1、基于稳态模型的异步电动机调速基于稳态模型的异步电动机调速l在基于稳态模型的异步电动机调速在基于稳态模型的异步电动机调速系统中，采用稳态等值电路来分析系统中，采用稳态等值电路来分析异步电动机在不同电压和频率供电异步电动机在不同电压和频率供电条件下的转矩与磁通的稳态关系和条件下的转矩与磁通的稳态关系和机械特性，并在此基础上设计异步机械特性，并在此基础上设计异步电动机调速系统。电动机调速系统。基于稳态模型的调速方法基于稳态模型的调速方法l常用的基于稳态模型的异步电动机常用的基于稳态模型的异步电动机调速方法有调压调速和变压变频调调速方法有调压调速和变压变频调速两类。速两类。5.1 异步电动机稳态数学模
2、异步电动机稳态数学模型和调速方法型和调速方法l异步电动机稳态数学模型包括异步电动异步电动机稳态数学模型包括异步电动机稳态等值电路和机械特性，两者既有机稳态等值电路和机械特性，两者既有联系，又有区别。联系，又有区别。稳态等值电路描述了在一定的转差率稳态等值电路描述了在一定的转差率下电动机的稳态电气特性。下电动机的稳态电气特性。机械特性则表征了转矩与转差率（或机械特性则表征了转矩与转差率（或转速）的稳态关系。转速）的稳态关系。4设起动时旋转磁场方向如图为逆时针，磁场转速n1转子导体静止，与旋转磁场之间存在着相对运动，根据右手定则, 转子绕组内电动势和电流方向如图：上进下出根据左手定则，载流转子导体
3、受力，形成电磁转矩T，方向如图，驱动转子逆时针旋转。三相异步电动机的基本工作原理回顾三相异步电动机的基本工作原理回顾右手定则决定电流方向左手定则决定导条受力方向转子转速n总是小于旋 转磁场的转速n1。 所以称为异步电动机 5.1.1异步电动机稳态数学模型异步电动机稳态数学模型l转差率与转速的关系转差率与转速的关系11nnsn1(1)ns n或或 电动机极对数电动机极对数 供电电源频率供电电源频率 l同步转速同步转速 1160pfnn1fpn异步电动机稳态等效电路异步电动机稳态等效电路图图5-1 异步电动机异步电动机T型等效电路型等效电路假定条件：忽略空间和时间谐波，假定条件：忽略空间和时间谐波
4、，忽略磁饱和，忽略铁损忽略磁饱和，忽略铁损模拟电阻，等效负载电阻转子实际电阻异步电动机稳异步电动机稳态等效电路态等效电路图图5-2 异步电动机简化等效电路异步电动机简化等效电路忽略励磁电流忽略励磁电流异步电动机稳态等效电路异步电动机稳态等效电路2212lrlsrssrsLLsRRUIIl简化等效电路的相电流简化等效电路的相电流异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性l异步电动机传递的电磁功率异步电动机传递的电磁功率 l机械同步角速度机械同步角速度 sRIPrrm2 3pmn11异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性l异步电动机的电磁转矩（机械特性方程式异步电动机的电磁转矩（机械特性方程式 ）
5、22122122212122 113/33lrlsrsrsplrlsrsrsprrpmmeLLsRsRsRUnLLsRRsRUnsRInPT2212lrlsrssrsLLsRRUIIsRIPrrm2 3pmn11异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性对对s求导，并令求导，并令 0dsdTel可求出临界转差率：对应最大转矩的转差率可求出临界转差率：对应最大转矩的转差率2212)(lrlssrmLLRRsl将将sm代入转矩计算公式可得最大转矩，又称临界转矩代入转矩计算公式可得最大转矩，又称临界转矩 221212)(23lrlsssspemLLRRUnT异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性将机
6、械特性方程式分母展开将机械特性方程式分母展开2222222112222222113232psresrsrlslrpsrlslrssrrn U R sTs RRsR RsLLn U R sLLsR ssR RR 异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性当当s很小时，忽略分母中含很小时，忽略分母中含s各项各项213psern U sTsRl转矩近似与转矩近似与s成正比，机械特性近似为直线成正比，机械特性近似为直线22222221132psrelslrssrrn U R sTLLsR ssR RR 异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性当当s较大时，忽略分母中较大时，忽略分母中s的一次项和零次项的
7、一次项和零次项l转矩近似与转矩近似与s成反比，机械特性是一段双曲成反比，机械特性是一段双曲线线22221131psreslslrn U RTss RLL异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性l异步电动机由额异步电动机由额定电压、额定频定电压、额定频率供电，且无外率供电，且无外加电阻和电抗时加电阻和电抗时的机械特性方程的机械特性方程式，称作固有特式，称作固有特性或自然特性。性或自然特性。图图5-3 异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性5.1.2异步电动机的调速方异步电动机的调速方法与气隙磁通法与气隙磁通l异步电动机的调速方法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所谓调速，就是
8、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，以达到调特性，工作在人为机械特性上，以达到调速的目的。速的目的。异步电动机的调速方法异步电动机的调速方法由异步电动机的机械特性方程式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可知，能够改变的参数可分为3类：类：电动机参数、电源电压和电源频率（或角频电动机参数、电源电压和电源频率（或角频率）。率）。22222113psresrlslrn U R sTsRRsLL异步电动机的气隙磁通异步电动机的气隙磁通l三相异步电动机定子每相电动势的有效值三相异步电动机定子每相电动势的
9、有效值忽略定子绕组电阻和漏磁感抗压降忽略定子绕组电阻和漏磁感抗压降14.44SgsmNEf N k14.44SsgsmNUEf N k异步电动机的气隙磁通异步电动机的气隙磁通l气隙磁通气隙磁通 l为了保持气隙磁通恒定，应使为了保持气隙磁通恒定，应使 11/mgsEfUf1gEf常数s1Uf常数或近似为或近似为 5.2 异步电动机调压调速异步电动机调压调速l保持电源频率为额定频率，只改变定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调压调速。子电压的调速方法称作调压调速。l由于受电动机绝缘和磁路饱和的限制，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，故又定子电压只能降低
10、，不能升高，故又称作降压调速。称作降压调速。异步电动机调压调速异步电动机调压调速l调压调速的基本特征：电动机同步转速保调压调速的基本特征：电动机同步转速保持额定值不变持额定值不变 l气隙磁通气隙磁通 随定子电压的降低而减小，属于弱磁调速。随定子电压的降低而减小，属于弱磁调速。11160NNpfnnn14.44SsmsNUf N k5.2.1 异步电动机调压调速的异步电动机调压调速的主电路主电路图图5-4 晶闸管交流调压器调速晶闸管交流调压器调速TVC双双向晶闸管向晶闸管交流调压交流调压器器a) 不可逆不可逆电路电路b) 可逆电可逆电路路5.2.2 异步电动机调压调速异步电动机调压调速的机械特性
11、的机械特性可调可调 l调压调速的机械特性表达式调压调速的机械特性表达式22222113psresrlslrn U R sTsRRsLLsUl电磁转矩与定子电压的平方成正比电磁转矩与定子电压的平方成正比 5.2.2 异步电动机调压调速异步电动机调压调速的机械特性的机械特性l临界转差率保持不变临界转差率保持不变 l理想空载转速保持为同步转速不变理想空载转速保持为同步转速不变 01Nnn2212)(lrlssrmLLRRs5.2.2 异步电动机调压调速异步电动机调压调速的机械特性的机械特性l临界转矩临界转矩 221212)(23lrlsssspemLLRRUnTl 随定子电压的减小而成平方比地下随定
12、子电压的减小而成平方比地下降降5.2.2 异步电动机调压调速异步电动机调压调速的机械特性的机械特性图图5-5 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5.2.2 异步电动机调压调速异步电动机调压调速的机械特性的机械特性l带恒转矩负载时，普通笼型异步电动机降带恒转矩负载时，普通笼型异步电动机降压调速时的稳定工作范围为压调速时的稳定工作范围为 调速范围有限，图中调速范围有限，图中A、B、C为恒转矩负载为恒转矩负载在不同电压时的稳定工作点。在不同电压时的稳定工作点。l带风机类负载运行，调速范围可以稍大一带风机类负载运行，调速范围可以稍大一些，图中些，图中D、E、F为风机类负载在不同电
13、压为风机类负载在不同电压时的稳定工作点。时的稳定工作点。0mss5.2.2 异步电动机调压调速异步电动机调压调速的机械特性的机械特性带恒转矩负载工作时，定子侧输入的电带恒转矩负载工作时，定子侧输入的电磁功率磁功率故电磁功率恒定不变，与转速无关。故电磁功率恒定不变，与转速无关。 11LmmLpTPTn1LT、均为常数均为常数 5.2.2 异步电动机调压调速异步电动机调压调速的机械特性的机械特性l转差功率转差功率 随着转差率的加大而增加。随着转差率的加大而增加。l带恒转矩负载的降压调速就是靠增大转带恒转矩负载的降压调速就是靠增大转差功率、减小输出功率来换取转速的降低。差功率、减小输出功率来换取转速
14、的降低。l增加的转差功率全部消耗在转子电阻上，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。这就是转差功率消耗型的由来。1 LsmmLpTPsPsTsn5.2.2 异步电动机调压调速异步电动机调压调速的机械特性的机械特性l增加转子电阻值，增加转子电阻值，临界转差率加大，临界转差率加大，可以扩大恒转矩负可以扩大恒转矩负载下的调速范围，载下的调速范围，这种高转子电阻电这种高转子电阻电动机又称作交流力动机又称作交流力矩电动机。矩电动机。l缺点是机械特性缺点是机械特性较软。较软。 图图5-6 高转子电阻电动机（交流力矩高转子电阻电动机（交流力矩电动机）在不同电压下的机械特性电动机）在
15、不同电压下的机械特性2212)(lrlssrmLLRRs5.2.3 闭环控制的调压调速系统闭环控制的调压调速系统l要求带恒转要求带恒转矩负载的调矩负载的调压系统具有压系统具有较大的调速较大的调速范围时，往范围时，往往须采用带往须采用带转速反馈的转速反馈的闭环控制系闭环控制系统统。图图5-7 带转速负反馈闭环控带转速负反馈闭环控制的交流调压调速系统制的交流调压调速系统 5.2.3 闭环控制的调压调速系统闭环控制的调压调速系统l当系统带负载稳定时，如果负载增大或减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
16、统工作在会自动调整定子电压，使闭环系统工作在新的稳定工作点。新的稳定工作点。l按照反馈控制规律，将稳定工作点连接起按照反馈控制规律，将稳定工作点连接起来便是闭环系统的静特性。来便是闭环系统的静特性。5.2.3 闭环控制的调压调速系统闭环控制的调压调速系统l静特性左右静特性左右两边都有极两边都有极限，它们是限，它们是额定电压下额定电压下的机械特性的机械特性和最小输出和最小输出电压下的机电压下的机械特性。械特性。图图5-8 转速闭环控制的交流转速闭环控制的交流调压调速系统静特性调压调速系统静特性sNUminsU*5.2.4降压控制应用降压控制应用l三相异步电动机直接接电网起动时，起动三相异步电动机
17、直接接电网起动时，起动电流比较大，而起动转矩并不大。电流比较大，而起动转矩并不大。2212lrlsrssrstsstLLRRUII2212lrlsrssrsLLsRRUII2222113psrestsrlslrn U RTRRLL22222113psresrlslrn U R sTsRRsLL*5.2.4降压控制应用降压控制应用l中、大容量电动机的起动电流大，会使电中、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。行，甚至使该电动机本身根本起动不起来。l必须采取措施来降低其起动电流，常用的必须采取措
18、施来降低其起动电流，常用的办法是降压起动。办法是降压起动。*软起动器软起动器l当电压降低时，起动电流将随电压成正比当电压降低时，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地降低，从而可以避开起动电流冲击的高峰。峰。l起动转矩与电压的平方成正比，起动转矩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。动时又会出现起动转矩不够的问题。l降压起动只适用于中、大容量电动机空载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。（或轻载）起动的场合。5.3 异步电动机变压变频调速异步电动机变
19、压变频调速l变压变频调速是改变异步电动机同步转速变压变频调速是改变异步电动机同步转速的一种调速方法，同步转速随频率而变化的一种调速方法，同步转速随频率而变化ppnnfn260601115.3.1 变压变频调速的基本原理变压变频调速的基本原理l异步电动机的实际转速异步电动机的实际转速 1111(1)ns nnsnnnl稳态速降稳态速降 1snn 随负载大小变化随负载大小变化 气隙磁通气隙磁通控制控制l只要控制只要控制14.44SgsmNEf N k14.44SsgsmNUEf N k便可控制气隙磁通便可控制气隙磁通 基频以下调速基频以下调速 l当异步电动机在基频（额定频率）以下运当异步电动机在基
20、频（额定频率）以下运行时，如果磁通太弱，没有充分利用电机行时，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，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。严重时还会因绕组过热而损坏电机。l最好是保持每极磁通量为额定值不变。最好是保持每极磁通量为额定值不变。基频以下调速基频以下调速 l当频率从额定值向下调节时，必须使当频率从额定值向下调节时，必须使 14.44SgsNmNEN kf常值l基频以下应采用电动势频率比为恒值的基频以下应采用电动势频率比为恒值的控制方式。控制方式。基频以
21、下调速基频以下调速 l恒压频比的控制方式恒压频比的控制方式 Eg难以确定，当电动势值较高时，忽略定子电难以确定，当电动势值较高时，忽略定子电阻和漏感压降，认为阻和漏感压降，认为gsEU 1sUf常值基频以下调速基频以下调速 l低频补偿（低频转矩提升）低频补偿（低频转矩提升）低频时，低频时， 比较小，定子电阻和漏感比较小，定子电阻和漏感压降所占的份量比较显著，不能再忽略。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，以补偿定子阻人为地把定子电压抬高一些，以补偿定子阻抗压降，称作低频补偿。抗压降，称作低频补偿。负载大小不同，需要补偿的定子电压也不一负载大小不同，需要补偿的定子电压也
22、不一样。样。sgUE和基频以下调速基频以下调速 l通常在控制软通常在控制软件中备有不同件中备有不同斜率的补偿特斜率的补偿特性，以供用户性，以供用户选择。选择。a无补偿无补偿 b带定子带定子电压补偿电压补偿图图5-9 恒压频比控制特性恒压频比控制特性基频以上调速基频以上调速 l在基频以上调速时，频率从向上升高，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，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，最多只能保定子电压不能随之升高，最多只能保持额定电压不变。持额定电压不变。l这将导致磁通与频率成反比地降低，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
23、态。使得异步电动机工作在弱磁状态。变压变频调速变压变频调速 图图5-10 异步电动机变压变频调速的控制特性异步电动机变压变频调速的控制特性5.3.2 变压变频调速时的机械变压变频调速时的机械特性特性l基频以下采用恒压频比控制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异步电动机机械特性方程式改写为22122121)()(3lrlsrsrspeLLsRsRRsUnT22222113psresrlslrn U R sTsRRsLL基频以下调速基频以下调速l当当s很小时，忽略上式分母中含很小时，忽略上式分母中含s各项，各项，2113seprUsTnR则 2113sperUnTRs基频以下
24、调速基频以下调速l对于同一转矩，转速降落基本不变对于同一转矩，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。2111210602reppsR TnsnsnnU 2113sperUnTRs基频以下调速基频以下调速l临界转矩临界转矩 随着频率的降低而减小。随着频率的降低而减小。l当频率较低时，电动机带载能力减弱，采用低频定子压当频率较低时，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。降补偿，适当地提高电压，可以增强带载能力。221121)(123lrlsssspemLLRRUnT221212)(23lrlsssspemLLRRUnT
25、l改写成改写成基频以下调速基频以下调速l转差功率转差功率 与转速无关，故称作转差功率不变型。212213peresmpssTR TPsPnUn2113sperUnTRs基频以上调速基频以上调速l电压不能从额定值再向上提高，只能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保持不变，机械特性方程式可写成l临界转矩表达式临界转矩表达式 2212212)()(3lrlsrsrsNpeLLsRsRsRUnT221212)(123lrlssssNpemLLRRUnT22222113psresrlslrn U R sTsRRsLL基频以上调速基频以上调速l临界转差临界转差 l当当s很小时，
26、忽略上式分母中含很小时，忽略上式分母中含s各项各项 2212)(lrlssrmLLRRs213sNeprUsTnR或或21123repsNR Tsn U基频以上调速基频以上调速l带负载时的转速降落带负载时的转速降落 l对于相同的电磁转矩，角频率越大，转速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，与直流电动机弱降落越大，机械特性越软，与直流电动机弱磁调速相似。磁调速相似。21112210602reppsNR TnsnsnnU 基频以上调速基频以上调速l转差功率转差功率 l带恒功率负载运行时带恒功率负载运行时221123resmepsNR TPsPsTn U转差功率基本不变。转差
27、功率基本不变。221eT常数变压变频调速时的机械特性变压变频调速时的机械特性图图5-11 异步电动机变压变频调速机械特性异步电动机变压变频调速机械特性变压变频调速变压变频调速l在基频以下，由于磁通恒定，允许输在基频以下，由于磁通恒定，允许输出转矩也恒定，属于出转矩也恒定，属于“恒转矩调速恒转矩调速”方式。方式。l在基频以上，转速升高时磁通减小，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，属于上升，允许输出功率基本恒定，属于“近似的恒功率调速近似的恒功率调速”方式。方式。5.3.3 基频以下电压补偿控制基频以下电压补
28、偿控制 l在基频以下运行时，采用恒压频比的控在基频以下运行时，采用恒压频比的控制方法具有控制简便的优点。制方法具有控制简便的优点。l但负载的变化时定子压降不同，将导致但负载的变化时定子压降不同，将导致磁通改变，须采用定子电压补偿控制。磁通改变，须采用定子电压补偿控制。l根据定子电流的大小改变定子电压，以根据定子电流的大小改变定子电压，以保持磁通恒定。保持磁通恒定。5.3.3 基频以下电压补偿控制基频以下电压补偿控制 图图5-12 异步电动机等值电路和感应电动势异步电动机等值电路和感应电动势三种感应电动势三种感应电动势l定子全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
29、 l转子全磁通在转子每相绕组中的感应电动势（折合到定子转子全磁通在转子每相绕组中的感应电动势（折合到定子边）边） 14.44SssmsNEf N k14.44SrsmrNEf N kl气隙磁通在定子每相绕组中的感应电动势气隙磁通在定子每相绕组中的感应电动势 14.44SgsmNEf N k三种磁通三种磁通恒定子磁通控制恒定子磁通控制 l保持定子磁通恒定：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，按的只有定子电压，按l补偿定子电阻压降，就能够得到恒定子磁补偿定子电阻压降，就能够得到恒定子磁通。通。 1/ fEssssEIRU1常值
30、常值恒定子磁通控制恒定子磁通控制 l忽略励磁电流，转子电流忽略励磁电流，转子电流l电磁转矩电磁转矩 2212)(lrlsrsrLLsREI2211221212222113()3()pmsremrlslrsrprlslrnPERTsRLLsEsRnRsLL恒压频比控制时的转矩式恒压频比控制时的转矩式 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。频比控制特性中的同类项。l当转差率当转差率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。或者说，当负载转矩
31、相同时，恒定子磁恒压频比控制方式。或者说，当负载转矩相同时，恒定子磁通控制方式的转速降比恒压频比方式小。通控制方式的转速降比恒压频比方式小。22122121)()(3lrlsrsrspeLLsRsRRsUnT212222113()sreprlslrEsRTnRsLL恒定子磁通控制时的转矩表达式恒定子磁通控制时的转矩表达式恒定子磁通控制恒定子磁通控制 l临界转差率临界转差率 l临界转矩临界转矩 )(1lrlsrmLLRs)(12321lrlsspemLLEnT频率变化时，恒定子磁通控制的临界转矩恒定频率变化时，恒定子磁通控制的临界转矩恒定不变不变 。恒压频比控制时的临界转差率表达式恒压频比控制时
32、的临界转差率表达式 恒定子磁通控制时的临界转差率表达式恒定子磁通控制时的临界转差率表达式2212)(lrlssrmLLRRs)(1lrlsrmLLRs恒压频比控制时的临界转矩表达式恒压频比控制时的临界转矩表达式 恒定子磁通控制时的临界转矩表达式恒定子磁通控制时的临界转矩表达式 )(12321lrlsspemLLEnT比较可知比较可知l恒定子磁通控恒定子磁通控制的临界转差制的临界转差率大于恒压频率大于恒压频比控制方式。比控制方式。l恒定子磁通控恒定子磁通控制的临界转矩制的临界转矩也大于恒压频也大于恒压频比控制方式。比控制方式。221121)(123lrlsssspemLLRRUnT恒气隙磁通控制
33、恒气隙磁通控制 l保持气隙磁通恒定：保持气隙磁通恒定： l定子电压定子电压l除了补偿定子电阻压降外，还应补偿定子除了补偿定子电阻压降外，还应补偿定子漏抗压降。漏抗压降。 1/gEglsssEILjRU11)(常值常值恒气隙磁通控制恒气隙磁通控制 l转子电流转子电流l电磁转矩电磁转矩 2212lrrgrLsREI2 2122 12122122133lrrrgprlrrgpeLsRRsEnsRLsREnT恒气隙磁通控制恒气隙磁通控制 l临界转差率临界转差率 l临界转矩临界转矩 l与恒定子磁通控制方式相比较，恒气隙磁通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，机械控制
34、方式的临界转差率和临界转矩更大，机械特性更硬。特性更硬。 1lrrmLRs21123lrspemLEnT)(1lrlsrmLLRs)(12321lrlsspemLLEnT恒定子磁通控制恒定子磁通控制 恒转子磁通控制恒转子磁通控制 l保持转子磁通恒定：保持转子磁通恒定： l定子电压定子电压l除了补偿定子电阻压降外，还应补偿定除了补偿定子电阻压降外，还应补偿定子和转子漏抗压降。子和转子漏抗压降。 1/rE11()sslslrrURjLLIE常值常值恒转子磁通控制恒转子磁通控制 l转子电流转子电流l电磁转矩电磁转矩 sREIrrr/12122133rrprrrpeRsEnsRsREnT恒转子磁通控制
35、恒转子磁通控制 l机械特性完全是一条直线，可以获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性，这正是高性能交流变频调速所要求的稳态性能。要求的稳态性能。不同控制方式下的机械特性不同控制方式下的机械特性 图图5-13 异步电动机在不同控制方式下的机械特性异步电动机在不同控制方式下的机械特性a）恒压频比控制）恒压频比控制b）恒定子磁通控）恒定子磁通控制制c）恒气隙磁通控）恒气隙磁通控制制 d）恒转子磁通控）恒转子磁通控制制不同控制方式的比较不同控制方式的比较 l恒压频比控制最容易实现，它的变频机械特性基本上是恒压频比控制
36、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。速时需适当提高定子电压，以近似补偿定子阻抗压降。l恒定子磁通、恒气隙磁通和恒转子磁通的控制方式均需恒定子磁通、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。要定子电压补偿，控制要复杂一些。l恒定子磁通和恒气隙磁通的控制方式虽然改善了低速性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。能。但机械特性还是非线性的，仍受到临界转矩的限制。l恒转子磁通
37、控制方式可以获得和直流他励电动机一样的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。线性机械特性，性能最佳。5.4 电力电子变压变频器电力电子变压变频器l异步电动机变频调速需要电压与频率均可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，电力电子器件构成的静止式功率变换器，一般称为变频器。一般称为变频器。5.4 电力电子变压变频器电力电子变压变频器l交交-直直-交变频器：先将恒压恒频的交流电交变频器：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整成直流，再将直流
38、电逆变成电压与频率均为可调的交流，称作间接变频。均为可调的交流，称作间接变频。l交交-交变频器：将恒压恒频的交流电直接变交变频器：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。中间直流环节，称作直接变频。5.4 电力电子变压变频器电力电子变压变频器图图5-14 变频器结构示意图变频器结构示意图a）交）交-直直-交变频器交变频器b）交）交-交交变频器变频器 脉冲宽度调制技术脉冲宽度调制技术l现代变频器中用得最多的控制技术是脉冲现代变频器中用得最多的控制技术是脉冲宽度调制（宽度调制（Pulse Width Modulat
39、ion），简），简称称PWM。l基本思想是控制逆变器中电力电子器件的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。冲序列代替期望的输出电压。5.4.1 PWM变频器主回路变频器主回路图图5-15 交交-直直-交变频器主回路结构图交变频器主回路结构图先将工频交流电源通过不可控整流桥变换成直流，再通过逆变器变换成可控频率和电压的交流。中间的滤波环节为减少直流电压脉动而设置。面积等效原理面积等效原理 是是PWM控制技术的重要理论基础。
40、控制技术的重要理论基础。 原理内容：冲量相等而形状不同的窄原理内容：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。本相同。 冲量即指窄脉冲的面积。冲量即指窄脉冲的面积。 效果基本相同，是指环节的输出响效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。应波形基本相同。5.4.2正弦波脉宽调制技术正弦波脉宽调制技术用用PWM波代替正弦半波波代替正弦半波 将正弦半波看成是由将正弦半波看成是由N个彼个彼此相连的脉冲宽度为此相连的脉冲宽度为 /N，但幅，但幅值顶部是曲线且大小按正弦规律值顶部是曲线且大小按正弦规律变化的脉冲序列组成的。变化的脉冲序列组成
41、的。 把上述脉冲序列利用相同数把上述脉冲序列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积脉冲和相应的正弦波部分面积（冲量）相等，这就是（冲量）相等，这就是PWM波波形。形。 按照波形面积相等的原则，每一个矩形波的面积与相应位置的正弦波面积相等，因而这个序列的矩形波与期望的正弦波等效。这种调制方法称作正弦波脉宽调制（Sinusoidal pulse width modulation，简称SPWM），这种序列的矩形波称作SPWM波。 应用P
42、WM控制技术的变压变频器一般都是电压源型的，它可以按需要方便地控制其输出电压，为此前述的PWM控制技术都是以输出电压近似正弦波为目标的。电流波形则因为负载的性质和大小而异。 但是，在电流电机中，实际需要保证的应该是正弦波电流，因为在交流电机绕组中只有通入三相平衡的正弦电流才能使合成的电磁转矩为恒定值，不含脉动分量。因此，若能对电流实行闭环控制，以保证其正弦波形，显然将比电压开环控制能够获得更好的性能。 5.4.4 电流跟踪电流跟踪PWM（CFPWM）控制技术）控制技术l电流跟踪电流跟踪PWM（CFPWM，Current Follow PWM）的控制方法是：在原来主回）的控制方法是：在原来主回路
43、的基础上，采用电流闭环控制，使实际电路的基础上，采用电流闭环控制，使实际电流快速跟随给定值。流快速跟随给定值。l在稳态时，尽可能使实际电流接近正弦波在稳态时，尽可能使实际电流接近正弦波形，这就能比电压控制的形，这就能比电压控制的SPWM获得更好的获得更好的性能。性能。图图5-19 电流滞环跟踪控制的电流滞环跟踪控制的A相原理图相原理图l电流控制器是带滞环的比较器，环宽为电流控制器是带滞环的比较器，环宽为2h。将给定电流。将给定电流与输出电流进行比较，电流偏差超过与输出电流进行比较，电流偏差超过h时，经滞环控制时，经滞环控制器器HBC控制逆变器上（或下）桥臂的功率器件动作，控制逆变器上（或下）桥
44、臂的功率器件动作，使输出电流给定值之间的偏差保持在范围内，在正弦波上下作锯齿状变化。电流滞环跟踪控制时的电流波形n 问题的提出 经典的SPWM控制主要着眼于使变压变频器的输出电压尽量接近正弦波，并未顾及输出电流的波形。而电流滞环跟踪控制则直接控制输出电流，使之在正弦波附近变化，这就比只要求正弦电压前进了一步。然而交流电动机需要输入三相正弦电流的最终目的是在电动机空间形成圆形旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩。5.4.5 电压空间矢量电压空间矢量PWM（SVPWM）控制技术）控制技术l把逆变器和交流电动机视为一体，把逆变器和交流电动机视为一体，以圆形以圆形旋转磁场为目标来控制逆变器的工作旋转磁场为
45、目标来控制逆变器的工作，这种，这种控制方法称作控制方法称作“磁链跟踪控制磁链跟踪控制”，磁链轨迹，磁链轨迹的控制是通过交替使用不同的电压空间矢量的控制是通过交替使用不同的电压空间矢量实现的，所以又称实现的，所以又称“电压空间矢量电压空间矢量PWM（SVPWM，Space Vector PWM）控制）控制”。 A，B，C分别表示在空间静止不动的电机定子三相绕组的轴线，它们在空间互差120o 三相定子相电压分别加在三相绕组上，可定义为三个电压空间矢量uA0， uB0 ， uC0 。 电压空间矢量 1. 空间矢量的定义 电压空间矢量的相互关系n定子电压空间矢量：uA0 、 uB0 、 uC0 的方向
46、始终处于各相绕组的轴线上，而大小则随时间按正弦规律脉动，时间相位互相错开的角度也是120。电压空间矢量的相互关系（续）sAOBOCOuuuun合成空间矢量：由三相定子电压空间矢量相加合成的空间矢量 us 000AOBOCOuuu的合成矢量的合成矢量 与定子电压空间矢量相仿，可以定义定子电流和与定子电压空间矢量相仿，可以定义定子电流和磁链的空间矢量磁链的空间矢量 Is 和和s 。2. 电压与磁链空间矢量的关系 l定子电流空间矢量定子电流空间矢量 sAOBOCOiiiisAOBOCOl定子磁链空间矢量定子磁链空间矢量 d+dAOsRtAOAOuid+dBOsRtBOBOuid+dCOsRtCOCO
47、ui每一相的电压平衡方程式（由法拉第电磁感应定律推出）d+d+d+()+dAOBOCOsRtAOBOCOAOBOCOuuui+ i+ i三相的电压平衡方程式相加sAOBOCOuuuusAOBOCOiiiisAOBOCOsss sddRtui2. 电压与磁链空间矢量的关系 sss sddRtui式中 us 定子三相电压合成空间矢量； is 定子三相电流合成空间矢量；s 定子三相磁链合成空间矢量。 合成空间矢量表示的电压方程式为 近似关系 当电动机转速不是很低时，定子电阻压降所占的成分很小，可忽略不计，则定子合成电压与合成磁链空间矢量的近似关系为 t ddssu t dssu或 磁链轨迹 当电动机
48、由三相平衡正弦电压供电时，电动机定子磁链幅值恒定，其空间矢量以恒速旋转，磁链矢量顶端的运动轨迹呈圆形（一般简称为磁链圆）。这样的定子磁链旋转矢量可用下式表示。tj1ems其中 m是磁链s的幅值，1为其旋转角速度。合成磁势矢量的端点轨迹是个圆，。.查烽炜电机及拖动（第4版）顾绳谷电机与拖动网页Ac-motor.swf)2(m1m1ms111ee)e(ddtjtjtjjtu上式表明，当磁链幅值一定时，us的大小与供电电压频率1成正比，其方向则与磁链矢量正交，即磁链圆的切线方向， 磁场轨迹与电压空间矢量运动轨迹的关系 如图所示，当磁链矢量在空间旋转一周时，电压矢量也连续地按磁链圆的切线方向运动2弧度
49、，其轨迹与磁链圆重合。 这样，电动机旋转磁场的轨迹问题就可转化为电压空间矢量的运动轨迹问题。 旋转磁场与电压空间矢量的运动轨迹3. 正六边形空间旋转磁场 （1）电压空间矢量运动轨迹 在变压变频调速系统中异步电机由三相PWM逆变器供电，供电电压和三相平衡正弦电压有所不同，三相逆变器-异步电动机调速系统主电路的原理图如下。为了便于理解，图中六个功率开关器件都用开关符号代替。 三相逆变器三相逆变器-异步电动机调速系统主电路原理图异步电动机调速系统主电路原理图 电机正常工作需要三相同时供电，所以在任一时刻一定有处于不同桥臂下的三个器件同时导通，而相应桥臂的另三个器件则处于关断状态。“上管导通上管导通
50、“1 1”状态状态 “下管导通下管导通 “0”状态。状态。 对应于对应于111111和和000000这两个状这两个状态的矢量，态的矢量，称为零矢量，称为零矢量，零矢量的幅零矢量的幅值为零。其值为零。其余六种开关余六种开关状态为非零状态为非零矢量。矢量。开关工作状态n6 种有效开关状态；n2 种无效状态（因为逆变器这时并没有输出电压）：u上桥臂开关 VT1、VT3、VT5 全部导通u下桥臂开关 VT2、VT4、VT6 全部导通n开关控制模式 输出的每个周期中6 种有效的工作状态各出现一次。逆变器每隔2/6 （/3 ）时刻就切换一次工作状态（即换相），而在这 /3 时刻内则保持不变。 n设工作周期
