1、电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统 运动控制系统运动控制系统第第5章章基于稳态模型的异基于稳态模型的异步电动机调速系统步电动机调速系统 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在基于稳态模型的异步电动在基于稳态模型的异步电动机调速系统中，采用稳态等值电机调速系统中，采用稳态等值电路来分析异步电动机在不同电压路来分析异步电动机在不同电压和频率供电条件下的转矩与磁通和频率供电条件下的转矩与磁通的稳态关系和机械特性，并在此的稳态关系和机械特性，并在此基础上设计异步电动机调速系统。基础上设计异步电动机调速系统。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
2、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。内内 容容 提提 要要n异步电动机稳态数学模型和调速方法异步电动机稳态数学模型和调速方法n异步电动机调压调速异步电动机调压调速n异步电动机变压变频调速异步电动机变压变频调速n电力电子变压变频器电力电子变压变频器n转速开环变压变频调速系统转速开环变压变频调速系统n转速闭环转差频率控制的变压变频调速转速闭环转差频率控制的变压变频调速系统系统5.1 异步电动机稳态数学模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
3、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s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。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
4、动机T型等效电路型等效电路假定条件：假定条件：忽略空间和时间谐波，忽略空间和时间谐波，忽略磁饱和，忽略磁饱和，忽略铁损忽略铁损异步电动机稳态等效电路异步电动机稳态等效电路式中式中 l转子相电流（折合到定子侧）转子相电流（折合到定子侧） 212121lrlsrssrLCLsRCRUImlsmlssLLLjLjRC11111异步电动机稳态等效电路异步电动机稳态等效电路图图5-2 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电磁功率异步电
5、动机的电磁功率 异步电动机将电能转换成机械能及中间的一切损耗过程如下：输入电动机的三相总功率： p1=3U1I1COS1；U1和I1为相电压和相电流。定子绕组中的铜损耗：pCu1=3I12r1； r1为定子每相电阻。定子绕组中的铁芯损耗为pFe；则传送到转子的电磁功率Pm为：Pm=P1-(PCu1+PFe)转子绕组中的铜损耗：pCu=3I2r； r为转子每相电阻。因为转子交变磁化的频率f2=Sf1很小，转子的铁损耗也很小，所以可以忽略不计。转子的机械功率Pmech，即旋转着的转子产生的功率是由定子传输到转子的电磁功率Pm减去转子绕组的铜损耗pCu得到的，即：Pmech=Pm- pCu 电磁功率
6、可用磁场旋转的角速度1=(2n1)/60与单位为牛顿米(Nm)的电磁力矩来表示：Pm=1T 这个功率传到转子。由于作用在转子上的力矩(转矩)和作用在定子上的力矩(转矩)是相等的，所以转子给出的全部机械功率为：Pmech=T； =(2n)/60，为转子旋转的角速度。非常明显：pCu=3I2rPm-Pmech=(1-)T =(1-)/1T1=sPm。所以：Pm=3I2r/s。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
7、方程式异步电动机的电磁转矩（机械特性方程式 ）22122122212122 113/33lrlsrsrsplrlsrsrsprrpmmeLLsRsRsRUnLLsRRsRUnsRInPT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最大转矩，又称临界转矩最大转矩，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l临界转差率：对应最大转矩的转差率临界转差率：对应最大转矩的转差率2212)(lrlssrmLLRRs异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性将机械特性方程式分母展开将机械特性方程式分母展开2
8、222222112222222113232psresrsrlslrpsrlslrssrrn 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，机械特性近似为直成正比，机械特性近似为直线线 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
9、U RTss RLL异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性图图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 异步电动机由额定电压、额定频率供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。程式，称作固有特性或自然特性。所谓调速，就是人为地改变机械特性所谓调速，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，
10、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
11、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不变，只改保持电源频率为额定频率不变，只改变定子电压的调速方法称作调压调速。变定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，定子电压的额定电压只能降低，不能定子电压的额定电压只能降低，不能升高，故又称作降压调速。升高，故又称作降压调速。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
12、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 k异步电动机调压调速方案异步电动机调压调速方案n晶闸管交流调压器：晶闸管交流调压器：在恒定交流电源与电动机之间接入晶闸管，通过控制晶闸管的导通角，可以调节电动机的端电压，从而实现调速。n交流调压器与可控整流器一样都是利用相位控制，在工作原理上有其相似之处，只是在带交流电机负载的波形分析、双向晶闸管的触发控制等有其特殊性。5.2.1 异步电动机调压调速的异步电动机调压调速的
13、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而根据临界转差率表达式，调压时其值而根据临界转差率表达式，调压时其值也保持不变也保持不变 当当Te=0时,s=0,
14、故调压时故调压时理想空载转理想空载转速保持为同步转速不变。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而临界转矩的变化而临界转矩的变化 221212)(23lrlsssspemLLRRUnTl 随定子电压的减小而成平方比地下随定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
15、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。
16、 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。11LsmmLpTPsPsTsn5.2.2 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如果增加转子电阻值，可使临界转差率
17、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。l缺点是机械特性较软。 图图5-6 高转子电阻电动机高转子电阻电动机（交流力矩电动机）在不（交流力矩电动机）在不同电压下的机械特性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采用普通异步电动机降压调速时，调速范围很小；采用高转子电阻电机可以增大调速范围，但机械特性变软，开环控制很难解决这个矛盾。如果要求带恒转矩负载的调压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
18、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当系统带负载稳定运行于点时，如果负载增大引起转速下降，反馈控制作用会自动提高定子电压，使闭环系统工作在新的A点上。同理，当负载减小时，反馈控制作用会降低定子电压，使闭环系统工作在A点上。所以，无论转速下降或上升，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。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。当负载变化时，如果电压调节到极限，闭环系统便失去控
19、制能力，系统的工作点沿着极限开环特性变化。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。2212lrlsrssrstsstLLRRUII2222113psrestsrlslrn U RTRRLL*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
20、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
21、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。*5.2.4降压控制应用降压控制应用l三相异步电动机运行时的总损耗三相异步电动机运行时的总损耗 smechCurFeCusppppppl电机的运行效率电机的运行效率 pPPPP2212*轻载降压运行轻载降压运行l为了减少轻载时的能量损耗，降低定子电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，这样可以同时降低压可以降低气隙磁通，这样可以同时降低铁损和励磁电流。铁损和励磁电流。l过分降低电压和磁通，转子电流必然增大，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，铁损的降低将被定子电流反而可能
22、增加，铁损的降低将被铜损的增加填补，效率反而更差了。铜损的增加填补，效率反而更差了。l当负载转矩一定时，轻载降压运行有一个当负载转矩一定时，轻载降压运行有一个最佳电压值，此时效率最高。最佳电压值，此时效率最高。5.3 异步电动机变压变频调速异步电动机变压变频调速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
23、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只要控制好只要控制好Eg和和f1，即，即14.44SgsmNEf N k14.44SsgsmNUEf N k便可到达控制气隙磁通便可到达控制气隙磁通m m的目的。的目的。 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
24、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即在基频以下应采用电动势频率比为恒即在基频以下应采用电动势频率比为恒值的控制方式。然而，异步电动机绕组中值的控制方式。然而，异步电动机绕组中的电动势是难以直接检测与控制的。实际的电动势是难以直接检测与控制的。实际中，采用恒压频比控制。中，采用恒压频比控制。基频以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 当电动势值较高时，即高频时，忽略定子当电动势值较高时，即高频时，忽
25、略定子电阻和漏感压降，电阻和漏感压降，gsEU 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。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，频率从额定值向上升高时，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
26、多只能保持额定电压不变。l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)()(3lrlsrsrspeLLsRsRRsUnT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，即即sRsUnTrspe1213或或 2113sperUnTRs基频以下调
27、速基频以下调速l对于同一转矩，当对于同一转矩，当(Us/1)为恒值时，转速降落基本不变，即转速降落基本不变，即也就是说，在恒压频比的条件下把频率从额定值向下调节时，机械特性基本上是平行下移的。2111210602reeppsR TnsnsTnnU 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。当频率较低时，电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，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。适当地提高电压，可以增强带载能力。221121)(123lrlsssspemLLRRUnT基频以下调速基频以下调速l转
28、差功率转差功率 与转速无关，故称作转差功率不变型。21213resmespR TPsPsTUn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)(123lrlssssNpemLLRRUnT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，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21123repsN
29、R 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
30、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，允许输出转矩也恒定，属于“恒转矩调速”方式。l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。5.3.3 基频以下电压补偿控制基频以下电压补偿控制 l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。l但负载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。l根据定子电流的大小改变定子电压，以保持磁通恒定。5.3.3 基频以下电压补偿控制基频以下电压补偿控制 l为了使参考极为了使参考极性与电动状态性与电动状态下的实际极性下的实际极性相吻合
31、，感应相吻合，感应电动势采用电电动势采用电压降的表示方压降的表示方法，由高电位法，由高电位指向低电位。指向低电位。 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磁通三种磁通l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 kl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 l转子全磁通在转子每相绕组中的感应电动势转子全磁通在转子每相绕组中的感应电动势 14.44SssmsNEf N k14.44SrsmrNEf N k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
32、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通过提高定子端电压，适当地补偿定子电通过提高定子端电压，适当地补偿定子电阻压降，以保持阻压降，以保持(Es/f1)=常值，常值，就能够得就能够得到恒定子磁通。到恒定子磁通。 1/ fEssssEIRU1常值常值恒定子磁通控制的机械特性恒定子磁通控制的机械特性 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)(lrlsrsrLLsREI22122 121221221)(3)(3lrlsrrsprlrlsrspeLLsRRsEnsRLLsREnT恒定
33、子磁通控制的机械特性恒定子磁通控制的机械特性 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。式的分母小于恒压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。的电磁转矩大于恒压频比控制方式。22122121)()(3lrlsrsrspeLLsRsRRsUnT恒定子磁通控制的机械特性恒定子磁通控制的机械特性 l临界转差率临界转差率 l临界转矩临界转矩 )(1lrlsrmLLRs)(12321lrl
34、sspemLLEnT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 。恒定子磁通控制恒定子磁通控制 比较可知比较可知l恒定子磁通控制的临界转差率大恒定子磁通控制的临界转差率大于恒压频比控制方式。于恒压频比控制方式。l恒定子磁通控制的临界转矩也大恒定子磁通控制的临界转矩也大于恒压频比控制方式。于恒压频比控制方式。l恒定子磁通恒定子磁通msms控制的机械特性如控制的机械特性如图图5-13b5-13b所示。所示。恒气隙磁通控制恒气隙磁通控制 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
35、，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的机械特性恒气隙磁通控制的机械特性 l转子电流转子电流l电磁转矩电磁转矩 2212lrrgrLsREI2 2122 12122122133lrrrgprlrrgpeLsRRsEnsRLsREnT恒气隙磁通控制的机械特性恒气隙磁通控制的机械特性 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，机械控制方式的临界转差率和临界转矩更大，机械特性更硬。机械特性如图特性更硬。机械特性如图5-13c所示
36、。所示。1lrrmLRs21123lrspemLEnT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的机械特性恒转子磁通控制的机械特性 l转子电流转子电流l电磁转矩电磁转矩 sREIrrr/12122133rrprrrpeRsEnsRsREnT恒转子磁通控制的机械特性恒转子磁通控制的机械特性 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
37、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。机械特性如图要求的稳态性能。机械特性如图5-13d所示。所示。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，能特性基本上是
38、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。高定子电压，以近似补偿定子阻抗压降。不同控制方式下的比较不同控制方式下的比较l恒定子磁通、恒气隙磁通和恒转子磁通的恒定子磁通、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，控制要复控制方式均需要定子电压补偿，控制要复杂一些。杂一些。l恒定子磁通和恒气隙磁通的控制方式虽然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。的，仍受到临界转矩的限制。l恒转子磁通控制方式可以获得和直
39、流他励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。电动机一样的线性机械特性，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现有的交流供电电源都是恒压恒频的，必须通过变频装置，才能获得变压变频的电源，这样的装置通称为变压变频装置(VVVF)。l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。5.4 电力电子变压变频器电力电子变压变频器l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。l交-交变频器：将恒压恒频的交流电直接变换为电
40、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。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 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5.4.1 PWM变频器主回路变频器主回路l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。l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。l中间的滤波环节是为了减小直流电压脉动而设置的。5.4.1 PWM变频器主回路变频器主回路l主回路只有一套可控功率级，具
41、有结构、控制方便的优点，采用脉宽调制的方法，输出谐波分量小。l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。直流母线供电直流母线供电l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。l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。直流母线供电直流母线供电图图5-16 直流母线方式的变频器主回路结构图直流母线方式的变频器主回路结构图5.4.2正弦波脉宽调制技术正弦波脉宽调制技术n现代变频器中用得最多
42、的控制技术是脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation），简称PWM。n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。5.4.2正弦波脉宽调制技术正弦波脉宽调制技术l以频率与期望的输出电压波相同的正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。多的等腰三角波作为载波。l由它们的交点确定逆变器开关器件的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、宽度按通断时刻，从而获得幅值相等、宽度按正弦规律变化
43、的脉冲序列，这种调制方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（法称作正弦波脉宽调制（Sinusoidal pulse Width Modulation，简称，简称SPWM）。）。SPWM逆变器的工作原理n把一个正弦半波分做N等分，如下图（N7）；n然后把每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的等高矩形脉冲来代替；n矩形脉冲的中点与正弦波每一等分的中点重合。 这样，由N个等幅而不等宽的矩形脉冲所组 成的波形就与正弦的半周等效。同样，正弦波的负半周也可以用相同的方法来等效 。与正弦波等效的等幅矩形脉冲序列波 在实际中，我们采用“调剂调剂”的方法，以频率比期望波高得
44、多的等腰三角波作为载波载波(Carrier wave)，并用频率和期望波相同的正弦波作为调制波调制波(Modulation wave)，当调制波与载波相交时，由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得在正弦调制波的半个周期内呈两边窄中间宽的一系列等幅不等宽的矩形波。SPWM控制方式单极性控制方式单极性控制方式在正弦调制波的半个周期内，三角载波只在正或负的一种极性范围内变化，所得到的SPWM波也只处于一个极性的范围内。双极性控制方式双极性控制方式在正弦调制波半个周期内，三角载波在正负极性之间连续变化则SPWM波也是在正负之间变化。单极性控制方式双极性控制方式图图5-17 三相三相PWM逆
45、变器双极逆变器双极性性SPWM波形波形a) 三相正弦调制波与三相正弦调制波与双极性三角载波双极性三角载波b）、）、c）、）、d）三相）三相电压电压e）输出线电压）输出线电压f）电动机相电压）电动机相电压SPWM波形控制方法的实现 SPWM的控制就是根据三角载波与正弦调制波的交点来确定逆变器功率开关器件的开关时刻,可以用模拟电子电路、数子电子电路或专用的大规模集成电路芯片等硬件实现，也可以使用微型计算机通过软件生成SPWM波形。开始使用SPWM技术时，多采用振荡器、比较器等模拟电路，由于所用元件多，控制线路复杂，控制精度也难以保证，在微电子技术迅速发展的今天，以微机为基础的数字控制方案日益被人们
46、采纳，提出了多种SPWM波形的软件生成方法，其中最常用的有自然采样法和规则采样法。M3参 考 信 号发 生 器三角 波 振荡 器CUSVT1VT3VT4VT6VT5VT2ABC驱动VT1VT6rburaurcudaudbudcutua)b)SPWM变频器电路原理框图 SPWM波形的数字采样法-自然采样法自然采样法 根据SPWM逆变器的工作原理，当载波比为N时，在逆变器输出的一个周期内，正弦调制波与三角载波应有2N个交点，或者说，三角载波变化一个周期之间，它与正弦波相交两次，相应地逆变器功率器件导通与关断各一次。要准确生成这样的SPWM波形，就得尽量精确计算功率器件的导通时刻和关断时刻。功率器件
47、导通区间就是脉冲宽度，其关断区间就是脉冲的间隙时间。SPWM波形的数字采样法-自然采样法自然采样法 按照正弦波与三角波的交点进行脉冲宽度与间隙时间的采样，从而生成SPWM波形 ，叫做自然采样法。如下图所示，在图中截取了任意一段正弦调制波与三角载波一个周期的相交情况。交点A是发生脉冲的时刻，B点是结束脉冲的时刻。在三角载波的一个周期时间Tc内，点和点之间的时间t2是逆变器功率开关器件导通工作的区间，称为脉宽时间。而其余的时间均为器件的关断工作区间，称为间隙时间，它在脉宽时间前后各有一段，分别用t1和t3表示。即，脉宽时间：t2；间隙时间：t1+t3 ；周期时间：Tct1+t2+t3。DCAFBC
48、BAEtFEtBDtt2t2t2t4t1t1t3t3Tct tAtA 在上式中，除了Tc、M、1为已知外，tA和tB都是未知数，难以求解，这是由于两波形交点的任意性造成的。此外，由于SPWM脉冲波形相对于三角波并不对称,t1t3，这也增加了实时分别计算的困难。因此，自然采样法虽然能真实地反映脉冲的产生与结束时刻，却对用于实时控制增加了困难。为了弥补自然采样法的不足，人们一直在寻找工程实用的采样方法，力求采样效果尽量接近自然采样法，其中应用比较广泛的是规则采样法。这种方法的着眼点就是使SPWM波形的每一个脉冲都与三角载波的中心线对齐，而且两侧的间隙时间相等,即t1=t3，从而使计算量大为减少。S
49、PWM波形的数字采样法-规则采样法规则采样法原理在三角载波的每一个周期的固定时刻，找到正弦调制波上对应的电压值，就用此值对三角波进行采样，以决定功率开关元件的导通和关断时刻，而不管在采样点上正弦波与三角载波是否相交。在下图规则采样法规则采样法中：按照自然采样法求得的交点A和B，对应的SPWM脉宽为t2，为了简化计算，采用近似的求交点的方法，即通过两个三角波峰之间中线与调制波ur的交点作水平线与两个三角波分别相交于A和B点，采样时刻为tF，由交点A和B确定的SPWM的脉宽为t4。显然，t2与t4数值很相近。规则采样法就是用交点A和B代替自然采样法中的交点和，用以确定SPWM信号的。由于A和B两点
50、对三角波中心线是对称的，即t1=t3，所以只要将自然采样法中t1、t3中的tA和tB用tF代替，就可以直接写出规则采样法的脉宽计算公式)sin21 (2142FctMTtt)(21431tTttc脉宽时间：间隙时间：DCAFBCBAEtFEtBDtt2t2t2t4t1t1t3t3Tct tA 根据上述采样原理和计算公式，可以用计算机实时控制产生SPWM波形，具体实现方法有： 查表法可以先离线计算出相应的脉宽t4等数据存放在内存中，然后在调速系统实时控制过程中通过查表和加、减运算求出各相脉宽时间和间隙时间。实时计算法事先在内存中存放正弦函数和Tc/2值，控制时先查出正弦值，与调速系统所需的调制度
