交流调速控制系统

1、第第8章章 交流调速控制系统交流调速控制系统8.0 交流调速控制的概述交流调速控制的概述8.1 电磁转差离合器调速系统电磁转差离合器调速系统 8.2 线绕式异步电动机串级调速系统线绕式异步电动机串级调速系统8.3 鼠笼式异步电动机变频调速系统鼠笼式异步电动机变频调速系统8.08.0交流调速系统的概述交流调速系统的概述1.1.感应电机特点感应电机特点 结构简单，坚固耐用，价格低廉，易于高速化结构简单，坚固耐用，价格低廉，易于高速化和大容量化，但调速控制困难。和大容量化，但调速控制困难。2.2.感应电动机调速方法感应电动机调速方法 基本公式：基本公式：pfsnsnpfn/60)1 ()1 (/60

2、121ssssTTmmm2（机械特性简化表达式）（机械特性简化表达式）ememememsPPsTTPSRmITP)1 (1222221=电磁功率电磁功率 转差功率转差功率最大转矩时的临界转差率，与最大转矩时的临界转差率，与 成成正比，机械特性为非线性。正比，机械特性为非线性。2R221212)(XXRRSm 与与 无关无关1U)(23221211121XXRRpUTm与与 无关无关2R等值电路：等值电路： 耗能型耗能型（变转差）（变转差）斩波调速斩波调速转子串电阻调速转子串电阻调速滑差离合器调速滑差离合器调速 高效型高效型（变旋转磁场调速）（变旋转磁场调速）变极调速变极调速变频调速变频调速串极

3、调速（双馈调速）串极调速（双馈调速）由由以上的数学描述可看出：交流调速主要以上的数学描述可看出：交流调速主要有有耗能型和高效型两种耗能型和高效型两种调速方法调速方法 。A A、滑差功率消耗型、滑差功率消耗型 转子串电阻调速（有级）转子串电阻调速（有级） 转子斩波变阻调速（无级）转子斩波变阻调速（无级） 调压调速调压调速 电磁滑差离合器调速电磁滑差离合器调速早期的实现方法：转子整流，给直流电动机供电，早期的实现方法：转子整流，给直流电动机供电，直流电动机拖动负载；直流电动机拖动负载；后来的实现方法：转子整流，给直流电动机供电，后来的实现方法：转子整流，给直流电动机供电，直流电动机拖动交流发电机将

4、能量送电网；直流电动机拖动交流发电机将能量送电网；现在的实现方法：转子整流、逆变、送电网，现现在的实现方法：转子整流、逆变、送电网，现在可实现超同步调速和改善系统功率因数（也称在可实现超同步调速和改善系统功率因数（也称双馈调速）；双馈调速）；未来的实现方法：无刷双馈电机调速系统（降低未来的实现方法：无刷双馈电机调速系统（降低成本，减少电网污染，节约能源，改善功率因成本，减少电网污染，节约能源，改善功率因数）。数）。B B、滑差功率回馈型、滑差功率回馈型 （转子串级调速）（转子串级调速） 这种方法主要是通过改变同步转速实现调速，这种方法主要是通过改变同步转速实现调速，滑差功率消耗水平保持不变，因

5、而是一种真正的滑差功率消耗水平保持不变，因而是一种真正的高效调速方式，主要包括：高效调速方式，主要包括：变极调速变极调速变频调速变频调速C C、滑差功率不变型、滑差功率不变型2.2.交流电动机调速传动交流电动机调速传动A.A.脉宽调制（脉宽调制（PWMPWM）和正弦脉宽调制技术）和正弦脉宽调制技术（SPWMSPWM） 由于电力电子器件的发展（可关断器件由于电力电子器件的发展（可关断器件研制成功），变频器中采用了研制成功），变频器中采用了PWMPWM和和SPWM SPWM 技术，降低了变频器输出电压的谐波分量，技术，降低了变频器输出电压的谐波分量，使电机的转矩脉动显著减小，运行比较平使电机的转矩

6、脉动显著减小，运行比较平稳。稳。而且该技术把调频和调压二者结合在一起，输而且该技术把调频和调压二者结合在一起，输入直流电压不需要调节，于是电源侧可用二极入直流电压不需要调节，于是电源侧可用二极管整流，管整流，可提高系统的功率因数，减小对电网可提高系统的功率因数，减小对电网的谐波干扰。的谐波干扰。后来在后来在PWM逆变器和逆变器和SPWM逆逆变器控制技术的基础上又发展了电流跟踪型变器控制技术的基础上又发展了电流跟踪型PWM逆变器和磁通跟踪型逆变器和磁通跟踪型PWM 逆变器的控制逆变器的控制技术。技术。B.B.电压、频率协调控制技术电压、频率协调控制技术C.C.转差频率控制技术转差频率控制技术D.

7、D.矢量控制技术矢量控制技术 由于交流电动机是多变量、强耦合的非由于交流电动机是多变量、强耦合的非线性系统，与直流电机相比转矩控制要困线性系统，与直流电机相比转矩控制要困难得多。难得多。7070年代初由德国年代初由德国“西门子西门子”公司公司F.BlaschkeF.Blaschke提出的矢量控制理论解决了交提出的矢量控制理论解决了交流电动机转矩控制问题。流电动机转矩控制问题。该控制技术应用坐标变换将三相系统变换该控制技术应用坐标变换将三相系统变换为两相系统，再经过按转子磁场定向的同步旋为两相系统，再经过按转子磁场定向的同步旋转变换实现了定子励磁分量和转矩分量之间的转变换实现了定子励磁分量和转矩

8、分量之间的解耦，从而达到对交流电动机的磁链和电流分解耦，从而达到对交流电动机的磁链和电流分别控制的目的。别控制的目的。将一台交流电机等效为一台直将一台交流电机等效为一台直流电机，像控制直流电机一样来控制交流电机，流电机，像控制直流电机一样来控制交流电机，因而获得与直流调速系统同样优良的静、动态因而获得与直流调速系统同样优良的静、动态性能，开创了与直流调速相竞争的时代。性能，开创了与直流调速相竞争的时代。 8080年代由德国年代由德国DependrockDependrock教授提出的直接教授提出的直接转矩控制技术，其思路是把电机与逆变器看转矩控制技术，其思路是把电机与逆变器看作一个整体，采用空间

9、电压矢量分析方法在作一个整体，采用空间电压矢量分析方法在定子坐标系进行磁通、转矩计算，通过磁通定子坐标系进行磁通、转矩计算，通过磁通跟踪型跟踪型PWMPWM逆变器的开关状态直接控制转矩，逆变器的开关状态直接控制转矩，因而无需对定子电流进行解耦，免去了矢量因而无需对定子电流进行解耦，免去了矢量变换的复杂计算，控制结构简单，便于实现变换的复杂计算，控制结构简单，便于实现全数字化，目前已经开始使用。全数字化，目前已经开始使用。E.E.直接转矩控制技术直接转矩控制技术F.F.自适应控制技术自适应控制技术 为提高系统鲁棒性，各种自适应控制方法也为提高系统鲁棒性，各种自适应控制方法也已用在电机调速传动系统

10、中，如基于参数和扰已用在电机调速传动系统中，如基于参数和扰动转矩估值的自校正调节、变结构控制、模型动转矩估值的自校正调节、变结构控制、模型参数自适应控制等。参数自适应控制等。G.G.数字化控制技术数字化控制技术从从80968096系列单片机到系列单片机到DSPDSP处理器再到专处理器再到专用用PWMPWM调制器、矢量变换器和全功能控制调制器、矢量变换器和全功能控制器将大大简化硬件，降低成本，提高控器将大大简化硬件，降低成本，提高控制精度和系统可靠性。制精度和系统可靠性。H.H.智能控制技术智能控制技术 人工智能技术，如专家系统、模糊逻辑和人人工智能技术，如专家系统、模糊逻辑和人工神经网络，正在

11、显示出其实现调速系统传动工神经网络，正在显示出其实现调速系统传动的智能化适应控制（自组织或自学习控制）和的智能化适应控制（自组织或自学习控制）和估值的巨大希望所在。已经有许多学者把智能估值的巨大希望所在。已经有许多学者把智能控制技术用在调速传动系统中，如在线诊断和控制技术用在调速传动系统中，如在线诊断和容错控制、参数辨识和补偿估值误差，磁通观容错控制、参数辨识和补偿估值误差，磁通观测和效率的最优控制等。测和效率的最优控制等。3. 3. 调速传动技术的发展调速传动技术的发展调速传动技术的发展历史为：调速传动技术的发展历史为： 直流调速直流调速交流调速交流调速智能化、模块智能化、模块化、集成化、信

12、息化、交流调速传动系统。化、集成化、信息化、交流调速传动系统。 现已有将变频器模块、控制、保护模块和现已有将变频器模块、控制、保护模块和通信模块集成在电机外壳上的交流电机调速传通信模块集成在电机外壳上的交流电机调速传动系统，也有公司将移动电话引入电气传动系动系统，也有公司将移动电话引入电气传动系统，智能家用电器等。统，智能家用电器等。4.4.调速传动的主要应用领域调速传动的主要应用领域 冶金机械冶金机械 电气牵引：电气机车、电动汽车电气牵引：电气机车、电动汽车 数控机床数控机床 矿井提升机械矿井提升机械 起重、装卸机械起重、装卸机械 原子能及化工设备原子能及化工设备 建筑电气设备建筑电气设备

13、纺织、食品机械纺织、食品机械 水泵、风机、压缩机等水泵、风机、压缩机等 船舶传动船舶传动 机器人机器人 计算机外围设备传动等计算机外围设备传动等 本章要求在了解自动调速系统的组成和调速本章要求在了解自动调速系统的组成和调速性能指标的基础上，性能指标的基础上，掌握掌握自动调速系统中各个自动调速系统中各个基本环节，各种反馈环节的作用及特点；基本环节，各种反馈环节的作用及特点；掌握掌握常用的交流调速系统的原理、特点与适用场所常用的交流调速系统的原理、特点与适用场所，正确选择和使用交流调速控制系统正确选择和使用交流调速控制系统。8.1 电磁转差离合器调速系统电磁转差离合器调速系统8.1.1 电磁离合器

14、调速系统的组成和工作原理电磁离合器调速系统的组成和工作原理8.1.2 电磁转差离合器调速系统的机械特性电磁转差离合器调速系统的机械特性8.1.3 自动换极电磁转差离合器调速系统自动换极电磁转差离合器调速系统8.1.1 组成和工作原理组成和工作原理一、组成一、组成 由鼠笼式异步电动机、电磁转差离合器和控由鼠笼式异步电动机、电磁转差离合器和控制装置三部分组成。制装置三部分组成。 图图8.1为电磁转差离合器调速系统原理结构图为电磁转差离合器调速系统原理结构图 磁极与绕组磁极与绕组电枢：电枢：大多为整块铸钢构成，常呈爪极结构。大多为整块铸钢构成，常呈爪极结构。 磁极：磁极：磁极上装有直流励磁绕组，通过

15、集电环磁极上装有直流励磁绕组，通过集电环由单相半波或桥式可控整流电路提供大小可调由单相半波或桥式可控整流电路提供大小可调的励磁电流。的励磁电流。 二、电磁转差离合器二、电磁转差离合器 又称电磁滑差离合器或电磁调速电机又称电磁滑差离合器或电磁调速电机1.1.组成组成 由电枢和磁极两部分组成，这两部分没有机由电枢和磁极两部分组成，这两部分没有机械联系，都能自由旋转。械联系，都能自由旋转。 2.工作原理工作原理 当电枢由电动机拖动以恒速当电枢由电动机拖动以恒速n n旋转时，电枢与磁旋转时，电枢与磁极之间有相对运动，会在实心电枢中感应出涡流极之间有相对运动，会在实心电枢中感应出涡流电流，此电流与磁场作

16、用产生电磁转矩，其过程电流，此电流与磁场作用产生电磁转矩，其过程与作用和实心转子异步电机相同。改变励磁电流与作用和实心转子异步电机相同。改变励磁电流的大小就可以调节电枢与机械旋转磁场之间的转的大小就可以调节电枢与机械旋转磁场之间的转差率；改变从动轴的输出速度差率；改变从动轴的输出速度n n。若不加励磁电流，。若不加励磁电流，磁极就会停转，相当于把从动轴与主动轴分离，磁极就会停转，相当于把从动轴与主动轴分离，起到了离合器的作用。起到了离合器的作用。 电磁滑差离合器是一种调速原理和性能与异步电磁滑差离合器是一种调速原理和性能与异步电机调压调速十分相似的系统。电机调压调速十分相似的系统。 它是通过调

17、节滑差离合器的励磁电流，改变其它是通过调节滑差离合器的励磁电流，改变其内部的磁场强度实现调速的，也是属于滑差功率内部的磁场强度实现调速的，也是属于滑差功率消耗型调速方式，消耗型调速方式，只是滑差功率不消耗在电机内只是滑差功率不消耗在电机内部而是在与电机同轴的电磁滑差离合器之中部而是在与电机同轴的电磁滑差离合器之中。3. VS或或HC电机电机 电磁转差离合器常与鼠笼式异步电机在结构电磁转差离合器常与鼠笼式异步电机在结构上做成一体，并配有同轴测速发电机和速度反上做成一体，并配有同轴测速发电机和速度反馈闭环控制装置馈闭环控制装置的的成套配置常称为电磁调速电成套配置常称为电磁调速电机。机。 8.1.2

18、 电磁转差离合器调速系统的机械特性电磁转差离合器调速系统的机械特性1. 开环调速系统的机械特性开环调速系统的机械特性图图8.2 电磁转差离合器的机械特性电磁转差离合器的机械特性 电磁转差离合器机电磁转差离合器机械特性较软，稳定性械特性较软，稳定性较差，因此在工程实较差，因此在工程实践中，常常采用带转践中，常常采用带转速负反馈的闭环调速速负反馈的闭环调速系统提高机械特性的系统提高机械特性的硬度。硬度。 2.闭环系统的机械特性闭环系统的机械特性 采用速度负反馈采用速度负反馈以构成闭环调速系以构成闭环调速系统统，可获可获l l：1010的调的调速范围速范围。机械特性机械特性硬度大为提高，呈硬度大为提

19、高，呈水平线水平线。8.1.3 自动换极电磁转差离合器调速系统自动换极电磁转差离合器调速系统1. 组成组成 异步电动机为异步电动机为4/8极双速电动机。当极双速电动机。当1KM线圈通电线圈通电时，电动机定子绕组为三角形连接，当时，电动机定子绕组为三角形连接，当2KM、3KM线圈通电时，电动机定子绕组双星形连接。线圈通电时，电动机定子绕组双星形连接。 当电磁离合器从动部分的转速高于当电磁离合器从动部分的转速高于600r/min时，时，则电动机定子绕组采用双星形接线；当电磁离合器则电动机定子绕组采用双星形接线；当电磁离合器从动部分的转速低于从动部分的转速低于600r/min时，则电动机定子绕时，则

20、电动机定子绕组采用三角形接线。组采用三角形接线。 为了使电动机变极时，其转向维持不变，在具体为了使电动机变极时，其转向维持不变，在具体接线，将接线，将2U、2V对调。对调。 图图8.3 自动换极的电磁转差离合器调速系统自动换极的电磁转差离合器调速系统2. 工作过程工作过程 合上自动开关合上自动开关QF，按下起动按钮，按下起动按钮2SB，1KM的主触点闭合，将电动机的定子绕组接成三角形，的主触点闭合，将电动机的定子绕组接成三角形，电动机低速起动运行。通过调节电阻电动机低速起动运行。通过调节电阻RP使从动部使从动部分所带负载稳定在所需要的转速上。分所带负载稳定在所需要的转速上。 若转速升高到若转速

21、升高到600r/min以上时，电动机定子以上时，电动机定子绕组由三角形连接转为双星形连接，同时绕组由三角形连接转为双星形连接，同时1KT线线圈断电，为下次工作作准备。圈断电，为下次工作作准备。 当需要负载停止运行时，首先将励磁电流减当需要负载停止运行时，首先将励磁电流减为零，然后按下停止按钮为零，然后按下停止按钮1SB，使，使1KM、2KM、3KM线圈都断电，切断电动机定子电源。线圈都断电，切断电动机定子电源。8.2 线绕式异步电动机串级调速系统线绕式异步电动机串级调速系统8.2.1 串级调速的基本原理串级调速的基本原理8.2.2 串级调速系统的基本类型串级调速系统的基本类型8.2.3 双闭环

22、控制的串级调速系统双闭环控制的串级调速系统1.1.转子绕组串接电阻有级调速转子绕组串接电阻有级调速2.2.斩波变阻实现无级调速斩波变阻实现无级调速8.2.1 串级调速的基本原理串级调速的基本原理一、绕线式异步电动机调速方法一、绕线式异步电动机调速方法3 3 双馈调速（串级调速）双馈调速（串级调速）图图8.4 串级调速原理图串级调速原理图 异步电动机的串级调速，就是在电机转子回路异步电动机的串级调速，就是在电机转子回路中串入与转子电动势中串入与转子电动势2同频率的附加电势同频率的附加电势add。通过改变通过改变add的幅值大小和相位来实现调速。的幅值大小和相位来实现调速。 电动机在低速运转时，转

23、子中的转差功率只是电动机在低速运转时，转子中的转差功率只是小部分消耗在转子电阻上，大部分被串入的附加小部分消耗在转子电阻上，大部分被串入的附加电势所吸收，再利用产生附加电势的装置，设法电势所吸收，再利用产生附加电势的装置，设法把所吸收的这部分转差功率回馈入电网（或再送把所吸收的这部分转差功率回馈入电网（或再送回电动机轴上输出），这样使电动机在低速运转回电动机轴上输出），这样使电动机在低速运转时仍具有较高的效率。时仍具有较高的效率。 二、绕线式异步电动机串极调速的基本原理二、绕线式异步电动机串极调速的基本原理三、双馈调速与串级调速的基本概念三、双馈调速与串级调速的基本概念所谓双馈调速，就是将电能

24、分别馈入绕线转子异步所谓双馈调速，就是将电能分别馈入绕线转子异步电动机的定子绕组和转子绕组。改变转子外接电源电动机的定子绕组和转子绕组。改变转子外接电源的幅值和相位，就可以调节异步电动机的转速、转的幅值和相位，就可以调节异步电动机的转速、转矩和电动机定子侧的无功功率，这种双馈调速的异矩和电动机定子侧的无功功率，这种双馈调速的异步电动机不但可以在亚同步转速区运行，而且可以步电动机不但可以在亚同步转速区运行，而且可以在超同步转速区运行，因此双馈调速也叫超同步串在超同步转速区运行，因此双馈调速也叫超同步串级调速。级调速。双馈调速中的转差频率难以检测和控制。双馈调速中的转差频率难以检测和控制。在工程实

25、际中常对转子绕组的电流进行整流，并以在工程实际中常对转子绕组的电流进行整流，并以直流形式在转子中串入外加电动势，称之为串级调直流形式在转子中串入外加电动势，称之为串级调速。也叫低同步串级调速，这是由于转差功率只能速。也叫低同步串级调速，这是由于转差功率只能单方向由整流器送出的缘故。单方向由整流器送出的缘故。串级调速是双馈调速的一种特例。串级调速是双馈调速的一种特例。8.2.2 串级调速系统的基本类型串级调速系统的基本类型 串级调速系统的核心环节是产生交流附加电势串级调速系统的核心环节是产生交流附加电势add的装置。的装置。 由于异步电动机转子电势由于异步电动机转子电势2的频率是随转速而的频率是

26、随转速而变化的，要求变化的，要求add也需随转速而变，即也需随转速而变，即add装置应装置应是频率和幅值可调的三相变频器，并且这种变频器是频率和幅值可调的三相变频器，并且这种变频器还要对功率的传递实现可逆。还要对功率的传递实现可逆。 转子回路中串入直流附加电势转子回路中串入直流附加电势Eadd，以避免随着，以避免随着转速的不同而改变转速的不同而改变add的频率。的频率。 在转子绕组端接入一个不可控的整流器，将转在转子绕组端接入一个不可控的整流器，将转子感应电势子感应电势sE20整流为直流电压，串级调速用的附整流为直流电压，串级调速用的附加电势加电势add也为直流电压，两者叠加来实现调速。也为直

27、流电压，两者叠加来实现调速。 由于转子电路采用了不可控整流电路，所以转由于转子电路采用了不可控整流电路，所以转差功率只能从转子流向产生差功率只能从转子流向产生add的装置，再回馈电的装置，再回馈电网。此系统称之为网。此系统称之为亚同步串级调速系统亚同步串级调速系统。图图8.5 采用直流附加电势采用直流附加电势Eadd的串级调速框图的串级调速框图 根据转子回路中直流附加电势根据转子回路中直流附加电势Eadd获得的方法不获得的方法不同，可将串级调速系统分为以下三种基本类型：同，可将串级调速系统分为以下三种基本类型：1电动机串级调速调速（电气串级）电动机串级调速调速（电气串级）2晶闸管串级调速系统晶

28、闸管串级调速系统3机械串级调速系统机械串级调速系统1电动机串级调速调速（电气串级）电动机串级调速调速（电气串级）图图8.6 电动机串级调速系统电动机串级调速系统2晶闸管串级调速系统晶闸管串级调速系统图图8.7 晶闸管串级调速系统晶闸管串级调速系统3机械串级调速系统机械串级调速系统图图8.8 机械串级调速系统机械串级调速系统8.2.3 双闭环控制的串级调速系统双闭环控制的串级调速系统 双闭环串级调速系统的原理电路图如图双闭环串级调速系统的原理电路图如图8.9所所示，其结构与双闭环直流调速系统相似。示，其结构与双闭环直流调速系统相似。 改变转速给定值改变转速给定值Un的值，即可实现调速。电的值，即

29、可实现调速。电流调节器流调节器ACR输出电压为零时，应整定触发脉输出电压为零时，应整定触发脉冲使冲使为最小值。为防止逆变器逆变失败，一般为最小值。为防止逆变器逆变失败，一般取取min=30。随着。随着ACR输出电压的增加，输出电压的增加，角角向向90方向变化。当方向变化。当ACR输出电压为上限幅值输出电压为上限幅值时，应整定逆变角最大值时，应整定逆变角最大值max=90。机械特性与机械特性与直流电机颇直流电机颇为相似，但为相似，但较软，一般较软，一般需要采用带需要采用带速度反馈和速度反馈和电流反馈的电流反馈的双闭环调速双闭环调速系统。系统。图图8.9 双闭环串级调速系统组成图双闭环串级调速系统

30、组成图串级调速的特点串级调速的特点 低同步串级调速系统是双馈调速的一种特例低同步串级调速系统是双馈调速的一种特例 系统结构较简单，价格较便宜系统结构较简单，价格较便宜 逆变装置容量小，逆变装置容量小，30%30%或或15%15%电机容量电机容量 不允许用来起动电机不允许用来起动电机 功率因数低功率因数低绕线型异步电动机的双馈调速系统绕线型异步电动机的双馈调速系统起动时现将转起动时现将转子绕组接到起子绕组接到起动电阻上，以动电阻上，以减少起动电流，减少起动电流，增大起动转矩；增大起动转矩；待电动机的转待电动机的转速上升到设计速上升到设计知识，再将交知识，再将交交变频器投交变频器投入运行。入运行。

31、双馈调速的优点双馈调速的优点在保证调速要求的同时还可以独立地调节电动在保证调速要求的同时还可以独立地调节电动机定子侧的无功功率，从而提高整个系统的无机定子侧的无功功率，从而提高整个系统的无功功率。整个系统的功率因数可到功功率。整个系统的功率因数可到0.90.9以上。以上。从理论上讲，双馈调速的异步电动机即是电动从理论上讲，双馈调速的异步电动机即是电动机又是无功功率补偿器。机又是无功功率补偿器。可无级调速。可无级调速。可用作变速恒频恒压发电。可用作变速恒频恒压发电。变频器的容量小。变频器的容量小。绕线式异步电机的矢量控制绕线式异步电机的矢量控制u速度开环或速度闭环调速系统，调速特性都不速度开环或

32、速度闭环调速系统，调速特性都不如直流调速系统如直流调速系统u即使采用了速度闭环，也无法控制功率因数，即使采用了速度闭环，也无法控制功率因数，使之不随负载和转速的变化而变化。使之不随负载和转速的变化而变化。u采用磁场定向采用磁场定向矢矢量控制，可达到与直流电机调量控制，可达到与直流电机调速相媲美的特性。速相媲美的特性。绕线转子异步电动机绕线转子异步电动机矢量控制双馈调速系统框图矢量控制双馈调速系统框图8.3鼠笼式异步电动机变频调速系统鼠笼式异步电动机变频调速系统8.3.1 交流异步电动机变频调速基本原理交流异步电动机变频调速基本原理8.3.2 变频与变压的实现变频与变压的实现SPWM调制波调制波

33、8.3.3 SPWMSPWM脉冲的生成方法及专用集成芯片脉冲的生成方法及专用集成芯片8.3.4 单片机控制交流异步电动机变频调速单片机控制交流异步电动机变频调速8.3.5 矢量控制简介矢量控制简介8.3.6 PLC控制交流异步电动机变频调速控制交流异步电动机变频调速8.3.1 交流异步电动机变频调速基本原理交流异步电动机变频调速基本原理一、变频调速的基本控制方式一、变频调速的基本控制方式m1111kwf44. 4E 1111ZIEU )1 (60spfn 定子供电频率；定子供电频率； 定子每相串联匝数；定子每相串联匝数； 基波绕组系数；基波绕组系数； 每极气隙磁通每极气隙磁通当电机一旦选定，结

34、构参数确定，则有：当电机一旦选定，结构参数确定，则有： 说明只要协调地控制说明只要协调地控制 ，即可到达控制，即可到达控制气隙磁通气隙磁通 的目的，但控制方式随运行频率的目的，但控制方式随运行频率在基频以下以及基频以上而不同。在基频以下以及基频以上而不同。 1f1W1WKmm11fEm11, fEA.A.基频以下的控制：恒磁通控制基频以下的控制：恒磁通控制 ；电压；电压频率比频率比 时定子电阻降压补偿。时定子电阻降压补偿。B.B.基频以上基频以上, ,近似恒功率控制近似恒功率控制 不变，不变， 升高，气隙磁通升高，气隙磁通 减小减小 UUN11 f1m)(11cfU)/(11cfE二、变频调速

35、对应的机械曲线二、变频调速对应的机械曲线1.1.恒压频比恒压频比 控制的机械特性控制的机械特性)(11cfU不同频率时不同频率时n n 相同相同mT最大转矩最大转矩 随频率降低而减小随频率降低而减小)()()(222121111211LLRRumpTm21121)(umpTRs而而同步转速同步转速 随运行频率随运行频率 变化；变化；不同频率下机械特性为一组硬度相同的直线；不同频率下机械特性为一组硬度相同的直线；最大转矩最大转矩 随频率的降低而减小。随频率的降低而减小。恒压频比恒压频比 控制的特点控制的特点)(11cfUsnsmT2.2.恒气隙电势恒气隙电势/ /频率比频率比 控制控制)/(11

36、cfE2212212)()(LSREI221221211122 21)()(/LsRRsEmppsRmIpPTeml机械特性线性段的范围比恒压频比控制机械特性线性段的范围比恒压频比控制更宽。更宽。即调速范围更广即调速范围更广。低频下起动转矩比额定频率下的起动转矩大低频下起动转矩比额定频率下的起动转矩大, ,而起动电流并不大而起动电流并不大, ,转子功率因数高，这是变转子功率因数高，这是变频调速的重要优点。频调速的重要优点。212LRsm22111)(2LEmpTm即在任何运行频即在任何运行频率下的最大转矩率下的最大转矩恒定不变。恒定不变。实现途径实现途径: : 是电机内部量是电机内部量, ,无

37、法直接控制无法直接控制. .必须随必须随着频率的降低着频率的降低, ,适当提高定子电压适当提高定子电压 , ,以补偿定子漏以补偿定子漏阻抗压降阻抗压降( (主要是定子电阻压降主要是定子电阻压降) )对气隙电势的影响对气隙电势的影响. .补偿量补偿量: :1E1U2221111)1(12QQUUnNNff11111211)(RLNQN式中式中定子电阻越大定子电阻越大, ,即即Q Q值越小值越小, ,定子定子电压所需补偿的程度也就越大电压所需补偿的程度也就越大( (直线斜率变小直线斜率变小) )注意注意: :采取电流反馈控制使轻载时电压降低，克采取电流反馈控制使轻载时电压降低，克服服“过补偿过补偿

38、”( (只考虑最大转矩恒定只考虑最大转矩恒定) )。风机、水泵等负载反而常常采用减小电压风机、水泵等负载反而常常采用减小电压/ /频率比的运行方式，降低轻载时的电机损耗频率比的运行方式，降低轻载时的电机损耗( (低速时不要求满载低速时不要求满载) )。3.3.恒转子电势恒转子电势/ /频率比频率比 控制控制)/(1cfEr)/(22SREIr2121)(RsEmpTrem特点特点: :与他励直流电机一样为直线型机械特性与他励直流电机一样为直线型机械特性与与 控制、控制、 控制相比控制相比, ,稳态稳态特性最好。特性最好。 cfU11cfE11实现途径实现途径: :将电压频率协调控制中低频段将电

39、压频率协调控制中低频段 值再提值再提高一点，且随时补偿转子上的漏抗压降。高一点，且随时补偿转子上的漏抗压降。这是高性能交流电机变频调速最终追求的目这是高性能交流电机变频调速最终追求的目标；标； ( (转子全磁通幅值转子全磁通幅值 为常为常数数) )的控制是矢量控制要实现的目标之一。的控制是矢量控制要实现的目标之一。 1UcfEr1/mr以上以上3 3种控制方式适合于恒转矩负载。种控制方式适合于恒转矩负载。4.4.恒功率运行恒功率运行实现途径实现途径:NNffUU1111注意注意: : 因为因为 所以，电机气隙磁通将随所以，电机气隙磁通将随功率的减小而增大，在设功率的减小而增大，在设计恒功率负载

40、的电机时，计恒功率负载的电机时，应按运行中最低频率来考应按运行中最低频率来考虑它的磁路状态。虑它的磁路状态。111ffNmNm三、变频器的类型三、变频器的类型1.交交直直交变频器交变频器2.交交交变频器交变频器8.3.2 SPWM调制波调制波 一、一、SPWM的产生原理的产生原理 图图8.13 SPWM波生成方法波生成方法用一组等腰三用一组等腰三角形波与一个角形波与一个正弦波进行比正弦波进行比较，其相交的较，其相交的时刻（即交点）时刻（即交点）作为开关管作为开关管“开开”或或“关关”的时刻。的时刻。 图图8.14 SPWM变频器电路原理图变频器电路原理图 1VD6VD为用于处理无功功率反馈的二

41、极管，其为用于处理无功功率反馈的二极管，其功能是：功能是：为电动机绕组的无功电流返回直流电路时为电动机绕组的无功电流返回直流电路时提供通路；提供通路；在降速过程中，为电动机的再生电能反在降速过程中，为电动机的再生电能反馈至直流电路提供通路；馈至直流电路提供通路；为电路的寄生电感在逆变为电路的寄生电感在逆变过程中释放能量提供通路。过程中释放能量提供通路。 1.1.单极性控制单极性控制图图8.15三相桥式三相桥式PWM逆变电路输出双极性波形逆变电路输出双极性波形 2.2.双极性控制双极性控制二、二、SPWM波的调制方式波的调制方式 在在SPWM逆变器中，三角波电压频率逆变器中，三角波电压频率ft与

42、参考波与参考波电压频率（即逆变器的输出频率）电压频率（即逆变器的输出频率）fr之比之比N=ft / fr称称为载波比，也称调制比。根据载波比的变化与否，为载波比，也称调制比。根据载波比的变化与否，分为分为同步式、异步式和分段同步式同步式、异步式和分段同步式。 1.同步调制方式同步调制方式 每个周期内所采用的三角波电压数目是固定的。每个周期内所采用的三角波电压数目是固定的。 优点优点是保持输出波形的正、负半波完全对称，只是保持输出波形的正、负半波完全对称，只有奇次谐波存在，能严格保证逆变器输出三相波形之有奇次谐波存在，能严格保证逆变器输出三相波形之间具有间具有120相位移的对称关系。相位移的对称

43、关系。 缺点缺点是当逆变器输出频率很低时，相邻脉冲间的是当逆变器输出频率很低时，相邻脉冲间的间距扩大，造成低频谐波分量较大，使电动机产生转间距扩大，造成低频谐波分量较大，使电动机产生转矩脉动和噪声。矩脉动和噪声。 2.异步调制方式异步调制方式 在改变参考频率在改变参考频率fr时保持三角波频率时保持三角波频率ft 不变。不变。优点优点是提高了低频时的载波比，逆变器输出电压是提高了低频时的载波比，逆变器输出电压每个周期内每个周期内PWMPWM脉冲数随输出频率的降低而增加。脉冲数随输出频率的降低而增加。缺点缺点是当载波比随着输出频率的降低而连续变化是当载波比随着输出频率的降低而连续变化时，它不可能总

44、是时，它不可能总是3的倍数，难以保持三相输出的的倍数，难以保持三相输出的对称性，因而引起电动机工作不平稳。对称性，因而引起电动机工作不平稳。3.分段同步调制方式分段同步调制方式 采用分段同步调制方式，需要增加调制脉冲采用分段同步调制方式，需要增加调制脉冲切换电路，从而增加控制电路的复杂性。切换电路，从而增加控制电路的复杂性。8.3.3 SPWMSPWM脉冲的生成方法及专用集成芯片脉冲的生成方法及专用集成芯片一、一、SPWMSPWM脉冲的生成方法脉冲的生成方法1.采用模拟电路生成采用模拟电路生成：原理简单，速度快。缺点是：原理简单，速度快。缺点是所需硬件较多，且有温漂现象，会影响精度，不够所需硬

45、件较多，且有温漂现象，会影响精度，不够灵活，改变参数和调试比较复杂。灵活，改变参数和调试比较复杂。2.采用数字电路生成采用数字电路生成：按照不同的数字模型用计算：按照不同的数字模型用计算机算出各切换点，通过查表等生成机算出各切换点，通过查表等生成PWMPWM波，数字方波，数字方法受内存影响较大，与系统精度之间存在着矛盾。法受内存影响较大，与系统精度之间存在着矛盾。3.模拟和数字电路结合生成模拟和数字电路结合生成。二二、生成的生成的SPWMSPWM脉冲的专用集成芯脉冲的专用集成芯片片HEF4752HEF4752SLE4520SLE4520MB63H110MB63H110SA4828SA4828S

46、A8282 SA8282 8.3.4 单片机控制交流异步电动机变频调速单片机控制交流异步电动机变频调速1系统组成系统组成 图图8.18 微机控制微机控制SPWM变频调速系统功能方框图变频调速系统功能方框图 2SA8282与单片机的接口电路与单片机的接口电路图图8.19 SA8282与单片机的接口电路与单片机的接口电路 3变频器应用实例变频器应用实例TD2100变频器M1级M2M3M4M5常规泵常规泵休眠泵常规泵压力传感器至用户压力反馈信号变频循环泵 网络通信变频控制输出主电路水池水位检测信号输入火警信号变频恒压供水控制系统总体方案图变频恒压供水控制系统总体方案图 机械连锁机械连锁机械连锁KM2

47、火警/水池缺水告警管网超/欠压告警变频故障控制允许选择开关污水位下限输入污水位上限输入进水位下限输入进水位上限输入网管过压信号输入消防信号输入频率降低信号输入频率增加信号输入直流电压表压力/频率显示电源压力反馈020mA压力给定运行停止手动软启动/自动选择手动软启动1输入手动软启动2输入手动软启动3输入手动软启动4输入5变频器控制电路图变频器控制电路图 8.3.5 8.3.5 异步电机矢量变换控制简介异步电机矢量变换控制简介 起源：始于起源：始于7070年代，模拟直流电机的磁通年代，模拟直流电机的磁通和转矩分别控制优势，获得如同直流电机一样和转矩分别控制优势，获得如同直流电机一样良好的动态调速特性良好的动态调速特性。一、矢量变换控制的基本概念一、矢量变换控制的基本概念控制目的控制目的：对磁通和转矩分别进行瞬时：对磁通和转矩分别进行瞬时控制以达到良好的控制性能。