电力拖动自动控制系统—运动控制系统(阮毅)5基于稳态模型的异步电动机调速系统

1、电力拖动自动控制系统运动控制系统 杨霞杨霞20102010年年6 6月月在基于稳态模型的异步电动机调速系统中，采用稳态等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异步电动机在不同电压和频率供电条件下值电路来分析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机械特性，并在此基础上的转矩与磁通的稳态关系和机械特性，并在此基础上。常用的基于稳态模型的异步电动机调速方法有常用的基于稳态模型的异步电动机调速方法有调压调速调压调速（5.2节）节）和和变压变频调速变压变频调速（5-6章）章）两类。两类。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转差率与转速的关系转

2、差率与转速的关系11nnsn1(1)ns n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 同步转速同步转速 1160pfnn1fpn图图5-1 异步电动机异步电动机T型等效电路型等效电路假定条件：忽略空间和时间谐波，忽略磁饱和，忽略铁损假定条件：忽略空间和时间谐波，忽略磁饱和，忽略铁损eTlsmLL 转子相电流（折合到定子侧）转子相电流（折合到定子侧） 212121lrlsrssrLCLsRCRUImlsmlssLLLjLjRC11111忽略励磁电流：忽略励磁电流：简化等效电路的相电流简化等效电路的相电流2212lrlsrssrsLLsRRUII11C异步电动机传递的电磁功率异步电动

3、机传递的电磁功率 机械同步角速度机械同步角速度 sRIPrrm2 3pmn1122122122212122 113/33lrlsrsrsplrlsrsrsprrpmmeLLsRsRsRUnLLsRRsRUnsRInPT对对s求导，并令求导，并令 0dsdTe221212)(23lrlsssspemLLRRUnT2212)(lrlssrmLLRRs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，忽略分母中含，忽略分母中含s各项各项2

4、13psern UsTsR转矩近似与转矩近似与s成正比，机械特性成正比，机械特性 ，忽略分母中，忽略分母中s的一次项和零次项的一次项和零次项转矩近似与转矩近似与s成反比，机成反比，机械特性是械特性是22221131psreslslrn U RTss RLL异步电动机由异步电动机由、，且无外加电阻和电，且无外加电阻和电抗时的机械特性方程式，称作固有特性或自然特性。抗时的机械特性方程式，称作固有特性或自然特性。图图5-3 异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性)()(32212212lrlsNrsNrsNpeLLsRsRsRUnT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保持电源频率为

5、额定频率，只改变定子电压的调速方法称作。由于受电动机绝缘和磁路饱和的限制，定子电压只能降低，由于受电动机绝缘和磁路饱和的限制，定子电压只能降低，不能升高，故又称作不能升高，故又称作。调压调速的调压调速的：电动机同步转速保持额定值不变电动机同步转速保持额定值不变 气隙磁通随定子电压的降低而减小，气隙磁通随定子电压的降低而减小，。11160NNpfnnn14.44SsmsNUf N k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双向晶闸管交流调压器双向晶闸管交流调压器a) 不可逆电路不可逆电路b) 可逆电路可逆电路可调，则电磁转矩与定子电压的平方成正比可调，则电磁转矩与定子电压的平方

6、成正比 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 sTsRRsLLsU临界转差率保持不变临界转差率保持不变 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)(lrlssrmLLRRs临界转矩临界转矩 221212)(23lrlsssspemLLRRUnT 随定子电压的减小而成平方比地下降随定子电压的减小而成平方比地下降实现调压调速的方法实现调压调速的方法是异步电机的机械特性方程式。表明，是异步电机的机械特性方程式。表明，当转速或转差率一定时，电磁转矩与定子电压的平方成正当转速或转差率一定时，电磁转矩与定子电

7、压的平方成正比即比即也是交流调压调速的理论根据。也是交流调压调速的理论根据。由电力拖动原理可知，当异步由电力拖动原理可知，当异步电机等效电路的参数不变时，在相同的转速下，电磁转矩电机等效电路的参数不变时，在相同的转速下，电磁转矩与定子电压的平方成正比，因此，改变定子外加电压就可与定子电压的平方成正比，因此，改变定子外加电压就可以改变机械特性的函数关系，从而改变电机在一定负载转以改变机械特性的函数关系，从而改变电机在一定负载转矩下的转速。矩下的转速。 多用自耦变压器或带直流磁化绕组的饱和电抗器。多用自耦变压器或带直流磁化绕组的饱和电抗器。交流调压器一般用三对晶闸管反并联或三个双向晶交流调压器一般

8、用三对晶闸管反并联或三个双向晶闸管分别串接在三相电路中，用相位控制改变输出电压闸管分别串接在三相电路中，用相位控制改变输出电压 nsUS 带恒转矩负载工作时，定子侧输入的电磁功率带恒转矩负载工作时，定子侧输入的电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 转差功率转差功率 Ps随着转差率随着转差率s的加大而增加。的加大而增加。带恒转矩负载带恒转矩负载的的降压调速降压调速就是靠就是靠增大转差功率增大转差功率、减小输出功率减小输出功率来来换取转速的降低换取转速的降低。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

9、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。的由来。1 LsmmLpTPsPsTsn调压调速主电路调压调速主电路+-sLMb)M3c)M3a)串联分段串联分段电抗器降压电抗器降压 串联飽和串联飽和电抗器降压电抗器降压 缺点缺点：需体积庞大且笨重需体积庞大且笨重的设备，自电力电子技术的设备，自电力电子技术发展起来已很少采用。发展起来已很少采用。自耦变压器自耦变压器调压调压 l 调压调速设备一般采用由晶调压调速设备一般采用由晶闸管构成的负载闸管构成的负载Y接法的接法的l VVC为相控交流调压器，由三只为相控交流调压器，由三只双向晶闸管或三对反并联晶闸管构双向晶闸管或三对反并联晶

10、闸管构成，电动机定子绕组接成成，电动机定子绕组接成Y接法接法YVR1C1VT4VT6VT3VT5VT2VT2CVVC1idIABC1C1C2CM3的的方法有：方法有：串联饱和串联饱和电抗器降压降压调速原理电抗器降压降压调速原理l VR为可控整流桥，制动时用为可控整流桥，制动时用低转差率电动机调压调速时的开环机械特性低转差率电动机调压调速时的开环机械特性l 当电动机拖动当电动机拖动恒转矩负载恒转矩负载时，尽时，尽管电压改变很大，但速度的变化并管电压改变很大，但速度的变化并不大。系统能调速的最大区域只在不大。系统能调速的最大区域只在转差率转差率 之间之间调速范围小调速范围小mss0l 当电动机拖动

11、当电动机拖动风机、泵类负载风机、泵类负载时时不再受不再受Sm的限制，的限制， 异步电动机的固有机械特异步电动机的固有机械特性方程性方程 21222112123/pU RsTRRsxxl ，为减小损耗，电动机，为减小损耗，电动机在额定点的转差率一般在在额定点的转差率一般在0.020.06之间，最大转矩时的转差率也较小，之间，最大转矩时的转差率也较小，在在0.15左右左右2UT 0T1NSmTSmSlTT1mTSmSlTa)b)0异步电动机调压调速时的开环机械特性异步电动机调压调速时的开环机械特性高转差率电动机高转差率电动机交流力矩电动机交流力矩电动机为了能在为了能在恒转矩负载恒转矩负载下扩大调压

12、调速的范围，这就要求电动机下扩大调压调速的范围，这就要求电动机有较大的有较大的Sm可以使用可以使用高转差率电动机高转差率电动机或者或者交流力矩电动机交流力矩电动机，这两类电机，这两类电机通过通过增大增大转子电阻转子电阻使电机的使电机的机械特性变软机械特性变软，Sm增大，拓宽了低速运行区增大，拓宽了低速运行区 。u 交流力矩电动机交流力矩电动机允许电动机长期堵转及低速运行，允许电动机长期堵转及低速运行， Sm等于等于1，电动，电动机的主要技术参数就是堵转转矩，额定点就是堵转点。机的主要技术参数就是堵转转矩，额定点就是堵转点。 u 高转差率电动机高转差率电动机兼顾了高速及低速的性能，额定转差率一般

13、在兼顾了高速及低速的性能，额定转差率一般在0.070.13之间，之间， Sm一般在一般在0.5左右，堵转转矩也较大，堵转转矩等于左右，堵转转矩也较大，堵转转矩等于最大转矩。最大转矩。 *nUnUASRctUVVCTGnM3 3l 限流环节限流环节检测异步电动机的定子电流，与给定的限检测异步电动机的定子电流，与给定的限流值进行比较流值进行比较 l GB框内的曲线是其输入输出曲线框内的曲线是其输入输出曲线 不但与不但与 角的大小有关，与负载功率因数角有关。角的大小有关，与负载功率因数角有关。 l VVC，异步电动机调压调速系统稳态结构图异步电动机调压调速系统稳态结构图l ASR是速度调节器，采用是

14、速度调节器，采用PIPI调节器调节器 该系统与直流该系统与直流VM系统有系统有许多本质上的许多本质上的不同之处不同之处 是一个复杂的非线性函数，且是一个复杂的非线性函数，且 、 2R2X也不是一个定值，随电机转速变化而大幅度变化也不是一个定值，随电机转速变化而大幅度变化用稳态结构图计算求解某些性能或确定控制调节参数时其结果是近似的。用稳态结构图计算求解某些性能或确定控制调节参数时其结果是近似的。 l 只要改变转速给定信号就可只要改变转速给定信号就可以使静特性平行地上下移动，以使静特性平行地上下移动，达到调速的目的。达到调速的目的。 sK)T ,U(fn1l 是一个无静差的系统是一个无静差的系统

15、 l 左、右极限左、右极限 l 异步电机，异步电机，ctsU/UK1)T ,U(fn1调节器晶闸管调压装置异步电动机转速反馈装置给定nUnU+-ctU1Un增加转子电阻值，临界转差率加大，可以增加转子电阻值，临界转差率加大，可以扩大恒转矩负载扩大恒转矩负载下的调速范围下的调速范围，这种高转子电阻电动机又称作交流力矩电，这种高转子电阻电动机又称作交流力矩电动机。动机。缺点是机械特性较软。缺点是机械特性较软。 图图5-6 高转子电阻电动机（交流力矩电动机）在不同电高转子电阻电动机（交流力矩电动机）在不同电压下的机械特性压下的机械特性静特性左右两边都有极限，它们是静特性左右两边都有极限，它们是额定电

16、压额定电压下的机械特性和下的机械特性和最小最小输出电压输出电压下的机械特性。下的机械特性。图图5-8 转速闭环控制的交流调压调转速闭环控制的交流调压调速系统静特性速系统静特性sNUminsU交流调压调速系统的制动交流调压调速系统的制动*l 可控制整流桥可控制整流桥VR就是为制动而设置的。就是为制动而设置的。1C断开、断开、2C闭合、闭合、VR工作工作时，异步电动机将进入制动状态，直到电机停转。时，异步电动机将进入制动状态，直到电机停转。VR1C1VT4VT6VT3VT5VT2VT2CVVC1idIABC1C1C2CM3 l 调节可控整流电路输出电流调节可控整流电路输出电流Id 的大小，就可改变

17、合成磁势的大小，就可改变合成磁势Fs 的大小的大小,就改变了制动转矩的大小。就改变了制动转矩的大小。系统的动态结构图系统的动态结构图*)(1sU)(sUct- -)(*sUn)(sUnsTKiP1)(sn1sTKSS)(sWMA)(sWFBS交流电动机中的机、电、磁三种物理量的多变量之间的强耦合，交流电动机中的机、电、磁三种物理量的多变量之间的强耦合，参数的时变性及参数之间关系的非线性，使得建立交流调速系统参数的时变性及参数之间关系的非线性，使得建立交流调速系统精确的数学模型极为困难。精确的数学模型极为困难。 l 只能在一些强假定条件下简化后，来建立其近似的数学模型：只能在一些强假定条件下简化

18、后，来建立其近似的数学模型： a)b)1U112122212/13AAAsUJrsp U1MAMKT s 1U- -1U11 26AApUsrsJp+ +- -TLT212123ApUr+ +异步电动机的微偏线性化近似动态结构图异步电动机的微偏线性化近似动态结构图 传递函数为：传递函数为： 1sTKsWMMAMA5.2.3 闭环控制的调压调速系统闭环控制的调压调速系统要求带恒转矩负载的调压系统具有较大的调速范围时，用交流力要求带恒转矩负载的调压系统具有较大的调速范围时，用交流力矩电机，但矩电机，但机械特性较软；机械特性较软；须采用带转速反馈的闭环控制系统，须采用带转速反馈的闭环控制系统，解决解

19、决机械特性较软问题机械特性较软问题。图图5-7 带转速负反馈闭环控制的交带转速负反馈闭环控制的交流调压调速系统流调压调速系统 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，反馈控制作用会自动调整定子电压，使闭环系统工作在新的升，反馈控制作用会自动调整定子电压，使闭环系统工作在新的稳定工作点。按照反馈控制规律，稳定工作点。按照反馈控制规律，。缺点：缺点：调速范围小调速范围小,调速精度低调速精度低,系统效率低系统效率低,调速时电机发热严重调速时电机发热严重优点：优点：系统结构简单，容易实现，成本低廉系统结构简单，容易实现，成本低

20、廉1需要调速运行的场合需要调速运行的场合2异步电动机异步电动机“软起动软起动”装装置置3风机、泵类的调速节能风机、泵类的调速节能u交流调压交流调压:象限，能耗制动象限，能耗制动:象限，配合接触器象限，配合接触器:四象限四象限u因此，需要调速运行的工作机械或负载，理论上都可以使用因此，需要调速运行的工作机械或负载，理论上都可以使用调速系统来实现调速系统来实现 ，例，例“交调交调”电梯。（注意：选用合适电机，电梯。（注意：选用合适电机，电机冷却问题）电机冷却问题）u异步电动机的异步电动机的“软起动装置软起动装置”：利用带有限流环节的交流调利用带有限流环节的交流调压器就可实现异步电动机的降压起动，起

21、动电流的最大值可限压器就可实现异步电动机的降压起动，起动电流的最大值可限定。定。u若使软起动装置同时带有一定的调速功能，则称之为：异步若使软起动装置同时带有一定的调速功能，则称之为：异步电动机的电动机的“多功能控制器多功能控制器”。u 风机、泵类的调速风机、泵类的调速节能节能是调压调速系统应用得最多的领域之一。是调压调速系统应用得最多的领域之一。5.2.4降压控制应用降压控制应用*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。矩并不大。2212lrlsrssrstsstLLRRUII2222113psrestsrlsl

22、rn U RTRRLL1.小容量：直接起动小容量：直接起动2.中、大容量空载或轻载：降压起动中、大容量空载或轻载：降压起动 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行，甚至使该电动机本身根本起动不起来。的正常运行，甚至使该电动机本身根本起动不起来。 方法：传统降压起动：星方法：传统降压起动：星-角起动、定子串电阻或电抗起动、角起动、定子串电阻或电抗起动、自耦变压器起动。属于自耦变压器起动。属于一级降压起动一级降压起动 。 ：带电流闭环的电子控制软起动器（主电路晶：带电流闭环的电子控制软起动器（主电路晶闸管闸管）。）。

23、三种起动过程的电流比较三种起动过程的电流比较图图 异步电动机的起动过程与电流冲击异步电动机的起动过程与电流冲击一级降压起动 软起动器 直接起动5.3 异步电动机变压变频调速异步电动机变压变频调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异步电动机的实际转速异步电动机的实际转速 1111(1)ns nnsnnn 则稳态速降随负载大小变化则稳态速降随负载大小变化 1snn 只要控制只要控制14.44SgsmNEf

24、N k14.44SsgsmNUEf N k便可控制气隙磁通（便可控制气隙磁通（当异步电动机在基频（额定频率）以下运行时，如果磁通太弱，当异步电动机在基频（额定频率）以下运行时，如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；如果磁通过大，又会使没有充分利用电机的铁心，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，严重时还会因绕组过热而铁心饱和，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。损坏电机。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 14.44SgsNm NEN kf 常 值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

25、定子电阻和漏感压降，当电动势值较高时，忽略定子电阻和漏感压降，gsEU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。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。人为地把定子电压抬高一些，以补偿定子阻抗压降。人为地把定子电压抬高一些，以补偿定子阻抗压降。负载大小不同，需要补偿的定子电压也不一样。负载大小不同，需要补偿的定子电压也不一样。通常在控制软件中备有不同斜率的补偿特性，以供用通常在控制软件中备有不同斜率的补偿特性，以供用户选择。户选择。a无补偿无补偿 b带定子电压补偿带定子电压补偿图图5-9 控制特性控制特性二、基频以上调速二、基频以上调速 在基频以上调速时，频率

26、从基频向上升高，受到电机绝缘耐压和在基频以上调速时，频率从基频向上升高，受到电机绝缘耐压和磁路饱和的限制，磁路饱和的限制，定子电压不能随之升高，最多只能保持额定电定子电压不能随之升高，最多只能保持额定电压不变。压不变。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弱磁状态。状态。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特性变压变频调速时的机械特性采用采用控制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)()(3lrlsrsrsp

27、eLLsRsRRsUnT当s很小时，忽略上式分母中含s各项，sRsUnTrspe12132113sperUnTRs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压频比的条件下把频率向下调节时，机械特性基本上是平在恒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。行下移的。2111210602reeppsR TnsnsTnnU 临界转矩临界转矩 电磁转矩随着频率的降低而减小。电磁转矩随着频率的降低而减小。221121)(123lrlsssspemLLRRUnT与转速无关，故称作与转速无关，故称作转差功率不变型转差功率不变型。21213resmespR TPsPsTU

28、n临界转差率临界转差率 2212)(lrlssrmLLRRs恒压频比控制（恒压频比控制（ Us / 1 ）机械特性曲线）机械特性曲线eTOnN0n03n02n01nN1111213131211N1恒压频比控制时变频调速的机械特性恒压频比控制时变频调速的机械特性补 偿 定 子 压补 偿 定 子 压降后的特性降后的特性调速调速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可写成临界转矩表达式临界转矩表达式 2212212)()(3lrlsrsrsNpeLLsRsRsRUnT221212)(123lrlssssNpemLLRRU

29、nT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带负载时的转速降落带负载时的转速降落 对于相同的电磁转矩，角频率越大，转速降落越大，机械特性越对于相同的电磁转矩，角频率越大，转速降落越大，机械特性越软，与直流电动机弱磁调速相似。软，与直流电动机弱磁调速相似。21112210602reppsNR TnsnsnnU 带恒功率负载运行时带恒功率负载运行时221123resmepsNR TPsPsTn U221eT 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

30、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在基频以下，由于磁通恒定，允许输出转矩也恒定，属于在基频以下，由于磁通恒定，允许输出转矩也恒定，属于“恒转恒转矩调速矩调速”方式。方式。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，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，由于转速上升，允许输出功率基本恒定，属于由于转速上升，允许输出功率基本恒定，属于“近似的恒功率调近似的恒功率调速速”方式。方式。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。点。但负载的变化时定子压降不同，将导致磁通改变，

31、须采用定子电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。压补偿控制。根据定子电流的大小改变定子电压，以保持磁通恒定。根据定子电流的大小改变定子电压，以保持磁通恒定。为了使参考极性与电动状态下的实际极性相吻合，感应电动势采为了使参考极性与电动状态下的实际极性相吻合，感应电动势采用电压降的表示方法，由高电位指向低电位。用电压降的表示方法，由高电位指向低电位。 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在定子每相绕组中的感应电动势在定子每相绕组中的感应电动势 14.44SgsmNEf N k在定子每相绕组中的感应电动势在定子每相绕组中的感应电动

32、势 在定子每相绕组中的感应电动势在定子每相绕组中的感应电动势 14.44SssmsNEf N k14.44SrsmrNEf N k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，按补偿定子电阻压降，就能够得到恒定子磁通。补偿定子电阻压降，就能够得到恒定子磁通。 sssEIRU1常值常值忽略励磁电流，转子电流忽略励磁电流，转子电流2212)(lrlsrsrLLsREI22122 121221221)(3)(3lrlsrrsprlrlsrspeLLsRRsEnsRLLsREnT1/sE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

33、知，恒定子磁通控制时转矩表达式的分母小于恒压频两式相比可知，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。比控制特性中的同类项。当转差率当转差率s相同时，采用恒定子磁通控制方式的电磁转矩大于恒压相同时，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。频比控制方式。22122121)()(3lrlsrsrspeLLsRsRRsUnT临界转差率 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不变频率变化时，恒定子磁通控制的临界转矩恒定不变 。比较可知比较可知恒定子磁通控制的临界转差率大于恒压频比控制方式。

34、恒定子磁通控制的临界转差率大于恒压频比控制方式。恒定子磁通控制的临界转矩也大于恒压频比控制方式。恒定子磁通控制的临界转矩也大于恒压频比控制方式。定子电压定子电压除了补偿定子电阻压降外，还应补偿定子漏抗压降。除了补偿定子电阻压降外，还应补偿定子漏抗压降。 1/gEglsssEILjRU11)(常值转子电流转子电流电磁转矩电磁转矩 2212lrrgrLsREI2 2122 12122122133lrrrgprlrrgpeLsRRsEnsRLsREnT临界转差率临界转差率 临界转矩临界转矩 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

35、差率和临界转矩更大，机械特性更硬。率和临界转矩更大，机械特性更硬。 1lrrmLRslrgpemLEnT12321恒恒 Eg / 1 控制机械特性曲线控制机械特性曲线eTOnN0n03n02n01nN1111213131211N1Temax恒恒 Eg / 1 控制时变频调速的机械特性控制时变频调速的机械特性定子电压定子电压除了补偿定子电阻压降外，还应补偿定子和转子漏抗压降。除了补偿定子电阻压降外，还应补偿定子和转子漏抗压降。 1/rE11()sslslrrURjLLIE常值转子电流转子电流电磁转矩电磁转矩 sREIrrr/12122133rrprrrpeRsEnsRsREnT机械特性完全是一条

36、直线，可以获得和直流电动机一样的线性机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性，械特性，不同控制方式下的机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）恒定子磁通控制；）恒定子磁通控制；c）恒气隙磁通控制；）恒气隙磁通控制；d）恒转子磁通控制恒转子磁通控制恒定子磁通、恒气隙恒定子磁通、恒气隙磁通和恒转子磁通的磁通和恒转子磁通的控制方式均需要定子控制方式均需要定子电压补偿，控制要复电压补偿，控制要复杂一些。杂一些。恒定子磁通和恒气隙恒定子磁通和恒气隙磁通的控制方式虽

37、然磁通的控制方式虽然改善了低速性能。但改善了低速性能。但机械特性还是非线性机械特性还是非线性的，仍受到临界转矩的，仍受到临界转矩的限制。的限制。不同控制方式的比较不同控制方式的比较恒压频比控制最容易实现，它的变频机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，械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，低速时需适能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当提高定子电压，以近似补偿定子阻抗压降。压降。 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电

38、力电子器件构成的静止式功率变换器，一般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，一般称为变频器。称为变频器。先将恒压恒频的交流电整成直流，再将直流电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均为可调的交流，称作间接变频。逆变成电压与频率均为可调的交流，称作间接变频。将恒压恒频的交流电直接变换为电压与频率均为可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，无需中间直流环节，称作直接变频。调的交流电，无需中间直流环节，称作直接变频。a）交）交-直直-交变频器；交变频器；b）交）交-交变频器交变频器 图图5-14 变频器结构示意图变频器结构示意图1.交交-直直-交变

39、压变频器交变压变频器图图 交交-直直-交交PWM变压变频器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(CVCF)PWM逆变器逆变器DCACAC50Hz调压调频调压调频CSCR可控整流器可控整流器六拍逆变器六拍逆变器DCACAC50Hz调频调频调压调压图图 可控整流器调压、六拍逆变器调频的交可控整流器调压、六拍逆变器调频的交-直直-交变压变频器交变压变频器图图 交交-交（直接）变压变频器交（直接）变压变频器交交变频交交变频AC50HzACCVCFVVVF2. 交交-交变压变频器交变压变频器 正正整整流流反反整整流流图图 交交- -交变压变频器每一相的可逆线路交

40、变压变频器每一相的可逆线路图图 三相桥式交交变频电路三相桥式交交变频电路控制各开关器件轮流导通和关断换流方式控制各开关器件轮流导通和关断换流方式 三相桥式逆变器主电路三相桥式逆变器主电路CdVT1VT3VT5VT4VT6VT2ABCUd 2Ud 2RL同一桥臂上、下两管之间互相换流的逆同一桥臂上、下两管之间互相换流的逆变器称作变器称作180导通型逆变器。导通型逆变器。120导通型控制方式：导通型控制方式：不同桥臂中同一排左、右两管之间进行不同桥臂中同一排左、右两管之间进行的。的。现代变频器中用得最多的控制技术是脉冲宽度调制（现代变频器中用得最多的控制技术是脉冲宽度调制（Pulse Width

41、Modulation），简称），简称PWM。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、宽度按一定规律变化的脉冲序列，用这样的高频压为幅值相等、宽度按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。脉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，采用脉宽调制的方法，输出谐波分量小。脉宽调制的方法，输出谐波

42、分量小。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，造成直流侧电压上升，称作泵升电压。成直流侧电压上升，称作泵升电压。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，逆变器从直流母线上汲取能量，还可以通过直流母线子器件，逆变器从直流母线上汲取能量，还可以通过直流母线来实现能量平衡，提高整流装置的工作效率。来实现能量平衡，提高整流装置的工作效率。当某个电动机工作在回馈制动状态时，直流母线

43、能将回馈的能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，量送至其他负载，有效地抑制泵升电压。，有效地抑制泵升电压。变频器的应用变频器的应用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多的等腰三角波作为载波。比期望波高得多的等腰三角波作为载波。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、宽度按正弦规律变化的脉冲序列，这种调制方法称作正相等、宽度按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（弦波脉宽调制（Sinuso

44、idal pulse Width Modulation，简称，简称SPWM）。）。 因为等腰三角形是上下宽度线性对称变化因为等腰三角形是上下宽度线性对称变化的波形，当与任何一个光滑曲线相交时，在交点时刻控制开关器的波形，当与任何一个光滑曲线相交时，在交点时刻控制开关器件的通断，即可得到一组等幅而脉冲宽度正比于该曲线函数值的件的通断，即可得到一组等幅而脉冲宽度正比于该曲线函数值的矩形脉冲，这正是矩形脉冲，这正是SPWM要的结果。要的结果。 利用电力电子开关的导通与关断，将直流电压变成连续可变的电利用电力电子开关的导通与关断，将直流电压变成连续可变的电压，并通过控制脉冲宽度或周期达到变压变频的目的

45、。压，并通过控制脉冲宽度或周期达到变压变频的目的。 PWM控制的基本思想控制的基本思想。SPWM波Out如何用一系列来代替一个正弦半波OutOut cTuu Tcuu 正弦脉宽调制（正弦脉宽调制（SPWMSPWM）波的产生波的产生频率可调的载波频率可调的载波信号信号三角波三角波频率不变的基波频率不变的基波信号信号正弦波正弦波频率可随载波信频率可随载波信号变化的调制信号变化的调制信号号SPWM波波 单相桥式单相桥式PWM逆变电路逆变电路 单相桥式单相桥式PWM逆变电路逆变电路 信号波载波图6-4调制电路Ud+V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoRLurucVT1VT4VT3VT6两种：单

46、极性和双极性，通过滤波极性来区分）两种：单极性和双极性，通过滤波极性来区分）单极性控制方式单极性控制方式：如果在正弦调制波的半个周期内，三角载波只：如果在正弦调制波的半个周期内，三角载波只在正或负的一种极性范围内变化，所得到的在正或负的一种极性范围内变化，所得到的SPWM波也只处于一波也只处于一个极性的范围内，叫做单极性控制方式。个极性的范围内，叫做单极性控制方式。双极性控制方式双极性控制方式：如果在正弦调制波半个周期内，三角载波在正：如果在正弦调制波半个周期内，三角载波在正负极性之间连续变化，则负极性之间连续变化，则SPWM波也是在正负之间变化，叫双极波也是在正负之间变化，叫双极性控制方式。

47、即载波正、负两个极性，逆变器同一桥臂上下两个性控制方式。即载波正、负两个极性，逆变器同一桥臂上下两个开关器件交替通断，处于互补工作方式。开关器件交替通断，处于互补工作方式。图6-5urucuOtOtuouofuoUd- Ud（1）单极性）单极性PWM控制方式控制方式A相相VT1反复通断反复通断 A相相VT4的通和断的通和断 调制情况调制情况PWM控制方式控制方式（2）双极性）双极性PWM控制方式控制方式图6-6urucuOtOtuouofuoUd-Ud PWM实现实现 SPWM调制的输入、输出原理图调制的输入、输出原理图（1）自然采样法原理）自然采样法原理运算复杂运算复杂（2）规则采样法算法简

48、化）规则采样法算法简化 图6-12ucuOturTcADBOtuotAtDtB22CADDACACD图图 三相桥式三相桥式PWM逆变器主电路原理图逆变器主电路原理图调制电路V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4ucV6VD6V5VD5VUWNNC+C+urUurVurW2Ud2UdVT1VT4VT3VT6VT5VT2PWM变压变频器的应用之所以如此广泛，是由于它变压变频器的应用之所以如此广泛，是由于它具有如下的一系列优点：具有如下的一系列优点：（1）结构简单，驱动电路简单，效率高；）结构简单，驱动电路简单，效率高；（2）调速范围增加，稳态性能提高；）调速范围增加，稳态性能提高；（3）逆变器同

49、时实现调压和调频，动态响应不受中）逆变器同时实现调压和调频，动态响应不受中间直流环节滤波器参数的影响，系统的动态性能提高；间直流环节滤波器参数的影响，系统的动态性能提高；（4）采用不可控的二极管整流器，电源侧功率因素）采用不可控的二极管整流器，电源侧功率因素较高，且不受逆变输出电压大小的影响。较高，且不受逆变输出电压大小的影响。 *5.4.3 消除指定谐波消除指定谐波PWM普通的普通的SPWM变频器输出电压带有一定的谐波分量，为降低谐波变频器输出电压带有一定的谐波分量，为降低谐波分量，减少电动机转矩脉动，可以采用直接计算各脉冲起始与终分量，减少电动机转矩脉动，可以采用直接计算各脉冲起始与终了相

50、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。在在SPWM的基础上衍生出的的基础上衍生出的“消除指定次数谐波消除指定次数谐波PWM”（，Selected Harmonics Elimination PWM）控制技术。）控制技术。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1212( 1) cos01midkmiiUUkkk11212( 1) cosmidmiiUU期望值5.4.4 电流跟踪电流跟踪PWM（）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）的控制方法是：在原来主回路的基础上

51、，采用电流闭环控制，使实际电流快是：在原来主回路的基础上，采用电流闭环控制，使实际电流快速跟随给定值。速跟随给定值。l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制的SPWM获得更好的性能。获得更好的性能。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l电流控制器是带滞环的比较器，电流控制器是带滞环的比较器，环宽为环宽为2h。将给定电流与输出。将给定电流与输出电流进行比较，电流偏差超过电流进行比较，电流偏差超过h时，经滞环控制器时，经滞环控制器HBC控制逆控制逆变器上（或下）桥臂的功率器件动作。变器上（或

52、下）桥臂的功率器件动作。l电流滞环跟踪控制方法的精度高、响应快，且易于实现。但功电流滞环跟踪控制方法的精度高、响应快，且易于实现。但功率开关器件的开关频率不定。率开关器件的开关频率不定。跟踪型跟踪型PWM变流电路中，电流跟踪控制应用最多变流电路中，电流跟踪控制应用最多图6-23 滞环比较方式的指令电流和输出电流图6-22 滞环比较方式电流跟踪控制举例基本原理基本原理把指令电流把指令电流i*和实际输出电和实际输出电流流i的偏差的偏差i*-i作为滞环比较作为滞环比较器的输入。器的输入。V1（或（或VD1）通时，）通时，i增大增大V2（或（或VD2）通时，）通时，i减小减小通过通过的滞环比较的滞环比

53、较器的控制，器的控制，i就在就在i*+ I和和i*- I的范围内，呈锯齿状地的范围内，呈锯齿状地跟踪指令电流跟踪指令电流i*。参数的影响参数的影响环宽过宽时，开关频率低，跟环宽过宽时，开关频率低，跟踪误差大；环宽过窄时，跟踪踪误差大；环宽过窄时，跟踪误差小，但开关频率过高，开误差小，但开关频率过高，开关损耗增大。关损耗增大。L大时，大时，i的变化率小，跟踪慢；的变化率小，跟踪慢；L小时，小时，i的变化率大，开关频的变化率大，开关频率过高。率过高。滞环环宽电抗器L的作用三相电流跟踪型三相电流跟踪型PWM逆变电路逆变电路 图图 三相电流跟踪型三相电流跟踪型PWM逆变电路逆变电路 +-iUi*UV4

54、+-iVi*V+-iWi*WV1V6V3V2V5UdUVWVT1VT4VT6VT2VT3VT5硬件简单；实时控制；无需调节逆变器电压；闭环硬件简单；实时控制；无需调节逆变器电压；闭环控制控制谐波损耗较大，开关次数较多谐波损耗较大，开关次数较多（1）硬件电路简单。）硬件电路简单。（2）实时控制，电流响应快。）实时控制，电流响应快。（3）不用载波，输出电压波形中不含特定频率的谐波。）不用载波，输出电压波形中不含特定频率的谐波。（4）和计算法及调制法相比，相同开关频率时输出电流中高次）和计算法及调制法相比，相同开关频率时输出电流中高次谐波含量多。谐波含量多。（5）闭环控制，是各种跟踪型）闭环控制，是

55、各种跟踪型PWM变流电路的共同特点。变流电路的共同特点。l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许开关频率的制约。器件允许开关频率的制约。l当环宽选得较大时，开关频率低，但电流波形失真较多，谐波当环宽选得较大时，开关频率低，但电流波形失真较多，谐波分量高；分量高；l如果环宽小，电流跟踪性能好，但开关频率却增大了。如果环宽小，电流跟踪性能好，但开关频率却增大了。l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。的环宽。5.4.5 电压空间矢量电压空间矢量

56、PWM（SVPWM）控制技术）控制技术l交流电动机绕组的电压、电流、磁链等物理量都是随交流电动机绕组的电压、电流、磁链等物理量都是随变化的，变化的，如果考虑到它们所在绕组的如果考虑到它们所在绕组的位置，可以定义为空间矢量。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2jjAOBOCOkukuekuesAOBOCOuuuu000A OB OC Ouuu图图5-21 电压空间矢量电压空间矢量空间矢量的定义空间矢量的定义l定子电流空间

57、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 l定子电压空间矢量定子电压空间矢量2jjAOBOCOkukuekuesAOBOCOuuuu空间矢量表达式空间矢量表达式 22()3jjAOBOCOuueuesu22()3jjAOBOCOiieiesi22()3jjAOBOCOeesl当定子相电压为三相平衡正弦电压时，三相合成矢量当定子相电压为三相平衡正弦电压时，三相合成矢量112111224cos()cos()cos()33332jjmmmjtjtmsUtUteUteU eU esAOBO

58、COuuuu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 dtdRssssiudtdssu dtssu或或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()jtsjtjtssdedtjee su图图5-22 旋转磁场与电压空间矢旋转磁场与电压空间矢量的运动轨迹量的运动轨迹图图5-23 电压矢量圆轨迹电压矢量圆轨迹三相逆变器三相逆变器-异步电动机调速主电路原理图异步电动机调速主电路原理图三相逆变器三相逆变器-异步电动机调速主电路原理图异步电动机调速主电路原理图8个基本空间矢量个基

59、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 由来由来(举例举例) 1 0 0ABCSSSuuu222dddABCUUU2423322(1)(1)3 23 2224242(1 coscos)(sinsin)3 233333jjjjddddUUeeeeUjU1u 1 1 0ABCSSSuuu222dddABCUUU2423332(1)(1)3 2222424(1 coscos)(sinsin)3 2333322(13)3 23jjjjdddjddUUeeeeUjUjU e2u依此类推，可得依此类推，可得8个基本空间矢量个基本空间矢量 。开关状态表开关状态表()120导通型控制方式

60、：不同桥臂中同一排左、右两管之间进行导通型控制方式：不同桥臂中同一排左、右两管之间进行的。的。设工作周期从设工作周期从开始开始这时这时VT6、VT1、VT2导通导通各相对直流电源中点的电压各相对直流电源中点的电压都是幅值为都是幅值为 UAO = Ud / 2 UBO = UCO = - Ud /2O+-iCUdiAiBidVT1VT6VT2其幅值等于其幅值等于Ud方向沿方向沿A轴（即轴（即X轴）轴） u1uAO-uCO-uBOABC u1 存在的时间为存在的时间为 /3，在，在这段时间以后，工作状这段时间以后，工作状态转为态转为110，和上面的分，和上面的分析相似，合成空间矢量析相似，合成空间