交流控制技术

1、交流电机控制技术 1近代交流调速是80年代新兴的一门边缘学科。狭义上：如何控制电机；广义上：是以电机为控制对象，研究如何将电力电子、信息控制等最新技术成果应用于实际系统的设计。本课特点：理论与实际相结合。学习方法：理解 消化原理、理解过程、掌握分析方法教材：近代交流调速佟纯厚主编2课时要求本课总学时：40学时其中：实验6 学时，每次3学时去年成绩评定：试卷80分；平时成绩20分平时成绩包括：作业、测验、出勤率共15分；实验5分。3讲课主要内容1.交流调速的一般基础 1234节2.交直交电压型变频调速系统 1234节3.交直交电流型变频调速系统 1234节，56节为自学内容5.PWM逆变器 12

2、3节6.交交变频器 12节7.异步电机矢量控制 16节8.直接转矩控制、模糊控制在交流调速中的应用4一、直流调速的特点 在过去的学习中我们知道直流电机具有良好的调速性能，在过去相当长的时间内，直流拖动一直占据调速领域的统治地位。直流调 速的有许多优点如：调速范围宽、静差小、 稳定性好、有良好的动态特性等。 （机械特性）问题：直流电机由于其本身的结构特点（机械换 向）使其 难于有更进一步的发展空间。5直流调速的缺点1.转速受限：换向器表面线速度不允许转速过高;2.容量受限：机械换向器限制直流电机最高电压； 3.动态特性受限：为了换向器可靠，要增大电枢和换向器的直径（转动惯量增加），影响快速响应；

3、4.检修困难：机械换向结构复杂，更换电刷费用高;5.使用环境受限：机械换向产生电火花、电刷腐蚀6.造价高，同一级别、同一容量的直流电机要比交流电机造价高出许多。6二、交流调速的特点1.容量大、转速高、耐高压。2.对环境适应性强。3.结构简单、造价低。4. 调速系统性能不断提高。 （机械特性 控制复杂）7三、交流调速系统8四、交流调速的发展和现状1、有需求：交流电动机结构简单，造价低，耐用，事故率低，容易维护，所以应用广泛，国民经济的各个方面电动机负荷占总发电量的6070。2、问题：调速困难，性能指标不佳。3、问题的原因：交流调速理论需要突破和电子器件不能满足交流调速理论的应用。9四、交流调速的

4、发展和现状4、技术的发展：电力电子技术的发展（功率半导体器件制造技术和电力变换技术的发展）为交流调速的发展提供了技术条件和物质基础。（各种大功率半导体器件的出现为交流调速系统的实现提供了物质基础；各种半导体功率变换器AC/DC、DC/DC、DC/AC、AC/AC实现了变压、变流、变频使交流调速的理论得以成为现实。）交流电机控制技术（包括变频调速理论）的发展全数字化控制技术。10四、交流调速的发展和现状5、交流调速技术的发展主要依赖以下几个方面：开关元件的自关断化(从半控全控）变频装置的高性能化（矢量控制技术的应用）PWM技术的应用（改善波型、提高响应能力）全数字控制技术(引入计算机，实现复杂控

5、制)电力变换技术(软开关电力变换技术）11变频调速技术中常见的电力电子器件 晶闸管 SCR （silicon controlled rectifier）：半控器件，可控制导通不能自行关断。镙栓型平板型12变频调速技术中常见的电力电子器件 门极可关断晶闸管GTO（gate turn-off thyristor）：全控器件，用在大容量高压变频系统中。门极加正信号导通、加负信号关断。 13 IGCT（integrated gatecommutated thyristors）集成门极换向晶闸管 变频调速技术中常见的电力电子器件14变频调速技术中常见的电力电子器件 功率晶体管GTR（giant tran

6、sistor）日本产品；是一种电流控制的双极双结电力电子器件，由它所组成的电路灵活、成熟、开关损耗小、开关时间短，但其驱动电流较大。15变频调速技术中常见的电力电子器件 MOS场效应晶体管MOSFET（metal oxide semiconductor field effect transistor）（中文：金属氧化物半导体场效应管 ），全控器件。比GTR的开关速度快、损耗低、驱动电流小。门极信号为电压，分为N型和P型。16变频调速技术中常见的电力电子器件 绝缘栅双极型晶体管IGBT（insulated gate bipolar transistor）：全控器件。IGBT模块集电极C发射极E门

7、（栅）极G17变频调速技术中常见的电力电子器件功率集成电路 PIC 主要开关元件是IGBT（1-1000kw）和GTO（1000-10000kw） PIC是电力电子器件技术与微电子技术相结合的产物，是机电一体化的关键接口元件。将功率器件及其驱动电路、保护电路、接口电路等外围电路集成在一个或几个芯片上，就制成了PIC。18变频调速技术中常见的电力电子器件智能功率模块IPM （intelligent power module）：是以IGBT为开关元件的一种集成电路，除了驱动电路、保护电路、接口电路等外围电路外，还集成了过压、过流、过热等故障监测电路，并可将监测信号传送至CPU。它真正实现了功率器件

8、与电路的集成；强电与弱电的集合；信息与动力的统一，是建立在高新技术进步基础之上的。19功率开关元件的年代划分第一代：分立换流关断器件SCR；第二代：自关断器件GTO、IGBT；第三代：功率集成电路PIC、IPM。IPM电力电子器件驱动电路保护电路故障检测电路微机接口电路20SCR： 晶闸管 (可控硅),半控器件GTO ： 门极可关断晶闸管,全控器件IGCT ： 集成门极换向晶闸管,全控器件GTR ： 功率晶体管,全控器件MOSFET ： MOS场效应晶体管（中文：金属氧化物 半导体场效应管 ），全控器件。IGBT ： 绝缘栅双极型晶体管,全控器件PIC ： 功率集成电路IPM ： 智能功率模块

9、21节能效果对比风量Q消耗功率100 80 60 40 20 0 0 20 40 60 80 100 节电量用变频器控制用挡板控制例22五、交流调速分类变极调速：改变极对数，有级、不连续；变转差率：电机效率下降；变频调速：效果好。23交流调速分类变极调速1 改变极对数 改变磁极对数p实际上就是改变定子旋转磁场的转速。所以，磁极对数的改变是通过改变定子绕组的接法来实现的，机械特性如图 241、转子串电阻改变转差率是通过在转子电路中串联电阻来实现的。所以，这种方法只适用于绕线转子异步电动机，如图 交流调速分类变转差率调速25交流调速分类变转差率调速2、调解定子电压利用双向晶闸管来调节异步电动机的输

10、入电压，可以在一定范围内实现无级调速，如图 26交流调速分类变转差率调速3、串级调速 所谓串级调速，就是向转子绕组里加入与转子电流频率相同的电动势，来影响转子电流。这种方法也只能应用于绕线转子异步电动机，如图 27交流调速分类变转差率调速4、电磁离合器（电磁调速电动机 ）电磁调速电动机的基本结构如图所示，它相当于两级异步电动机： 28交流调速分类变频调速变频可以调速，而且可以无级调速改变了频率，就改变了同步转速，也就改变了转子转速。 29交流电源变频器交流电机在上述交流调速方法中最传统的是变转差率调速，但在低速区转差率s大，因此转差功率 也大，所以电机效率较低。变频调速与变转差率调速有很大区别

11、，从计算公式上看 ，随着频率的降低同步转速也降低，从高速到低速转差率是固定的，也就是说即使在较低的转速下，转差功率也不会增加。因此变频调速具有高效率、宽范围、高精度的调速特性。30六、变频器分类为使交流电机获得变频调速电源就需要有一套变频装置，按电路形式划分变频器可以分为交直交变频器（间接）和交交变频器（直接）。 （教材P8）31间接变频器32间接变频器调压方式直流电源换流电路导通时间电压型电流型180导电型120导电型自耦变压器相位控制崭波PWM调压方式串联电感串联二极管辅助晶闸管33直接变频器相数连接方式环流有环流无环流单相三相反并联交叉开口三角环型3435第一章变频调速36第一节 变频调

12、速原则及其机械特性 根据控制方式，变频调速原则有：1.恒磁通变频调速const2.恒功率变频调速Pconst3.恒流变频调速（略）I1const37恒磁通变频调速如果简单从公式表面看：似乎只要改变频率f就能够实现平滑改变同步转速的目的，从而实现无级调速。其实不然。由电机原理的理论我们知道异步电动机电势方程如果忽略定子压降38恒磁通变频调速由上式可知，在电压一定时频率的变化对磁通是有影响的。即：而从磁化曲线上看，电机设计的工作点在膝点，也就是图中的C点。因此频率下降会引起磁通的增加，造成磁路过饱和，励磁电流If增加很快，铁损增大，电机过热，使电机负载能力下降、效率降低。39恒磁通变频调速反之，频

13、率增加将导致磁通下降，由下式可知：f1 m为维持恒定转矩I2 有过流的危险。不论f上升还是下降均应保持m常数。磁通恒定是变频调速的原则之一因此得知：定子电压必须随频率成比例变化。40恒磁通变频调速时的机械特性由电机的机械特性参数表达式可得到最大转矩41当频率较高时 可以忽略r1，最大转矩为常数当频率较低时 可以忽略xk，最大转矩减小42即，在低频时定子电阻r1上的压降，对最大转矩有较大影响。为保持理想的恒磁通变频调速应满足： E1/f1=const上式为恒磁通、恒最大转矩变频调速的协调控制原则。但电机的感应电势E1难以测量和控制，所以在实际中，在低频段采用一种近似方法：控制回路中加入一个函数发

14、生器，以补偿低频段定子电阻引起的压降。43补偿特性如图：蓝色无补偿有补偿f1U144有了低频段的电压补偿，可以得出恒磁通的变频调速原则：属恒转矩调速性质。补偿后的机械特性如图。45恒功率变频调速电动机在正常运行时，是在额定电压下，此时的频率为工频。当频率f高于50Hz时，如果还按压频比等于常数的原则，电压就要高于额定电压，这显然是不允许的。应换另一种调速原则。如果： 电压不变属恒功率变频调速46恒功率变频调速可作以下证明：47恒功率变频调速因此得到恒功率变频调速原则：恒功率变频调速适用于负载随转速升高而减轻的情况，如车床刀具等。通常为扩大调速范围，在基频以上采用恒功率调速；在基频以下采用恒转矩

15、调速。（1-27）48变频调速时异步电动机四象限运行备注49提供频率使电动机加速的情况备注50结论（p13的下数三行）异步电动机变频调速可以实现四象限运行。如果按照一定的规律控制，异步电动机的起动、制动、翻转和调速过程时间都可以缩至很短。因此在变频调速时异步电动机也可以具有良好的动态特性。51变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。与电机的主电路连接52电源继电器滤波电机开关电抗器变频器53第二节 电压型变频器工作原理变频器由四部分组成：整流器中间电路逆变器控制电路M未画控制电路的变频器主电路图如下（P14)：54变频器主电路图整流器逆变器中间电路551.整

16、流器连接交流电源，输出脉动的直流电压，其开关元件可以是可控或不可控器件；2.中间电路（1）一个大的电抗器Ld将整流电压直流电流，对于逆变器来说，中间电路相当于一个电流源；（2）一个大的电容Cd将脉动的直流电压平稳的直流电压，对于逆变器来说，中间电路相当于一个电压源；（3）通过崭波器将固定直流电压可变的直流电压。（要求掌握1、2两种中间电路）563.逆变器是变频器的核心部分，作为异步电动机的变频电源，将中间直流电压交流电压；4.控制电路与上述三个部分有信号连接，变频器中的所有开关元件均由控制电路信号控制。57电压型变频器的工作原理主电路图（p14 fig1-7）中间直流源并了一个大电容Cd，使直

17、流输出具有电压源性质，逆变器的交流输出电压因此被嵌位一个矩形波，而与负载的性质无关。但交流输出的电流波形和相位却是由负载的功率因数所决定。这个大电容同时又是缓冲负载无功功率的储能元件。而线路上的Ld较小，只起限流作用。5859根据脉冲信号波形不同，三相桥式逆变电路的开关元件的导通时间不同，根据元件导通时间分为180 、 120 、 150 导电型1. 180 导电型在一个正弦波周期内，每个主开关导通时间为180 电角度。电机运转时每60 控制电路发出一个触发信号，依次送给VT1VT6号晶闸管。备注逆变器的工作方式60180电压型变频器导通规则VT1VT2VT3VT4VT5VT6备注 区间1 区

18、间2 区间3 区间4 区间5 区间661各导通区间等值电路 区间1 区间2 区间3 区间4 区间5 区间6导通： 561 612 123 234 345 456uao1/3ud2/3ud波形62180输出A、B相电压波形及AB线电压波形2/3ud1/3udud63180输出三相电压波形64180导电型特点每只开关元件的导通时间是180电角度，在任意时刻有三只管子同时导通，换流在同一桥臂进行。开关：561612123234345456注意到：VT1截止VT4导通，而两个管子处在同一桥臂。换流：将某只导通的晶闸管中的电流转移到另一只中去，后者导通时前者必须可靠关断，这个过程称为“换流过程”65线电

19、压有效值相电压有效值由输出电压波形求出电压有效值66谐波分析：进行付氏分解其中不含有3的n次倍数的谐波。67120变频器导通规则VT1VT2VT3VT4VT5VT6备注 区间1 区间2 区间3 区间4 区间5 区间668120各导通区间等值电路 区间1 区间2 区间3 区间4 区间5 区间6导通： 61 12 23 34 45 561/2ud69120输出A、B相电压波形及AB线电压波形1/2ud1/2udud70120输出三相电压波形及线电压波形71120导电型特点每只开关元件的导通时间是120电角度，在任意时刻有二只管子同时导通，换流在相邻桥臂进行。开关：611223344556注意到：V

20、T1截止VT3导通，而两个管子处在相邻桥臂（与180不同）。从安全角度看，120比180要安全，因为120导电型同一桥臂的两只管子之间隔了60电角度才导通，所以换流比较安全。72线电压有效值相电压有效值由输出电压波形求出电压有效值 无论是线电压还是相电压均低于180导电型，很自然因为导通时间短。73561导通时的电流路径7461导通时的电流路径75第三节 逆变器换流方式备注一、电网电压换流在这一区间内电压uBuAVT3承受的是正向电压，给一个触发信号VT3，VT1承受的是反向电压就会关断。不必另加换流电路。76二、负载反电势换流备注换流前关VT1换流后条件：同步电动机77换流前电流路径78换流

21、超前角备注79换流后电流路径备注80强迫换流以上两种换流方式不需要额外的换流电路，所以称为自然换流。强迫换流：利用专门的换流电路使晶闸管关断。主要针对使用半控器件的交直交变频器来说的，由于在逆变器前的直流电路极性是不变的，不能用电网电压过零的自然换流；在大多数情况下供电负载是三相异步电动机，也不能用反电势自然换流法（要求负载是同步电动机）。只能采用强迫换流法。备注81第四节 变频器的变压方式一、自耦变压器备注82自耦变压器调压原理频率发生器输出频率给定信号送到逆变器控制电路，逆变器输出为恒压变频电源，再通过自耦变压器来调压达到变压变频，变压控制是通过f/U变换器得到对应于f的U值，与反馈电压比

22、较得到差值信号，经伺服放大机构去滑动电刷在自耦变压器上的抽头。这种系统简单U/f误差小，启动冲击电流小。缺点：体积大，伺服动态响应差 83二、相位控制变压备注84三、崭波器调压1、脉冲频率调制PFM：导通时间一定，改变开关的通、断频率或周期来调压；2、脉冲宽度调制PWM：开关频率或周期一定，改变导通时间来调输出电压平均值备注85四、脉宽调制（PWM）变压 将U、f的控制和协调都放在逆变器控制电路中，整个系统只有一套控制电路。既可以提高功率因数又可以改善波形削减高次谐波。有关内容将在第五章讲述。思考题 10. 逆变器开关为150导电型，负载Y接，分析输出电压波形。步骤：1.画出6只管子导通时序；

23、 2.各区间三相负载等值电路； 3.画出相电压和线电压波形。8687第二章 交直交电压型变频调速系统一、概述简单的交直交电压型变频调速主电路如图注88仅可用于小容量的能耗制动系统当有再生能量反馈时可通过在Cd两端并联一条能耗电路，当Ud上升到一定高度时触发VT0，再生能量消耗在电阻R上。注89为实现回馈制动的主电路再生能量较大时，可在整流侧反向并联一组晶闸管三相桥，将能量反馈给电网。注90二、 串联电感式电压型逆变器对于不具备自关断功能的半控器件，需要有强迫换流电路，利用电路中的储能元件，在适当时机释放能量，对开关施加反压使其关断。注主电路见P25.Fig2-291换流原理每个周期中六个开关元

24、件导通规律如书P25表2-1所示。L1和L4串联在二个互补换流的晶闸管VT1和VT4之间。按晶闸管导通规律换流是在1.4 2.5 3.6管子之间进行： 123234345456561612注92分析换流过程作几点假设：1.换流时间逆变周期，换流过程中负载不变：iLIL；2.每个桥臂上电感紧耦合，且L1L61/2L3.不计电容器漏电流，且C1=C6=C4.晶闸管瞬间导通（不计开通时间）注93换流过程A：稳定阶段VT1稳定导通，uc4Ud ，VT4 承受正压注uxAuxy=uxNic1= -ic4iL94B 换相阶段（C4放电）注uxAuxy=uxNic1= -ic4A95C.D环流和反馈（L放能

25、）注Ic1=-Ic4uxAuxy=uxN96E 负载电流反向阶段注97串联电感式电压型逆变器特点1、晶闸管利用率高于120导电型2、有衰减电阻，对效率影响较大3、负载重时换流困难，容量tq 则VT1可靠关断。这时CA被反向充电，VT1恢复正向阻断能力，为下次换流作准备。t0105 D、谐振电流逐渐降为零，uCA达到最大，由于IL不变迫使VD4导通负载电流从CA中移到VD4，在iVT0时iVT 自动关断，uCAUco106 E、电机漏感释放能量，维持IL 原来方向，漏感能量释放完IL过零，触发VT4导通，IL反向达到新稳定状态。注107四、电压型变频调速系统相位控制频率控制108电压型变频调速系

26、统1、电压频率变换器 功能：将电压信号变成频率信号2、环形分配器 功能：把频率脉冲信号变成周期性的驱动信号3、函数发生器 功能：补偿定子电阻压降的影响（低频），保证磁通恒定 109 环型分配器来自压频振荡110111第三章 交直交电流型晶闸管变频调速系统橡皮CTR-UEND 电流型逆变器是在电压型逆变器之后发展起来的，它的电路简单，而且可以向电网回馈能量（如果用电压型就必须附加电路才可用于再生制动），可用于四象限运行的异步电动机调速，可使用普通SCR成本低。 本章以串联二极管式电流型逆变器为例，介绍电流型逆变器的工作原理、换流过程。112第一节 串联二极管式电流逆变器系统橡皮CTR-UENDV

27、T：主晶闸管C：换流电容VD：隔离二极管防止C经由负载放电Ld：平波电抗器（大）113一、ASCI逆变器输出电流波形（自动、顺序、换流、逆变）橡皮CTR-UEND将VT视为理想开关114一、ASCI逆变器输出电流波形橡皮CTR-UEND115二、异步电动机由电流型逆变器供电时的电压波形橡皮CTR-UEND116三、电流型逆变器换流橡皮CTR-UEND1.换流前VT1稳定导通，C1电压为Ucoaocb1172、恒流充电，VT3导通C1上电压反向加到VT1上，使VT1关断，C 被反向恒流充电,当 C1上电压变为零时，VT1反压结束，反压时间t0橡皮CTR-UENDoc118当C上电压被反向恒流充电

28、到uba时，VD3上电压为零，VD3导通，恒流充电结束，时间为t1橡皮CTR-UENDoc1193、二极管换流，流过VD1的电流向VD3中转移，在a相和b相中引起尖峰电压，在ia0时，换流结束。换流时间为t2橡皮CTR-UENDoc1204、换流结束达到新的稳定，C上电压被充电至最大。橡皮CTR-UEND121从VT1-VT3换流过程中二极管换流阶段管子承受的电压最高。橡皮CTR-UEND122换流时间计算橡皮CTR-UEND123说明：1、负载连接方式，星接负载和角接负载电路谐振角频率不同。2、电容器三个电容极性分别为Uco、Uco、0橡皮CTR-UEND1243、负载功率因数由负载的运行状

29、态决定：触发电路的控制信号决定了电路波形；电机的运行状态决定了电压与电流的相对位置。1 90 理想空载1 90 制动状态4、开关元件承受最高电压是在二极管换流期间。5、在电机起动时反压时间t0最小（t0tq）6、电机空载时充电时间最长（t cmax）橡皮CTR-UEND125第二节 器件的选择1、换流电容 P492、开关器件 （额定电流、额定电压）3、隔离二极管 （额定电流、额定电压）4、滤波电抗器 （电流脉动）126第三节 应用中问题1、吸收电路2、换流电容预充电3、输出补偿电抗器127一、电流型逆变器的特点1、适合低漏感电机。由于逆变器与负载相互影响较大，负载的大漏感将延长换流时间，使系统

30、不稳定。2、轻载时逆变器最高频率受限制。轻载时电流小，换流延长如果超过1/6周期，引起换流失败。3、允许瞬间短路和晶闸管误触发。可靠性比电压型逆变器要高。4、适合在较低频率下使用。因为电机电流是120方波电流，所以电磁转矩受高次谐波影响产生脉动。5、稳定性不如电压型，不能开环运行。橡皮CTR-UEND第四节 电流型逆变器的特点及应用1286、可以采用普通晶闸管作开关器件，但由于尖峰电压存在要求器件的额定电压较高。7、不适合多机并联运行，由于电机功率因数不同，会产生环流。电压型则不会出现这种问题。8、具有四象限运行能量，如图：图3-14橡皮CTR-UEND129电压型和电流型变频器的特点 中间电

31、路比较内容电流型电压型直流回路滤波环节电抗器电容器输出电压波形（三相六拍）当负载为异步电动机时近似为正弦波矩形输出电流波形（三相六拍）矩形当负载为异步电动机时近似为正弦波。输出阻抗大小再生制动易于再生制动，不需主回路附加设备。再生制动困难，需要在电源侧设置反并联有源逆变器过流及短路保护容易困难动态特性较慢与电流型相比较快对晶闸管要求耐压高，对关断时间无严格要求耐压一般较低，关断时间要求短线路结构较简单较复杂适用范围单机、多机拖动多机拖动，稳频稳压电源或不停电电源。130电流型逆变器四象限工作状态电动机在第二象限运行时整流器逆变；逆变器整流。电动机在第一象限运行时整流器整流；逆变器逆变电动机逆变

32、器整流器电动机在第三象限运行时整流器整流；逆变器逆变电动机在第四象限运行时整流器逆变；逆变器整流131电压型变频器四象限运行接线电压极性不变大电容因为直流侧的大电容，电压极性不能突变，异步电动机的再生反馈能量将经与晶闸管反并联的反馈二极管向电容器C充电而不能反馈给电网。必须增加一组与整流器反并联的三相桥式有源逆变器才能实现再生能量的反馈。教材P55图3-15132二、电流型逆变器应用场合1、用于异步电动机调速，特别是需要改变流量的风机、水泵系统。1332、用于大功率电机起动，减小对电网的冲击，保护用电设备。3、由于电流型逆变器具有四象限运行能力，因此可用于要求快速制动的场合。134135第五章

33、 PWM逆变器橡皮CTR-UEND电压型和电流型逆变器各有其优点也有其局限性。 目前PWM控制方式已成为交流变频调速广泛应用的技术，不论是采用晶闸管交流调速的较大容量系统，还是直流伺服系统，都越来越多地采用PWM工作方式。所谓脉宽调制PWM（PulseWidthModulation）技术是指利用全控型电力电子器件的导通和关断把直流电压变成一定形状的电压脉冲序列实现变压、变频控制，并且消除谐波的技术，简称PWM。136橡皮CTR-UENDPWM 控制是交流调速系统的控制核心，任何控制算法的最终实现几乎都是以各种PWM控制方式完成的。目前实际工程中主要采用的PWM技术是正弦SPWM，其方案归纳为电

34、压型正弦PWM；电流正弦PWM；磁通正弦PWM（也称电压空间矢量正弦，是从电机角度出发的SPWM） 137橡皮CTR-UENDPWM调制信号生成方法载波调制法（采用模拟电路的硬件调制 ）软件生成法 （自然采样法 、规则采样法，利用软件计算开关角）谐波消去法 （输出电压波形按傅氏级数展开 ，令谐波表达式为零）马鞍形波与三角波比较法 （注入3倍频于正弦波信号的谐波 ，合成后线电压无三次谐波）滞环比较法 （使实际电流跟踪给定电流的变化）磁场轨迹法 （以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的 ）138橡皮CTR-UENDPWM如何反映电压的变化方法：采用三角波调制方法。利用三角波电压和给定电压相比较

35、来确定脉冲宽度。如电压比较器：uruc 时 输出高电平ur1橡皮CTR-UEND166 2、规则采样法 在正峰值处采样并保持，脉冲对称于波谷（用绿线与Vc的交点代替红线与Vc的交点）。橡皮CTR-UEND167规则采样法 开关角计算橡皮CTR-UENDt1=t3Tt=t1+t2+t3168规则采样法 开关角计算橡皮CTR-UEND因为采样频率Tt是固定的，所以a1、a2可求。169 二、谐波消除法 适当的安排开关角（令谐波表达式0）消除谐波求解开关角的方程组表达式：橡皮CTR-UEND基波：谐波：170要消除5次谐波：解下列方程橡皮CTR-UEND基波：5次谐波：要消除K个谐波，要列K+1个方

36、程171三、电流跟踪法 采用滞环比较的电流自动跟踪PWM技术。用给定基准正弦电流与实际反馈瞬时电流比较，产生控制输出电压的PWM波形，通过改变电压来控制电流。橡皮CTR-UEND172三、电流跟踪法橡皮CTR-UEND173 橡皮CTR-UEND四、磁场轨迹法174橡皮CTR-UEND175 橡皮CTR-UEND176177第六章 交交变频器橡皮CTR-UEND交交变频器是指中间无直流环节，直接将较高固定频率电压转换成较低频率、输出电压可变的循环变流器。交交变频器的特点：1、效率较高（因为是直接变换）；2、输出电压fo比输入电压fi小的越多波形越好（因为输出电压是输入电压的包络线构成的）；3、

37、按电网电压过零自然换相，所以可使用普通晶闸管；4、开关元件多；5、适合大容量低速传递。178第一节 交交变频器的工作原理橡皮CTR-UEND一个三相输入、单相输出的交交变频器，由二个三相零式整流器为负载供电。整流器P组提供正电流ip；N组提供负电流iN。人为控制P、N组工作，负载可得到交变电流，改变P、N组的切换频率，可以改变负载电流的交变频率。179电压控制：如果每只管子的导通角一定输出电压平均值为方波。橡皮CTR-UEND 常数设 0时输出电压平均值为Udi 则输出电压平均值一般表达式UdUdicos Ud如果希望输出按正弦变化，导通角a在不同时刻取不同值。180输出电压的平均值按正弦规律

38、变化；而瞬时值则由电网电压的“片段”组成。橡皮CTR-UEND输出电压平均值 0 90181橡皮CTR-UEND一、正弦交交变频器工作原理下图是由两个三相桥式整流器构成三相单相交交变频器182以正组为例，在交交变频器工作时，循环触发晶闸管VT1-6触发电路控制角连续变化，则输出电压平均值可按正弦规律变化。正组工作180，在正组工作时，反组处于截止状态；反组工作时正组处于截止状态，两组交替切换称为：换组。（原则上一组整流器在正负半周都可以工作，但实际上稳态工作时每组整流器分别工作180，换组指令由电流掌握。因此用到两组整流器。）橡皮CTR-UEND183图6-2橡皮CTR-UEND输出f0f1/

39、6AABDBu0184显然交交变频器要完成变频过程必须有两种换流形式：组内元件的换相过程和组间的换组过程。前者是电网换相，后者根据电流信号过零进行。橡皮CTR-UEND如果将时间坐标定在u0U0m处， 目标函数是u0U0mCOSot，在触发时刻目标函数输出电压平均值。即：185橡皮CTR-UENDUdiCOS p U0mCOS otp arc COS（kCOS ot）控制角的余弦值在触发时刻与余弦电压u0在这一时刻的瞬时值成正比。改变 o（组切换频率）可改变输出频率；改变k（ 调节深度不到0）可控制电压幅值。保证U/f=c186分析交交变频器带异步电动机时的P、N组的工作状态：P123橡皮CT

40、R-UEND187主电路1、三脉波对称联接2、六脉波桥式联接3、十二脉波桥式联接4、开口三角形联接5、环形联接188二、余弦交截法 P131橡皮CTR-UEND为了获得电网电压的包络线，使输出电压按正弦规律变化，通常采用余弦交截法。余弦交截法用一系列余弦同步波和给定电压的交点决定变流器中相应晶闸管的控制角。余弦交截法的同步电压波取自交流输入电压，并与其同步。相位关系为同步电压波的峰值对应自然换相点。（见图6-12）189在交点处： UTCOS URCOS ot对一个确定的、整流器输出电压平均值Ud UdiCOS 整理后有Ud与基准电压uR为正比关系，此时的变流器相当于一个线性放大器。橡皮CTR

41、-UEND190例 Fig 6-13 6脉波单相输出波形橡皮CTR-UEND无环流运行方式存在死区使电压电流波形变坏191橡皮CTR-UEND有环流运行方式需要有限制环流电抗器192193第七章 异步电动机的动态学 模型及矢量控制第一节 A、B、C 坐标系统异步电动机的动态 数学模型第二节 空间矢量的概念第三节 异步电动机的空间矢量方程式第四节 空间矢量分解为x, y分量第五节 坐标变换及坐标变换电路第六节 异步电动机的矢量控制第七节 异步电动机矢量控制系统举例194第一节 A、B、C 坐标系统异步电 动机的动态数学模型三相异步电动机的动态数学模型包括: 一、磁链方程式 二、电压方程式 三、转

42、矩方程式 195一、磁链方程式1.假定条件 无论笼型转子或绕线转子，都被等效成三相绕 线转子； 三相定子绕组A,B,C及三相转子绕组a, b, c在 空间对称分布，各相电流产生的磁势在气隙中 呈正弦分布； 不计磁路饱和及铁心损耗的影响； 不计温度和频率变化对电机参数的影响。196磁链方程式图7-1 A,B,C坐标系统 正方向197磁链方程式2.两线圈的主磁链磁链将三相异步电动机实际定、转子一相绕组等效为整距、集中线圈1和 2，等效的线圈与实际线圈产生的基波磁势相等。等效线圈有效匝数：式中 W1 ,W2定、转子绕组每相串联匝数； kw1 , kw2 定、转子绕组的基波绕组系数； p 电动机的极对

43、数。198磁链方程式1轴2轴图7-2 两线圈的磁链假定两线圈轴线重合：在线圈2中通入电流 （图7-2） 199磁链方程式线圈2产生的基波磁势幅值为 气隙磁密为正弦波，幅值为线圈2每极平均磁通为 式中 气隙磁导。设 为铁心长度，r 为气隙平均半径， 为空气磁导率，极距为磁通 与线圈1交链的磁链为式中 为1.2两线圈轴线重合时的主互感：200磁链方程式同理，当两线圈轴线重合时，线圈1中通电流 在线圈2中产生的磁链为 由于磁路对称，不计磁路饱和时 常数。201磁链方程式 两线圈轴线夹角为任意值：1轴2轴1轴2轴图（7-3）磁势的分解及主磁链202磁链方程式两线圈轴线夹角为任意值： 或 即主互感为两线

44、圈轴线夹角 的函数，它等于两线圈轴线重合时的主互感 乘以两轴线夹角 （电角度）的余弦。上述关系虽然是以定子和转子两个线圈为例得出的，但对异步电动机定子A,B,C和转子a, b, c共六个等效的整距集中线圈中的任何两个线圈都适用，取 为该两线圈轴线的夹角即可。203磁链方程式3.漏磁链 式中 为漏磁路的磁导， 为线圈的漏感。204磁链方程式定子三相绕组的磁链A相总磁链 的组成： 漏磁链 定子三相电流产生的主磁链 转子三相电流产生的主磁链转子三相绕组的磁链a相总磁链 的组成： 漏磁链 转子三相电流产生的主磁链 定子三相电流产生的主磁链4.总磁链205定子磁链方程式206转子磁链方程式同理：207磁

45、链方程式定子绕组转子绕组漏感主电感主互感5.三相异步电动机磁链的矩阵方程式 把和中的六个磁链方程式合起来写成矩阵形式 如下：208磁链方程式=转置定、转子的主电感子矩阵是常数阵，定、转子的主互感子矩阵是时变阵。209二、电压方程式三相定子绕组电压方程式：三相转子绕组电压方程式：将以上二式写成矩阵形式，用微分算子 代替微分运算符号则有定子绕组电阻转子绕组电阻=+ P210电压方程式把（7-16）代入式（7-20）再求导得：式中电感矩阵；电角速度；绕组电阻压降矩阵；变压器电势矩阵；由电流变化引起由转子旋转而产生运动（旋转）电势矩阵。211三、转矩方程式图7-4 定转子电路212转矩方程式1.电磁转

46、矩公式 能量平衡方程式输出的有效机械能量与机械损耗的能量之和t 时间内输入到各绕组的净能量t时间内磁场能量的增量微分形式：机械能增量电磁转矩极对数电角度电能增量定子漏感与主电感之和转子漏感与主电感之和定,转子绕组之间的互感213转矩方程式磁能增量转子不转机械能增量为0磁能增量为将上式积分得思考上式是在转子不动时导出的，在转子转动时仍然成立P147 转子转动，则磁场储能因电流及角位移发生变化而变化。磁场储能增量为214转矩方程式矩阵形式： 如果定子有m个绕组，转子有n个绕组。并将定、转子电流记为相应的电感也扩展为电感阵 及 。电磁转矩公式把代入得：215转矩方程式可以证明电磁转矩为： 绕线转子三

47、相异步电动机，m=n=3,则216转矩方程式2. 转矩方程式式中 机械负载转矩； 转动惯量； 旋转阻力系数； 扭转弹性常数； 转子转动的机械角度。217A、B、C 坐标系统异步电动机的动态数学模型A、B、C 坐标系中异步电动机的基本方程式218219第二节 空间矢量的概念一、空间矢量的定义二、极坐标变换三、 空间矢量的逆变换 220问题：用上一节的模型分析电机困难，有没有直观的分析方法？回忆电机知识：转矩与定子合成磁势、转子合成磁势的乘积成正比。（合成磁势如何求取） 221一、空间矢量(+1)ABCj图7-5空间复平面及单位矢量定子A相绕组轴线这三个轴上的单位矢量满足：222空间矢量空间矢量的

48、定义： 对于三相系统而言，取三相绕组的轴线（互差 电角度），把轴线上三个时间变量 看成是三个矢量的模，然后把三个矢量相加并取合成矢量的k倍，所得合成矢量即为空间矢量。 取定子A轴为参考轴，三相时间变量的空间矢量为定子电流空间矢量举例解求异步电动机定子磁势的空间矢量 。取定子A轴为参考轴，定子磁势的空间矢量为223幅值为 的 倍，空间相位与 相同空间矢量的合成BCj(+1)A图7-6 空间矢量 及224空间矢量的合成设定子电流为三相稳态平衡正弦电流将上式代入 得（7-38）225空间矢量上式说明： 三相电流为稳态平衡正弦电流时定子磁势空间矢量 的幅值是常数，其值为单相磁势幅值的 倍， 该空间矢量

49、对定子A轴的空间相角为 ，对 A轴的角速度为 ， 因稳态下 都是常数，故空间矢量 端点的 轨迹是一个圆， 是圆旋转磁势。思考 按空间矢量的定义写出定、转子磁链和电压的空间矢量226二、极坐标变换可任意选取A为参考轴a为参考轴角矩227异步电动机极坐标变换先取定子A轴为参考，列出定子空间矢量方程式；取转子a轴为参考列出转子空间矢量方程式；把得到的方程式利用极坐标变换公式变换到以任意轴x为参考轴的坐标系统中，得到一般化空间矢量方程式。 一般化的异步电动机空间矢量基本方程式和等值电路的求法如下：228三、空间矢量的逆变换对于三相定子而言，以定子A轴为参考的空间矢量为：若以引前定子A轴 电角度的x轴为

50、参考： 定义： 根据空间矢量方程式求得的解是复变量，还需要进行相反的变换，即把空间矢量变换为实际的变量。这种变换称为空间矢量的反变换。229空间矢量的逆变换定义 的共轭值：定义一个“零轴分量”：将以上三式写成矩阵形式：（特例：A、X成90度）空间矢量的正变换矩阵 空间矢量的逆变换分析230空间矢量的逆变换空间矢量的反变换矩阵为（7-50）231空间矢量的逆变换因而取 则可证明有 共轭转置矩阵称为功率不变约束 对于三相转子，空间矢量变换矩阵与用定子求出的变换矩阵 具有相同的形式，只是把矩阵中含有指数函数各元素中的 应换成 。232第三节 异步电动机的空间矢量 方程式一、磁势空间矢量方程式二、磁链

51、的空间矢量方程式三、磁链空间矢量的等值电路与矢量图四、电压空间矢量方程式五、用空间矢量表达的异步电动机转矩公式六、用空间矢量表示的异步电动机数学模型233一、磁势空间矢量方程式参考轴定子磁势空间矢量转子磁势空间矢量A/ax定、转子合成磁势的空间矢量为：定、转子合成的气隙主磁通空间矢量234磁势空间矢量方程式 把气隙合成磁势看作只有定子绕组的矢量电流 或只由转子绕组的矢量电流 产生，即电流平衡方程式折算后的转子电流或235二、磁链的空间矢量方程式 定子磁链空间矢量方程式上式中漏感定子绕组间电感定、转子绕组间电感236磁链的空间矢量方程式上式的另一种形式定子漏磁链定、转子合成磁场产生的定子主磁链其

52、中变换成以x轴为参考，将上式乘以237磁链的空间矢量方程式 转子磁链空间矢量方程式上式中238磁链的空间矢量方程式变换成以x轴为参考，将上式乘以转子漏磁链定、转子合成磁场产生的转子主磁链239三、磁链空间矢量的等值电路 与矢量图等值电路的折算方法：240磁链空间矢量的等值电路与矢量图将式（7-71）两边同乘以 ，记则得：241 磁链的等效电路242四、电压空间矢量方程式 定子电压空间矢量方程式把定子A、B、C 坐标系的电压方程式代入上式，得：243定子电压空间矢量方程式变换成以x轴为参考，将上式乘以角速度用电感与电流的乘积形式表示：244转子电压空间矢量方程式 转子电压空间矢量方程式变换成以任

53、意轴x为参考，将上式乘以将上式乘以变比 折算到定子：245转子电压空间矢量方程式上式中转子电角速度当取：x轴为转子a轴时 x轴为定子A轴时 x轴为同步旋转轴时246电压形式等效电路 等值电路图7-9 等效电路247五、用空间矢量表达的异步电 动机转矩公式电流瞬时值表达的转矩公式：248用空间矢量表达的异步电动机转矩公式取 则转矩公式变为： 式中249转矩公式的几种表现形式举例： 用空间矢量表达的异步电动机转矩公式250用空间矢量表达的异步电动机转矩公式 由 得： 251五、用空间矢量表达的异步电 动机转矩公式 用主磁通和转子电流表示 以上各式的共同点： 两个矢量之积取其虚部，这是一个标量，其值

54、为两个矢量的模与它们之间夹角的正弦三者的乘积。举例 对上式取 为参考轴，因 引前 空间电角度，故252五、用空间矢量表达的异步电 动机转矩公式两磁场轴线夹角253六、用空间矢量表示的异步电 动机数学模型基本形式如下：（以任意x轴为参考）254255第四节 空间矢量分解为x, y分量一、空间矢量分解为两个互相垂直的分量二、空间矢量分解为x, y分量的意义三、用x, y分量表示的异步电动机的基本方程式四、x轴的选择256一、空间矢量分解为两个互相 垂直的分量图7-10 空间矢量分解为x, y分量空间矢量：幅值：引前参考轴x的空间电角度：257图7-11 空间矢量分解为x, y分量的意义幅值解耦旋转

55、258三、用x, y分量表示的异步电动 机的基本方程式 对于定、转子电流： 对于定、转子磁链：259用x, y分量表示的异步电动机的基本方程式 对于定、转子电压：260用x, y分量表示的异步电动机的基本方程式式中矩阵形式如下：261用x, y分量表示的异步电动机的基本方程式 对于定、转子电磁转矩：262用x, y分量表示的异步电动机的基本方程式转矩公式的另几种形式可写为： 263四、x轴的选择 取x轴为定子A轴 （ - 轴系） x轴称为 轴，y轴称为 轴，此时 异步电动机 ， 坐标系的动态数学模型如下： 磁链方程式264-轴系 电压方程式 转矩公式 转矩方程式265x轴的选择 取x轴为转子a

56、轴（d-q轴系）（旋转轴系） x轴称为d轴，y轴称为q轴，此时 异步电动机d ,q坐标系的动态数学模型如下： 磁链方程式266d-q轴系 电压方程式 转矩公式 转矩方程式267四、x轴的选择 取x轴为同步旋转轴（M-T轴系） 现取x轴的方向为转子总磁链空间矢量 的方向，并把此时的x轴称为M轴，y轴称为T轴；则有： 此时 即在复平面上参考轴x与空间矢量 同步旋转。268M-T轴系 异步电动机M ,T同步旋转坐标系的动态数学模型如下： 磁链方程式269M-T轴系矩阵形式为 电压方程式 设转子绕组短路 ，而 故可得转子电压方程：270M-T轴系 转矩公式 转矩方程式定子电流的转矩分量此外有： 转子回

57、路的时间常数 上式说明，转子总磁链 受 控制，并有一阶滞后关系。定子电流的励磁分量271M-T轴系M ,T同步旋转坐标系的动态数学模型的特点： 由于参考轴与空间矢量同步旋转，故M ,T坐标系中各变量都是直流量； 在电压方程式中转子阻抗矩阵有三个零元素，使各变量的耦合关系得到了简化； 在转矩公式中， 是定子电流空间矢量 在T轴上的分量，它与矢量 正交，故通过 和 可以分别独立地控制电磁转矩。 M轴位置不同，形成了不同的定向策略272第五节 坐标变换及坐标变换电路一、3相/2相坐标变换的一般公式二、常用的几种坐标变换公式273一、3相/2相坐标变换的一般公式坐标变换的定义： 用一组新变量（如电压、电流等）代替基本方程式中的实际变量，这种变量变换称为坐标变换。新变量与实际变量之间通过变换矩阵联系在一起。 正变换 求出变换矩阵后，再根据实际变量求出新变量。 相应的变换矩阵 为正变矩阵。 逆变换 由新变量求出实际变量。 相应的变换矩阵 为逆变矩阵。 2743/2变换恒功率变换A,B,C坐标系的变量 与x, y坐标系变量 之间的变换矩阵的推导过程。图7-12 空间矢量 及其分量 ， 在A轴上的投影275 由式（7-50）及式（7-51）可得：互为共轭3/2变换276 故 代入 可得： 同理：3/2变换277上三式矩阵