电力拖动自动控制系统第8-9课

第五章交流电动机调速系统

§5-1交流电动机调速系统概述§5-2异步电动机的变压调速

§5-3异步电动机的变频变压调速

§5-4电力电子变压变频器§5-5转速开环变频变压调速系统

§5-6转速闭环转差控制的调速系统

从直流传动到交流传动

直流电力拖动和交流电力拖动在19世纪先后诞生。在20世纪上半叶的年代里，鉴于直流拖动具有优越的调速性能，高性能可调速拖动都采用直流电机。而约占电力拖动总容量80%以上的不变速拖动系统则采用交流电机，这种分工在一段时期内已成为一种举世公认的格局。交流调速系统的多种方案虽然早已问世，并已获得实际

直到20世纪60~70年代，随着电力电子技术的发展，使得采用电力电子变换器的交流传动系统得以实现，特别是大规模集成电路和计算机控制的出现，高性能交流调速系统便应运而生，一直被认为是天经地义的交、直流拖动按调速性能分工的格局终于被

直流传动系统调速性能好，容易控制，然而直流电机具有电刷和换相器，因此：

1、须经常检查维修2、应用环境受到限制

3、限制了直流电机的容量和速度等

交流电动机价格便宜，随着其调速性能的不断改进，交流传动控制系统已经成为当前电力传动控制的主要发展方向。交流传动控制系统应用领域主要有三个方面：一般性能的节能调速高性能的交流调速系统和伺服系统特大容量、极高转速的交流调速一般性能的节能调速在过去大量的所谓“不变速交流传动”中，风机、水泵等通用机械的容量几乎占工业电力传动总容量的一半以上，其中有不少场合并不是不需要调速，只是因为过去的交流传动本身不能调速，不得不依赖挡板和阀门来调节送风和供水的流量，因而把许多电能白白地浪费了。

如果换成交流调速系统，把消耗在挡板和阀门上的能量节省下来，每台风机、水泵平均都可以节约20~30%以上的电能，效果是很可观的。但风机、水泵的调速范围和对动态快速性的要求都不高，只需要一般的调速性能。高性能的交流调速系统

许多在工艺上需要调速的生产机械过去多用直流拖动，鉴于交流电机比直流电机结构简单、成本低廉、工作可靠、维护方便、惯量小、效率高，如果改成交流拖动，显然能够带来不少的效益。但是，由于交流电机原理上的原因，其电磁转矩难以像直流电机那样通过电枢电流施行灵活的实时控制。20世纪70年代初发明了矢量控制技术，或称磁场定向控制技术，通过坐标变换，把交流电机的定子电流分解成转矩分量和励磁分量，用来分别控制电机的转矩和磁通，就可以获得和直流电机相仿的高动态性能，从而使交流电机的调速技术取得了突破性的进展。

其后，又陆续提出了直接转矩控制、解耦控制等方法，形成了一系列可以和直流调速系统媲美的高性能交流调速系统和交流伺服系统。特大容量或极高转速的交流调速

直流电机的换向能力限制了它的容量转速积不超过106kW

·r/min，超过这一数值时，其设计与制造就非常困难了。交流电机没有换向器，不受这种限制，因此，特大容量的电力拖动设备，如厚板轧机、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。交流调速的分类按电动机的能量转换类型分类：

按照交流异步电机的原理，从定子传入转子的电磁功率可分成两部分：一部分是拖动负载的有效功率，称作机械功率；另一部分是传输给转子电路的转差功率，与转差率s成正比。

~PmechPmPs交流调速的分类按电动机的能量转换类型分类：

即电磁功率Pm=Pmech+Ps

机械功率Pmech=(1–s)Pm

转差功率Ps=sPm

从能量转换的角度上看，转差功率是否增大，是消耗掉还是得到回收，是评价调速系统效率高低的标志。从这点出发，可以把异步电机的调速系统分成三类。交流调速的分类转差功率消耗型调速系统：

这种类型的全部转差功率都转换成热能消耗在转子回路中，这类系统的效率最低，而且越到低速时效率越低，它是以增加转差功率的消耗来换取转速的降低的（恒转矩负载时）。可是这类系统结构简单，设备成本最低，所以还有一定的应用价值。

转差功率馈送型调速系统：

在这类系统中，除转子铜损外，大部分转差功率在转子侧通过变流装置馈出或馈入，转速越低，能馈送的功率越多。无论是馈出还是馈入的转差功率，扣除变流装置本身损耗后，最终都转化成有用的功率，因此这类系统的效率较高，但要增加一些设备。转差功率不变型调速系统：

在这类系统中，转差功率只有转子铜损，而且无论转速高低，转差功率基本不变，因此效率更高。其中变极对数调速是有级的，应用场合有限。只有变压变频调速（VVVF）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；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。

同步电动机调速系统：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转差功率不变型。同步电动机转子极对数是固定的，只能靠变压变频调速。从频率控制的方式来看，同步电动机调速可分为他控变频调速和自控变频调速两类。自控变频调速利用转子磁极位置检测信号来控制变压变频装置换相，又称作无换向器电动机调速，或无刷直流电动机调速。异步电动机的工作原理异步电机：本质上可以看成一个具有旋转和短路的次级绕组的三相变压器右图是一个理想三相两极异步电机旋转磁场：气隙中建立旋转和正弦分布的磁场，其转速与电源频率同步异步电动机-转差率通过旋转磁场转速n1与转子转速n之间的转速差，电机感应出转子电流，产生转矩。转子与旋转磁场同向运行。转差率：n1=60f1/np，即同步转速，f1为电源频率，np为极对数异步电动机稳态等效电路Rs、R’r——定子每相电阻和折合到定子侧的转子每相电阻；Lls、L’lr——定子每相漏感和折合到定子侧的转子每相漏感；Us、1——定子相电压和供电角频率；s——转差率。假定条件：①忽略空间和时间谐波②忽略磁饱和③忽略铁损异步电动机稳态等效电路转子相电流（折合到定子侧）式中

分母为阻抗模即电阻与电抗的方均跟分子为每相定子的电压幅值定子每相绕组漏电感定子每相绕组气隙磁通的等效电感一般：因此电路可进一步简化为：异步电动机稳态等效电路忽略励磁电流图5-2异步电动机简化等效电路异步电动机稳态等效电路简化等效电路的相电流OK，我们得到了转子每相绕组电流的幅值。异步电动机的机械特性异步电动机传递的电磁功率

机械同步角速度

异步电动机的电磁转矩（机械特性方程式）分析这个机械特性方程，得到什么结论？异步电动机的机械特性

上式对s求导，并令dTe/ds=0，可求出对应于最大转矩时的转差率和最大转矩（又称临界转矩

）：最大转矩公式

临界转差率

如何画出转矩Te与转速n或转差率s之间的机械特性曲线？异步电动机的机械特性当s很小时，忽略分母中含s各项转矩近似与s成正比，机械特性近似为直线

当s较大时，忽略分母中s的一次项和零次项转矩近似与s成反比，机械特性是一段双曲线异步电动机的机械特性异步电动机由额定电压、额定频率供电，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。图5-3异步电动机的机械特性第五章交流电动机调速系统§5-1交流电动机调速系统概述本章小结§5-2异步电动机的变压调速

§5-3异步电动机的变频变压调速

§5-4电力电子变压变频器§5-5转速开环变频变压调速系统

§5-6转速闭环转差控制的调速系统

变压调速异步电动机的调速方法 所谓调速，就是人为地改变机械特性的参数，使电动机的稳定工作点偏离固有特性，工作在人为机械特性上，以达到调速的目的。调速概述由异步电动机的机械特性方程式可知，能够改变的参数可分为2类：电源电压和电源频率（或角频率）。调速方式异步电动机的气隙磁通三相异步电动机定子每相电动势的有效值忽略定子绕组电阻和漏磁感抗压降异步电动机的气隙磁通气隙磁通

为了保持气隙磁通恒定，应使或近似为变压调速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变压调速（或调压调速）。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，故又称作降压调速。变压调速的基本特征调压调速的基本特征是：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，属于弱磁调速。异步电动机变压调速的主电路图5-4晶闸管交流调压器调速TVC——双向晶闸管交流调压器a)不可逆电路b)可逆电路TVC的变压控制方式工作周期1S异步电动机电压调节异步电动机变压调速的机械特性调压调速的机械特性表达式电磁转矩与定子电压的平方成正比理想空载转速保持为同步转速不变可调

异步电动机变压调速的机械特性临界转差率保持不变

临界转矩

随定子电压的减小而成平方比地下降异步电动机变压调速的机械特性图5-5异步电动机调压调速的机械特性带恒转矩负载时，普通笼型异步电动机降压调速时的稳定工作范围为调速范围有限，图中A、B、C为恒转矩负载在不同电压时的稳定工作点。带风机类负载运行，调速范围可以稍大一些，图中D、E、F为风机类负载在不同电压时的稳定工作点异步电动机变压调速的机械特性带恒转矩负载工作时，定子侧输入的电磁功率故输入的电磁功率恒定不变，与转速、可调电压无关！

均为常数

异步电动机变压调速的机械特性转差功率随着转差率的加大而增加。带恒转矩负载的降压调速就是靠增大转差功率、减小输出的机械功率来换取转速的降低。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的由来。虽然降压调速简单，但损耗了转差功率能效低、浪费！稳定工作范围，sm较小，调速范围有限！异步电动机变压调速的机械特性增加转子电阻值，临界转差率加大，可以扩大恒转矩负载下的调速范围，这种高转子电阻电动机又称作交流力矩电动机缺点是机械特性较软怎么办？闭环调速。图5-6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变压调速闭环控制系统要求带恒转矩负载的变压调速系统具有较大的调速范围时，往往须采用带转速反馈的闭环控制系统。图5-7带转速负反馈闭环控制的交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，将稳定工作点连接起来便是闭环系统的静特性。闭环控制的变压调速系统静特性左右两边都有极限，它们是额定电压下的机械特性和最小输出电压下的机械特性。图5-8转速闭环控制的交流调压调速系统静特性

尽管异步电机的开环机械特性和直流电机的开环特性差别很大，但是在不同电压的开环机械特性上各取一个相应的工作点，连接起来便得到闭环系统静特性，这样的分析方法对两种电机是完全一致的。闭环控制的变压调速系统

变压调速系统的特点

异步电机闭环变压调速系统不同于直流电机闭环变压调速系统的地方是：静特性左右两边都有极限，不能无限延长，它们是额定电压UsN

下的机械特性和最小输出电压Usmin下的机械特性。当负载变化时，如果电压调节到极限值，闭环系统便失去控制能力，系统的工作点只能沿着极限开环特性变化。3.系统静态结构Ksn=f(Us,Te)

ASRU*nUnUcUs--TLn图5-7异步电机闭环变压调速系统的静态结构图

图中，Ks=Us/Uc

为晶闸管交流调压器和触发装置的放大系数；

=Un/n为转速反馈系数；ASR采用PI调节器；n=f(Us,Te

)是式（5-3）所表达的异步电机机械特性方程式，它是一个非线性函数。

稳态时，

Un*=Un=n

Te=TL

根据负载需要的n和TL可由式（5-3）计算出或用机械特性图解法求出所需的Us以及相应的Uc。闭环变压调速系统的近似动态结构图

对系统进行动态分析和设计时，须先绘出动态结构图。由图5-7的静态结构图可以得到动态结构图，如图5-8所示。其中有些环节的传递函数可以直接写出来，只有异步电机传递函数的推导须费一番周折。

系统动态结构图5-8异步电动机闭环变压调速系统的动态结构框图

MA——异步电机FBS——测速反馈环节

WFBS(s)

U*n(s)Un(s)Uc

(s)-n(s)WASR(s)WGT-V(s)WMA

(s)Us(s)

转速调节器ASR

转速调节器ASR常用PI调节器，用以消除静差并改善动态性能，其传递函数为

晶闸管交流调压器和触发装置

装置的输入-输出关系原则上是非线性的，在一定范围内可假定为线性函数，在动态中可以近似成一阶惯性环节。传递函数可写成其近似条件是对于三相全波Y联结调压电路，可取Ts=3.3ms。

测速反馈环节

考虑到反馈滤波作用，测速反馈环节FBS的传递函数可写成

异步电机近似的传递函数

异步电机的动态过程是由一组非线性微分方程描述的，要用一个传递函数来准确地表示它的输入输出关系是不可能的。在这里，可以先在一定的假定条件下，用稳态工作点附近的微偏线性化方法求出一种近似的传递函数。（1）异步电机近似的线性机械特性

由式（5-3）已知电磁转矩为当s很小时，可以认为且

后者相当于忽略异步电机的漏感电磁惯性。在此条件下，（5-6）这是在上述条件下异步电机近似的线性机械特性。（2）稳态工作点计算

设A为近似线性机械特性上的一个稳态工作点，则在A点上（5-7）在A点附近有微小偏差时，Te=TeA+Te，Us=UsA+Us，而s=sA+s，代入式（5-6）得（3）微偏线性化

将上式展开，并忽略两个和两个以上微偏量的乘积，则（5-8）

式（5-8）减去式（5-7），得（5-9）

已知转差率，其中1是同步角转速，是转子角转速，则（5-10）

将式（5-10）代入式（5-9），得（5-11）

式（5-11）就是在稳态工作点附近微偏量Te与Us和间的关系。

带恒转矩负载时电力拖动系统的运动方程式为按上面相同的方法处理，可得在稳态工作点A附近的微偏量运动方程式为（5-12）

将式（5-11）和（5-12）的微偏量关系画在一起，即得异步电机在忽略电磁惯性时的微偏线性化动态结构图，如图5-9所示。如果只考虑U1到之间的传递函数，可先取TL

=0，图5-9中小闭环传递函数可变换成（4）近似动态结构图3npω1Rr2UsASA3npU2sAωs2R’rnpJsΔUsΔTeΔTLΔ+--图5-9忽略电磁惯性时异步电机微偏线性化的近似动态结构图

（5）异步电机的近似线性化传递函数

于是，异步电机的近似线性化传递函数为式中

KMA—

异步电机的传递系数，

Tm—

异步电机拖动系统的机电时间常数，

由于忽略了电磁惯性，只剩下同轴旋转体的机电惯性，异步电机便近似成一个线性的一阶惯性环节，即(5-13)

把得到的四个传递函数式写入图5-8中各方框内，即得异步电机变压调速系统微偏线性化的近似动态结构图。

最后，应该再强调一下，具体使用这个动态结构图时要注意下述两点：由于它是偏微线性化模型，只能用于机械特性线性段上工作点附近的稳定性判别和动态校正，不适用于起制动时转速大范围变化的动态响应。由于它完全忽略了电磁惯性，分析与计算有很大的近似性。降压控制的应用三相异步电动机直接接电网起动时，起动电流比较大，而起动转矩并不大。中、大容量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。必须采取措施来降低其起动电流，常用的办法是降压起动。降压控制的应用当电压降低时，起动电流将随电压成正比地降低，从而可以避开起动电流冲击的高峰。起动转矩与电压的平方成正比，起动转矩的减小将比起动电流的降低更多，降压起动时又会出现起动转矩不够的问题。降压起动只适用于中、大容量电动机空载（或轻载）起动的场合。软起动器降压控制的应用三相异步电动机运行时的总损耗电机的运行效率轻载降压运行P1为输入电功率，P2为轴上输出功率降压控制的应用轻载降压运行为了减少轻载时的能量损耗，降低定子电压可以降低气隙磁通，这样可以同时降低铁损和励磁电流。过分降低电压和磁通，转子电流必然增大，定子电流反而可能增加，铁损的降低将被铜损的增加填补，效率反而更差了。当负载转矩一定时，轻载降压运行有一个最佳电压值，此时效率最高。第五章交流电动机调速系统§5-1交流电动机调速系统概述本章小结§5-2异步电动机的变压调速

§5-3异步电动机的变频变压调速

§5-4电力电子变压变频器§5-5转速开环变频变压调速系统

§5-6转速闭环转差控制的调速系统

VVVF上节内容回顾：（一）异步电动机的变压调速方法

图5-3异步电动机的机械特性（二）异步电动机变压调速存在的问题1）调速范围有限（原因一）气隙磁通：

因此：变压调速只能在额定电压与最小可调电压之间调节。忽略定子绕组电阻和漏磁感抗压降：（二）异步电动机变压调速存在的问题1）调速范围有限（原因二）因此：转差率s取值范围在0与sm之间。通过旋转磁场转速n1与转子转速n之间的转速差，电机感应出转子电流，产生转矩。转子与旋转磁场同向运行。转差率：n1=60f1/np，即同步转速，f1为电源频率，np为极对数（二）异步电动机变压调速存在的问题转差功率随着转差率的加大而增加。带恒转矩负载的降压调速就是靠增大转差功率、减小输出的机械功率来换取转速的降低。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的由来。虽然降压调速简单，但损耗了转差功率能效低、浪费！稳定工作范围，sm较小，调速范围有限！（二）异步电动机变压调速存在的问题第五章交流电动机调速系统§5-1交流电动机调速系统概述本章小结§5-2异步电动机的变压调速

§5-3异步电动机的变频变压调速

§5-4电力电子变压变频器§5-5转速开环变频变压调速系统

§5-6转速闭环转差控制的调速系统

VVVF概述变压变频调速是一种通过改变异步电动机同步转速实现调速方法，同步转速随频率而变化变压变频调速的基本原理异步电动机的实际转速稳态速降随负载大小变化变压变频调速的基本原理气隙磁通控制只要控制便可控制气隙磁通变压变频调速的基本原理基频以下调速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。最好是保持每极磁通量为额定值不变。变压变频调速的基本原理当频率从额定值向下调节时，必须使基频以下应采用电动势频率比为恒值的控制方式。恒压频比的控制方式:当电动势值较高时，忽略定子电阻和漏感压降后基频以下调速变压变频调速的基本原理基频以下调速低频补偿（低频转矩提升）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。负载大小不同，需要补偿的定子电压也不一样。变压变频调速的基本原理基频以下调速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。

a——无补偿b——带定子电压补偿图5-9恒压频比控制特性变压变频调速的基本原理基频以上调速在基频以上调速时，频率从向上升高，受到电机绝缘耐压和磁路饱和的限制，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弱磁状态。变压变频调速的控制特性图5-10异步电动机变压变频调速的控制特性变压变频调速的机械特性基频以下采用恒压频比控制

异步电动机机械特性方程式改写为（5-28）变压变频调速的机械特性基频以下调速当s很小时，忽略上式分母中含s各项，得

或变压变频调速的机械特性基频以下调速对于同一转矩，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行下移的。变压变频调速的机械特性基频以下调速临界转矩随着频率的降低而减小。当频率较低时，电动机带载能力减弱，采用低频定子压降补偿，适当地提高电压，可以增强带载能力。变压变频调速的机械特性基频以下调速转差功率与转速无关，故称作转差功率不变型。变压变频调速的机械特性基频以上调速电压不能从额定值再向上提高，只能保持不变，机械特性方程式可写成临界转矩表达式变压变频调速的机械特性基频以上调速临界转差当s很小时，忽略上式分母中含s各项或变压变频调速的机械特性基频以上调速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，机械特性越软，与直流电动机弱磁调速相似。变压变频调速的机械特性基频以上调速转差功率带恒功率负载运行时转差功率基本不变。变压变频调速的机械特性图5-11异步电动机变压变频调速机械特性变压变频调速的特点在基频以下，由于磁通恒定，允许输出转矩也恒定，属于“恒转矩调速”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，由于转速上升，允许输出功率基本恒定，属于“近似的恒功率调速”方式。基频以下电压补偿控制在基频以下运行时，采用恒压频比的控制方法具有控制简便的优点。但负载变化时定子的压降不同，将导致磁通改变，须采用定子电压补偿控制。根据定子电流的大小改变定子电压，以保持磁通恒定。基频以下电压补偿控制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。

图5-12异步电动机等值电路和感应电动势基频以下电压补偿控制三种磁通气隙磁通在定子每相绕组中的感应电动势定子全磁通在定子每相绕组中的感应电动势转子全磁通在定子每相绕组中的感应电动势基频以下电压补偿控制恒定子磁通控制

保持定子磁通恒定：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。

常值基频以下电压补偿控制恒定子磁通控制

忽略励磁电流，转子电流为电磁转矩（5-44）基频以下电压补偿控制恒定子磁通控制

恒压频比控制时的转矩式（式5-28）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。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频比控制方式。基频以下电压补偿控制恒定子磁通控制

临界转差率临界转矩频率变化时，恒定子磁通控制的临界转矩恒定不变。基频以下电压补偿控制恒定子磁通控制

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。恒定子磁通控制的临界转矩也大于恒压频比控制方式。基频以下电压补偿控制恒气隙磁通控制

保持气隙磁通恒定：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。常值基频以下电压补偿控制转子电流电磁转矩恒气隙磁通控制

基频以下电压补偿控制恒气隙磁通控制

临界转差率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率和临界转矩更大，机械特性更硬。基频以下电压补偿控制恒转子磁通控制

保持转子磁通恒定：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。常值基频以下电压补偿控制恒转子磁通控制

转子电流电磁转矩基频以下电压补偿控制恒转子磁通控制

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，这正是高性能交流变频调速所要求的稳态性能。基频以下电压补偿控制不同控制方式下的机械特性a）恒压频比控制b）恒定子磁通控制c）恒气隙磁通控制d）恒转子磁通控制图5-13异步电动机在不同控制方式下的机械特性基频以下电压补偿控制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，低速时需适当提高定子电压，以近似补偿定子阻抗压降。恒定子磁通、恒气隙磁通和恒转子磁通的控制方式均需要定子电压补偿，控制要复杂一些。恒定子磁通和恒气隙磁通的控制方式虽然改善了低速性能。但机械特性还是非线性的，仍受到临界转矩的限制。恒转子磁通控制方式可以获得和直流他励电动机一样的线性机械特性，性能最佳。第五章交流电动机调速系统§5-1交流电动机调速系统概述本章小结§5-2异步电动机的变压调速

§5-3异步电动机的变频变压调速

§5-4电力电子变压变频器§5-5转速开环变频变压调速系统

§5-6转速闭环转差控制的调速系统

变频器概述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力电子器件构成的静止式功率变换器，一般称为变频器。交-直-交变频器：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。交-交变频器：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。概述图5-14变频器结构示意图a）交-直-交变频器b）交-交变频器脉冲宽度调制技术现代变频器中用得最多的控制技术是脉冲宽度调制（PulseWidthModulation），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PWM

变频器主回路图5-15交-直-交变频器主回路结构图左边是不可控整流桥，将三相交流电整流成电压恒定的直流电压。右边是逆变器，将直流电压变换为频率与电压均可调的交流电。中间的滤波环节是为了减小直流电压脉动而设置的。主回路只有一套可控功率级，具有结构简单、控制方便的优点，采用脉宽调制的方法，输出谐波分量小。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，造成直流侧电压上升，称作泵升电压。PWM

变频器主回路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来实现能量平衡，提高整流装置的工作效率。图5-16直流母线方式的变频器主回路结构图直流母线供电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，实现能量交换，有效地抑制泵升电压。正弦波脉宽调制技术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。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弦波脉宽调制（SinusoidalpulseWidthModulation，简称SPWM）。正弦波脉宽调制技术三相正弦调制波与双极性三角载波b）、c）、d）三相电压e）输出线电压f）电动机相电压图5-17三相PWM逆变器双极性SPWM波形消除指定谐波

PWM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位的方法，以消除指定次数的谐波。在SPWM的基础上衍生出的

消除指定次数谐波PWM（SHEPWM，SelectedHarmonicsEliminationPWM）控制技术。图5-18变压变频器输出的相电压PWM波形消除指定谐波

PWM要消除第k次谐波分量，只须令基波幅值为所要求的电压值电流跟踪

PWM（CFPWM）控制技术电流跟踪PWM（CFPWM，CurrentFollowPWM）的控制方法是：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。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SPWM

获得更好的性能。电流跟踪

PWM（CFPWM）控制技术图5-19电流滞环跟踪控制的A相原理图电流控制器是带滞环的比较器，环宽为2h。将给定电流与输出电流进行比较，电流偏差超过±h时，经滞环控制器HBC

控制逆变器上（或下）桥臂的功率器件动作。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图5-20电流滞环跟踪控制时的三相电流波形与相电压PWM波形电流跟踪

PWM（CFPWM）控制技术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。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；如果环宽小，电流跟踪性能好，但开关频率却增大了。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。电压空间矢量

PWM控制技术把逆变器和交流电动机视为一体，以圆形旋转磁场为目标来控制逆变器的工作，这种控制方法称作“磁链跟踪控制”。磁链轨迹的控制是通过交替使用不同的电压空间矢量实现的，所以又称“电压空间矢量PWM（SVPWM，SpaceVectorPWM）控制”SVPWM

的实现通常以开关损耗和谐波分量都较小为原则，来安排基本矢量和零矢量的作用顺序，一般在减少开关次数的同时，尽量使PWM

输出波型对称，以减少谐波分量。用电压空间矢量直接生成三相PWM

波，计算简便。与一般的SPWM相比较，SVPWM

控制方式的输出电压最多可提高15%。变频器-异步电动机系统的特殊问题通常PWM

变频器的输出电压为等幅不等宽的脉冲序列，该脉冲序列可分解为基波和一系列谐波分量。基波产生恒定的电磁转矩，而谐波分量则带来一些负面效应。变频器-异步电动机系统的特殊问题一般使PWM

波正负半波镜对称和¼

周期对称，则三相对称的电压PWM

波可用傅氏级数表示：转矩脉动

变频器-异步电动机系统的特殊问题当谐波次数k是3的整数倍时，谐波电压为零序分量，不产生该次谐波电流。因此，三相电流可表示为：转矩脉动

变频器-异步电动机系统的特殊问题三相感应电动势近似为正弦波：转矩脉动

图5-35单相等效电路变频器-异步电动机系统的特殊问题基波感应电动势与k次谐波电流传输的瞬时功率：转矩脉动

变频器-异步电动机系统的特殊问题k次谐波电流产生的电磁转矩：转矩脉动

变频器-异步电动机系统的特殊问题k次谐波电流产生的电磁转矩：转矩脉动

变频器-异步电动机系统的特殊问题5次和7次谐波电流产生6次的脉动转矩，11次和13次谐波电流产生12次的脉动转矩。在PWM

控制时，应抑制这些谐波分量。当k继续增大时，谐波电流较小，脉动转矩不大，可忽略不计。转矩脉动

变频器-异步电动机系统的特殊问题电压变化率

当电动机由三相平衡电压供电时，线电压的变化率：采用PWM方式供电时，线电压的跳变在瞬间完成，幅值为：因此，很大在电动机绕组的匝间和轴间产生较大的漏电流，不利于电动机的正常运行。采用多重化技术，可有效降低电压变化率，但变频器主回路和控制将复杂得多。变频器-异步电动机系统的特殊问题能量回馈与泵升电压采用不可控整流的交-直-交变频器，能量不能从直流侧回馈至电网，交流电动机工作在发电制动状态时，能量从电动机侧回馈至直流侧，导致直流电压上升，称为泵升电压。电动机储存的动能较大、制动时间较短或电动机长时间工作在发电制动状态时，泵升电压很高，严重时将损坏变频器。变频器-异步电动机系统的特殊问题泵升电压的限制在直流侧并入一个制动电阻，当泵升电压达到一定值时，开通与制动电阻相串联的功率器件，通过制动电阻释放电能，以降低泵升电压。在直流侧并入一组晶闸管有源逆变器或采用PWM可控整流，当泵升电压升高时，将能量回馈至电网，以限制泵升电压。变频器-异步电动机系统的特殊问题图5-36带制动电阻的交-直-交变频器主回路泵升电压的限制变频器-异步电动机系统的特殊问题泵升电压的限制图5-37直流侧并晶闸管有源逆变器的交-直-交变频器主回路变频器-异步电动机系统的特殊问题泵升电压的限制图5-38PWM可控整流的交-直-交变频器主回路变频器-异步电动机系统的特殊问题对电网的污染

由于直流侧存在较大的滤波电容，只有当输入交流线电压幅值大于电容电压时，才有充电电流流通，交流电压低于电容电压时，电流便终止。电流波形具有较大的谐波分量，使电源受到污染。图5-39电网侧输入电流波形第五章交流电动机调速系统§5-1交流电动机调速系统概述本章小结§5-2异步电动机的变压调速

§5-3异步电动机的变频变压调速

§5-4电力电子变压变频器§5-5转速开环变频变压调速系统

§5-6转速闭环转差控制的调速系统

转速开环简介对于风机、水泵等调速性能要求不高的负载，可以根据电动机的稳态模型，采用转速开环电压频率协调控制的方案。通用变频器控制系统可以和通用的笼型异步电动机配套使用。具有多种可供选择的功能，适用于各种不同性质的负载。转速开环

VVVF

调速系统结构由于系统本身没有自动限制起、制动电流的作用，频率设定必须通过给定积分算法产生平缓的升速或降速信号。转速开环

VVVF

调速系统结构电压—频率特性当实际频率大于或等于额定频率时，只能保持额定电压不变。而当实际频率小于额定频率时，一般是带低频补偿的恒压频比控制。转速开环

VVVF

调速系统结构系统结构图5-40转速开环变压变频调速系统转速开环

VVVF

调速系统的实现图5-41数字控制通用变频器-异步电动机调速系统硬件原理图系统硬件包括：主电路、驱动电路、微机控制电路、信号采集与故障综合电路。第五章交流电动机调速系统§5-1交流电动机调速系统概述本章小结§5-2异步电动机的变压调速

§5-3异步电动机的变频变压调速

§5-4电力电子变压变频器§5-5转速开环变频变压调速系统

§5-6转速闭环转差控制的调速系统

转差闭环概述转速开环变频调速系统可以满足一般的平滑调速的要求，但静、动态性能不够理想。采用转速闭环控制可提高静、动态性能，实现稳态无静差。需增加转速传感器、相应的检测电路和测速软件等。转速闭环转差频率控制的变压变频调速是基于异步电动机稳态模型的转速闭环控制系统。转差频率控制的基本概念及特点

异步电动机恒气隙磁通的电磁转矩公式

将

转差频率控制的基本概念及特点代入电磁转矩公式

，得电机结构常数

转差频率控制的基本概念及特点定义转差角频率

电磁转矩转差率s较小，转矩可近似表示

转差频率控制的基本思想保持气隙磁通不变，在

s值较小的稳态运行范围内，异步电动机的转矩就近似与转差角频率成正比。在保持气隙磁通不变的前提下，可以通过控制转差角频率来控制转矩，这就是转差频率控制的基本思想转差频率控制的基本思想临界转差

最大转矩（临界转矩）要保证系统稳定运行，必须使转差频率控制的基本规律在转差频率控制系统中，系统允许的最大转差频率小于临界转差频率：用转差频率来控制转矩，是转差频率控制的基本规律之一。图5-42恒气隙磁通控制的机械特性转差频率控制的基本思想如何保持气隙磁通恒定，是转差频率控制系统要解决的第二个问题。要保持气隙磁通恒定，异步电动机定子电压必须采用定子电压补偿控制，以抵消定子电阻和漏抗的压降。转差频率控制的基本思想定子电压补偿应该是幅值和相位的补偿，但控制系统复杂。忽略电流相量相位变化的影响，仅采用幅值补偿，则电压–频率特性为其中

转差频率控制的基本思想高频时，定子漏抗压降占主导地位，可忽略定子电阻，简化为电压—频率特性近似呈线性；低频时，定子电阻的影响不可忽略，曲线呈现非线性性质。转差频率控制的基本思想图5-43定子电压补偿控制的电压–频率特性高频时，近似呈线性；低频时，呈非线性。转差频率控制的规律转矩基本上与转差频率成正比，条件是气隙磁通不变，且在不同的定子电流值时，按定子电压补偿控制的电压–频率特性关系控制定子电压和频率，就能保持气隙磁通恒定。转差频率控制系统结构及性能分析图5-44转差频率控制的转速闭环变压变频调速系统结构原理图转差频率控制系统结构及性能分析系统结构两个转速反馈：转速外环为负反馈，ASR

为转速调节器，一般选用PI

调节器，转速调节器ASR

的输出转差频率给定相当于电磁转矩给定。内环为正反馈，将转速调节器ASR

的输出信号（转差频率给定）与实际转速相加，得到定子频率给定信号转差频率控制系统结构及性能分析系统结构控制PWM

变频器。由于正反馈是不稳定结构，必需设置转速负反馈外环，才能使系统稳定运行。由给定频率和定子电流求得定子电压给定转差频率控制系统结构及性能分析起动过程在

t=0时，突加给定，转速调节器ASR

很快进入饱和，输出为限幅值，转速和电流尚未建立，给定定