第10章交流自动调速控制系统

1、项目2交流调速系统交流调速系统第15讲项目项目2 交流调速系统交流调速系统 概述 交流调速系统的主要类型 交流变压调速系统 交流变频调速系统 *绕线转子异步电机双馈调速系统转差功率馈送型调速系统 *同步电动机变压变频调速系统 项目项目2 交流调速系统交流调速系统 调速系统及其组成调速系统及其组成 项目项目2 交流调速系统交流调速系统 交流调速系统的基本控制量是位置、速度、转矩这三个物理量交流调速系统的基本控制量是位置、速度、转矩这三个物理量转矩、速度、位置由内向外的三闭环系统转矩、速度、位置由内向外的三闭环系统位位置置控控制制器器速速度度控控制制器器转转矩矩控控制制器器电电 流流 控控 制制

2、功功 能能 电电动动机机转转矩矩检检测测器器机机械械负负载载s*rr*rrr*eTeT*ii项目项目2 交流调速系统交流调速系统 位置控制位置控制 将某负载从某一确定的空间位置按某种轨迹移动到将某负载从某一确定的空间位置按某种轨迹移动到 另一确定的空间位置。例如数控机床和机器人就是典型的位另一确定的空间位置。例如数控机床和机器人就是典型的位 置控制系统即伺服系统。置控制系统即伺服系统。 速度控制速度控制 以确定的速度曲线使负载产生运动。例如风机水泵通过调速以确定的速度曲线使负载产生运动。例如风机水泵通过调速来调节流量，电梯通过速度和加速度调节来实现平稳升降。来调节流量，电梯通过速度和加速度调节

3、来实现平稳升降。 转矩控制转矩控制 维持转矩的恒定或遵循某一变化规律。如轧钢机械、造纸机维持转矩的恒定或遵循某一变化规律。如轧钢机械、造纸机械和传送带中的张力控制等。械和传送带中的张力控制等。项目项目2 交流调速系统交流调速系统 1、交直流调速系统的格局、交直流调速系统的格局l19世纪中叶先后诞生直流调速和交流调速系统世纪中叶先后诞生直流调速和交流调速系统l20世纪世纪60年代以前年代以前 80% 交流定速运行交流定速运行 18% 直流可调速运行直流可调速运行 2% 交流可调速运行交流可调速运行l7070年代以前直流占统治地位。年代以前直流占统治地位。l7070年代电力电子技术的发展开创了交流

4、可调速年代电力电子技术的发展开创了交流可调速传的新纪元。传的新纪元。 目前，交流调速是调速领域的主要发展方向。目前，交流调速是调速领域的主要发展方向。1.概述概述项目项目2 交流调速系统交流调速系统 直流调速系统特点：直流调速系统特点：l控制对象：直流电动机控制对象：直流电动机l控制原理简单，一种调速方式控制原理简单，一种调速方式l性能优良，对硬件要求不高性能优良，对硬件要求不高 l电机有换向电刷（换向火化）电机有换向电刷（换向火化）l电机设计功率受限电机设计功率受限l电机易损坏，不适应恶劣现场电机易损坏，不适应恶劣现场l需定期维护需定期维护l优点：优点：数学模型简单，转矩易于控数学模型简单，

5、转矩易于控制。制。 交流交流调速调速系统特点：系统特点：l控制对象：交流电动机控制对象：交流电动机l控制原理复杂控制原理复杂, ,调速方式多调速方式多l电机无电刷，无换向火化问题电机无电刷，无换向火化问题l转速高、耐压高转速高、耐压高l容量大（交流电机本身容量大）容量大（交流电机本身容量大）l电机不易损坏，适应恶劣现场电机不易损坏，适应恶劣现场l体积小、重量轻，体积小、重量轻，基本免维护基本免维护l节能显著节能显著l缺点缺点:动态数学模型复杂具有非线动态数学模型复杂具有非线性多变量强耦合的性质性多变量强耦合的性质项目项目2 交流调速系统交流调速系统 交流调速系统的应用领域交流调速系统的应用领域

6、主要有三个方面：一般性能的节能调速一般性能的节能调速 需要调速，但对调速性能要求不高的生产机械，也属需要调速，但对调速性能要求不高的生产机械，也属于一般性能调速于一般性能调速高性能的交流调速系统和伺服系统高性能的交流调速系统和伺服系统 矢量控制技术、直接转矩控制矢量控制技术、直接转矩控制特大容量、极高转速的交流调速特大容量、极高转速的交流调速 厚板轧机、矿井卷扬机等，以及极高转速的拖动，厚板轧机、矿井卷扬机等，以及极高转速的拖动，如高速磨头、离心机等，都以采用交流调速为宜。如高速磨头、离心机等，都以采用交流调速为宜。项目项目2 交流调速系统交流调速系统 交流调速系统的主要类型交流调速系统的主要

7、类型 交流电机主要分为异步电机异步电机（即感应电机）和同步电机同步电机两大类，每类电机又有不同类型的调速系统。 现有文献中介绍的异步电机调速系统种类繁多，可按照不同的角度进行分类。项目项目2 交流调速系统交流调速系统 )1 (60)1 (11SpfnSn由转速公式可归纳由转速公式可归纳出三类基本的调速出三类基本的调速方法：变极对数方法：变极对数p的调速、变电源频的调速、变电源频率率f1调速及变转差调速及变转差率率s调速。调速。异步电动机调速异步电动机调速按调速方法分类按调速方法分类降电压调速降电压调速转差离合器调速转差离合器调速转子串电阻调速转子串电阻调速绕线转子电动机串级调速和双馈电动机调速

8、绕线转子电动机串级调速和双馈电动机调速变极对数调速变极对数调速变压变频调速变压变频调速项目项目2 交流调速系统交流调速系统 按照交流异步电机的原理，从按照交流异步电机的原理，从定子传入转子的电磁功率定子传入转子的电磁功率PM可可分成：分成：机械功率机械功率Pm-拖动负载的有效拖动负载的有效功率；功率；转差功率转差功率Ps-传输给转子电路传输给转子电路的，与转差率的，与转差率s 成正比成正比。 P PmmP PMMP Ps sPM = Pm + PsPm = (1 s) PMPs = sPM按按能量转换能量转换类型分类类型分类异步电动机调速异步电动机调速项目项目2 交流调速系统交流调速系统 从能

9、量转换的角度看，转差功率是否增大，从能量转换的角度看，转差功率是否增大，能量是被消耗掉还是得到利用，是评价调能量是被消耗掉还是得到利用，是评价调速系统效率高低的标志。速系统效率高低的标志。按转差功率将异步电动机的调速系统分成按转差功率将异步电动机的调速系统分成三类：三类： 转差功率消耗型转差功率消耗型 转差功率馈送型转差功率馈送型 转差功率不变型转差功率不变型按按能量转换能量转换类型分类类型分类异步电动机调速异步电动机调速项目项目2 交流调速系统交流调速系统 科学分类方法（根据对转差功率的处理方法分类）分为三类：科学分类方法（根据对转差功率的处理方法分类）分为三类：（1）转差功率消耗型）转差功

10、率消耗型调速系统：转差功率全部转化成热能调速系统：转差功率全部转化成热能而被消耗掉。而被消耗掉。 特点特点：系统的效率低，结构简单。调压调速、绕线式异步：系统的效率低，结构简单。调压调速、绕线式异步电动机转子串电阻调速、电磁转差离合器调速系统属于此类。电动机转子串电阻调速、电磁转差离合器调速系统属于此类。（2）转差功率馈送型）转差功率馈送型调速系统调速系统转差功率的少部分被消转差功率的少部分被消耗掉，大部分通过变流装置回馈给电网或者转化为机械能予耗掉，大部分通过变流装置回馈给电网或者转化为机械能予以利用。以利用。 特点特点：效率高。串级调速和双馈调速属该类系统。：效率高。串级调速和双馈调速属该

11、类系统。（3）转差功率不变型）转差功率不变型调速系统调速系统调速过程中，转差功率调速过程中，转差功率基本不变。基本不变。 特点特点：效率最高。变极调速、变频调速系统属于此类。：效率最高。变极调速、变频调速系统属于此类。2 sMCuPsPP转差功率项目项目2 交流调速系统交流调速系统 降电压调速降电压调速转差离合器调速转差离合器调速转子串电阻调速转子串电阻调速绕线转子电动机串级调速绕线转子电动机串级调速和双馈电动机调速和双馈电动机调速变极对数调速变极对数调速变压变频调速等变压变频调速等交流电动机调速交流电动机调速 异步电动机调速异步电动机调速转差功率消耗型转差功率消耗型转差功率馈送型转差功率馈送

12、型转差功率不变型转差功率不变型按按调速方法调速方法分分类类按按能量转换能量转换类型分类类型分类项目项目2 交流调速系统交流调速系统 同步电动机没有转差，也就没有转差功率，同步电动机没有转差，也就没有转差功率，所以同步电动机调速系统只能是所以同步电动机调速系统只能是转差功率转差功率不变型。不变型。 同步电动机转子极对数是固定的，只能靠同步电动机转子极对数是固定的，只能靠变压变频调速变压变频调速。没有像异步电机那样的多。没有像异步电机那样的多种调速方法。种调速方法。交流电动机调速交流电动机调速 同步电动机调速同步电动机调速项目项目2 交流调速系统交流调速系统 从频率控制的方式来看，同步电动机调速从

13、频率控制的方式来看，同步电动机调速可分为可分为他控变频调速他控变频调速和和自控变频调速自控变频调速两类。两类。 他控变频调速他控变频调速利用独立的变压变频装置给利用独立的变压变频装置给同步电动机供电。同步电动机供电。 自控变频调速自控变频调速利用转子磁极位置检测信号利用转子磁极位置检测信号来控制变压变频装置换相，又称作无换向来控制变压变频装置换相，又称作无换向器电动机调速，或无刷直流电动机调速。器电动机调速，或无刷直流电动机调速。交流电动机调速交流电动机调速 同步电动机调速同步电动机调速项目项目2 交流调速系统交流调速系统 21TU 异步电动机调压调速系统异步电动机调压调速系统 当转速或转差率

14、一定时，当转速或转差率一定时，电磁转矩与定子电压的电磁转矩与定子电压的平方成正比；平方成正比； 22M21222121211123/32260PRpU RsTInsRfRXXs异步电机的电磁转矩公式异步电机的电磁转矩公式一、交流异步电动机调压调速原理一、交流异步电动机调压调速原理项目项目2 交流调速系统交流调速系统 图图4-1 异步电动机在不同电压下的机械特性异步电动机在不同电压下的机械特性项目项目2 交流调速系统交流调速系统 调压调速的三种方法：调压调速的三种方法： 1.1.自耦调压器自耦调压器-对小容量电机对小容量电机, ,体积重量大。体积重量大。 2.2.饱和电抗器饱和电抗器-控制铁心电

15、感的饱和程度改变串联阻抗，体积重量大。控制铁心电感的饱和程度改变串联阻抗，体积重量大。 3.3.晶闸管交流调压器晶闸管交流调压器-用电力电子装置调压调速，体积小，轻便。用电力电子装置调压调速，体积小，轻便。二、二、 异步电动机调压调速方法异步电动机调压调速方法项目项目2 交流调速系统交流调速系统 三、三、 转速闭环调压调速系统的组成转速闭环调压调速系统的组成 普通普通异步电动机的开环机械特性很软异步电动机的开环机械特性很软, ,且开环调压调速范且开环调压调速范围太小围太小, ,对于恒转矩的负载，要求调速范围对于恒转矩的负载，要求调速范围D D大于大于2 2时，往往采时，往往采用带转速负反馈的闭

16、环控制系统。用带转速负反馈的闭环控制系统。项目项目2 交流调速系统交流调速系统 当系统带负载在当系统带负载在 A A 点运行时，如果负载增大引起转速下点运行时，如果负载增大引起转速下降，反馈控制作用能提高定子电压，从而在右边一条机降，反馈控制作用能提高定子电压，从而在右边一条机械特性上找到新的工作点械特性上找到新的工作点 B B。同理，当负载降低时，会。同理，当负载降低时，会在左边一条特性上得到定子电压低一些的工作点。在左边一条特性上得到定子电压低一些的工作点。速度调节器速度调节器ASRASR常采用常采用PIPI调节器，可以做到无静差并改善调节器，可以做到无静差并改善动态性能。动态性能。项目项

17、目2 交流调速系统交流调速系统 绕线式异步电动机转子串电阻调速绕线式异步电动机转子串电阻调速调速原理 根据前面的分析已知，在绕线式异步电动机的转子回路串入对称电阻的人为机械特性的特点是：理想空载转速不变，最大转矩不变，临界转差率正比于转子总电阻。假设转子绕组本身电阻为r2，串入不同电阻时，其机械特性如下图所示。当拖动恒转矩负载，且为额定负载转矩TN，电动机的转差率发生明显变化。显然，所串电阻越大，转速越低。nT01nlT2r12Rr 22Rr 32Rr ABCN图9.1 绕线式异步电动机转子串电阻调速项目项目2 交流调速系统交流调速系统 调速方式 对于异步电动机而言，当电源电压仍为额定电压时，

18、气隙磁通基本保持不变，如果调速前转子电流为额定值，希望调速后仍为额定值，则有： 式中R是转子回路所串联的电阻。 2020222222222()()NEEIrRrxxss定值项目项目2 交流调速系统交流调速系统 必然有 （1） 转子回路功率因数为：已知电磁转矩为:22cosICTmTj22NrrRss常数222222/cosxsRrsRr根据（1）可以看出，如果保持调速前后转子电流不变，电磁转矩也不变。因此，转子回路串电阻调速适用于恒转矩的系统，属于恒转矩调速方式。项目项目2 交流调速系统交流调速系统 调速的性能和特点调速的性能和特点调速范围 这种调整方法对应的最高转速不超过理想空载转，低速运行

19、时机械特性太软，静差度大，因而限制了调速范围.平滑性 由于转子回路电流很大，使电阻的体积笨重，抽头不易，所以调速的平滑性也不好,基本上属有级调整.经济性 这种方法简单、容易实现，初期投资较少。但低速运行时效率低。sspPPCumM:1: 1:2项目项目2 交流调速系统交流调速系统 鼠笼式三相异步电动机变极调速鼠笼式三相异步电动机变极调速 变极的原理 异步电动机旋转磁场的同步转速与电机极对数成反比，改变鼠笼式三相异步电动机定子绕组的极对数，就改变了旋转磁场的同步转速，实现变极调速。 下面以四极变两极为例，简单说明变极的原理。 项目项目2 交流调速系统交流调速系统 图为一台四极三相异步电动机定子A

20、相绕组接线图。每相绕组由两个等效集中线圈正向串联而成，以A相为例，AX绕组为a1x1与a2x2头尾串联。当流过电流时，由绕组产生的磁极数便是四极的。 项目项目2 交流调速系统交流调速系统 如果把图中的接线方式改变一下，每相绕组不再是两个线圈头尾串联，而变成为两个线圈尾尾串联，即为反向串联，如图 (a)所示。或者为反向并联，如图 (b)所示。改变后的相绕组流过电流时产生的脉振磁势的极数都是二极的如图（c）。项目项目2 交流调速系统交流调速系统 从上面分析可以看出，若把三相鼠笼式异步电动机的定子绕组每相绕组中一半线圈的电流改变方向，即半相绕组反向，则电动机的极对数便成倍变化（称为倍极比变极）。因此

21、，同步转速n1也成倍变化，对拖动恒转矩负载运行的电机来讲，运行的转速也接近成倍改变。 绕线式异步电动机转子极对数不能自动随定子极对数变化，如果同时改变定、转子绕组极对数又比较麻烦，因此不采用变极调速。该方法主要适用于鼠笼式异步电动机。 需要说明的是，为了保证变极调速时电动机的转向不变，变极调速的同时，需要改变绕组的相序或者说是电源的相序。理由很简单，要使电动机转向不变，就要求磁通势旋转方向不变。项目项目2 交流调速系统交流调速系统 变压变频（变压变频（ VVVF ）调速系统）调速系统概概 述述 异步电机的变压变频（VVVF，是Variable Voltage and Variable Freq

22、uency）调速系统一般简称为变频调速系统。由于在调速时转差功率不随转速而变化，调速范围宽，无论是高速还是低速时效率都较高，在采取一定的技术措施后能实现高动态性能，可与直流调速系统媲美。因此现在应用面很广，是交流调速的重点。项目项目2 交流调速系统交流调速系统 变频调速改变三相异步电动机电源频率，可以改变旋转磁通势的同步转速，从而达到调速的目的。如果电源频率连续可调，可以平滑调节电动机转速。 忽略定子漏阻抗压降，三相异步电动机每相电压 11111144. 4dpkNfEU项目项目2 交流调速系统交流调速系统 式中，定子绕组匝数N1，定子绕组系数Kdp1为常数。在电源频率f1一定时，定子绕组感应

23、电动势E1与产生它的气隙合成磁通1成正比。 忽略定子阻抗压降时，定子电压U1与E1近似相等。若U1不变，f1与1成反比。 f1如果下降，则1增加，使磁路过饱和，励磁电流迅速上升，铁损增加，电动机效率降低，这是电机不允许的。如果f1上升，则1减小，电磁转矩减小，电动机的过载能力下降。可见调速时为维持恒磁通不变，降低电源频率时，必须同时降低电源电压 ，才可以使异步电动机具有较好的性能。项目项目2 交流调速系统交流调速系统 降低电源电压，有两种控制方法。1. 保持 常数降低电源频率f1的同时，保持 常数，则1=常数，是恒磁通控制方式。 11fE11fE 22222111122222221112221

24、1122602RXssRfEpfmsRXsREfpmnsRImPTM项目项目2 交流调速系统交流调速系统 令 可求得：0dsdT22XRsm常数2211121221LfEpmTm常数pLRpfXRnsnmm60260221221最大转矩为常数，最大转矩为常数，与频率无关，并且与频率无关，并且最大转矩对应的转最大转矩对应的转速落降相等，也就速落降相等，也就是不同频率的各条是不同频率的各条机械特性是近似平机械特性是近似平行的，硬度相同。行的，硬度相同。 项目项目2 交流调速系统交流调速系统 图为保持 常数时，变频调速的机械特性 11fE项目项目2 交流调速系统交流调速系统 下面分析恒磁通变频调速的

25、性质。如p316 常数常数CXsRsRfXsRsRffEpmT222212222121112以上分析表明，恒磁通变频调速属于以上分析表明，恒磁通变频调速属于恒转矩调速恒转矩调速方式。方式。 常数得出221121221212LfKfRkfXsREIfKs项目项目2 交流调速系统交流调速系统 2. 保持 常数当降低电源频率时，保持 常数，则气隙每极磁通1常数。这时电动机的电磁转矩为11fU11fU2212212121112212211221122XXsRRsRffUpmXXsRrfsRpUmT221211121112212111211221221XXRRffUpmXXRRfpUmTm项目项目2 交

26、流调速系统交流调速系统 由上式可以看出，保持U1/f1=常数，当减小f1时，最大转矩不等于常数。已知(x1+ x2)与f1成正比变化， R1与f1无关。因此，在f1接近额定频率时， R1 (x1+ x2) ，随着f1的减小，Tm减小得不多；但是，当f1较低时， (x1+ x2)比较小， R1相对变大了。这样一来，随着f1的降低， Tm就减小了。在低频低速的机械特性变坏了。 项目项目2 交流调速系统交流调速系统 保持U1/f1=常数降低频率调速近似为恒转矩调速方式，证明从略 。保持保持 常数的变频调速机械特性常数的变频调速机械特性11fU项目项目2 交流调速系统交流调速系统 从基频向上变频调速

27、升高频率向上调速时，升高电源电压是不允许的，只能保持电压不变，频率越高，磁通越低，因此是一种弱磁升速的方法，类似他励直流电动机弱磁调速。调速过程中，电动机电磁转矩为 221221122112XXsRRfsRpUmT项目项目2 交流调速系统交流调速系统 忽略R1的影响212112112121112111)(221221fXXfpUmXXRRfpUmTm1211221222121212fLLfRXXRXXRRsm常数pfLLfrnsnmm121121602项目项目2 交流调速系统交流调速系统 正常运行时，若保持UN额定不变，s变化就很小，可近似认为PM是不变的。属于恒功率调速方式。pfXXsRRf

28、sRpUmTPM122122112211122sRUmpfsRfpUmPM221112121122保持保持U UN N不变升频调速的机械特性不变升频调速的机械特性项目项目2 交流调速系统交流调速系统 综上所述，三相异步电动机变频调速具有以下几个特点： 从基频向下调速，为恒转矩调速；从基频向上调速，近似为恒功率调速； 调速范围大； 机械特性较硬，静差率小，相对稳定性好； 运行时较小，效率高； 频率可以连续调节，变频调速为无级调速。项目项目2 交流调速系统交流调速系统 电力电子变压变频器的主要类型电力电子变压变频器的主要类型 引引 言言 如前所述，对于异步电机的变压变频调速，必须具备能够同时控制电

29、压幅值和频率的交流电源，而电网提供的是恒压恒频的电源，因此应该配置变压变频器，又称VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）装置。项目项目2 交流调速系统交流调速系统 380V 50HZf = 0 500HZ 变频调速变频调速 变频调速变频调速 f f 变极对数调速变极对数调速 P P 变转差率调速变转差率调速 S S 1. 1.变频调速原理变频调速原理项目项目2 交流调速系统交流调速系统 通用变频器通用变频器变频器简介变频器是将固定频率的交流电变换为频率连续可调的交流电的装置。变频器的问世，使得交流调速在很大程度上取代了直流调速。 项目项目2 交流调速

30、系统交流调速系统 变频器的基本类型变频器的基本类型变频器变频器交交-交交变频器变频器交交-直直-交交变频器变频器1、 按变频的原理分类项目项目2 交流调速系统交流调速系统 项目项目2 交流调速系统交流调速系统 交交-直直-交和交交和交-交变压变频器交变压变频器 从整体结构上看，电力电子变压变频器可分为交-直-交和交-交两大类。 1.交交-直直-交变压变频器交变压变频器 交-直-交变压变频器先将工频交流电源通过整流器变换成直流，再通过逆变器变换成可控频率和电压的交流，如下图所示。项目项目2 交流调速系统交流调速系统 交-直-交变压变频器基本结构 交-直-交（间接）变压变频器 变压变频变压变频(V

31、VVF)中间直流环节中间直流环节恒压恒频恒压恒频(CVCF)逆变逆变DCACAC50Hz整流整流项目项目2 交流调速系统交流调速系统 由于这类变压变频器在恒频交流电源和变频交流输出之间有一个“中间直流环节”，所以又称间接式的变压变频器。 具体的整流和逆变电路种类很多，当前应用最广的是由二极管组成不控整流器和由功率开关器件（P-MOSFET，IGBT等）组成的脉宽调制（PWM）逆变器，简称PWM变压变频器，如下图所示。项目项目2 交流调速系统交流调速系统 交-直-交PWM变压变频器基本结构图6-10 交-直-交PWM变压变频器变压变频变压变频(VVVF)中间直流环节中间直流环节恒压恒频恒压恒频(

32、CVCF)PWM逆变器逆变器DCACAC50Hz调压调频调压调频C项目项目2 交流调速系统交流调速系统 中间环节是大电容器滤波，使直流侧电压 恒定，变频器的输出电压随之恒定，相当于理想的电压源，称为交直交电压型变频器 中间环节是电感很大的电抗器滤波，电源阻抗很大，直流环节中的电流 可近似于恒定，逆变器输出电流随之恒定，相当于理想的电流源，称为交直交电流型变频器 项目项目2 交流调速系统交流调速系统 变频器对输出波形的调制既要变频，又要变压，变频是由逆变器完成的。而变压按输出电压调节方式不同，变频器有PAM、 PWM 和SPWM等多种方式 变频器电压调节方式PAM 方式方式-脉冲幅值调节方式脉冲

33、幅值调节方式 是通过改变直流侧的电压幅值进行调压的。在变频器中，逆变器只负责调节输出频率，而输出电压则由相控整流器或直流斩波器通过调节直流电压去实现PWM 方式方式-脉冲宽度调节方式脉冲宽度调节方式 变频器中的整流器采用不可控的整流二极管整流电路。变频器的输出电压和输出频率均由逆变器PWM方式调节。PWM信号作为各晶体管的基极驱动信号控制各晶体管的通断。 SPWM 方式方式-正弦正弦脉冲宽度调节方式脉冲宽度调节方式项目项目2 交流调速系统交流调速系统 用可控整流器调压、逆变器调频 用斩波器调压的交直交变频器 用PWM逆变器同时调压调频 变频器电压调节方式调压和调频分别在两个环节调压和调频分别在

34、两个环节上，由控制电路进行协调上，由控制电路进行协调 整整流环节采用二极管不可流环节采用二极管不可控整流，增设斩波器进行控整流，增设斩波器进行调压，再用逆变器调频调压，再用逆变器调频 用用PWMPWM逆变器，输出电压是逆变器，输出电压是一系列脉冲，调节脉冲宽一系列脉冲，调节脉冲宽度就可以调节输出电压值度就可以调节输出电压值 项目项目2 交流调速系统交流调速系统 2、 按变频器的控制方式分类（2 2）SFSF控制变频器（转差频率控制）控制变频器（转差频率控制）变频器通过电动机、速度传感器构成速度反馈闭环调速系统。在S很小的范围内，电动机的转矩近似地与转差角频率成正比。控制转差频率就代表了控制转矩

35、，这就是转差频率控制的基本概念。（3 3）VCVC变频器（矢量控制）变频器（矢量控制）将异步电动机的定子电流分解为产生磁场的电流分量和与其垂直的产生转矩的电流分量，并分别加以控制。矢量控制从原理上说可以得到与直流电动机相同的控制性能，但是矢量控制的运算中要使用电动机的参数。 （1 1）U/fU/f控制变频器（控制变频器（压频比控制压频比控制）对变频器的输出的电压和频率同时进行控制，保持U/f恒定使电动机获得所需的转矩特性项目项目2 交流调速系统交流调速系统 2. 交-交变压变频器 交-交变压变频器的基本结构如下图所示，它只有一个变换环节，把恒压恒频（CVCF）的交流电源直接变换成VVVF输出，

36、因此又称直接式变压变频器。交交变频交交变频AC50HzACCVCFVVVF交-交（直接）变压变频器项目项目2 交流调速系统交流调速系统 电压源型和电流源型逆变器电压源型和电流源型逆变器 在交-直-交变压变频器中，按照中间直流环节直流电源性质的不同，逆变器可以分成电压型电压型和电流型电流型两类，两种类型的实实际区别在于直流环节采用怎样的滤波器际区别在于直流环节采用怎样的滤波器。下图绘出了电压源型和电流源型逆变器的示意图。 项目项目2 交流调速系统交流调速系统 两种类型逆变器结构逆变器逆变器LdIdCdUdUd+-a) 电压源逆变器b) 电流源逆变器 电压源型和电流源型逆变器示意图项目项目2 交流

37、调速系统交流调速系统 电压源型逆变器电压源型逆变器 直流环节采用大电容滤波，因而直流电压波形比较平直，在理想情况下是一个内阻为零的恒压源，输出交流电压是矩形波或阶梯波，有时简称电压型逆变器。 电流源型逆变器电流源型逆变器 直流环节采用大电感滤波，直流电流波形比较平直，相当于一个恒流源，输出交流电流是矩形波或阶梯波，或简称电流型逆变器。项目项目2 交流调速系统交流调速系统 变压变频调速变压变频调速 (PWM)控制控制技术技术 早期的交-直-交变压变频器所输出的交流波形都是六拍阶梯波（对于电压型逆变器）或矩形波（对于电流型逆变器），这是因为当时逆变器只能采用半控式的晶闸管，其关断的不可控性和较低的

38、开关频率导致逆变器的输出波形不可能近似按正弦波变化，从而会有较大的低次谐波，使电机输出转矩存在脉动分量，影响其稳态工作性能，在低速运行时更为明显。项目项目2 交流调速系统交流调速系统 正弦波脉宽调制正弦波脉宽调制(SPWM)技术技术 1. PWM调制原理调制原理 以正弦波作为逆变器输出的期望波形，以频率比期望波高得多的等腰三角波作为载波（Carrier wave），并用频率和期望波相同的正弦波作为调制波（Modulation wave），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，从而获得在正弦调制波的半个周期内呈两边窄中间宽的一系列等幅不等宽的矩形波。项目项目2 交流调速

39、系统交流调速系统 图6-18 PWM调制原理项目项目2 交流调速系统交流调速系统 按照波形面积相等的原则，每一个矩形波的面积与相应位置的正弦波面积相等，因而这个序列的矩形波与期望的正弦波等效。这种调制方法称作正弦波脉宽调制（Sinusoidal pulse width modulation，简称SPWM），这种序列的矩形波称作SPWM波。 SPWM波形是一系列幅值不变，波形是一系列幅值不变，宽度变化的矩形波。宽度变化的矩形波。 项目项目2 交流调速系统交流调速系统 PWM控制技术控制技术:利用调制波与三角波信号比较后利用调制波与三角波信号比较后获得一系列获得一系列等幅不等宽等幅不等宽的脉冲序列

40、，在的脉冲序列，在PWM电压电压型逆变器中实现电压、频率协调控制。型逆变器中实现电压、频率协调控制。 SPWM控制技术：就是以正弦波做为调制信号波控制技术：就是以正弦波做为调制信号波的正弦脉宽控制。的正弦脉宽控制。项目项目2 交流调速系统交流调速系统 PWM调制方法 载波比载波比载波频率 fc与调制信号频率 fr 之比N，既 N = fc / fr 根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，PWM调制方式分为异步调制和同步调制，分段同步调制。 异步调制异步调制载波信号和调制信号不同步的调制方式。同步调制同步调制N 等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步。分段同步调制分段同步调制把 fr

41、范围划分成若干个频段，每个频段内保持N恒定，不同频段N不同；项目项目2 交流调速系统交流调速系统 异步电动机动态数学模型的性质异步电动机动态数学模型的性质 前节论述的基于稳态数学模型的异步电机调速系统虽然能够在一定范围内实现平滑调速，但是，如果遇到轧钢机、数控机床、机器人、载客电梯等需要高动态性能的调速系统或伺服系统，就不能完全适应了。要实现高动态性能的系统，必须首先认真研究异步电机的动态数学模型。认真研究异步电机的动态数学模型。 项目项目2 交流调速系统交流调速系统 交流电机数学模型的性质（1）异步电机变压变频调速时需要进行电压（或电流）和频率的协调控制，有电压（电流）和频率两种独立的输入变

42、量。在输出变量中，除转速外，磁通也得算一个独立的输出变量。因为电机只有一个三相输入电源，磁通的建立和转速的变化是同时进行的，为了获得良好的动态性能，也希望对磁通施加某种控制，使它在动态过程中尽量保持恒定，才能产生较大的动态转矩。项目项目2 交流调速系统交流调速系统 多变量、强耦合的模型结构 由于这些原因，异步电机是一个多变量（多输入多输出）系统，而电压（电流）、频率、磁通、转速之间又互相都有影响，所以是强耦合的多变量系统，可以先用右图来定性地表示。A1A2Usf1(Is)f图6-43 异步电机的多变量、强耦合模型结构 项目项目2 交流调速系统交流调速系统 模型的非线性（2）在异步电机中，电流乘

43、磁通产生转矩，转速乘磁通得到感应电动势，由于它们都是同时变化的，在数学模型中就含有两个变量的乘积项。这样一来，即使不考虑磁饱和等因素，数学模型也是非线性的。项目项目2 交流调速系统交流调速系统 引言引言 转差功率问题转差功率问题 转差功率始终是人们在研究异步电动机调速方法时所关心的问题，因为节约电能是异步电动机调速的主要目的之一，而如何处理转差功率又在很大程度上影响着调速系统的效率。 交流调速系统按转差功率的处理方式可分为三种类型。 项目项目2 交流调速系统交流调速系统 交流调速系统按转差功率的分类 （1）转差功率消耗型异步电机采用调压控制等调速方式，转速越低时，转差功率的消耗越大，效率越低；

44、但这类系统的结构简单，设备成本最低，所以还有一定的应用价值。 （2）转差功率不变型变频调速方法转差功率很小，而且不随转速变化，效率较高；但在定子电路中须配备与电动机容量相当的变压变频器，相比之下，设备成本最高。 项目项目2 交流调速系统交流调速系统 交流调速系统按转差功率的分类 （3）转差功率馈送型控制绕线转子异步电动机的转子电压，利用其转差功率并达到调节转速的目的，这种调节方式具有良好的调速性能和效率；但要增加一些设备。 前面已分别讨论了转差功率消耗型和不变型两种调速方法，本节将讨论转差功率馈送型调速方法。返回目录返回目录项目项目2 交流调速系统交流调速系统 转差功率的利用 众所周知，作为异

45、步电动机，必然有转差功率，要提高调速系统的效率，除了尽量减小转差功率外，还可以考虑如何去利用它。 但要利用转差功率，就必须使异步电动机的转子绕组有与外界实现电气联接的条件，显然笼型电动机难以胜任，只有绕线转子电动机才能做到。 概述概述项目项目2 交流调速系统交流调速系统 l绕线转子异步电动机 PsP1 绕线转子异步电动机结构如图所示，从广义上讲，定子功率和转差功率可以分别向定子和转子馈入，也可以从定子或转子输出，故称作双馈电机。项目项目2 交流调速系统交流调速系统 绕线转子异步电动机转子串电阻调速 根据电机理论，改变转子电路的串接电阻，可以改变电机的转速。 转子串电阻调速的原理如图所示，调速过

46、程中，转差功率完全消耗在转子电阻上。PmPmechPs项目项目2 交流调速系统交流调速系统 l 双馈调速的概念 所谓“双馈”，就是指把绕线转子异步电机的定子绕组与交流电网连接，转子绕组与其他含电动势的电路相连接，使它们可以进行电功率的相互传递。 至于电功率是馈入定子绕组和/或转子绕组，还是由定子绕组和/或转子绕组馈出，则要视电机的工况而定。 项目项目2 交流调速系统交流调速系统 双馈调速的基本结构功率变换单元功率变换单元电网K1M3 K2TI 如上图所示，在双馈调速工作时，除了电机定子侧与交流电网直接连接外，转子侧也要与交流电网或外接电动势相连，从电路拓扑结构上看，可认为是在转子绕组回路中附加

47、一个交流电动势。项目项目2 交流调速系统交流调速系统 功率变换单元 由于转子电动势与电流的频率随转速变化，即 f2 = s f1 ，因此必须通过功率变换单元（Power Converter UnitPCU）对不同频率的电功率进行电能变换。 对于双馈系统来说，PCU应该由双向变频器构成，以实现功率的双向传递。项目项目2 交流调速系统交流调速系统 双馈调速的功率传输（1）转差功率输出状态 异步电动机由电网供电并以电动状态运行时，它从电网输入（馈入）电功率，而在其轴上输出机械功率给负载，以拖动负载运行； CUP1PsM3 Pmech项目项目2 交流调速系统交流调速系统 转差功率输入状态 当电机以发电

48、状态运行时，它被拖着运转，从轴上输入机械功率，经机电能量变换后以电功率的形式从定子侧输出（馈出）到电网。 PsP1M3 CUPmech项目项目2 交流调速系统交流调速系统 异步电机转子附加电动势的作用异步电机转子附加电动势的作用 转子相电流的表达式为： 式中 R2 转子绕组每相电阻； X2 s = 1时的转子绕组每相漏抗。 222222)(sXRsEI项目项目2 交流调速系统交流调速系统 转子附加电动势 绕线转子异步电动机转子附加电动势的原理图M322sEE 2U2I附加电动势与转子电动势有相同的频率，可同相或反相串接。 引入可控的交流附加电动势项目项目2 交流调速系统交流调速系统 如图所示，

49、绕线转子异步电动机在外接附加电动势时，转子回路的相电流表达式2222222)(sXRUsEI1. E2 与 U2 同相当 U2 ，使得：这里： snTIUsE222222UEssEss 转速上升；项目项目2 交流调速系统交流调速系统 snTIUsE222222sEUEsss 转速下降；2. E2 与 U2反相 同理可知，若减少或串入反相的附加电动势，则可使电动机的转速降低。 所以，在绕线转子异步电动机的转子侧引在绕线转子异步电动机的转子侧引入一个可控的附加电动势，就可调节电入一个可控的附加电动势，就可调节电动机的转速动机的转速。 项目项目2 交流调速系统交流调速系统 电机在次同步转速下作电动运

50、行 电机在反转时作倒拉制动运行 电机在超同步转速下作回馈制动运行 电机在超同步转速下作电动运行 电机在次同步转速下作回馈制动运行 异步电机双馈调速的五种工况异步电机双馈调速的五种工况 * 向下调速的向下调速的低于同步速的串级调速。（次同步低于同步速的串级调速。（次同步串级串级调速调速）* 向上调速的向上调速的高于同步速的串级调速。（超同步高于同步速的串级调速。（超同步串级串级调速调速）项目项目2 交流调速系统交流调速系统 异步电机的功率关系 忽略机械损耗和杂散损耗时，异步电机在任何工况下任何工况下的功率关系都可写作 MMM)1 (PssPP式中 PM 从电机定子传入转子（或由转子传 出给定子）的电磁功率， sPM 输入或输出转子电路