空间矢量uAO,uBO和和uCO,，它们的方向始終在各相，它们的方向始終在各相的轴线上，而大小随时间按正弦规律作的轴线上，而大小随时间按正弦规律作脉动方式，相位互差脉动方式，相位互差120度。三相电压度。三相电压空间矢量相加的合成矢量空间矢量相加的合成矢量u1是一个旋转的，空间矢量，它的幅是一个旋转的，空间矢量，它的幅值不变，是每相电压值的值不变，是每相电

56、压值的3/2倍；当频率不变时，它以电源角倍；当频率不变时，它以电源角频频 率率 为电气角速度作同步旋转。为电气角速度作同步旋转。11COBOAO1uuuu同理，可定义电流和磁链的空间矢量同理，可定义电流和磁链的空间矢量I和和 。1111dtdIRu111,I ,u分别为三相电压，电流，磁链的合成空间矢量。分别为三相电压，电流，磁链的合成空间矢量。当转速不是很低时，定子电阻压降较小，可忽略不计，则：当转速不是很低时，定子电阻压降较小，可忽略不计，则：dtudtdu1111（30）（31）（32）（33） 式（式（32）表明，）表明，u1的大小等于的大小等于 的变化率，而方向则与的变化率，而方向则

57、与 的的运动方向一致。运动方向一致。11uuu11111图（图（17）旋转磁场与电压）旋转磁场与电压空间矢量运动轨迹的关系空间矢量运动轨迹的关系tjm11e)2t( jm1tjm1tjm1111eej)e(dtdu（34） 由（由（34）式可知，当磁链幅值）式可知，当磁链幅值 一一定时，定时，u1的大小与的大小与 成正比，方向为磁成正比，方向为磁链圆形轨迹的切线方向。如图（链圆形轨迹的切线方向。如图（17）m1这样，电机旋转磁场的形状问题就可这样，电机旋转磁场的形状问题就可转化为电压空间矢量运动轨迹的形状转化为电压空间矢量运动轨迹的形状问题。问题。 ABCV1V2V3V4V5V6U/2U/2M

58、 上桥臂器件导通用上桥臂器件导通用“1”表示，下桥表示，下桥臂器件导通用臂器件导通用“0”表示。表示。图（图（18）逆变器原理图）逆变器原理图 8种工作状态种工作状态100，110，010，011，001，101与与111，000。uuuuuu1234560121图（图（17）电机空间矢量）电机空间矢量与磁链矢量的关系与磁链矢量的关系电压空间矢量依次为电压空间矢量依次为u1,u2u61tu 一个周期中只有一个周期中只有6次开关切换，只次开关切换，只产生正六边形旋转磁场，而不是圆形产生正六边形旋转磁场，而不是圆形旋转磁场。利用电压空间矢量的线性旋转磁场。利用电压空间矢量的线性组合，以获得更多的与

59、组合，以获得更多的与u1.u8相位不相位不同的电压空间矢量，最终构成一组等同的电压空间矢量，最终构成一组等幅不同相位的电压空间矢量，从而形幅不同相位的电压空间矢量，从而形成尽量逼近圆形的磁场。这样，在一成尽量逼近圆形的磁场。这样，在一个周期内逆变器的开关次数就要超过个周期内逆变器的开关次数就要超过6次，其输出电压将不再是次，其输出电压将不再是6拍阶梯波，而是一系列等幅不等宽的脉冲波。拍阶梯波，而是一系列等幅不等宽的脉冲波。图（图（19）电压空间矢量线性组合）电压空间矢量线性组合 设在设在u1状态终了后，期望在状态终了后，期望在TZ时间内（时间内（ 电角度表示），其作电角度表示），其作用的是用的

60、是ur1，其相位与，其相位与u1、u2不同不同，但幅值相等。但幅值相等。zuuuuu12r112Z2TtZ1Tt60z四四.异步电机的多变量数学模型和坐标变换异步电机的多变量数学模型和坐标变换n (一一)概述概述:n 现代自动控制普遍要求动作灵活、行动快速、定位准确、对传动和伺服现代自动控制普遍要求动作灵活、行动快速、定位准确、对传动和伺服系统有很高的要求。系统有很高的要求。n V/f=C只控制磁通，不控制电机转矩。只控制磁通，不控制电机转矩。n 转差频率控制：可在一定程度上控制电机转矩，但是转差频率控制是由转差频率控制：可在一定程度上控制电机转矩，但是转差频率控制是由电机静态方程上导出的，电机动态性能较差。