永磁同步电动机教材29901-课件

永磁同步电动机

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电机是以磁场为媒介进行机械能和电能相互转换的电磁装置。为了在电机内建立必需的气隙磁场，可以有两种方法。

1.在电机绕组内通以电流来产生磁场

如普通的直流电机和同步电机。要专门设置励磁绕组，通入直流电，来建立气隙磁场。电机体积增大，励磁功率造成电机发热，效率降低。感应（异步）电机要通过三相定子绕组从电网吸收感性无功电流来建立气隙磁场。电机功率因数低，效率也有所降低。

2.由永磁体来产生磁场

由于永磁材料的固有特性，它经过预先磁化[充磁]以后，不再需要外加能量就能在其周围空间建立磁场。这既可简化电机结构，又可节约能量。电机是以磁场为媒介进行机械能和电能相2与传统的电励磁电机相比，永磁电机，特别是稀土永磁电机具有结构简单，运行可靠；体积小，质量轻；损耗少，效率高；电机的形状和尺寸可以灵活多样等显著优点。因而应用范围极为广泛，几乎遍及航空航天、国防、工农业生产和日常生活的各个领域。永磁同步电动机与感应电动机相比，不需要无功励磁电流可以显著提高功率因数(可达到1、甚至容性)，减少了定子电流和定子电阻损耗，而且在稳定运行时没有转子电阻损耗，进而可以因总损耗降低而减小风扇(小容量电机甚至可以去掉风扇)和相应的风摩损耗，从而使其效率比同规格感应电动机可提高2—8个百分点。

与传统的电励磁电机相比，永磁电机，特别是稀土永磁电机具有结构3永磁材料

永磁电机的性能、设计制造特点和应用范围都与永磁材料的性能密切相关。永磁材料种类众多，性能差别很大。因此，在研究永磁电机之前，首先从设计制造电机的需要出发，了解电机中最常用的三种主要永磁材料（铁氧体、铝镍钴、钕铁硼）的基本性能，包括磁性能、物理性能，选用时的注意事项。

永磁材料

永磁电机的性能、设计制造特点和应用范围都4永磁体的磁稳定性为了保证永磁电机的电气性能不发生变化，能长期可靠地运行，要求永磁材料的磁性能保持稳定。通常用永磁材料的磁性能随环境、温度和时间的变化率来表示其稳定性，主要包括热稳定性、磁稳定性、化学稳定性和时间稳定性。

永磁体的磁稳定性为了保证永磁电机的电气性能不发生变化，能长期5永磁同步电动机概述永磁同步电动机的运行原理与电励磁同步电动机相同，但它以永磁体提供的磁通替代后者的励磁绕组励磁，使电动机结构较为简单，降低了加工和装配费用，且省去了容易出问题的集电环和电刷，提高了电动机运行的可靠性；又因无需励磁电流，省去了励磁损耗，提高了电动机的效率和功率密度。因而它是近年来研究得较多并在各个领域中得到越来越广泛应用的一种电动机。

永磁同步电动机概述6

永磁同步电动机分类永磁同步电动机分类方法比较多：按工作主磁场方向的不同，可分为径向磁场式和轴向磁场式；按电枢绕组位置的不同，可分为内转子式(常规式)和外转子式；按转子上有无起动绕组，可分为无起动绕组的电动机(用于变频器供电的场合，利用频率的逐步升高而起动，并随着频率的改变而调节转速，常称为调速永磁同步电动机)和有起动绕组的电动机(既可用于调速运行又可在某一频率和电压下利用起动绕组所产生的异步转矩起动，常称为异步起动永磁同步电动机)；按供电电流波形的不同，可分为矩形波永磁同步电动机和正弦波永磁同步电动机(简称永磁同步电动机)。异步起动永磁同步电动机用于频率可调的传动系统时，形成一台具有阻尼(起动)绕组的调速永磁同步电动机。

永磁同步电动机分类永磁同步电动机分类方法比较多：按工作主7永磁同步电动机的总体结构1.高效永磁同步电动机结构示意图

l－转轴2－轴承3－端差4－定子绕组5－机座6－定子铁心7－转子铁心8－永磁体9－起动笼10—风扇11—风罩永磁同步电动机的总体结构1.高效永磁同步电动8永磁直流无刷电动机结构示意图l－转轴2－前端差3－螺钉4－调整垫片5－轴承6－定子组件7－永磁转子组件8－位置传感器转子9－后端差10—位置传感器定子永磁直流无刷电动机结构示意图l－转轴2－前端差9调速永磁同步电动机结构示意图l－转轴2－轴承3－端差4－定子绕组5－机座6－定子铁心7，8－永磁体9－转子铁心10—风扇11—风罩12－位置、速度传感器13，14－电缆15－专用变频驱动器调速永磁同步电动机结构示意图l－转轴2－轴承3－10永磁同步电动机的转子结构

表面式转子磁路结构1）凸出式2）插入式1－永磁体2－转子铁心3－转轴永磁同步电动机的转子结构111．表面凸出式结构简单、制造成本较低、转动惯量小等优点，在矩形波永磁同步电动机和恒功率运行范围不宽的正弦波永磁同步电动机中得到了广泛应用。此外，表面凸出式转子结构中的永磁磁极易于实现最优设计，使之成为能使电动机气隙磁密波形趋近于正弦波的磁极形状，可显著提高电动机乃至整个传动系统的性能。2．表面插入式

可充分利用转子磁路的不对称性所产生的磁阻转矩，提高电动机的功率密度，动态性能较凸出式有所改善，制造工艺也较简单，常被某些调速永磁同步电动机所采用。但漏磁系数和制造成本都较凸出式大。

1．表面凸出式结构简单、制造成本较低、转动惯量小等优点，12同步电机与感应（异步）电机的区别同步电机与感应（异步）电机的区别在于：（1）同步电机的转速严格的与电源频率保持同步，转差为零，而异步电机的转速永远低于同步转速，转差不为零，可以靠控制转差来调速。（2）异步机的磁场靠定子供电产生，而同步电机的磁场花样很多，一般大中型同步电机在转子侧采用独立的直流励磁，小容量的同步电机采用永久磁铁（磁场不变），磁阻式同步机完全靠定子励磁（靠凸极磁阻的变化产生同步转矩）。（3）异步电机的功率因数永远小于1，而同步电机的功率因数可以用励磁电流来调节，可以滞后，可以超前。同步电机与感应（异步）电机的区别同步电机与感应（异13同步电机与感应（异步）电机的区别（续）（4）同步电机和异步电机的定子是一样的，而转子绕阻不同。同步电机的转子除励磁绕组外，还有一个自身短路的阻尼绕阻。当同步机在恒频下运行时，阻尼绕阻有助于抑制重载时发生的震荡。但当同步电机重载转速闭环下变频调速运行时，阻尼绕阻便失去它的主要作用，却增加了数学模型的复杂性。（5）异步电机的气隙都是均匀的，而同步电机则有隐极式和显极式之分。隐极式电机气隙是均匀的，而显极式电机的气隙磁阻不均匀，对于电励磁的电机直轴磁阻小，交轴磁阻大。对于永磁电机直轴磁阻大，交轴磁阻小。同步电机与感应（异步）电机的区别（续）（4）同步电机和异步电14

以前，由于同步电动机存在着自身的弱点（起动费事，必须由异步电动机拖动，重载时有振荡和失步的危险），一般工业设备很少用。变频调速技术弥补了这些缺点：起动时变频器频率逐渐上升，转速也逐渐提高，不需其他起动设备；失步问题是由于同步转速不变，转子落后的角度过大引起的，而变频调速中的转速和转矩闭环控制，可以随时调节同步转速，避免了失步现象。由于同步电机的固有优点使同步电机的变频调速成为交流调速的一个很有潜力的发展方向。以前，由于同步电动机存在着自身的弱点（起动费事，必须由异步15

与异步电机不同，同步电机不能采用调节转差的方法，只能调频调速。根据对频率进行控制的不同方法，同步电机变频调速系统可以分为它控式和自控式。当同步电机定子电压频率由一个外部频率控制装置进行控制时，称为他控方式。当同步电机定子电压频率由其轴上位置传感器发出的脉冲来控制变频装置的触发脉冲时，称为自控方式。

与异步电机不同，同步电机不能采用调节转差的方法，只能调频调16

感应电动机的变频调速控制

感应电动机的171.

概论

1.1

感应电动机调速的概况与趋势在相当长时期内，直流调速一直以性能优良领先于交流调速。60年代以后，特别是70年代以来，电力电子技术和控制技术的飞速发展，使得交流调速性能可以与直流调速相媲美、相竞争，目前，交流调速已进入逐步替代直流调速的时代。电力电子器件的发展为交流调速奠定了物质基础。随着新型电力电子器件的不断涌现，变频技术获得飞速发展。在变频技术日新月异地发展的同时，交流电动机控制技术取得了突破性进展。微处理机引入控制系统，促进了模拟控制系统向数字控制系统的转化。1.概论1.1感应电动机调速的概况与趋势181.2

感应电动机调速的基本方法

感应电动机的调速方法分为变频调速、变极对数调速和调转差率调速三种。具体的说常见的基本种类有：①降电压调速；②电磁转差离合器调速；③绕线转子感应电机转子回路串电阻调速；④绕线转子感应电机串级调速；⑤变极对数调速；⑥变压变频调速等。1.2感应电动机调速的基本方法19感应电动机调速的基本方法按照交流感应电动机的基本原理，从定子传入转子的电磁功率可分为两部分：一部分是拖动负载的有效功率，即机械功率；另一部分是转差功率，与转差率成正比。从能量转换的角度看，转差功率是否增大，是消耗掉还是得到回收，显然是评价调速系统效率高低的一种标志。从这点出发，可以把感应电机的调速系统分成三类。

感应电动机调速的基本方法按照交流感应电动机的基本原理，从定子20（1）转差功率消耗型调速系统

全部转差功率都换成热能的形式而消耗掉。上述的第①、②、③三种调速方法都属于这一类。在这三类感应电机调速系统之中，这类系统的效率最低，而且它是以增加转差功率的消耗来换取转速的降低（恒转矩负载时），越向下调速，效率越低。可是这类系统结构最简单，所以还有一定的应用场合。

（1）转差功率消耗型调速系统全部转差功率都换成21（2）转差功率回馈型调速系统

转差功率的一部分消耗掉，大部分则通过变流装置回馈给电网或者转化为机械能予以利用，转速越低，回收的功率越多，上述第④种调速方法——串级调速属于这一类。这类调速系统的效率显然比第一类高，但增设的变流装置总要多消耗一部分功率，因此还不及下一类。

（2）转差功率回馈型调速系统转差功率的一部分消22（3）转差功率不变型调速系统

转差功率中转子铜损部分的消耗是不可避免的，但在这类系统中，无论转速高低，转差功率的消耗基本不变，因此效率最高。上述的第⑤、⑥两种调速方法属于此类。其中变极对数只能有级调速，应用场合有限。只有变压变频调速应用最广，可以构成高动态性能的交流调速系统，取代直流调速，是最有发展前途的。

3.变频调速

变频调速系统的原理框图

（3）转差功率不变型调速系统转差功率中转子铜23

变频调速的特点

变频调速的优点在于：改变频率时转差率不变，也就是不同转速时不变，因而转差损耗小，特性硬，调速范围宽，调速精度高，适用于调速性能要求较高的场合。另一方面，变频调速装置的成本较高（尽管价钱还在降低），变频调速原理较复杂。变频调速的方法也有多种，按变频器的类型分主要有交－交变频器和交－直－交变频器两大类；按控制方法分有标量控制、矢量控制和感应机的直接转矩控制。

变频调速的特点变频调速的优点在于：改变频率时转差率不变，24感应电机变频调速

感应电机，特别是笼型感应电机，结构简单、牢固，价格便宜，运行可靠，无需维护，在交流传动中得到了极为广泛的应用。感应电机采用变频调速技术后，调速范围广，调速时因转差功率不变而无附加能量损失，是一种性能优良的高效的调速方式，是交流电机调速传动发展的主要方向。在变频调速系统中，由变频器提供给电机的频率变化的电压或电流激励均是非正弦的，除基波外，还包含大量的谐波。分析表明，决定感应电机变频运行特性的主要还是基波，谐波分量只起着使电机电压或电流畸变、产生谐波损耗、恶化力能指标、引起转矩脉动的作用。

感应电机变频调速感应电机，特别是笼型感应电机，结构简单、牢25变频调速的基本控制方式

若希望一台感应电机获得良好的运行性能、力能指标，必须保持其磁路工作点稳定不变，即保持每极磁通量额定不变。因为若太强，电机磁路饱和，励磁电流、励磁损耗及发热增大；若太弱，电机力能指标下降，电机出力不够，铁芯也未充分利用。换句话说，保持每极磁通量额定不变而维持较高值，则产生同样的电磁转矩而需要的有功电流最小。

变频调速的基本控制方式若希望一台感应电机获得良好的运行性26

从感应电机定子每相电动势有效值公式看

对一台电机，其结构参数确定，则有说明只要协调地控制、，即可达到控制气隙磁通的目的。但由于电机绝缘和供电电源的限制，电机运行频率在基频以下及基频以上调速时须采取不同的控制方式。

从感应电机定子每相电动势有效值公式看271.基频以下调速

要保持气隙磁通额定不变，必须采用恒电动势频率比的控制方式，即变频过程中须维持常值。但定子电动势为内部量，难以直接测量、控制。

根据感应电机定子电压方程式

可知，当频率较高，电动势较大时，可忽略定子绕组漏抗压降得，即只要维持常数（恒电压频率比）既可维持气隙磁通恒定。

1.基频以下调速要保持气隙磁通额定不变，必须采用281.基频以下调速当感应电机在低频时，定子电动势较小，定子电阻压降的影响不能忽略，必须有意抬高而对定子电阻压降加以补偿，才能近似维持常值。此时采用带低频定子电阻压降补偿的恒电压频率比控制，其电压、频率关系如图中曲线所示。如果电动机在不同转速下都有额定电流，则电机能在温升允许的情况下长期运行，这时转矩基本上随磁通变化。由于维持了气隙磁通恒定，电机将作恒转矩运行。

1.基频以下调速当感应电机在低频时，定子电动势较小，292.基频以上调速当运行频率超过基频时，由于变频装置半导体元件及电机绝缘的耐压限制，电机电压不能超过额定值，只能维持不变。随着运行频率的升高，的比值下降，气隙磁通随之减小，进入弱磁控制方式。此时，电机转矩大体上反比频率变化，但电机的转速升高了，输出转矩与机械角速度的乘积为输出功率近似不变，作近似恒功率运行。

2.基频以上调速当运行频率超过基频时，由于变频装置30感应电机变频调速控制特性

感应电机变频调速控制特性31变频器的基本构成

变频器的主要任务是把恒压恒频(constantvoltageconstantfrequency,CVCF）的交流电转换为变压变频（variablevoltagevariablefrequency,VVVF）的交流电，以满足交流电机变频的需要。从结构上分，变频器可分为:交—交变频器（亦称直接变频器）;交—直—交变频器（亦称间接变频器）。

变频器的基本构成变频器的主要任务是把恒压恒频(const32交—交变频器的结构

交—交变频器是将恒压恒频的交流电一次变换成调压调频的交流电，它有三组可逆整流器（桥式或零式线路）组成，当三组移相信号是一组频率和幅值均可调的三相正弦信号时，则变频器输入三相交流电。

交—交变频器的结构交—交变频器是将恒压33交—交变频器单相输出电压和电流波形

交—交变频器单相输出电压和电流波形34交－交变频器的主要特点

（1）原理主要基于可逆整流，可直接引用成熟的直流可逆调速的技术和经验；（2）输出到电动机的电流近似于三相正弦电流，附加损耗小，转矩脉动量小；（3）采用元器件的数量较多，如果采用三相桥式接法，需要36个晶闸管；（4）输出电压波形由电源波形的区段组成，为了使波形畸变不至过大，输出频率不能高于电网频率的1/3～1/2。电源频率为50Hz时，最大输出频率不超过20Hz；（5）拖动的电机一般属于普通电机，价格便宜，但转速较低。对于4极电机，最高转速小于。交－交变频器的主要特点（1）原理主要基于可逆整流，可直接引35

电网侧的功率因数与负载的功率因数成正比，感应电动机的功率因数低，电网侧的功率因数也低。为了提高功率因数，有时需要安装容量较大的无功补偿装置。近年来出现了一种新颖的矩阵式变频电路，这种电路也是一种直接变频电路，电路所用的开关器件是全控型的，控制方式不是相控方式，而是斩控方式。其优点是输出电压为正弦波，输出频率不受电网频率的限制；输入电流也可控制为正弦波且和电压同相，功率因数为1，也可控制为需要的功率因数；能量可双向流动，适用于交流电动机的四象限运行；不通过中间环节而直接实现变频，效率较高。因此，这种电路的电气性能是十分理想的。但由于还没有理想的功率器件，还未到实际应用阶段。

电网侧的功率因数与负载的功率因数成正比，感应电动机的功率因362.交－直—交变频器

交－直－交变频器是将恒压恒频的交流电通过整流电路变换成直流，然后再经逆变将直流变换成变压变频的交流电。这种变频器虽然多了一个中间直流环节，但输出交流电的频率可高于电网的频率。

按控制方式的不同交－直－交变频器可分为三种。（1）用可控整流调压、逆变器调频的交－直－交变频器

（2）用不可控整流器整流、用斩波器调压、再用逆变器调频的交－直－交变频器

（3）用不可控整流器整流、用PWM逆变器同时调压调频的交－直－交变频器

（4）用PWM可控整流器整流、用PWM逆变器同时调压调频的交－直－交变频器

2.交－直—交变频器交－直－交变频器是将恒压恒频的交流电37

交－直—交变频器的基本结构

交－直—交变频器的基本结构38

交－直—交变频器的基本结构

交－直—交变频器的基本结构39交－直－交变频器的主要特点

①逆变器换相条件要求电动机工作在超前功率因数区，变频装置容量大，过载能力低；②欲提高过载能力，需减少电动机的定子漏抗，电动机短粗，转动惯量大，动态性能差；③电动机电流谐波分量较大。损耗增加，转矩脉动动量大；④输出频率没有特别限制。交－直－交变频器主要适用于中小功率、转速较高、负载较平稳的场合，如压缩机、挤压机、给水泵等。

交－直－交变频器的主要特点①逆变器换相条件要求电动机工作在40a）电压源型三相串联电感式逆变器

a）电压源型三相串联电感式逆变器41b）电压源型具有辅助换流晶闸管的逆变器

b）电压源型具有辅助换流晶闸管的逆变器42c）电流源型逆变器

c）电流源型逆变器43

d）PWM逆变器

d）PWM逆变器44变频器的分类

变频器的种类很多，分类方法也有很多种。通过了解它们的分类，有利于我们认识变频器的性质和区别，这是用好变频器的前提。前面我们已经介绍了两种分类，按应用分，有通用变频器和专用变频器；按结构分，有交－交变频器（直接变频器）和交－直－交变频器（间接变频器）。除此之外，还有如下分类方式：变频器的分类变频器的种类很多，分类方法也有很多种。通过了451.按直流侧电源性质分

（1）电压源型变频器。（2）电流源型变频器。变频器的负载通常是感应电机，其功率因数小于1，故在中间直流环节和电动机之间总存在无功功率的交换。由于逆变器中的电力电子器件无法储能，所以无功功率只能靠直流环节中的储能元件缓冲。如果采用电容作为无功功率缓冲环节，直流侧电源相当于一个低阻抗的电压源，因此称为电压源型变频器；如果采用电抗器作为无功功率缓冲环节，直流侧电源相当于一个高阻抗的电流源，则称为电流源型变频器。电压源型变频器和电流源型变频器的主要特点列于表1。1.按直流侧电源性质分（1）电压源型变频器。46永磁同步电动机教材29901-课件472.按输出电压调节方式分

（1）PAM方式脉冲幅值调节方式是通过改变直流侧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，而输出电压侧由相控整流器或直流斩波器通过调节直流电压去实现。采用相控整流器调压时，网侧的功率因数随调节深度的增加而变低；而采用直流斩波器调压时，网侧的功率因数在不考虑谐波影响时，可达到1。（2）PWM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按PWM方式调节。为了得到PWM波形，采用基准波信号欲载波信号比较的方法。PWM波的产生如图所示。

2.按输出电压调节方式分（1）PAM方式脉冲幅值调节48结论综上可见，要减小非正弦供电时感应电机运行性能的不良影响，关键是要减小和限制谐波电压和电流。一般来说，电压源型非正弦电源输出电压谐波确定，需选用漏抗大的电机来限制谐波电流及其影响；电流源型非正弦电源输出电流谐波成份确定，需选用漏磁小的电机来减小所产生的谐波电压及其影响。根据电机漏抗大小来选配非正弦电源及电机是调速系统设计中需要考虑的问题。

结论综上可见，要减小非正弦供电时感应电机运行性能的不良影49

感应电机的标量控制

由变压变频（VVVF）装置给笼型感应电机供电所组成的调速系统叫做变压变频调速系统。和直流电机变压调速系统相似，在调速时，机械特性基本上平行地上下移动，而转差功率不变。在各种感应电机调速系统中，变压变频调速的效率最高，性能最好，是当前交流调速的主要发展方向。

感应电机的标量控制由变压变频（VVVF）装置给笼型感应电50

数字控制的SPWM变频调速系统

数字控制的SPWM变频调速系统

51SPWM变频器输入电流波形

二极管整流器虽然是全波整流装置，但由于其输出端滤波电容的存在，只有当交流电压峰值超过电容电压时，整流电路才有充电电流流通，交流电压低于电容电压时，电流便立即中止，因此，输入电流呈脉冲波形，如图所示。这样的电流波形会有较大的谐波分量，使电源受到污染。为了抑制谐波电流，对于容量较大的SPWM变频器，都应在输入端设进线电抗器Lin也可用来抑制电源电压不平衡的影响。

SPWM变频器输入电流波形二极管整流器虽然是全波整流52SPWM变压变频器的基本控制作用图现代SPWM变频器的控制电路大都是以微处理器为核心的数字电路，其功能主要是接受各种设定信息和指令，再根据它们的要求形成驱动逆变器工作的SPWM信号。微机芯片主要采用8位或16位的单片机、32位的DSP，现在已有应用RISC的产品出现。SPWM信号可以由微机本身用软件实时计算机或用查表法生成，也可采用专用的SPWM集成电路芯片。现代单片机本身能力很强，常把SPWM生成功能包括在内，由SPWM端口直接输出。需要设定的信息主要有曲线、工作频率、频率上升时间、频率下降时间等，还可以有一系列特殊功能的设定。SPWM变压变频器的基本控制作用图现代SPWM变频器的控制电53SPWM变压变频器的基本控制作用图

SPWM变压变频器的基本控制作用图54IGBT的基础知识IGBT的基础知识55IGBT的开关作用是通过施加正向栅极电压形成沟道，给PNP晶体管提供基极电流，使IGBT导通。反之，加反向门极电压消除沟道，流过反向基极电流，使IGBT关断。IGBT的驱动方法和MOSFET基本相同，只需控制输入极N沟道MOSFET，所以具有高输入阻抗特性。当MOSFET的沟道形成后，从P+基极注入到N一层的空穴（少子），对N一层进行电导调制，减小N一层的电阻，使IGBT在高电压

时也具有低的通态电压。

IGBT的开关作用是通过施加正向栅极56永磁同步电动机教材29901-课件57永磁同步电动机教材29901-课件58

IGBT的工作特性包括静态和动态两类：

1．静态特性

IGBT的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性。

IGBT的伏安特性是指以栅源电压Ugs为参变量时，漏极电流与栅极电压之间的关系曲线。输出漏极电流比受栅源电压Ugs的控制，Ugs越高，Id越大。它与GTR的输出特性相似。也可分为饱和区1、放大区2和击穿特性3部分。在截止状态下的IGBT，正向电压由J2结承担，反向电压由J1结承担。如果无

N+缓冲区，则正反向阻断电压可以做到同样水平，加入N+缓冲区后，反向关断电压只能达到几十伏水平，因此限制了IGBT的某些应用范围。

IGBT的工作特性包括静态和动态两类：

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IGBT的转移特性是指输出漏极电流Id与栅源电压Ugs之间的关系曲线。它与MOSFET的转移特性相同，当栅源电压小于开启电压Ugs(th)时，IGBT处于关断状态。在IGBT导通后的大部分漏极电流范围内，Id与Ugs呈线性关系。最高栅源电压受最大漏极电流限制，其最佳值一般取为

15V左右。

IGBT的开关特性是指漏极电流与漏源电压之间的关系。IGBT处于导通态时，由于它的PNP晶体管为宽基区晶体管，所以其B值极低。尽管等效电路为达林顿结构，但流过MOSFET的电流成为IGBT总电流的主要部分。

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2．动态特性IGBT在开通过程中，大部分时间是作为MOSFET来运行的，只是在漏源电压Uds下降过程后期，PNP晶体管由放大区至饱和，又增加了一段延迟时间。td为开通延迟时间，tr为电流上升时间。开通时间ton=td+tr+tfu1+tfu2IGBT在关断过程中，漏极电流的波形变为两段。因为MOSFET关断后，PNP晶体管的存储电荷难以迅速消除，造成漏极电流较长的尾部时间，ts为关断延迟时间，tt为电压Uds的上升时间。关断时间toff=ts+

tt+tfi1+tfi22．动态特性61IGBT的导通与关断时间IGBT的导通与关断时间62Sky永磁同步无齿轮曳引机介绍Sky永磁同步无齿轮63包括内转子结构（WYT-Y系列）和外转子结构（WYT-S系列）两大系列，主要由永磁同步电动机、曳引轮及制动系统组成。永磁同步电动机采用高性能永磁材料和特殊的电机结构，具有低速、大转矩特性。曳引轮与制动轮为同轴固定联接，并直接安装在电动机的轴伸端；由制动体、制动轮、制动臂和制动瓦等组成曳引机的制动系统。曳引机工作原理是电动机动力由轴伸端通过曳引轮输出扭矩，再通过曳引轮和钢丝绳的摩擦来带动电梯轿厢的运行。当电梯停止运行时则由常闭制动器通过制动瓦刹住制动轮，从而保持轿厢静止不动。产品结构及工作原理

同步曳引机的各项性能指标设计均符合《EN81-1：2019》和《GB7588-2019》的各项有关规定，每台曳引机出厂前都通过严格的质量检验，对转矩、制动力、绝缘耐压、振动以及噪声等各项指标均进行检测，从而保证产品的质量和性能符合标准规定。包括内转子结构（WYT-Y系列）和外转子结构（WYT-S64a.海拔高度不超过1000m;b.机房内的空气温度应保持在0~40℃之间；c.环境相对湿度月平均值最高不大于90%；同时该月月平均最低温度不高于25℃；d.环境空气不含有腐蚀性和易燃气体；e.曳引钢丝绳直径≤曳引轮直径四十分之一，表面不得涂润滑剂与其它杂物；f.曳引机必须由控制柜供电，并且工作在闭环控制方式。其额定参数以电机铭牌为准。严禁直接供电，以防烧毁曳引机；g.供电电压波动与额定值偏差不超过±7%。曳引机工作条件a.海拔高度不超过1000m;曳引机工作条件65永磁同步曳引机制动系统结构示意图如下

1—调整螺母2—紧锁螺母3—锁紧螺母

4—顶杆螺钉5—压缩弹簧6—弹簧垫圈7—压缩螺母8—锁紧螺母9—顶紧螺钉10—锁紧螺母11—制动瓦12—拉杆锁紧螺母13—拉杆14—顶杆螺钉15—制动器顶端压缩弹簧

16—手动开闸手轮17—标尺永磁同步曳引机制动系统结构示意图如下1—调整螺母2—紧661—调整螺母，调整其位置可控制制动体内部衔铁始终处于合适的位置，保持合理的工作行程，避免合闸时冲击衔铁，撞击手动开闸凸轮，发出噪声；4—控制开闸力的形成，在“13”最大开闸间隙形成的条件下，控制制动臂的行程及制动闸瓦与制动轮的工作间隙；5—压缩弹簧，调整其压缩量可控制制动力的大小，压缩量过大会导致制动体开闸困难；7—压缩螺母，调整位置，可控制制动力的大小；9—顶紧螺钉，控制闸瓦与制动轮的吻合程度，(制动闸瓦与制动轮吻合越好，在相对条件下，形成的制动力就越大，工作噪声越小)；13—拉杆，决定制动力的形成，控制最大开闸间隙；2、3、8、10—锁紧螺母，防止在调整完成后，系统动作后各调整螺钉松动，致使系统改变；17—标尺，只是系统在恢复原制动力的参考标记。主要零部件功能

1—调整螺母，调整其位置可控制制动体内部衔铁始终处于合适的位67曳引机由变频器供电，曳引机的引出端U1、V1、W1与变频器的三个相应输出端相连，见图1和图2。连线的直径应根据曳引机的额定电流合理选配。确保连接可靠。根据客户要求，曳引机内部预装超温保护热敏开关，作为主机热保护元件。热敏开关动作温度：130℃±5℃曳引机主回路的接线图1WYT-Y系列曳引机接线图图2WYT—S系列曳引机接线图

曳引机由变频器供电，曳引机的引出端U1、V1、W1与68出厂的曳引机抱闸制动力矩根据载荷已基本调整好，一般情况下现场不需重新调整。制动系统的制动力矩按曳引机额定转矩的２.２倍整定，制动力矩的大小与弹簧的压缩量成正比。曳引机安装好后需通过静载试验校验制动系统的制动力是否符合要求。抱闸制动力的调整

制动系统调整方法及调整步骤如下:出厂的曳引机抱闸制动力矩根据载荷已基本调整好，一般情况69松开制动臂两端顶杆锁紧螺母3，用扳手沿螺纹旋向逆时针转动顶杆螺钉4，使顶杆螺钉4与制动体顶杆螺钉14脱离，然后再顺时针旋转至与制动顶杆螺钉14刚好接触。此时再沿螺纹旋向顺时针旋转1圈（螺距为2mm），推动制动器顶杆，使铁心向内移动约2mm。给制动器上电，当铁心移动时,观察开闸时动铁心有无撞击端盖的声音，以动铁心不撞击端盖为宜，且间隙最小为好。调整好后，用顶杆锁紧螺母3将顶杆制动臂螺钉4锁紧1、调整制动体开闸行程

松开制动臂两端顶杆锁紧螺母3，用扳手沿螺纹旋向逆时针转动顶杆70锁紧螺母1、2可用来调节制动器顶杆两端压缩弹簧15的压力，减小合闸时的噪音。调节原则是，当给电开闸时锁紧螺母1压在弹簧顶端时弹簧受微力即可。调节方法，弹簧处在自由状态，旋转锁紧螺母1压在弹簧顶端刚好接触，然后再顺时针旋转1圈，再用锁紧螺母2锁紧螺母1即可。当压力弹簧产生足够大的压力压紧制动臂，使制动瓦弧面紧贴在制动轮圆周弧面上，这时调节制动瓦下端两侧的顶紧螺钉9，使顶紧螺钉9刚好顶在制动瓦下端两平面上，但螺钉顶力不能过大，原则上顶紧螺钉9与闸瓦平面接触后，扳动螺钉9转300角即可，即顶紧螺钉9与制动瓦11接触即可，然后用锁紧螺母10锁紧顶紧螺钉9。2、调整制动闸瓦与制动轮的吻合程度

锁紧螺母1、2可用来调节制动器顶杆两端压缩弹簧15的压力71松开拉杆锁紧螺母12，给制动器通电，开闸后观察制动瓦11与制动轮两弧面的间隙，保证制动瓦弧面下端与制动轮的弧面间隙为0.25～0.30mm，并用塞尺检查。原则上保证制动瓦与制动轮开闸不产生摩擦为宜，间隙越小越好。当开闸间隙过大时，用扳手扳动弹簧拉杆13的顶端部分，沿拉杆螺纹旋向顺时针旋转，开闸间隙将减小，逆时针旋转，开闸间隙将增大。调整到合适位置时，用拉杆锁紧螺母12将拉杆13锁紧。3、开闸间隙及制动臂行程

松开拉杆锁紧螺母12，给制动器通电，开闸后观察制动瓦172将压力弹簧端的压缩螺母7和锁紧螺母8松开，使弹簧处于自由状态，扳动压缩螺母7，使弹簧垫圈6紧靠在弹簧自由端面上，受微力。将此位置作为弹簧压力的调整基准点，调整压紧螺母以获得足够的制动力。观察两侧制动臂开闸闭合时的快慢统一性，当开闸时一侧慢另一侧快时，若制动力矩足够，慢的一侧应减小压力；反之，快的一侧应增加压力。边调整边观察，直到同步。合闸时，一侧快另一侧慢，慢的一侧应增加压力，快的一侧应减小压力，直到同步。调整同步开始时应记好标尺位置，调好后核算制动力矩，均满足后，将压缩螺母7与压缩簧锁紧螺母8锁紧。调整结束后，检查一遍有互联锁紧关系的部件是否锁紧，并进行制动力试验或电梯静载实验。如果静载实验不合格，应该重新调整。4、调整制动力及开闸的同步性

将压力弹簧端的压缩螺母7和锁紧螺母8松开，使弹簧处于自由73保持机房的清洁和干燥；保持曳引机表面的清洁；保持经常性的监察，主要监察抱闸灵活性、制动瓦磨损情况，曳引轮磨损情况，轴承工作情况等，必要时更换磨损及损坏的部件。4.制动臂各转动关节需不定期注油，以保证其动作灵活性。5.前轴承可以通过制动轮上的注油孔定期进行润滑（至少一年注油一次）

注油前应与供应商确认对润滑脂的具体要求。

维护要求保持机房的清洁和干燥；维护要求74曳引机常见故障及处理(一）序号

现象

原因

处理

1不开闸

制动器没电，电压不对；制动臂双侧弹簧压力过大；制动器开闸间隙小；制动器线圈损坏(开路)。

检查制动器接线及其电压值；调整弹簧压力，按额定制动力矩的2.2倍整定；调节电磁铁的行程；用万用表测量。

2开关闸时双侧制动臂不同步

制动臂双侧弹簧压力不均；两侧制动臂开闸行程不合适。

开闸快的一侧增大弹簧力，在保证制动力足够的前提下尽可能使双侧压力相等；调节制动瓦的开闸间隙。

3制动器声音异常

制动瓦制动轮间隙不合适，开闸间隙过大时声音加大；合闸时是否撞击凸轮

调节制动瓦的开闸间隙；适当调整衔铁的工作行程。

4闭闸后的制动力矩不够

双侧闸臂压紧弹簧压力不够；铁芯制动臂顶杆间隙太小，制动臂不能充分回位；制动轮和制动瓦有油等杂物，使摩擦力减少。

重新调整和校验；调整制动臂顶杆螺栓，检查衔铁行程；清除油污等杂物。

5运行时摩擦闸带

制动瓦和制动轮间隙过小；制动瓦上下间隙过大，制动轮与闸瓦接触处不吻合；制动瓦下端定位螺栓调整不当，开闸时制动瓦上部同侧弹簧释放弹簧力使制动瓦上部与制动轮相摩擦。

按附录2重新调整间隙；制动情况下检查间隙，按附录2调整制动瓦的上下平行性；按附录2调整制动瓦下端定位螺栓。

曳引机常见故障及处理(一）序号现象原因处理1不开闸75曳引机常见故障及处理(二）序号

现象

原因

处理

6制动体线圈过热

线圈电压过高；制动体的持续运行率过大。

测量线圈电压；必要时在控制系统中增加经济电阻，降低运行时线圈电压。

7主机过热

变频器输入电流异常；环境温度过高；

查看变频器；测量环境温度；

8主机电流过大，明显高于额定值

编码器安装位置发生窜动；电机过载。重新固定编码器后进行初始值自学习（通过变频驱动器进行）查找造成电机过载的原因。

9主机异常抖动、飞车、噪声过大控制系统问题；三相电阻不平衡；端子松动；编码器窜动。

检查控制系统；测量三相电阻值是否平衡；查看端子是否松动；检查编码器是否窜动。

10曳引轮磨损异常曳引轮与钢丝绳不匹配；曳引条件设计不合理；钢丝绳张力不均等；

检查匹配状况；重新计算验证。11曳引机有轻微振动

曳引机机架刚度不够；控制系统问题。

核算机架刚度；检查控制系统。

曳引机常见故障及处理(二）序号现象原因处理6制动体76谢谢！谢谢！77

永磁同步电动机

78

电机是以磁场为媒介进行机械能和电能相互转换的电磁装置。为了在电机内建立必需的气隙磁场，可以有两种方法。

1.在电机绕组内通以电流来产生磁场

如普通的直流电机和同步电机。要专门设置励磁绕组，通入直流电，来建立气隙磁场。电机体积增大，励磁功率造成电机发热，效率降低。感应（异步）电机要通过三相定子绕组从电网吸收感性无功电流来建立气隙磁场。电机功率因数低，效率也有所降低。

2.由永磁体来产生磁场

由于永磁材料的固有特性，它经过预先磁化[充磁]以后，不再需要外加能量就能在其周围空间建立磁场。这既可简化电机结构，又可节约能量。电机是以磁场为媒介进行机械能和电能相79与传统的电励磁电机相比，永磁电机，特别是稀土永磁电机具有结构简单，运行可靠；体积小，质量轻；损耗少，效率高；电机的形状和尺寸可以灵活多样等显著优点。因而应用范围极为广泛，几乎遍及航空航天、国防、工农业生产和日常生活的各个领域。永磁同步电动机与感应电动机相比，不需要无功励磁电流可以显著提高功率因数(可达到1、甚至容性)，减少了定子电流和定子电阻损耗，而且在稳定运行时没有转子电阻损耗，进而可以因总损耗降低而减小风扇(小容量电机甚至可以去掉风扇)和相应的风摩损耗，从而使其效率比同规格感应电动机可提高2—8个百分点。

与传统的电励磁电机相比，永磁电机，特别是稀土永磁电机具有结构80永磁材料

永磁电机的性能、设计制造特点和应用范围都与永磁材料的性能密切相关。永磁材料种类众多，性能差别很大。因此，在研究永磁电机之前，首先从设计制造电机的需要出发，了解电机中最常用的三种主要永磁材料（铁氧体、铝镍钴、钕铁硼）的基本性能，包括磁性能、物理性能，选用时的注意事项。

永磁材料

永磁电机的性能、设计制造特点和应用范围都81永磁体的磁稳定性为了保证永磁电机的电气性能不发生变化，能长期可靠地运行，要求永磁材料的磁性能保持稳定。通常用永磁材料的磁性能随环境、温度和时间的变化率来表示其稳定性，主要包括热稳定性、磁稳定性、化学稳定性和时间稳定性。

永磁体的磁稳定性为了保证永磁电机的电气性能不发生变化，能长期82永磁同步电动机概述永磁同步电动机的运行原理与电励磁同步电动机相同，但它以永磁体提供的磁通替代后者的励磁绕组励磁，使电动机结构较为简单，降低了加工和装配费用，且省去了容易出问题的集电环和电刷，提高了电动机运行的可靠性；又因无需励磁电流，省去了励磁损耗，提高了电动机的效率和功率密度。因而它是近年来研究得较多并在各个领域中得到越来越广泛应用的一种电动机。

永磁同步电动机概述83

永磁同步电动机分类永磁同步电动机分类方法比较多：按工作主磁场方向的不同，可分为径向磁场式和轴向磁场式；按电枢绕组位置的不同，可分为内转子式(常规式)和外转子式；按转子上有无起动绕组，可分为无起动绕组的电动机(用于变频器供电的场合，利用频率的逐步升高而起动，并随着频率的改变而调节转速，常称为调速永磁同步电动机)和有起动绕组的电动机(既可用于调速运行又可在某一频率和电压下利用起动绕组所产生的异步转矩起动，常称为异步起动永磁同步电动机)；按供电电流波形的不同，可分为矩形波永磁同步电动机和正弦波永磁同步电动机(简称永磁同步电动机)。异步起动永磁同步电动机用于频率可调的传动系统时，形成一台具有阻尼(起动)绕组的调速永磁同步电动机。

永磁同步电动机分类永磁同步电动机分类方法比较多：按工作主84永磁同步电动机的总体结构1.高效永磁同步电动机结构示意图

l－转轴2－轴承3－端差4－定子绕组5－机座6－定子铁心7－转子铁心8－永磁体9－起动笼10—风扇11—风罩永磁同步电动机的总体结构1.高效永磁同步电动85永磁直流无刷电动机结构示意图l－转轴2－前端差3－螺钉4－调整垫片5－轴承6－定子组件7－永磁转子组件8－位置传感器转子9－后端差10—位置传感器定子永磁直流无刷电动机结构示意图l－转轴2－前端差86调速永磁同步电动机结构示意图l－转轴2－轴承3－端差4－定子绕组5－机座6－定子铁心7，8－永磁体9－转子铁心10—风扇11—风罩12－位置、速度传感器13，14－电缆15－专用变频驱动器调速永磁同步电动机结构示意图l－转轴2－轴承3－87永磁同步电动机的转子结构

表面式转子磁路结构1）凸出式2）插入式1－永磁体2－转子铁心3－转轴永磁同步电动机的转子结构881．表面凸出式结构简单、制造成本较低、转动惯量小等优点，在矩形波永磁同步电动机和恒功率运行范围不宽的正弦波永磁同步电动机中得到了广泛应用。此外，表面凸出式转子结构中的永磁磁极易于实现最优设计，使之成为能使电动机气隙磁密波形趋近于正弦波的磁极形状，可显著提高电动机乃至整个传动系统的性能。2．表面插入式

可充分利用转子磁路的不对称性所产生的磁阻转矩，提高电动机的功率密度，动态性能较凸出式有所改善，制造工艺也较简单，常被某些调速永磁同步电动机所采用。但漏磁系数和制造成本都较凸出式大。

1．表面凸出式结构简单、制造成本较低、转动惯量小等优点，89同步电机与感应（异步）电机的区别同步电机与感应（异步）电机的区别在于：（1）同步电机的转速严格的与电源频率保持同步，转差为零，而异步电机的转速永远低于同步转速，转差不为零，可以靠控制转差来调速。（2）异步机的磁场靠定子供电产生，而同步电机的磁场花样很多，一般大中型同步电机在转子侧采用独立的直流励磁，小容量的同步电机采用永久磁铁（磁场不变），磁阻式同步机完全靠定子励磁（靠凸极磁阻的变化产生同步转矩）。（3）异步电机的功率因数永远小于1，而同步电机的功率因数可以用励磁电流来调节，可以滞后，可以超前。同步电机与感应（异步）电机的区别同步电机与感应（异90同步电机与感应（异步）电机的区别（续）（4）同步电机和异步电机的定子是一样的，而转子绕阻不同。同步电机的转子除励磁绕组外，还有一个自身短路的阻尼绕阻。当同步机在恒频下运行时，阻尼绕阻有助于抑制重载时发生的震荡。但当同步电机重载转速闭环下变频调速运行时，阻尼绕阻便失去它的主要作用，却增加了数学模型的复杂性。（5）异步电机的气隙都是均匀的，而同步电机则有隐极式和显极式之分。隐极式电机气隙是均匀的，而显极式电机的气隙磁阻不均匀，对于电励磁的电机直轴磁阻小，交轴磁阻大。对于永磁电机直轴磁阻大，交轴磁阻小。同步电机与感应（异步）电机的区别（续）（4）同步电机和异步电91

以前，由于同步电动机存在着自身的弱点（起动费事，必须由异步电动机拖动，重载时有振荡和失步的危险），一般工业设备很少用。变频调速技术弥补了这些缺点：起动时变频器频率逐渐上升，转速也逐渐提高，不需其他起动设备；失步问题是由于同步转速不变，转子落后的角度过大引起的，而变频调速中的转速和转矩闭环控制，可以随时调节同步转速，避免了失步现象。由于同步电机的固有优点使同步电机的变频调速成为交流调速的一个很有潜力的发展方向。以前，由于同步电动机存在着自身的弱点（起动费事，必须由异步92

与异步电机不同，同步电机不能采用调节转差的方法，只能调频调速。根据对频率进行控制的不同方法，同步电机变频调速系统可以分为它控式和自控式。当同步电机定子电压频率由一个外部频率控制装置进行控制时，称为他控方式。当同步电机定子电压频率由其轴上位置传感器发出的脉冲来控制变频装置的触发脉冲时，称为自控方式。

与异步电机不同，同步电机不能采用调节转差的方法，只能调频调93

感应电动机的变频调速控制

感应电动机的941.

概论

1.1

感应电动机调速的概况与趋势在相当长时期内，直流调速一直以性能优良领先于交流调速。60年代以后，特别是70年代以来，电力电子技术和控制技术的飞速发展，使得交流调速性能可以与直流调速相媲美、相竞争，目前，交流调速已进入逐步替代直流调速的时代。电力电子器件的发展为交流调速奠定了物质基础。随着新型电力电子器件的不断涌现，变频技术获得飞速发展。在变频技术日新月异地发展的同时，交流电动机控制技术取得了突破性进展。微处理机引入控制系统，促进了模拟控制系统向数字控制系统的转化。1.概论1.1感应电动机调速的概况与趋势951.2

感应电动机调速的基本方法

感应电动机的调速方法分为变频调速、变极对数调速和调转差率调速三种。具体的说常见的基本种类有：①降电压调速；②电磁转差离合器调速；③绕线转子感应电机转子回路串电阻调速；④绕线转子感应电机串级调速；⑤变极对数调速；⑥变压变频调速等。1.2感应电动机调速的基本方法96感应电动机调速的基本方法按照交流感应电动机的基本原理，从定子传入转子的电磁功率可分为两部分：一部分是拖动负载的有效功率，即机械功率；另一部分是转差功率，与转差率成正比。从能量转换的角度看，转差功率是否增大，是消耗掉还是得到回收，显然是评价调速系统效率高低的一种标志。从这点出发，可以把感应电机的调速系统分成三类。

感应电动机调速的基本方法按照交流感应电动机的基本原理，从定子97（1）转差功率消耗型调速系统

全部转差功率都换成热能的形式而消耗掉。上述的第①、②、③三种调速方法都属于这一类。在这三类感应电机调速系统之中，这类系统的效率最低，而且它是以增加转差功率的消耗来换取转速的降低（恒转矩负载时），越向下调速，效率越低。可是这类系统结构最简单，所以还有一定的应用场合。

（1）转差功率消耗型调速系统全部转差功率都换成98（2）转差功率回馈型调速系统

转差功率的一部分消耗掉，大部分则通过变流装置回馈给电网或者转化为机械能予以利用，转速越低，回收的功率越多，上述第④种调速方法——串级调速属于这一类。这类调速系统的效率显然比第一类高，但增设的变流装置总要多消耗一部分功率，因此还不及下一类。

（2）转差功率回馈型调速系统转差功率的一部分消99（3）转差功率不变型调速系统

转差功率中转子铜损部分的消耗是不可避免的，但在这类系统中，无论转速高低，转差功率的消耗基本不变，因此效率最高。上述的第⑤、⑥两种调速方法属于此类。其中变极对数只能有级调速，应用场合有限。只有变压变频调速应用最广，可以构成高动态性能的交流调速系统，取代直流调速，是最有发展前途的。

3.变频调速

变频调速系统的原理框图

（3）转差功率不变型调速系统转差功率中转子铜100

变频调速的特点

变频调速的优点在于：改变频率时转差率不变，也就是不同转速时不变，因而转差损耗小，特性硬，调速范围宽，调速精度高，适用于调速性能要求较高的场合。另一方面，变频调速装置的成本较高（尽管价钱还在降低），变频调速原理较复杂。变频调速的方法也有多种，按变频器的类型分主要有交－交变频器和交－直－交变频器两大类；按控制方法分有标量控制、矢量控制和感应机的直接转矩控制。

变频调速的特点变频调速的优点在于：改变频率时转差率不变，101感应电机变频调速

感应电机，特别是笼型感应电机，结构简单、牢固，价格便宜，运行可靠，无需维护，在交流传动中得到了极为广泛的应用。感应电机采用变频调速技术后，调速范围广，调速时因转差功率不变而无附加能量损失，是一种性能优良的高效的调速方式，是交流电机调速传动发展的主要方向。在变频调速系统中，由变频器提供给电机的频率变化的电压或电流激励均是非正弦的，除基波外，还包含大量的谐波。分析表明，决定感应电机变频运行特性的主要还是基波，谐波分量只起着使电机电压或电流畸变、产生谐波损耗、恶化力能指标、引起转矩脉动的作用。

感应电机变频调速感应电机，特别是笼型感应电机，结构简单、牢102变频调速的基本控制方式

若希望一台感应电机获得良好的运行性能、力能指标，必须保持其磁路工作点稳定不变，即保持每极磁通量额定不变。因为若太强，电机磁路饱和，励磁电流、励磁损耗及发热增大；若太弱，电机力能指标下降，电机出力不够，铁芯也未充分利用。换句话说，保持每极磁通量额定不变而维持较高值，则产生同样的电磁转矩而需要的有功电流最小。

变频调速的基本控制方式若希望一台感应电机获得良好的运行性103

从感应电机定子每相电动势有效值公式看

对一台电机，其结构参数确定，则有说明只要协调地控制、，即可达到控制气隙磁通的目的。但由于电机绝缘和供电电源的限制，电机运行频率在基频以下及基频以上调速时须采取不同的控制方式。

从感应电机定子每相电动势有效值公式看1041.基频以下调速

要保持气隙磁通额定不变，必须采用恒电动势频率比的控制方式，即变频过程中须维持常值。但定子电动势为内部量，难以直接测量、控制。

根据感应电机定子电压方程式

可知，当频率较高，电动势较大时，可忽略定子绕组漏抗压降得，即只要维持常数（恒电压频率比）既可维持气隙磁通恒定。

1.基频以下调速要保持气隙磁通额定不变，必须采用1051.基频以下调速当感应电机在低频时，定子电动势较小，定子电阻压降的影响不能忽略，必须有意抬高而对定子电阻压降加以补偿，才能近似维持常值。此时采用带低频定子电阻压降补偿的恒电压频率比控制，其电压、频率关系如图中曲线所示。如果电动机在不同转速下都有额定电流，则电机能在温升允许的情况下长期运行，这时转矩基本上随磁通变化。由于维持了气隙磁通恒定，电机将作恒转矩运行。

1.基频以下调速当感应电机在低频时，定子电动势较小，1062.基频以上调速当运行频率超过基频时，由于变频装置半导体元件及电机绝缘的耐压限制，电机电压不能超过额定值，只能维持不变。随着运行频率的升高，的比值下降，气隙磁通随之减小，进入弱磁控制方式。此时，电机转矩大体上反比频率变化，但电机的转速升高了，输出转矩与机械角速度的乘积为输出功率近似不变，作近似恒功率运行。

2.基频以上调速当运行频率超过基频时，由于变频装置107感应电机变频调速控制特性

感应电机变频调速控制特性108变频器的基本构成

变频器的主要任务是把恒压恒频(constantvoltageconstantfrequency,CVCF）的交流电转换为变压变频（variablevoltagevariablefrequency,VVVF）的交流电，以满足交流电机变频的需要。从结构上分，变频器可分为:交—交变频器（亦称直接变频器）;交—直—交变频器（亦称间接变频器）。

变频器的基本构成变频器的主要任务是把恒压恒频(const109交—交变频器的结构

交—交变频器是将恒压恒频的交流电一次变换成调压调频的交流电，它有三组可逆整流器（桥式或零式线路）组成，当三组移相信号是一组频率和幅值均可调的三相正弦信号时，则变频器输入三相交流电。

交—交变频器的结构交—交变频器是将恒压110交—交变频器单相输出电压和电流波形

交—交变频器单相输出电压和电流波形111交－交变频器的主要特点

（1）原理主要基于可逆整流，可直接引用成熟的直流可逆调速的技术和经验；（2）输出到电动机的电流近似于三相正弦电流，附加损耗小，转矩脉动量小；（3）采用元器件的数量较多，如果采用三相桥式接法，需要36个晶闸管；（4）输出电压波形由电源波形的区段组成，为了使波形畸变不至过大，输出频率不能高于电网频率的1/3～1/2。电源频率为50Hz时，最大输出频率不超过20Hz；（5）拖动的电机一般属于普通电机，价格便宜，但转速较低。对于4极电机，最高转速小于。交－交变频器的主要特点（1）原理主要基于可逆整流，可直接引112

电网侧的功率因数与负载的功率因数成正比，感应电动机的功率因数低，电网侧的功率因数也低。为了提高功率因数，有时需要安装容量较大的无功补偿装置。近年来出现了一种新颖的矩阵式变频电路，这种电路也是一种直接变频电路，电路所用的开关器件是全控型的，控制方式不是相控方式，而是斩控方式。其优点是输出电压为正弦波，输出频率不受电网频率的限制；输入电流也可控制为正弦波且和电压同相，功率因数为1，也可控制为需要的功率因数；能量可双向流动，适用于交流电动机的四象限运行；不通过中间环节而直接实现变频，效率较高。因此，这种电路的电气性能是十分理想的。但由于还没有理想的功率器件，还未到实际应用阶段。

电网侧的功率因数与负载的功率因数成正比，感应电动机的功率因1132.交－直—交变频器

交－直－交变频器是将恒压恒频的交流电通过整流电路变换成直流，然后再经逆变将直流变换成变压变频的交流电。这种变频器虽然多了一个中间直流环节，但输出交流电的频率可高于电网的频率。

按控制方式的不同交－直－交变频器可分为三种。（1）用可控整流调压、逆变器调频的交－直－交变频器

（2）用不可控整流器整流、用斩波器调压、再用逆变器调频的交－直－交变频器

（3）用不可控整流器整流、用PWM逆变器同时调压调频的交－直－交变频器

（4）用PWM可控整流器整流、用PWM逆变器同时调压调频的交－直－交变频器

2.交－直—交变频器交－直－交变频器是将恒压恒频的交流电114

交－直—交变频器的基本结构

交－直—交变频器的基本结构115

交－直—交变频器的基本结构

交－直—交变频器的基本结构116交－直－交变频器的主要特点

①逆变器换相条件要求电动机工作在超前功率因数区，变频装置容量大，过载能力低；②欲提高过载能力，需减少电动机的定子漏抗，电动机短粗，转动惯量大，动态性能差；③电动机电流谐波分量较大。损耗增加，转矩脉动动量大；④输出频率没有特别限制。交－直－交变频器主要适用于中小功率、转速较高、负载较平稳的场合，如压缩机、挤压机、给水泵等。

交－直－交变频器的主要特点①逆变器换相条件要求电动机工作在117a）电压源型三相串联电感式逆变器

a）电压源型三相串联电感式逆变器118b）电压源型具有辅助换流晶闸管的逆变器

b）电压源型具有辅助换流晶闸管的逆变器119c）电流源型逆变器

c）电流源型逆变器120

d）PWM逆变器

d）PWM逆变器121变频器的分类

变频器的种类很多，分类方法也有很多种。通过了解它们的分类，有利于我们认识变频器的性质和区别，这是用好变频器的前提。前面我们已经介绍了两种分类，按应用分，有通用变频器和专用变频器；按结构分，有交－交变频器（直接变频器）和交－直－交变频器（间接变频器）。除此之外，还有如下分类方式：变频器的分类变频器的种类很多，分类方法也有很多种。通过了1221.按直流侧电源性质分

（1）电压源型变频器。（2）电流源型变频器。变频器的负载通常是感应电机，其功率因数小于1，故在中间直流环节和电动机之间总存在无功功率的交换。由于逆变器中的电力电子器件无法储能，所以无功功率只能靠直流环节中的储能元件缓冲。如果采用电容作为无功功率缓冲环节，直流侧电源相当于一个低阻抗的电压源，因此称为电压源型变频器；如果采用电抗器作为无功功率缓冲环节，直流侧电源相当于一个高阻抗的电流源，则称为电流源型变频器。电压源型变频器和电流源型变频器的主要特点列于表1。1.按直流侧电源性质分（1）电压源型变频器。123永磁同步电动机教材29901-课件1242.按输出电压调节方式分

（1）PAM方式脉冲幅值调节方式是通过改变直流侧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，而输出电压侧由相控整流器或直流斩波器通过调节直流电压去实现。采用相控整流器调压时，网侧的功率因数随调节深度的增加而变低；而采用直流斩波器调压时，网侧的功率因数在不考虑谐波影响时，可达到1。（2）PWM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按PWM方式调节。为了得到PWM波形，采用基准波信号欲载波信号比较的方法。PWM波的产生如图所示。

2.按输出电压调节方式分（1）PAM方式脉冲幅值调节125结论综上可见，要减小非正弦供电时感应电机运行性能的不良影响，关键是要减小和限制谐波电压和电流。一般来说，电压源型非正弦电源输出电压谐波确定，需选用漏抗大的电机来限制谐波电流及其影响；电流源型非正弦电源输出电流谐波成份确定，需选用漏磁小的电机来减小所产生的谐波电压及其影响。根据电机漏抗大小来选配非正弦电源及电机是调速系统设计中需要考虑的问题。

结论综上可见，要减小非正弦供电时感应电机运行性能的不良影126

感应电机的标量控制

由变压变频（VVVF）装置给笼型感应电机供电所组成的调速系统叫做变压变频调速系统。和直流电机变压调速系统相似，在调速时，机械特性基本上平行地上下移动，而转差功率不变。在各种感应电机调速系统中，变压变频调速的效率最高，性能最好，是当前交流调速的主要发展方向。

感应电机的标量控制由变压变频（VVVF）装置给笼型感应电127

数字控制的SPWM变频调速系统

数字控制的SPWM变频调速系统

128SPWM变频器输入电流波形

二极管整流器虽然是全波整流装置，但由于其输出端滤波电容的存在，只有当交流电压峰值超过电容电压时，整流电路才有充电电流流通，交流电压低于电容电压时，电流便立即中止，因此，输入电流呈脉冲波形，如图所示。这样的电流波形会有较大的谐波分量，使电源受到污染。为了抑制谐波电流，对于容量较大的SPWM变频器，都应在输入端设进线电抗器Lin也可用来抑制电源电压不平衡的影响。

SPWM变频器输入电流波形二极管整流器虽然是全波整流129SPWM变压变频器的基本控制作用图现代SPWM变频器的控制电路大都是以微处理器为核心的数字电路，其功能主要是接受各种设定信息和指令，再根据它们的要求形成驱动逆变器工作的SPWM信号。微机芯片主要采用8位或16位的单片机、32位的DSP，现在已有应用RISC的产品出现。SPWM信号可以由微机本身用软件实时计算机或用查表法生成，也可采用专用的SPWM集成电路芯片。现代单片机本身能力很强，常把SPWM生成功能包括在内，由SPWM端口直接输出。需要设定的信息主要有曲线、工作频率、频率上升时间、频率下降时间等，还可以有一系列特殊功能的设定。SPWM变压变频器的基本控制作用图现代SPWM变频器的控制电130SPWM变压变频器的基本控制作用图

SPWM变压变频器的基本控制作用图131IGBT的基础知识IGBT的基础知识132IGBT的开关作用是通过施加正向栅极电压形成沟道，给PNP晶体管提供基极电流，使IGBT导通。反之，加反向门极电压消除沟道，流过反向基极电流，使IGBT关断。IGBT的驱动方法和MOSFET基本相同，只需控制输入极N沟道MOSFET，所以具有高输入阻抗特性。当MOSFET的沟道形成后，从P+基极注入到N一层的空穴（少子），对N一层进行电导调制，减小N一层的电阻，使IGBT在高电压

时也具有低的通态电压。

IGBT的开关作用是通过施加正向栅极133永磁同步电动机教材29901-课件134永磁同步电动机教材29901-课件135

IGBT的工作特性包括静态和动态两类：

1．静态特性

IGBT的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性。

IGBT的伏安特性是指以栅源电压Ugs为参变量时，漏极电流与栅极电压之间的关系曲线。输出漏极电流比受栅源电压Ugs的控制，Ugs越高，Id越大。它与GTR的输出特性相似。也可分为饱和区1、放大区2和击穿特性3部分。在截止状态下的IGBT，正向电压由J2结承担，反向电压由J1结承担。如果无

N+缓冲区，则正反向阻断电压可以做到同样水平，加入N+缓冲区后，反向关断电压只能达到几十伏水平，因此限制了IGBT的某些应用范围。

IGBT的工作特性包括静态和动态两类：

1136

IGBT的转移特性是指输出漏极电流Id与栅源电压Ugs之间的关系曲线。它与MOSFET的转移特性相同，当栅源电压小于开启电压Ugs(th)时，IGBT处于关断状态。在IGBT导通后的大部分漏极电流范围内，Id与Ugs呈线性关系。最高栅源电压受最大漏极电流限制，其最佳值一般取为

15V左右。

IGBT的开关特性是指漏