电机控制 课件 第二章 鼠笼异步电动机的控制1

第二章鼠笼异步电动机的控制12.2异步电动机的稳态数学模型2.3异步电动机的调压调速2.4异步电动机变频调速理论2.5静止变频器及脉宽调制技术2.6异步电动机变频调速系统2.7异步电动机的动态数学模型2.8异步电动机的矢量控制2.9异步电动机的直接转矩控制2.1异步电动机的调速方法鼠笼异步电动机的控制2©浙江大学电气工程学院2.1异步电动机的调速方法32.1.1按转速公式分类

一类：保持旋转磁场同步速ns不变，改变转差率s包含：调压调速转子串电阻调速滑差离合器调速和串级调速；另一类：保持转差率不变，改变旋转磁场的同步速度ns包含：变频调速变极调速转速公式：42.1.2按转差功率变化情况分类功率分配定子输入功率进入气隙电磁功率轴上输出机械功率转子回路转差功率转差功率消耗型调速方式转差功率不变型调速方式转差功率回馈型调速方式按转差功率变化情况分类：52.1.2按转差功率变化情况分类转差功率消耗型调速方式内容：将全部的转差功率都消耗在转子电路中，以消耗更多的转差功率来换取转速的下降优点：结构简单，成本低缺点：效率较低转差功率不变型调速方式内容：转差功率在调速过程中基本保持不变优点：效率高在定子电路中配备与电动机容量相当的变频器，增加了设备的成本转差功率回馈型调速方式内容：一部分的转差功率被消耗掉，大部分功率通过电力电子电路回馈给电网或者转化为机械能加以利用优点：转速越低，回馈的功率越多，效率较高缺点：须在电路中增加一些设备，且仅局限于绕线型异步电动机系统62.1.3常见调速方法的基本原理及特点低效调速不改变旋转磁场转速，通过改变转差率来实现调速异步电动机的调压调速转子串电阻调速转差离合器调速高效调速通过改变旋转磁场转速来实现调速变极调速变频调速串级调速（特殊）72.1.3常见调速方法的基本原理及特点串级调速从本质上：从能量流动角度：似属于低效调速而属于高效调速调节转差率的调速方法转子回路中串入转子同频附加电动势回收利用了多余转差功率，减小了系统的实际损耗82.1.3常见调速方法的基本原理及特点1.变极调速通过改变定子绕组的联结方式来改变笼型电动机定子的极对数，进而改变旋转磁场的同步速度以达到调速的目的优点：具有较硬的机械特性，稳定性良好；无转差损耗，效率高缺点：只有鼠笼式异步电机才能采用变极调速，属于有级调速，无法实现平滑调速92.1.3常见调速方法的基本原理及特点2.滑差离合器调速内容：通过调节滑差离合器的励磁电流，改变其内部的磁场强度实现调速优点：电磁滑差离合器结构简单，价格低廉，控制方便，运行可靠缺点：低速运行时损耗大，效率低10©浙江大学电气工程学院2.2异步电动机的稳态数学模型112.2.1异步电动机的稳态等效电路忽略空间和时间谐波忽略铁磁非线性饱和忽略铁损异步电机的稳态等值电路122.2.1异步电动机的稳态等效电路忽略励磁电流支路转子相电流幅值为异步电机的简化等效电路132.2.2异步电动机的机械特性异步电动机的电磁转矩为 临界转差率临界转矩142.2.2异步电动机的机械特性当转差率较小当转差率较大转矩与转差率近似成正比，如线段a所示转矩近似与转差率成反比，如曲线b所示152.2.3基于稳态数学模型的调速方法常用调速方式（根据公式）：改变电动机参数、电源电压（调压调速）和电源频率（变频调速）异步电机的调速方法人为改变异步电机的自然机械特性，从而使得电动机的稳态工作点偏移原有的机械特性，工作在人为机械特性上，达到调速的目的。16©浙江大学电气工程学院2.3异步电动机的调压调速172.3异步电机的调压调速异步电动机调压调速18内容：保持异步电机供电电源频率不变，只变定子电压特点：

（1）如定子电压升高，电机绝缘水平也相应提高，增加电机本体成本

（2）电压升高受磁路饱和限制只能降压/弱磁调速2.3.1异步电机调压调速的主电路晶闸管交流调压器来实现调压调速触发方式：相控和整周波通断控制192.3.1异步电机调压调速的主电路202.3.2异步电动机调压调速的机械特性异步电动机调压调速的机械特性异步电动机调压调速的机械特性表达式为缺点：（1）带恒转矩负载时调速范围十分有限（2）功率因数低、电流大等。212.3.2异步电动机调压调速的机械特性高转子电阻异步电动机通过增大转子电阻来增大调速范围优点：

相比常规电机具有较宽的调速范围缺点：

机械特性较软，转速受负载影响比较明显222.3.3闭环控制的调压调速系统提高降压调速时机械特性的硬度增大笼型电机的调速范围速度负反馈调压调速系统及其闭环机械特性速度闭环控制系统优势：232.3.4降压控制的应用方法：定子Y/△改接起动、串电抗器起动、自耦变压器降压起动特点：都是一次降压，起动中经历二次电流冲击异步电动机不同起动方法的电流冲击a—直接起动

b—一级降压起动

c—恒流软起动器起动（1）恒流软起动器常规降压起动改进降压起动方法：电子控制软起动器

主电路采用晶闸管交流调压器特点：限制起动电流起动时间更短242.3.4降压控制的应用（2）准恒速轻载调压节能异步电机定子绕组Y接法和△接法时运行特性比较方法：轻载时能在确保拖动负载和转速基本不变的条件下适当降低电压，此时电机内磁场强度减弱，使得铁损及磁化电流随之降低特点：效率、功率因数明显提高25©浙江大学电气工程学院2.4异步电动机变频调速理论26

为突出主要特性，计及负面效应，研究方法拟讨论：基波（变频）决定的运行特性说明：谐波产生的对运行的负面影响∴以变频的正弦基波讨论调速特性

变频调速时，控制供电频率以改变旋转磁场同步速。变频时，其他量（如供电电压）要不要变？按什么规律变？

­——变频调速控制问题。2.4.1变频调速的基本控制原理272.4.1变频调速的基本控制原理

根据电机原理，电机运行（恒速或变频）时均希望其运行性能（力能指标、）保持在设计点上关键是保证电机磁路工作点不变或按要求变。

磁路工作点以每极磁通或磁密描述控制基点28

电机确定后，结构参数确定（不变），则有说明：

变频运行时，必须同时调节，才能确保符合要求

控制要求是：基频以下恒磁通，基频以上弱磁2.4.1变频调速的基本原理

反映在电机内、外部电量关系上，有291、基频以下（）设额定运行点为、为保持良好运行性能，要求维持磁路工作点——恒磁通。否则

磁路过饱和

磁路欠饱和→出力不够维持要求随线性变化，但为电机内部量，只能通过端电压间接控制2.4.1变频调速的基本原理30规律：

①较高时：大（忽略）则（恒压频比控制)→图中直线②很低时（）：小→不能忽略，且定子电阻压降比重大不成立→只有适当抬高以克服，使成立——低频补偿（低频电压提升）→图中曲线b2.4.1变频调速的基本原理312、基频以上（）

后不能再作控制，否则对电力电子器件及电机绝缘耐压造成危害→只能维持不变

高频下，，则有即（弱磁）

电磁转矩即2.4.1变频调速的基本原理32电磁功率

结论：弱磁控制，实现恒功率运行

关系成为变频调速系统电压/频率协调控制的依据（纽带）2.4.1变频调速的基本原理332.4.2异步电机的工作特性变频调速的机械特性(原式)当转差率s较小时，可以忽略上式分母上含s各项，经化简可得342.4.2异步电机的工作特性35变频调速的机械特性当异步电机带一定负载时，转速降落Δn为当转矩保持不变时，采用恒压频比控制时，Δn基本不变，即改变频率时其机械特性是平行下移的。2.4.2异步电机的工作特性变频调速的机械特性最大转矩(原式)缺点：当频率较低时最大转矩值过小，将限制电动机的带载能力。改进：如果在低频时适当提高电压U1以补偿定子漏阻抗压降，则可在局部低频范围内提高最大转矩，增强电机的带载能力。36固定频率下，T-S曲线变频时T-S曲线将为一族不同的曲线，其形状与不同电压/频率比控制方式有关，需分开讨论2.4.2异步电机的工作特性37几种磁通及其对应电势：气隙磁通

气隙电势定子全磁通

定子电势转子全磁通

转子电势2.4.2异步电机的工作特性38转子电流

固定某，求出一条特性；变化，可求得一族机械特性

控制下电磁转矩

1、恒气隙磁通（）控制基频以下的电压补偿39（2）机械特性特点①恒最大转矩运行——最大转矩不变，与无关。证明：对式（2-36）中T求极值（），求得

②仍为恒转矩特性（不同下相同），但线性段范围更宽。基频以下的电压补偿40③低频时起动转矩比额定频率起动转矩大。原因：

起动转矩

转子内功率因数角

起动时s=1，转子频率，完全决定于定子（电源）频率基频以下的电压补偿41

低频起动时，小→小→转子电流有功分量（）大→产生起动转矩大；额定频率起动时，大→大→转子电流有功分量（）小→产生起动转矩小。要实现恒最大转矩运行，必须确保气隙磁通（恒定），即（恒定）。而外部控制量为，必须全频范围内恰如其分地补偿定子电阻压降。须探讨电压补偿规律。基频以下的电压补偿42（3）电压补偿规律

补偿目标：全频范围使最大转矩保持为额定点（）的设运行点（）：定义相对频率

最大转矩

解得

基频以下的电压补偿43令

有

表示电机参数一定（Q一定）时，维持及恒定时定子电压随运行频率变化应遵循的规律。基频以下的电压补偿442、恒转子磁通（）控制

低频时如将电压作进一步补偿，除补偿掉定子漏阻抗压降外，再补偿掉转子漏阻抗压降，最后保持转子电势随线性变化，实现控制基频以下的电压补偿45机械特性转子电流电磁转矩

确定频率下，机械特性为一直线；不同频率下，为一族平行线——并激直流电机特性基频以下的电压补偿46转子全磁通产生转子电势，

控制能实现控制控制即异步电机转子磁场定向控制（矢量控制）以上三种电压/频率控制均保持相应三种磁通恒定为原则，适合恒转矩运行。基频以下的电压补偿47基频以上的恒功率运行实际中还有恒功率运行要求车辆驱动：低速大转矩，高速小转矩

变频调速基频以上弱磁控制，近似恒功率运行

在基频以上变频调速时，由于定子电压不能超过额定电压值U1N，调速只能通过减小气隙磁通来实现。

由于定子电压一直为额定电压值，异步电机的机械特性方程可以改写为48基频以上的恒功率运行当转差率s较小时，忽略上式分母中含s各项，则由此可得带一定负载时的转速降落Δn为当频率ω1升高而电压保持不变时，同步转速随之升高，临界转矩减小，对于同一转矩，频率ω1越大，转速降落Δn越大，机械特性越软。49©浙江大学电气工程学院2.5静止变频器及脉宽调制技术50

静止变频器变频☆变频调速系统由变频器+控制系统+电机构成,，本节对变频器作回顾和扩充☆变频方式分类（1）间接变频：工频交流直流变频交流，称交—直—交（间接）变频，用于中、小容量调速传动。

（2）直接变频：工频交流

变频交流，称交—交（直接）变频，用于大容量、低速传动。逆变整流511．结构型式：按电压与频率协调控制的实现方式区分（1）可控整流器调压+逆变器变频

◆协调控制的实现

■变相控调压■改变逆变器换流快慢（脉冲频率）实现变频一、交—直—交变频器52一、交—直—交变频器◆优点：调压、变频在两个环节中完成，协调控制简单、方便

缺点：

■低频时电压低低压时角大（）

系统输入功率因数低

■逆变器开关频率低，输出为六阶梯波，低次谐波含量大（输出特性差）53一、交—直—交变频器（2）不控整流器整流+斩波器调压+逆变器变频◆协调控制的实现■不控整流（），提高输入■不控整流输出恒定，采用斩波器脉宽调制调压■逆变器输出六阶梯波，仍有输出特性差（低频谐波）问题54一、交—直—交变频器◆逆变器输出特性改善——脉宽调制

■提高逆变器开关频率，使最低次谐波频率提高，负面影响削弱■采用正弦脉宽调制（SinePulsewidthModulation——PWM）控制，使输出电压以正弦基波为主（3）不控整流器整流+PWM逆变器调压/变频55一、交—直—交变频器◆PWM逆变器同时实现调压与变频双重功能◆采用自关断器件作高频开关■电压控制型☆交—直—交变换中存在直流环节，采用不同滤波元件以平滑直流电压/电流，因此形成了不同的逆变器电源内阻特性。

■电流控制型562．逆变器的电源特性（1）电压源型逆变器◆特性

■大电容滤波，逆变器电源内阻为，动态时，，呈现低内阻特性■输出电压不随负载电流变，稳定，呈电压源性质电压源型变频器57电流源型变频器（2）电流源型逆变器◆特性

■大电感滤波，逆变器电源内阻为，

动态时，，呈现高内阻特性

■输出电流稳定，输出电压随负载电流变，呈电流源特性58逆变器的电源特性（3）比较①功率开关导通方式——与逆变器类型有关

（A）电压源型：180o导通型（每管导通半周期）

（a）换流在同相上、下桥臂元件间进行，要求触发信号互补59逆变器的电源特性（b）任何时刻均有三管导通，使三相电压确定——电压源型特点■如时刻，VT1、VT2、VT3通，形成三相绕组电压状态为60逆变器的电源特性（B）电流源型：1200导通型（每管导通1/3周期）

（a）换流在同组（共阳或共阴组）的三相元件间进行61逆变器的电源特性（b）任何时候只有两管导通，使三相电流确定——电流源特点■如时刻，VT1、VT2通，形成三相电流状态为62逆变器的电源特性②四象限运行能力☆具有四象限运行能力的关键是：能量/功率可通过变频器在电网与负载（电机）间双向流动，这与逆变器类型有关。

（A）电压源型逆变器（a）大电容滤波，直流母线电压极性不能改变63逆变器的电源特性（b）两桥开关元件单向导电性决定了直流电流流向不能变（c）功率只能从电网流向电机，电机只能作电动运行，故无四象限运行能力（d）如要功率倒流，在保证直流电压极性不变条件下，必须改造系统结构64逆变器的电源特性（B）电流源型逆变器（a）大电感滤波，直流母线电压极性允许改变（b）两桥开关元件单向导电性决定直流电流流向不能变65逆变器的电源特性（c）功率流向改变全靠改变直流母线电压极性，这是通过调节两桥变流器触发角大小来实现66逆变器的电源特性③过流保护能力（A）电流源型：直流滤波电感表现出高阻抗特性，可阻止电流的上升，争取了保护实施所需时间，有利过流保护。（B）电压源型：直流滤波电容表现为低阻特性，对电流无限制，不利过电流保护。67逆变器的电源特性④应用场合（A）电压源型

■电源内阻小，拖动多台电机工作时小值电源内阻不会影响端电压，适合多机群控■因无制动功能，不能快速加、减速（B）电流源型

■电源内阻大，多机运行将通过大内阻压降相互影响，只适合单机运行

■有四象限运行能力，适合于有动态快速性要求的场合68逆变器的电源特性电压源型与电流源型逆变器性能比较692.5.2脉宽调制（PWM）技术☆问题的提出——优化交-直-交变频器的输入，输出特性，解决：（1）输出谐波问题■SCR逆变器开关频率低（SCR每周期换流一次），输出电压为六阶梯波，电流非正弦，富含低次谐波70脉宽调制型逆变器■为使输出电压基波含量大、低次谐波含量少且谐波高频化，必须使逆变器开关器件按一定规律作高频开关——逆变器高频化●一定规律——脉宽调制（PWM）方式●高频开关——自关断器件电流控制型：GTO（kHz），GTR（2~4kHz）电压控制型：IGBT（20kHz），P—MOSFET（100kHz）71脉宽调制型逆变器（2）输入功率因数问题■交—直—交变频常采用可控整流——无源逆变变流方式低速时低频并配合低压，以维持电机磁路工作点不变低压时可控整流器触发角系统输入72脉宽调制型逆变器■为提高调速系统输入功率因数，采用不控整流器，相当可控整流器状态。此时逆变器必须同时承担调压、变频双重任务，为此采用脉宽调制（PWM）控制来实现73脉宽调制型逆变器☆PWM逆变器的概念（1）结构■直流环节采用大电容滤波，故为电压型逆变器■与主开关元件反并联的续流二极管为异步电机无功电流提供通路74■续流二极管工作机理●——应接至+的上组桥臂元件通——应接至－的下组桥臂元件通●——使电流流出A点的元件通

——使电流流入A点的元件通●——向电机提供能量（有功能量）

——从电机反馈能量（无功能量）φ脉宽调制型逆变器脉宽调制（PWM）技术（2）输出电压波形■逆变器输入电压恒定，为使电机端电压基波成分量大，则逆变器输出电压波形为一组幅值恒定、宽度按正弦规律变化的高频矩形脉冲——SPWM波■频率分析结果主要成分为基波，谐波含量少，且为开关频率的高次谐波76脉宽调制（PWM）技术☆PWM调制方法（波形生成）

PWM逆变器控制的核心，有三种重要调制方法①用开关方式生成一组三相正弦变频电压给电机，而不关心电机内电流——正弦脉宽调制②用开关方式提供一组三相正弦变频电流给电机，不关心电机内的磁场分布——电流滞环控制③确保电机内部形成圆形旋转磁场来综合控制三相电压——磁链追踪控制77正弦脉宽调制（SPWM）技术1正弦脉宽调制原理■等效的原则：每一区间面积相等78正弦脉宽调制（SPWM）技术791正弦脉宽调制原理■方波电压的傅立叶级数分析正弦脉宽调制（SPWM）技术801正弦脉宽调制原理■方波电压的傅立叶级数分析正弦脉宽调制（SPWM）技术811正弦脉宽调制原理■方波电压的基频分量正弦脉宽调制（SPWM）技术2．正弦脉宽调制（SPWM）◆目标：以开关方式生成三相对称、正弦变化的变频电压◆方法：●自然采样法●指定谐波消去法（1）自然采样法：采用正弦“调制波”与等腰三角形“载波”相交，交点决定逆变器开关通、断时刻产生出脉宽调制波单极性控制双极性控制分方式82调压变频的实现——以自然采样法为例说明■自然采样法：输出频率的正弦“调制波”与高频的等腰三角形“载波”相交，交点确定出各功率器的开关时刻●当某相调制波电压高于载波电压时，该相上桥臂元件导通，输出●当某相调制波电压低于载波电压时，该相下桥臂元件通，输出（单极性）83正弦脉宽调制（SPWM）技术以双极性控制说明自然采样法的原理特点（A）正弦调制波，三角载波均为正、负交变的双极性84正弦脉宽调制（SPWM）技术（B）输出的各半周期内，逆变器同相桥臂上、下元件均工作，作互补通、断●当时，上臂元件通、下臂元件断，输出；●当时，下臂元件通、上通元件断，输出；（C）任半周期内，输出电压均有正、负极性——双极性。直流电压利用率高，但有上、下桥臂元件直通危险，应设死区保护。85正弦脉宽调制（SPWM）技术☆变频时，SPWM输出频率变，要求调制波频率变。载波频率应如何控制？③调制波与载波的配合控制（A）异步调制——调制波频率变化，载波频率恒定不变特点：（a）控制方便（b）输出电压不稳定86正弦脉宽调制（SPWM）技术■载波比（）以保证波形■异步调制时●低频运行时大，半周期脉冲数多，谐波少；

●高频运行时小，半周期脉冲数少，谐波多；

●变频运行中变，不能确保，半周期脉冲数变化，甚至正、负半周中的脉冲数也不相同，分解出的基波相位也变，将造成电机运行不稳定。87正弦脉宽调制（SPWM）技术（B）同步调制—（载波频率与调制波频率正比变化）特点：（a）任何频率下，半周内脉冲数相同，输出电压波形稳定[例]N=388

（b）低频时应增大

N，以增加脉冲数，减小谐波正弦脉宽调制（SPWM）技术（C）分段同步调制（混合调制）特点：（a）将运行频率范围分段，每段N不变，段内N不变

（同步调制）（b）低频段N大，以增加脉冲数，减少谐波89正弦脉宽调制（SPWM）技术说明：■为使三相对称，N为3的倍数■分段及选N时，确保开关频率限定在10~20kHz，以充分及安全利用IGBT■低频异步调制，充分利用器件开关频率；后，（方波），充分利用直流母线电压90正弦脉宽调制（SPWM）技术桥臂元件开关死区对PWM变频器输出的影响实际中，若逆变器同桥臂上、下功率器件驱动信号互补，易发生直通短路，造成逆变器故障在上下桥臂驱动信号间设置死区时间td，使上、下桥臂均关断。对IGBT来说，一般选定td=(2~5)us死区会造成电压谐波，造成输出电压损失，调速性能恶化。以A相桥臂元件V1

、V4进行说明91正弦脉宽调制（SPWM）技术92死区对输出电压波形的影响：无开关死区的理想A相电压波形死区时间为td

的V1

、V4驱动信号平均偏差电压实际与理想输出电压之差脉冲电压uer

实际A相输出电压波形异步电机感性电流iA

正弦脉宽调制（SPWM）技术93死区对变频器输出的影响规律：计及死区效应的实际输出电压基波幅值比不计及死区效应的理想情况减小。且电动机运行功率因数越好，影响越大。随着变频器输出频率的降低，死区影响增大，故低频、低速运行时，死区效应会越严重。理想输出SPWM波形中只存在与载波比有关的高次谐波，不存在低次谐波。但计及死区效应后，变频器输出波形发生畸变，存在非3的倍数低次谐波，引起电磁转矩脉动，甚至发生机组震荡。应对措施：死区补偿正弦脉宽调制（SPWM）技术

SPWM总结：■主电路采用一组可控功率环节，简化了结构■采用不控整流，功率因数接近于1■逆变器同时实现调频和调压■可获得接近正弦波的输出电压波形，提高了系统性能94正弦脉宽调制（SPWM）技术■调压变频●改变正弦调制波的频率，调节PWM波脉宽变化周期，即调节频率；●改变正弦调制波的幅值，改变相同位置处脉冲宽度，从而改变PWM波形中基波幅值，即调节输出电压大小；●将变频、调压统一在调制波频率、幅值的调节上，使一个逆变器同时完成二种功能——PWM逆变器。95正弦脉宽调制（SPWM）技术2.5.4指定谐波消去法◆目标：在开关次数少（减少开关损耗）原则下，通过开关角（开关时刻）优化，消除对调速系统影响最大的某几次谐波，获得所需正弦电压输出（非谐波高频化的简单处理）◆方法：[例]1/4周期仅有三个开关角、、的单级性SPWM，要求消除最大的5、7次低次谐波96指定谐波消去法■图示PWM作傅立叶级数分析，时间坐标原点取在1/4周期处，有其中将图中PWM波形分段描述，代入，则有97指定谐波消去法为无3及倍数次的奇次谐波■因：PWM波形轴对称，无偶次谐波三相无中线系统，无3次谐波98指定谐波消去法■按要求联立解，可求出消除5、7次影响最大谐波的SPWM的开关角■若要消除更多低次谐波，应列更多方程联立求解出更多开关解。一般最多5个，以消除5、7、11、13次谐波。992.5.5电流跟踪型脉宽调制（CFPWM、HCC）电流跟踪控制（电流型PWM）◆目标：避开电压波形正弦化，直接追求向电机三相绕组馈入频率可变的正弦电流◆方法：给定电流正弦变化规律，迫使逆变器产生的实际电流在给定误差范围（滞环内）变化；电流的强制变化必然是逆变器开关某种规律运作的结果，由此产生出电流跟踪控制PWM波100电流跟踪型脉宽调制（CFPWM）■波形——给定正弦电流指令（参考值）——给定正弦电流允许误差（单边滞环带宽）——逆变器输出实际电流——电流跟踪控制PWM电压(双极性)101电流跟踪型脉宽调制（CFPWM）102■控制●当（实际电流过大），控制逆变器下桥臂元件导通，输出，衰减●当（实际电流不够大），控制逆变器上桥臂元导通，输出，增长●这样，将限定在范围（电流滞环）内，输出双极性PWM电压电流跟踪型脉宽调制（CFPWM）◆特点■输出电流正弦，主要为基波及高频开关谐波，无低次谐，波形与负载大小无关，故称电流源型PWM逆变器■输出电压为双极性PWM波，非正弦脉宽调制（SPWM）■器件开关频率非恒定1032.5.6磁链跟踪型PWM（SVPWM）◆目标：将逆变器与电机作为一个整体，以圆形旋转磁场为目标来控制逆变器工作，由于磁链的轨迹是靠电压空间矢量作用获得，又称电压空间矢量调制。104磁链跟踪型PWM（SVPWM）电压空间矢量的定义105A、B、C分别三相绕组的轴线，它们在空间互差120°，三相定子电压分别加在三相绕组上k为待定系数三相合成矢量磁链跟踪型PWM（SVPWM）106空间矢量功率三相瞬时功率

根据空间矢量功率与三相瞬时功率相等的原则，可以求出电流矢量的共轭矢量特点：幅值为相电压的倍，以角速度恒定旋转磁链跟踪型PWM（SVPWM）107当定子三相电压为三相平衡正弦电压时，三相合成矢量为为相电压幅值磁链跟踪型PWM（SVPWM）

电压与磁链矢量的关系定子电压方程忽略定子电阻压降或定子磁链旋转矢量只有实行恒压频比控制才能获得保持旋转磁场的幅值不变108磁链跟踪型PWM（SVPWM）109PWM逆变器基本输出电压矢量

在电压源型逆变器供电条件下，功率开关元件一般采用1800导通型，这样在任一时刻都会有不同桥臂的三个元件同时导通上桥臂导通：取1下桥臂导通：取0三相开关函数组合

磁链跟踪型PWM（SVPWM）110■开关器件1800导通型，输出六阶梯波磁链跟踪型PWM（SVPWM）111①六阶梯波时，电压及磁链空间矢量

（A）电压空间矢量——三相电压的综合描述■逆变器三相输出电压是六个功率器件不同开关状组合的结果，故电压矢量空间矢量与三相开关函数组合有关；不同电压空间矢量可采用三相开关函数组合来区分即■共有八种三相开关状态组合及相应电压六种有效电压空间矢量二种零电压空间矢量磁链跟踪型PWM（SVPWM）112PWM逆变器基本输出电压矢量以（SA,SB,SC）=（1,0,0）为例(uA,uB,uC)=(Ud/2,-Ud/2,-Ud/2)u1-u6：有效空间矢量u0、u7：零矢量磁链跟踪型PWM（SVPWM）基本空间电压矢量113磁链跟踪型PWM（SVPWM）114■电压空间矢量类型●六个有效矢量、、、、、：幅值相等相位互差●二个无效矢量、：幅值、相位为零——零矢量，用于控制旋转磁场转速——走走停停磁链跟踪型PWM（SVPWM）115（B）磁链空间矢量

（a）磁链是电压的积分：离散化：说明磁链增矢量是电压空间矢量与其作用时间的乘积

●电压矢量方向决定了磁链增矢量方向●作用时间决定了磁链增矢量的大小磁链跟踪型PWM（SVPWM）116（b）六阶梯波逆变器，每种开关状态持续1/6周期，因而每种电压空间矢量作用时间，由此可导出磁链轨迹。■假设：●初始磁矢量位于轴●从VT1、VT6、VT2开关状态开始，

建立■在作用下，建立磁链增矢量则新磁链矢量磁链跟踪型PWM（SVPWM）117■在作用下，建立磁链增矢量则新磁链矢量磁链跟踪型PWM（SVPWM）118■按

顺序作用，作用时间均为，可得六个磁链增矢量及磁链矢量磁链跟踪型PWM（SVPWM）正六边形空间旋转磁场在一个周期内，六个有效工作矢量按顺序作用

时间119磁链增量可表示为定子磁链矢量的运动轨迹为磁链跟踪型PWM（SVPWM）正六边形空间旋转磁场120气隙磁场是步进磁场而非圆形旋转磁转，包含有很多的磁场谐波，这将导致转矩与转速的波动，恶化了电机运行性能。若要保证磁链幅值的恒定，变频的同时需要调压，带来控制的复杂性，可以考虑引入零矢量根据正六边形的性质可得磁链跟踪型PWM（SVPWM）

121电源角频率ω1越低，Δt越长，保持Δt1为恒定值，零矢量的作用时间Δt0变长。零矢量可以使得定子磁链矢量停留在原地，可有效解决定子磁链矢量幅值与旋转速度的矛盾。零矢量的引入Δt1为有效矢量作用的时间磁链跟踪型PWM（SVPWM）期望电压空间矢量的合成122

如果想要获得一个近似圆形的旋转磁场，可以采用细分矢量作用时间和组合新矢量的方法，形成尽可能逼近圆形的多边磁链轨迹。

正六边形旋转磁场：带有较大的谐波分量，进而导致转矩与转速的脉动。磁链跟踪型PWM（SVPWM）期望电压空间矢量的合成123以第一扇区为例，说明期望电压空间矢量合成的基本原理此时应选用基本电压矢量u1和u2来合成us。在一个开关周期T0内，设u1的作用时间为t1，u2的作用时间为t2

磁链跟踪型PWM（SVPWM）期望电压空间矢量的合成正弦定理124剩余时间由零矢量补齐磁链跟踪型PWM（SVPWM）期望电压空间矢量的过调制分析125线性调制区：电压空间矢量幅值位于电压六边形内切圆内过调制区：电压空间矢量幅值超过电压六边形内切圆磁链跟踪型PWM（SVPWM）期望电压矢量调制度线性调制区边界对应的调制度Mlin为：0<M<0.9069：期望电压矢量位于线性调制区，使用常规SVPWM；0.9069<M<1.0472：期望电压矢量位于过调制区，采用过调制方法，使其回到可调制范围内（六边形范围）。126磁链跟踪型PWM（SVPWM）（1）单模式过调制算法基本原理：保证实际输出电压矢量的幅值和期望电压矢量的幅值相等。实际输出电压矢量幅值为：r：期望电压矢量的幅值Θr：期望电压矢量的相角因实际电压矢量被钳制在限幅六边形内，需对实际输出电压矢量的相角α进行校正。以0~π/3扇区为例：127磁链跟踪型PWM（SVPWM）αg为保持角优点：计算处理方便、算法简单问题：输出电压矢量的相位较期望电压矢量有较大变化，输出电压谐波含量明显增加。128磁链跟踪型PWM（SVPWM）（1I）双模式过调制算法需将整个过调制区分为两个区间——过调制I区和过调制II区。在过调制I区内：保持输出电压矢量相角和期望电压矢量一致，只改变输出电压矢量的幅值；在过调制II区：为使输出电压尽可能连续，电压矢量的相角和幅值同时调整。a）过调制I区期望电压矢量幅值范围为：129磁链跟踪型PWM（SVPWM）双模式过调制I区输出电压矢量轨迹保证实际输出电压矢量的基波幅值等于参考电压矢量的幅值：实际输出电压矢量的相角仍与期望电压矢量保持一致：130磁链跟踪型PWM（SVPWM）双模式过调制II区输出电压矢量轨迹双模式的过调制算法通过对过调制区进行二次划分，可以减少电压矢量过调制矫正而导致的谐波畸变率，但其控制算法相对比较复杂，并且实现过程通常需要利用查表法对大量复杂数据进行辅助运算，对处理器的内存空间要求也比较大。131b过调制II区磁链跟踪型PWM（SVPWM）SVPWM实现方式132

由期望输出电压矢量的幅值及位置可以确定相邻的两个基本电压矢量以及它们的作用时间，并由此得到零矢量的作用时间，但是还没有确定电压矢量的作用顺序。原则：开关损耗和谐波分量都较小，一般在减少开关次数的同时，尽量使得PWM输出波形对称，以减小谐波分量。磁链跟踪型PWM（SVPWM）零矢量集中的实现方法将两个有效工作矢量u1、u2的作用时间t1、t2平分为二后，安放在开关周期的首端和末端，把零矢量的作用时间放在开关周期的中间。在一个开关周期内，有一相的状态一直保持不变，且从一个矢量切换到另一个矢量时，只有一相的状态发生改变，而开关次数少，开关损耗低。以第一扇区为例133磁链跟踪型PWM（SVPWM）零矢量分散的实现方法将零矢量平分为四份，在开关周期的首、尾各放一份，中间放两份在一个开关周期内，均以零矢量开始和结束，且从一个矢量切换到另一个矢量时只有一相的状态发生改变，但在一个开关周期内三相的状态均发生改变，开关损耗略大于前一种方法134磁链跟踪型PWM（SVPWM）SVPWM控制的定子磁链N=6N=12为了使定子磁链矢量的轨迹更接近圆，从而减小转矩脉动和谐波分量，需要增大N的值1352.5.7变频器非正弦供电对异步电机性能的影响

变频器供电时，电机端部电压或电流将非正弦，含有大量谐波，影响运行性能——谐波负面效应，本部分内容。

谐波效应分析思路■分析电压源逆变器供电中电压谐波成分——“频谱”■计算谐波电压作用下谐波电流（电流源逆变器供电分析直接由此开始）■计算各次谐波电流的效应（谐波电流、谐波损耗、谐波转矩等）■谐波效应迭加（忽略铁磁非线性）136变频器供电的非正弦特性（一）变频器供电输出非正弦特性1.常见电压源变频器输出波形●图（a）六阶梯波，5、7、11、13等低次谐波●图（b）十二阶梯波（两六阶梯波错开300——多重化的合成结果），11、13等低次谐波●图（c）SPWM（正弦脉宽调制）波，开关频率的高次谐波137变频器供电的非正弦特性电压谐波分析（频谱）——六、十二阶梯波式中Uk—k次谐波有效值，θk—k次谐波初相角，ω1—基波角频率，k=1，5，7，11，13…（6m±1）1382.谐波电流计算

由谐波电压求谐波电流。关键：建立异步电机谐波等值电路■k次谐波等值电路139变频器供电的非正弦特性■k次谐波滑差sk

●基波滑差

●k次谐波滑差

无论电机静止（s=1,n=0）或接近同步速运行（s≈0，n≈ns），k次谐波滑差总为1140变频器供电的非正弦特性■因k＞1●，激磁支路视为开路；●，忽略定子电阻；●，忽略转子电阻

141变频器供电的非正弦特性■等值电路（谐波任何转速下）142变频器供电的非正弦特性■谐波电流结论：●谐波电压幅值与谐波次数呈反比；●谐波电流幅值与谐波次数平方呈反比；●要削弱谐波效应（谐波电流），应使谐波次数增高——高频化143变频器供电的非正弦特性3、电压波形对谐波电流的影响（1）将六、十二阶梯波谐波次数k（频谱）代入得k次谐波幅值；（2）求总谐波电流有效值

（3）求总谐波电流有效值的标么值；代入频谱k后有：●六阶梯波

●十二阶梯波

式中，——短路电抗标么值144变频器供电的非正弦特性（4）额定负载I1N下，定子总电流（基波+谐波）有效值的标么值●六阶梯波

●十二阶梯波

145变频器供电的非正弦特性6阶梯波电压及电机定子电流波形146变频器供电的非正弦特性结论：电压波形对谐波电流含量及谐波效应影响很大：①六阶梯波电压源供电下，按电机漏抗大小，额定电流有效值将比基波电流增大(2~10)%；大漏抗电机对谐波电流有较好限制作用。②十二阶梯波电压源供电下电流总有效值比基波电流略有增大，谐波效应基本可忽略。③SPWM谐波电压频率高，经电机漏抗限制谐波电流很小，谐波效应可忽略。147变频器供电的非正弦特性电源非正弦对电机运行性能的影响非正弦供电对电机运行性能的影响（以六阶梯波电压源供电为例）1.磁路工作点■磁通是电压的积分

电压非正弦，气隙磁密（磁通）含有谐波，其时一空描述为148■各次谐波磁场为行波，有不同的转向、转速；谐波迭加后，总磁场幅值随时间、空间位置变化，最大可能幅值可按同相位迭加计将使六阶梯波电压源供电电机气隙磁密比正弦波供电时大10%■结论：①常规电机（按电网正弦波供电设计）用于六阶梯波电压源逆变器供电时，磁路将饱和，使力能指标η↓，cos↓②设计非正弦电压源供电电机时，其磁路设计和空载试验须提高电压10%，以计及谐波的饱和效应149电源非正弦对电机运行性能的影响2、定子漏抗

电流中的谐波将使槽电流增大（1.1倍），槽磁势增大，漏磁路饱和，使定子漏抗减小（15~20）%3、转子回路参数■基波滑差s1很小，转子频率s1f1极低频（1~2HZ）；谐波滑差，转子频率，为高频，转子集肤效应严重。150电源非正弦对电机运行性能的影响■集肤效应致使●转子电阻增大●转子电流挤向槽口，分布不均，槽漏抗减小●转子谐波电流●转子谐波损耗

，转子发热剧烈。转子谐波铜耗远大于基波铜耗，成为变频调速电机主要问题之一151电源非正弦对电机运行性能的影响4、功率因数电流谐波→增大电流有效值→提高磁路饱和程度→增加励磁电流→降低cos↓5、损耗与效率

变频器非正弦供电时，谐波电流增加了损耗、降低了效率。但效率变化趋势与变频器型有关152电源非正弦对电机运行性能的影响电压源型逆变器■直流环节采用大电容滤波，输出电压确定，输出电流决定于电机负载■谐波电压大小取决于变频器输出电压波形，确定；谐波含量固定，与电机负载大小无关。故谐波电流大小及产生的谐波损耗Δp不随负载Ρ2变化而恒定。153电源非正弦对电机运行性能的影响■电机运行效率●轻载时，Р2小，大小固定的Δp影响大，η↓多。●满载时，Ρ2大，大小固定的Δp影响小，η↓少（2%）154电源非正弦对电机运行性能的影响一般电压源型PWM供电下，某异步电机损耗分配

单位（W）第一组损耗随负载变化，第二组损耗基本与负载无关。各项损耗中，定子谐波损耗不是很大，满载时仅使基本损耗增加30%。转子谐波损耗很大，可达转子基波铜耗的两倍以上，这是转子谐波的集肤效应使转子有效电阻大大增加的结果。如改用正弦SPWM供电时，随着低次谐波的减小，损耗有所降低，但高次谐波损耗仍然比较大。155电源非正弦对电机运行性能的影响6、谐波转矩——两种形态（1）恒定谐波转矩■产生机理气隙磁通中谐波磁通（激励）→转子中感应出同次谐波电流（响应）作用产生的谐波转矩156电源非正弦对电机运行性能的影响■特性

①性质为异步转矩（产生机理与异步电机基波转矩相同）②同次谐波磁场与电流间作用，极对数相同，转矩恒定（大小、方向确定）③谐波滑差→转子回路频率高频→转子回路电抗＞＞电阻→转子回路内功率因数角

，很差→谐波转矩

很小（1%TN）→影响可忽略。157电源非正弦对电机运行性能的影响158电源非正弦对电机运行性能的影响（2）脉动转矩■产生机理不同次数谐波磁场与基波磁场的相互作用结果①幅值最大低次(5、7次)谐波电流→建立5、7次谐波磁场→转子中感应出5、7次转子谐波电流②5次谐波转子电流（磁势）以5ω1反转

基波旋转磁场以ω1正转7次谐波转子电流（磁势）以7ω1正转

基波旋转磁场以ω1正转

均产生六倍频谐波转矩相差6ω1相差6ω1159电源非正弦对电机运行性能的影响■性质①脉振转矩——不同次数磁场作用产生的非恒定转矩,平均值为零②低速（低频）时脉动幅值大（幅值），可达，造成噪声、振动，影响大160电源非正弦对电机运行性能的影响7、电应力——电压变化梯度■非正弦电压波形上电压变化梯度大，→■由于电机绕组线匝间有分布电容，瞬变的（浪涌电压）将不按绕组阻抗分配，按匝间电容分布；分析结果是：绕组进线第一匝电容小、容抗大，将承受40%的过电压（电位梯度），使绝缘因电晕而老化、击穿。这是变频电机绝缘易损坏的原因。161电源非正弦对电机运行性能的影响■变频器输出电压与电缆末端电压波形■变频器输出电压与电机绕组电压波形162电源非正弦对电机运行性能的影响8、轴电流■产生机理①一方面：因变频器主电路三相不对称/功率元件开关过程不一致/连接不平衡→三相回路阻抗不对称→三相电压中点对地出现零序电压②另一方面：因静电耦合，电机各部分存在分布电容，构成位移电流回路，其中重要的有经轴承油膜构成的零序回路。③零序电压U0作用在零序回路上，形成流过轴、轴承的轴电流163电源非正弦对电机运行性能的影响■特性

轴电流大小与零序阻抗成反比①对于电网（工频）供电，频率低、容性零序阻抗大，限制了轴电流，故影响不大（忽略）②对于变频器供电，其中谐波频率高，容性零序阻抗小，轴电流大。流过轴承，破坏油膜稳定生成，形成干磨擦，烧毁电机，成为变频电机常烧轴承的原因164电源非正弦对电机运行性能的影响■措施①增大零序回路阻抗，阻断轴电流。如采用高电阻率滑润油脂，陶瓷（绝缘）滚子轴承。②阻止零序电压形成。如定子槽楔覆金属箔并接地，使零序电压旁路（接地）——静电屏蔽电机。165电源非正弦对电机运行性能的影响9、结论

减小非正弦供电对异步电机运行性能的负面影响，关键在于减小、限制谐波电流或电压。①电压源型变频器输出电压谐波含量确定，要设计或选用漏抗大电机来限制谐波电流的产生恶果。②电流源型变频器输出电流谐波含量确定，要设计或选用漏抗小电机来限制谐波电压的产生及恶果。166电源非正弦对电机运行性能的影响©浙江大学电气工程学院2.6异步电动机变频调速系统167异步电机变频调速系统☆异步电机变频调速系统分类（1）频率开环系统特点：●频率给定后不再调节——同步速固定●电机转速决定于负载，有变化（）●静态调速性能不佳，有差

（2）频率闭环系统特点：●速度给定后频率随转速自动调节，通过改变同步速来补偿转速随负载的变化●电机转速与负载无关，恒定●静态特性好，动态性能满足一定要求1682.6.1频率开环调速系统1．系统结构（1）主电路

■不控整流+电容滤波

=电压源型

■PWM逆变器，180o

导通型

■每个IGBT旁反并联快速型续流二极管，为异步电机感性无功提供通路无功二极管导通续流机理169电压控制频率控制（2）控制回路分两通道，频率开环调速系统170频率开环调速系统■速度给定：系统总指令：，正转；,反转；绝对值代表速度高、低■给定积分器：使阶跃给定斜波给定，防止给定突变引起系统电流、转矩、速度冲击■绝对值电路：逆变器输出电压、频率控制只需绝对值；配合转向极性，以此简化控制处理171频率开环调速系统①频率控制通道

电机驱动脉冲频率设定172◆变换器：将速度电压，经压控振荡器处理，变成频率信号，作为正弦调制波频率

◆正弦波发生器：设为自然采样法，其中

●正弦调制波

●三角载波频率取决于调制方式：异步/同步/混合调制——调制方式控制频率开环调速系统频率——来自变换器

幅值——来自电压调节器输出（电压控制通道）173◆调制方式控制：根据调制波频率,按要求的调制方式，控制三角波发生器，输出合适的载波频率（幅值固定）◆SPWM调制：根据输入的正弦调制波频率、幅值，三角载波频率、幅值，决定逆变器器件开关时刻，形成SPWM驱动信号●SPWM驱动信号应按电机转向分配至逆变器六个开关器件上，给三相绕组通以合适的电流，形成所需的旋转磁场，控制电机正确运转频率开环调速系统174频率开环调速系统◆转向判别：将速度信号极性取出，控制触发脉冲在各开关元件上的施加（分配）输出：+——正转，导通的通电相序A→B→C－——反转，导通的通电相序A→C→B175频率开环调速系统◆脉冲分配器：按转速、转向、分配三相、六管的驱动脉冲信号●正转：脉冲次序●反转：脉冲次序176频率开环调速系统②电压控制通道

177频率开环调速系统◆函数发生器——电压/频率协调控制关键部件●输入：代表运行频率的速度给定绝对值

●规律：

●输出：电压指令178频率开环调速系统◆电压检测：检测机端电压，形成电压反馈信号，通过电压闭环控制使正弦调制波幅值指令严格按关系给出，确保电机磁路工作点正确◆电压调节器：PI型，实现对端电压的稳态无差、动态快速调节179频率开环调速系统2．系统特点①无频率反馈，但有电压反馈，是常见开环VVVF（Variable-VoltageVariable-Freguency）控制方式②异步电机运行时滑差s小，空载、负载转速变化不大，