1、笼型异步电机变压变频调速系统笼型异步电机变压变频调速系统（VVVF系统）系统）转差功率不变型调速系统转差功率不变型调速系统第第 6 章章 概概 述述由于在调速时转差功率不随转速而变化，由于在调速时转差功率不随转速而变化，调速范围宽，无论是高速还是低速时效率调速范围宽，无论是高速还是低速时效率都较高。在采取一定的技术措施后能实现都较高。在采取一定的技术措施后能实现高动态性能。因此现在应用面很广，是本高动态性能。因此现在应用面很广，是本篇的重点。篇的重点。p10260nnn公式表明：改变定子电源频率可以改变转速公式表明：改变定子电源频率可以改变转速变频调速：变频调速：通过改变定子电源频率实现转速通
2、过改变定子电源频率实现转速 的调节的调节变频调速是一类转差功率不变型调速策略变频调速是一类转差功率不变型调速策略本章提要本章提要n变压变频调速的基本控制方式n异步电动机电压频率协调控制时的机械特性n*电力电子变压变频器的主要类型n变压变频调速系统中的脉宽调制（PWM）技术n基于异步电动机稳态模型的变压变频调速n异步电动机的动态数学模型和坐标变换n基于动态模型按转子磁链定向的矢量控制系统n基于动态模型按定子磁链控制的直接转矩控制系统 6.1 6.1 变压变频调速的基本控制方式变压变频调速的基本控制方式 6.1 6.1 变压变频调速的基本控制方式变压变频调速的基本控制方式 交流电机调速时，希望保持
3、电机中每极磁通交流电机调速时，希望保持电机中每极磁通量量 m 为额定值不变。为额定值不变。如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；如果过分增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。n对于直流电机，励磁系统是独立的，只要对电枢对于直流电机，励磁系统是独立的，只要对电枢反应有适当的补偿，反应有适当的补偿， m 保持不变是很容易做到保持不变是很容易做到的。的。n在交流异步电机中，磁通在交流异步电机中，磁通 m 由定子和转子磁势由定子和转子磁势合成产生，要保持磁通恒定就需要费一些周折了。合成产生，要保持磁通恒定就需要费一些周折了。然而，异步电机保持磁通恒
4、定谈何容易哟！怎么办呢？定子每相电动势定子每相电动势mNs1g44. 4SkNfE （6-1） 式中：Eg 气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值，单位为V； 定子频率，单位为Hz； 定子每相绕组串联匝数； 基波绕组系数； 每极气隙磁通量，单位为Wb。 f1NskNsm 由式（由式（6-1）可知，只要控制好）可知，只要控制好 Eg 和和 f1 的比例关的比例关系，便有可能达到恒定磁通系，便有可能达到恒定磁通 m 的目的，对此，需的目的，对此，需要考虑基频（额定频率）以下和基频以上两种情况。要考虑基频（额定频率）以下和基频以上两种情况。 mNs1g44. 4SkNfE （6-1） 实现恒定磁通控
5、制的思路：实现恒定磁通控制的思路：1. 基频以下调速 由式（6-1）可知，要保持 m 不变，当频率 f1 从额定值 f1N 向下调节时，必须同时降低 Eg ，使 1gfE常值 （6-2） 这种模式称之为：采用这种模式称之为：采用恒电动势恒电动势/频率比频率比的控制方式，简称的控制方式，简称恒势频比恒势频比方式方式。 然而，绕组中的感应电动势是难以直接测量与控制的，当电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压 Us Eg，则得（6-3） 这是恒压频比恒压频比的控制方式的控制方式。常值1fUsOUsf 1图图6-1 恒压频比控制特性恒压频比控制特性UsNf 1Na 无补偿无补
6、偿 b 带定子压降带定子压降补偿补偿 在低频时在低频时 Us 和和 Eg 都较小，定子阻抗压都较小，定子阻抗压降所占的份量就比较降所占的份量就比较显著，不再能忽略。显著，不再能忽略。因此，需要把电压因此，需要把电压 Us 抬高一些，以便抬高一些，以便近似近似地补偿定子压降地补偿定子压降。2. 基频以上调速 在基频以上调速时，频率应该从 f1N 向上升高，但定子电压Us 却不可能超过额定电压UsN ，最多只能保持Us = UsN ，这将迫使磁通与频率成反比地降低，相当于直流电机弱磁升速相当于直流电机弱磁升速的情况的情况。 把基频以下和基频以上两种情况的控制特性画在一起，如下图所示。 f1N 变压
7、变频控制特性图6-2 异步电机变压变频调速的控制特性 恒转矩调速恒转矩调速UsUsNmNm恒功率调速恒功率调速mUsf1O在基频以下，磁通恒定时转矩也恒定，属在基频以下，磁通恒定时转矩也恒定，属于于“恒转矩调速恒转矩调速”性质，而在基频以上，转性质，而在基频以上，转速升高时转矩降低，基本上属于速升高时转矩降低，基本上属于“恒功率调恒功率调速速”。6.2 6.2 电压频率协调控制的机械特性电压频率协调控制的机械特性6.2.1 6.2.1 恒压恒频正弦波供电时的机械特性恒压恒频正弦波供电时的机械特性异步电机正弦波供电时的机械特性方程：异步电机正弦波供电时的机械特性方程：2rs2122rsr121s
8、pe)()(3llLLsRsRRsUnT（6-4） -异步电机原始机械特性的变形式异步电机原始机械特性的变形式当s很小时，可忽略上式分母中含s各项，则（6-5） 也就是说，当s很小时，转矩近似与s成正比，机械特性 Te = f（s）是一段直线，见图6-3。sRsUnTr121spe3 当 s 接近于1时，可忽略式（6-4）分母中的Rr ，则 sLLRsRUnTll1)(32rs212sr121spe（6-6）即s接近于1时转矩近似与s成反比，这时， Te = f（s）是对称于原点的一段双曲线。 机械特性机械特性 当 s 为以上两段的中间数值时，机械特性从直线段逐渐过渡到双曲线段，如图所示。sm
9、nn0sTe010TeTemaxTemax图图6-3 恒压恒频时异步电机的机械特性恒压恒频时异步电机的机械特性6.2.2 6.2.2 基频以下电压基频以下电压- -频率协调控制时的机械特性频率协调控制时的机械特性 由式（6-4）机械特性方程式可以看出，对于同一组转矩 Te 和转速 n（或转差率s）的要求，电压 Us 和频率 1 可以有多种配合。 在 Us 和 1 的不同配合下机械特性也是不一样的，因此可以有不同方式的电压频率协调控制。 1. 恒压频比控制（ Us /1 ） 前面说过，为了近似地保持气隙磁通不变，以便充分利用电机铁心，发挥电机产生转矩的能力，在基频以下须采用恒压频比控制。p102
10、60nn（6-7） 在式（6-5）所表示的机械特性近似直线段上， 由（6-5）可以导出： 21sper13UnTRs（6-9） 带负载时的转速降落为 1p0260snsnn（6-8） sRsUnTr121spe3（6-5）式： 由此可见，当由此可见，当 Us / 1 为恒值时，对于同一为恒值时，对于同一转矩转矩 Te ，s 1 是基本不变的，因而是基本不变的，因而 n 也是也是基本不变的。这就是说，基本不变的。这就是说，在恒压频比的条在恒压频比的条件下改变频率件下改变频率 1 时，机械特性基本上是平时，机械特性基本上是平行下移行下移。和直流他励电机变压调速时的情。和直流他励电机变压调速时的情况
11、基本相似。不同的是，当转矩增大到最况基本相似。不同的是，当转矩增大到最大值以后，转速再降低，特性就折回来了。大值以后，转速再降低，特性就折回来了。由第5章（5-5）式，整理得：2rs21s1s21spmaxe)(123llLLRRUnT（6-10）最大电磁转矩最大电磁转矩 最大转矩最大转矩 Temax 是随着的是随着的 1 降低而减小降低而减小 频率很低时，频率很低时，T Temaxemax太小将限制电机的带载太小将限制电机的带载能力，采用定子压降补偿，适当地提高电压能力，采用定子压降补偿，适当地提高电压U Us s，可以增强带载能力，见图可以增强带载能力，见图6-46-4。 机械特性曲线eT
12、OnN0n03n02n01nN1111213131211N1图6-4 恒压频比控制时变频调速的机械特性补偿定子压降后补偿定子压降后的特性的特性图6-5 异步电动机稳态等效电路和感应电动势 Us1RsLlsLlrLmRr /sIsI0IrEgEsEr2. 恒 Eg / 1 控制 异步电机的几个感应电动势： Eg 气隙（或互感）磁通在定子每相绕组中 的感应电动势； Es 定子全磁通在定子每相绕组中的感应电 动势； Er 转子全磁通在转子绕组中的感应电动势 （折合到定子边）。 如果在电压频率协调控制中，适当地提高电压 Us 的数值，使它在克服定子阻抗压降以后，能维持 Eg /1 为恒值（基频以下），
13、则由式（6-1）可知，无论频率高低，每极磁通 m 均为常值。Eg / 1为恒值为恒值 m 均为常值均为常值mNs1g44. 4SkNfE （6-1）式： 由等效电路可以看出 2r212rgrlLsREI（6-11）代入电磁转矩关系式，得2 r2122 rr121gpr2r212r2g1pe33llLsRRsEnsRLsREnT（6-12） 利用与前相似的分析方法，当s很小时，可忽略式（6-12）分母中含 s 项，则 sRsEnTr121gpe3（6-13） 这表明机械特性的这一段仍近似为一条直线。 当 s 接近于1时，可忽略式（6-12）分母中的 Rr2 项，则 sLsREnTl132 r1r
14、21gpe（6-14） s 值为上述两段的中间值时，机械特性在直线和双曲线之间逐渐过渡，整条特性与恒整条特性与恒压频比特性相似。压频比特性相似。 恒压频比与恒势频比性能比较 对比以下两式，恒对比以下两式，恒 E Eg g / / 1 1 特性分母中含特性分母中含 s s 项的参数项的参数要小于恒要小于恒 U Us s / / 1 1 特性中的同类项，也就是说，特性中的同类项，也就是说， s s 值要更值要更大一些才能使该项占有显著的份量，从而不能被忽略。大一些才能使该项占有显著的份量，从而不能被忽略。2 r2122 rr121gpr2r212r2g1pe33llLsRRsEnsRLsREnT2
15、rs2122rsr121spe)()(3llLLsRsRRsUnT（恒压频比） （恒势频比） 恒恒 Eg / 1 特性的线性段范围更宽特性的线性段范围更宽性能比较（续）可求得恒Eg /1控制特性在最大转矩时的转差率 r1rmlLRs（6-15） 和最大转矩r21gpmaxe123lLEnT（6-16） 2rs21s1s21spmaxe)(123llLLRRUnT（6-10）恒压频比的最大转矩恒压频比的最大转矩性能比较（续）由式（6-16）得出结论： Eg / 1 为恒值时，为恒值时，Temax 恒定不变恒定不变这正是恒这正是恒Us /1控制中补偿定子压降所追求的目标！控制中补偿定子压降所追求的
16、目标！ 机械特性曲线eTOnN0n03n02n01nN1111213131211N1Temax恒 Eg /1 控制时变频调速的机械特性3. 恒 Er / 1 控制 如果把电压频率协调控制中的电压再进一步提高，把转子漏抗上的压降也抵消掉，得到恒 Er /1 控制，那么，机械特性会怎样呢？由此可写出 sREI/rrr（6-17） 代入电磁转矩基本关系式，得 r121rpr2r2r1pe33RsEnsRsREnT（6-18） 现在，不必再作任何近似就可知道，这时的机械特性完全是一条直线机械特性完全是一条直线，见图6-6。0s10Te 几种电压频率协调控制方式的特性比较几种电压频率协调控制方式的特性比
17、较图6-6 不同电压频率协调控制方式时的机械特性恒 Er /1 控制恒 Eg /1 控制恒 Us /1 控制ab c 显然，恒显然，恒 Er / 1 控制的稳态性能最控制的稳态性能最好，可以获得和直流电机一样的线性机好，可以获得和直流电机一样的线性机械特性。这正是高性能交流变频调速所械特性。这正是高性能交流变频调速所要求的性能。要求的性能。 现在的问题是：现在的问题是： 怎样控制变频装置的电压和频率才怎样控制变频装置的电压和频率才能获得恒定的能获得恒定的 Er / 1 呢？呢？ 由感应电势与磁通的关系可知，由感应电势与磁通的关系可知，当频率当频率恒定时，电动势与磁通成正比。恒定时，电动势与磁通
18、成正比。 Eg 对应于对应于气隙磁通幅值气隙磁通幅值 m 。转子。转子Er 就对应于转子就对应于转子全磁通幅值全磁通幅值 rm 。rmNs1r44. 4skNfE （6-19） 由此可见，只要能够按照转子全磁通幅由此可见，只要能够按照转子全磁通幅值值 rm = 常值进常值进 行控制，就可以获得恒行控制，就可以获得恒 Er / 1 了。了。 这正是矢量控制系统所遵循的原则！这正是矢量控制系统所遵循的原则！ Er / 1为恒值为恒值 rm 为常值为常值4几种协调控制方式的比较 （1）恒压频比恒压频比（ Us / 1 = Constant ）控）控制最容易实现，其机械特性基本上是平行制最容易实现，其
19、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下移，硬度也较好，能够满足一般的调速要求，但低速带载能力会下降，须对定子要求，但低速带载能力会下降，须对定子压降实行补偿。压降实行补偿。 （2）恒恒Eg / 1 控制控制，稳态时基本可以达稳态时基本可以达到到 rm = Constant，从而基本保证低速时，从而基本保证低速时的负载能力不受影响的负载能力不受影响 。但机械特性还是非。但机械特性还是非线性的，产生转矩的能力仍受到限制。线性的，产生转矩的能力仍受到限制。 （3）恒恒 Er / 1 控制控制，控制目的是转子全控制目的是转子全磁通磁通 rm 恒定，从而得到和直流他励电机恒定，从而得
20、到和直流他励电机一样的线性机械特性。在动态中也尽可能一样的线性机械特性。在动态中也尽可能保持保持 rm 恒定。这是矢量控制系统的目标，恒定。这是矢量控制系统的目标，当然实现起来是比较复杂的。当然实现起来是比较复杂的。6.2.3 基频以上恒压变频时的机械特性基频以上恒压变频时的机械特性恒功率调速恒功率调速eTOnN0nc0nb0na0nN1a1b1c1c1b1a1N1 当角频率提高当角频率提高时，同步转速随时，同步转速随之提高，最大转之提高，最大转矩减小，机械特矩减小，机械特性上移，而形状性上移，而形状基本不变。基本不变。图6-7 基频以上恒压变频调速的机械特性 由于频率提高而电压不变，气隙磁通
21、势必由于频率提高而电压不变，气隙磁通势必减弱，导致转矩的减小，但转速升高了，可减弱，导致转矩的减小，但转速升高了，可以认为输出功率基本不变。所以基频以上变以认为输出功率基本不变。所以基频以上变频调速属于频调速属于弱磁恒功率调速弱磁恒功率调速。6.2.4 恒流正弦波供电时的机械特性恒流正弦波供电时的机械特性不要求不要求小小 结结n电压Us与频率1是变频器异步电动机调速系统的两个独立的控制变量，在变频调速时需要对这两个控制变量进行协调控制。n在基频以下，有三种协调控制方式。采用不同的协调控制方式，得到的系统稳态性能不同，其中恒Er /1控制的性能最好。n在基频以上，采用保持电压不变的恒功率弱磁调速
22、方法。6.3 6.3 电力电子变压变频器的主要类型电力电子变压变频器的主要类型 引引 言言 异步电机的变压变频调速，异步电机的变压变频调速，必须具备能够必须具备能够同时控制电压幅值和频率的交流电源同时控制电压幅值和频率的交流电源，而电，而电网提供的是恒压恒频的电源，因此应该配置网提供的是恒压恒频的电源，因此应该配置变压变频器（变压变频器（VVVF）装置。）装置。6.3.1 交交-直直-交和交交和交-交变压变频器交变压变频器电力电子变压变频器可分为交电力电子变压变频器可分为交-直直-交和交交和交-交两大类。交两大类。 1.交交-直直-交变压变频器交变压变频器 交交-直直-交变压变频器先将工频交流
23、电源交变压变频器先将工频交流电源通过整流器变换成直流，再通过逆变器变通过整流器变换成直流，再通过逆变器变换成可控频率和电压的交流，如下图所示。换成可控频率和电压的交流，如下图所示。 交交-直直-交变压变频器基本结构交变压变频器基本结构图6-9 交-直-交（间接）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)逆变逆变DCACAC50Hz整流整流 由于这类变压变频器在恒频交流电源由于这类变压变频器在恒频交流电源和变频交流输出之间有一个和变频交流输出之间有一个“中间直流中间直流环节环节”，所以又称间接式的变压变频器。，所以又称间接式的变压变频器。 又分为
24、又分为“普通交普通交-直直-交变压变频器交变压变频器”和和“PWM交交-直直-交变压变频器交变压变频器”。 普通交普通交-直直-交变压变频器的基本结构交变压变频器的基本结构SCR可控可控整流器整流器六六 拍拍逆变器逆变器DCACAC50Hz调频调频调压调压图图6-11 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 交交-直直-交交PWM变压变频器基本结构变压变频器基本结构图6-10 交-直-交PWM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
25、频CPWM变压变频器具有如下的一系列优点： （1）在主电路整流和逆变两个单元中，只有逆变单元可控，通过它同时调节电压和频率，结构简单、效率高。 （2）输出电压波形虽是一系列的PWM波，但由于采用了恰当的PWM控制技术，正弦基波的比重较大，影响电机运行的低次谐波受到很大的抑制，因而转矩脉动小，提高了系统的调速范围和稳态性能。 （3）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，系统的动态性能也得以提高。 （4）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。 2. 交-交变压变频器 交-交变压变频器只有一个变换环节，把恒压恒频（CVCF）的交流电
26、源直接变换成VVVF输出，因此又称直接式变压变频器。 交交变频交交变频AC50HzACCVCFVVVF图6-12 交-交（直接）变压变频器6.3.2 电压源型和电流源型逆变器电压源型和电流源型逆变器 在交-直-交变压变频器中，按照中间直流环节直流电源性质的不同，逆变器可以分成电压源电压源型型和电流源型电流源型两类，两种类型的实质区别在于区别在于直流环节采用什么方式直流环节采用什么方式。 两种类型逆变器结构两种类型逆变器结构n电压源型逆变器电压源型逆变器 Voltage Source Inverter VSI 直流环节采用大电容滤波，因而直流电直流环节采用大电容滤波，因而直流电压波形比较平直，在
27、理想情况下是一个压波形比较平直，在理想情况下是一个内阻内阻为零为零的恒压源，输出交流电压是矩形波或阶的恒压源，输出交流电压是矩形波或阶梯波，有时简称电压型逆变器。梯波，有时简称电压型逆变器。n电流源型逆变器电流源型逆变器 Current Source Inverter- CSI 直流环节采用大电感滤波，直流电流波直流环节采用大电感滤波，直流电流波形比较平直，相当于一个恒流源，输出交流形比较平直，相当于一个恒流源，输出交流电流是矩形波或阶梯波，或简称电流型逆变电流是矩形波或阶梯波，或简称电流型逆变器。器。 性能比较性能比较（1）无功能量的缓冲）无功能量的缓冲 在调速系统中，逆变器的负载是异步在调
28、速系统中，逆变器的负载是异步电机，属感性负载。在中间直流环节与负电机，属感性负载。在中间直流环节与负载电机之间，除了有功功率的传送外，还载电机之间，除了有功功率的传送外，还存在无功功率的交换。滤波器除滤波外还存在无功功率的交换。滤波器除滤波外还起着对无功功率的缓冲作用，使它不致影起着对无功功率的缓冲作用，使它不致影响到交流电网。响到交流电网。（2）能量的回馈）能量的回馈 用电流源型逆变器给异步电机供电的用电流源型逆变器给异步电机供电的电流源型变压变频调速系统有一个显著特电流源型变压变频调速系统有一个显著特征，就是容易实现能量的回馈，从而便于征，就是容易实现能量的回馈，从而便于四象限运行，适用于
29、需要回馈制动和经常四象限运行，适用于需要回馈制动和经常正、反转的生产机械。正、反转的生产机械。 下面以由晶闸管可控整流器下面以由晶闸管可控整流器UCR和电流和电流源型串联二极管式晶闸管逆变器源型串联二极管式晶闸管逆变器CSI构成构成的交的交-直直-交变压变频调速系统（如下图所交变压变频调速系统（如下图所示）为例，说明电动运行和回馈制动两种示）为例，说明电动运行和回馈制动两种状态。状态。p 电动运行状态电动运行状态P 当电动运行时，当电动运行时，UCR的控制角的控制角 ，电动机以转速运行，电功率的传送方向如上电动机以转速运行，电功率的传送方向如上图图a所示。所示。p逆变运行状态逆变运行状态Pn如
30、果降低变频器的输出频率如果降低变频器的输出频率 1，或主动抬，或主动抬高电机转速高电机转速 ，使，使 1 90 ，则异步电机转入发电状态，则异步电机转入发电状态，逆变器转入整流状态，而整流器转入有源逆变器转入整流状态，而整流器转入有源逆变状态，此时直流电压逆变状态，此时直流电压Ud 立即反向，而立即反向，而电流电流 Id 方向不变，电能由电机回馈给交流方向不变，电能由电机回馈给交流电网（图电网（图b）。）。 与此相反，采用电压源型的交与此相反，采用电压源型的交-直直-交变交变压变频调速系统要实现回馈制动和四象限压变频调速系统要实现回馈制动和四象限运行却很困难，因为其中间直流环节有大运行却很困难
31、，因为其中间直流环节有大电容钳制着电压的极性，不可能迅速反向，电容钳制着电压的极性，不可能迅速反向，而电流受到器件单向导电性的制约也不能而电流受到器件单向导电性的制约也不能反向，所以在原装置上无法实现回馈制动。反向，所以在原装置上无法实现回馈制动。 必须制动时，只得在直流环节中并联电必须制动时，只得在直流环节中并联电阻实现能耗制动，或者与阻实现能耗制动，或者与UCR反并联一组反并联一组反向的可控整流器，用以通过反向的制动反向的可控整流器，用以通过反向的制动电流，而保持电压极性不变，实现回馈制电流，而保持电压极性不变，实现回馈制动。这样做，设备要复杂多了。动。这样做，设备要复杂多了。 性能比较性能比较表6-1 两种逆变器输出波形比较
