1、第第 2 篇篇交流调速系统交流调速系统交流调速系统的执行机构交流调速系统的执行机构-交流电动机交流电动机-+控制器 信号处理 功率执行装置 传感器 电机及拖动对象 概概 述述 直流调速系统的缺点：直流调速系统的缺点：(1)直流电机结构复杂；(2)换向器的换向能力限制了直流电机的容量及速度，极限容量与速度乘积为106kWr/min；(3)换向火花限制了直流电机的应用环境；(4)直流电机效率低直流电机的大部分功率都是通过换向器流入电枢，转子发热多；(5)维护麻烦。一、为什么要开发交流调速系统？一、为什么要开发交流调速系统？交流调速系统的优越性：交流调速系统的优越性：（1）大功率负载场合大功率负载场
2、合：如电力机车、卷扬机等系统中。在（6kV-10kV）调速系统中，目前只能采用交流调速。（2）在对在对“功率功率/重量重量”比、比、“功率功率/体积体积”比要求高比要求高的领域的领域，如电动自行车、电动汽车、飞机中的电机拖动等。（3）高速运行场合高速运行场合：如高速磨头、离心机、高速电钻等的控制中，转速达上万转。交流电机转动惯量小，交流调速系统可满足高速运行的要求。（4）易燃、易爆、多尘的场合易燃、易爆、多尘的场合，不需过多维护。问题：问题：交流调速系统如此优越，为什么最近四十几交流调速系统如此优越，为什么最近四十几年才发展起来？年才发展起来？交流调速方法的复杂性和受限于当时技术水平的实现难度
3、。交流调速系统的难点和复杂性（续）交流调速系统的难点和复杂性（续）p 调速装置中器件发展的限制调速装置中器件发展的限制：调速装置中两大组成部分：控制器和变频器，控制调速装置中两大组成部分：控制器和变频器，控制器微处理器的发展提供了复杂运算的可能，变频器器微处理器的发展提供了复杂运算的可能，变频器功率器件近五十年更新了五代，适应高速变频调速功率器件近五十年更新了五代，适应高速变频调速的要求。的要求。p 调速系统的精度和成本的限制：调速系统的精度和成本的限制：新的控制理论新的控制理论新的器件新的器件新的控新的控制系统制系统直流调速系统已经成熟！直流调速系统已经成熟！交流调速系统的应用领域交流调速系
4、统的应用领域o 一般性能调速和节能调速o 高性能的交流调速系统和伺服系统o 特大容量、转速极高的交流调速交流调速系统主要种类交流调速系统主要种类-按电机分按电机分o 异步电动机o 同步电动机 永磁同步电机 无刷直流电机 o 特种电机 步进电机 磁阻电机异步电动机的调速方法 按照转差功率是否增大，能量是被消耗还是被按照转差功率是否增大，能量是被消耗还是被利用，分为三类利用，分为三类 转差功率消耗型（定子降电压、转子串电阻）转差功率消耗型（定子降电压、转子串电阻）转差功率馈送型（转差功率馈送型（串级调速，第八章串级调速，第八章）转差功率不变型（转差功率不变型（变压变压 变频（变频（24个课时，个课
5、时，8次）次），变极对数），变极对数）同步电机同步电机的转速公式：同步电动机变压变频（同步电动机变压变频（第九章第九章）：他控变频调速）：他控变频调速和自控变频调速和自控变频调速目前高端伺服领域同步电动机占主导！目前高端伺服领域同步电动机占主导！pnfnn/6011o 重点内容是异步电动机采用变压变频调速控制方法，如何构成运动控制系统实现调速控制？以性能提高为主线o 性能一般的开环系统o 性能一般的闭环系统o 高动态性能的n异步电动机变压和变压变频控制策略包括：异步电动机变压和变压变频控制策略包括：基于稳态模型的控制策略（第六章）基于稳态模型的控制策略（第六章）控制规律简单，动态性能不高，至今
6、在一般调速系统中普遍应用。基于动态模型的控制策略（第七章）基于动态模型的控制策略（第七章）依据电机的动态模型，用于高性能的调速系统中。n绕线转子异步电动机串级和双馈调速（第八章）绕线转子异步电动机串级和双馈调速（第八章）n同步电动机变频调速系统同步电动机变频调速系统第六章（开环系统和一般性能闭环）第六章（开环系统和一般性能闭环）o 6.1 异步电动机的稳态数学模型和调速方法异步电动机的稳态数学模型和调速方法o 6.2 异步电动机的调压调速异步电动机的调压调速o 6.3 异步电动机的变压变频调速（最常用调速方异步电动机的变压变频调速（最常用调速方法）法）o 6.4 电力电子变压变频器（交流电源，
7、电力电子变压变频器（交流电源，SVPWM）o 6.3 转速开环变压变频调速系统（一般性能的闭转速开环变压变频调速系统（一般性能的闭环系统）环系统）o 6.4 转速闭环转差频率控制的变压变频调速系统转速闭环转差频率控制的变压变频调速系统（一般性能的闭环系统（一般性能的闭环系统,闭环控制的原理闭环控制的原理）第七章（高动态性能）第七章（高动态性能）o 异步电动机的动态数学模型和坐标变换异步电动机的动态数学模型和坐标变换o 异步电动机按转子磁链定向的矢量控制系异步电动机按转子磁链定向的矢量控制系统统o 异步电动机按定子磁链控制的直接转矩控异步电动机按定子磁链控制的直接转矩控制系统制系统第五章（开环系
8、统和一般性能闭环）第五章（开环系统和一般性能闭环）o 6.1 异步电动机的稳态数学模型和调速方法异步电动机的稳态数学模型和调速方法o 6.2 异步电动机的调压调速异步电动机的调压调速o 6.3 异步电动机的变压变频调速（最常用调速方异步电动机的变压变频调速（最常用调速方法）法）o 6.4 电力电子变压变频器（交流电源，电力电子变压变频器（交流电源，SVPWM）o 6.3 转速开环变压变频调速系统（一般性能的闭转速开环变压变频调速系统（一般性能的闭环系统）环系统）o 6.4 转速闭环转差频率控制的变压变频调速系统转速闭环转差频率控制的变压变频调速系统（一般性能的闭环系统（一般性能的闭环系统,闭环
9、控制的原理闭环控制的原理）异步电动机的工作原理o 思考异步电动机通电之后的如何转动起来？五五 异步电动机的主要额定值异步电动机的主要额定值o 额定功率：指电机在额定运行时，转轴上输额定功率：指电机在额定运行时，转轴上输出的机械功率出的机械功率PNo 额定电压额定电压UN线电压线电压o 额定电流额定电流IN线电流线电流o 额定转速额定转速nNo 额定功率因数额定功率因数 o 额定频率额定频率运动运动控制系统控制系统第第6章章基于稳态模型的异步电基于稳态模型的异步电动机调速系统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l 在基于稳态模型的异步电动机调速系在基于稳态模型的异
10、步电动机调速系统中，采用稳态等值电路来分析异步统中，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条件下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机械特性，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电动机调速系并在此基础上设计异步电动机调速系统。统。6.1 从机械特性出发从机械特性出发-异步电动机调异步电动机调速方法速方法p 异步电动机稳态等值电路（在一定的转差率下异步电动机稳态等值电路（在一定的转差率下电动机的稳态电气特性）电动机的稳态电气特性）p 机械特性（电机输出转矩与转差率（或转速）机械特性（电机输出转矩与转差率（或转速）的稳态关系）的稳态关系）p 两种
11、调速方法：调压调速，变频调速两种调速方法：调压调速，变频调速p 注：每种调速方法的机械特性，工作效率！思注：每种调速方法的机械特性，工作效率！思考背后的物理原因！考背后的物理原因！6.1.1异步电动的机械特性异步电动的机械特性o 在三个假定条件下：在三个假定条件下：忽略空间和时间谐波，（各忽略空间和时间谐波，（各电压电流量均为正弦量）电压电流量均为正弦量）忽略磁饱和（电感参数为常忽略磁饱和（电感参数为常数）数）忽略铁损（忽略激磁回路的忽略铁损（忽略激磁回路的电阻）电阻）o 异步电动机的稳态模型可异步电动机的稳态模型可以用以用T型等效电路表示：型等效电路表示：mLsRlsLlrLsUsI0IsR
12、r1rI图图6-1 异步电动机异步电动机T型型等效电路等效电路参数定义参数定义n Rs、Rr 定子每相电阻和折合到定子侧的 转子每相电阻；n Lls、Llr 定子每相漏感和折合到定子侧的 转子每相漏感；n Lm定子每相绕组产生气隙主磁通的 等效电感，即励磁电感；n Us、1 定子相电压和电源角频率；n s 转差率转差率。6.1.1异步电动机机械特性异步电动机机械特性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转子相电流（折合到定子侧）转子相电流（折合到定子侧）2121
13、21lrlsrssrLCLsRCRUImlsmlssLLLjLjRC11111式中式中（6-3）电流简化公式电流简化公式 一般情况下，LmLl1，C1 1，相当于忽略励磁电流。则电流公式可简化成2lrls212rssrsLLsRRUII异步电动机简化等效电路异步电动机简化等效电路o 忽略励磁电流，得到简化等效电路忽略励磁电流，得到简化等效电路图图6-2 异步电动机简化等效电路异步电动机简化等效电路sRlsLlrLsUsIsRr1rI 电磁转矩电磁转矩公式公式电磁功率电磁功率 Pm=3Ir2 Rr/s 同步机械角速度同步机械角速度 m1=1/np式中式中 np 极对数，异步电机的电磁转矩极对数，
14、异步电机的电磁转矩：式（6-5）即异步电机的机械特性方程式。即异步电机的机械特性方程式。2ppsr2rer2212r1s1lslr2mmpsr22221sr1ls1lr33/3Pnn U RsRTIsRRLLsn U R ssRRsLL临界转差率和临界转矩临界转差率和临界转矩 o 将式（将式（6-5）对）对s求导，并令求导，并令临界转差率临界转差率o 临界转矩临界转矩 2212)(lrlssrmLLRRs221212)(23lrlsssspemLLRRUnT0dsdTe（6-6）（6-7）机械特性o s很小时，忽略定子电阻与电感压降，o 当s很小时，转矩近似与s成正比，机械特性近似为一段直线，
15、22222221132psrelslrssrrn U R sTLLsR ssR RR213psern U sTsRsRlsLlrLsUsIsRr1rIsmnn0sTe100TeTemaxTemaxo 当s较大时，忽略分母中s的一次项和零次项（忽略转子电阻影响求电流），则o 是一段双曲线。o s为中间数值时，机械特性从直线段逐渐过渡到双曲线段，如图6-3所示。22221131psreslslrn U RTss RLLsRlsLlrLsUsIsRr1rIsmnn0sTe100TeTemaxTemax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。smnn0s
16、Te100TeTemaxTemax图4-3 恒压恒频时异步电机的机械特性o 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为固有特性。o 人为地改变机械特性的参数，包括电动机参数、电源电压和电源频率（或角频率），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。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能够改变的参数可分为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）。本章重点讲本章重点讲调压调速调压调速和和变压变频调速变
17、压变频调速22222113psresrlslrn U R sTsRRsLL6.2 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，只改变定子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。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，故又称定子电压只能降低，不能升高，故又称作降压调速。作降压调速。6.2.2 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 sTsRRs
18、LLsUl 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 6.2.2 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)(lrlssrmLLRRs6.2.2 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子电压的减小而成平方比地下降降6.2.2 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图图6-5 异步电动机调
19、压调速的机械特性异步电动机调压调速的机械特性临界转矩随电压成平临界转矩随电压成平方关系下降，恒转矩方关系下降，恒转矩负载下带载能力急剧负载下带载能力急剧下降！下降！异步电动机调压调速性能变差原因分析异步电动机调压调速性能变差原因分析o 异步电动机以磁场能为媒介把电能转换成机械能o 要从磁场入手分析输出转矩减小的原因o 直流电动机有独立励磁，可是异步电动机磁场怎么分析？6.1.2 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 k14.44
20、SsgsmNUEf N k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：电动机同步转速保持调压调速的基本特征：电动机同步转速保持额定值不变额定值不变 l 气隙磁通气隙磁通 随定子电压的降低而减小，属于随定子电压的降低而减小，属于弱磁调速。弱磁调速。11160NNpfnnn14.44SsmsNUf N k6.2.2 异步电动机调压调速时的调速范围异步电动机调压调速时的调速范围p 带恒转矩负载时，普通笼型异步带恒转矩负载时，普通笼型异步电动机降压调速时的稳定工作范电动机降压调速时的稳定工作范围为围为 p 调速范围有限，图中调速范围有限，图中A、B、C为为恒转矩负载在不同电压时的稳定恒
21、转矩负载在不同电压时的稳定工作点。工作点。p带风机类负载运行，调速范围可带风机类负载运行，调速范围可以稍大一些，图中以稍大一些，图中D、E、F为风为风机类负载在不同电压时的稳定工机类负载在不同电压时的稳定工作点。作点。0mss6.2.2 异步电动机调压调速的效率异步电动机调压调速的效率带恒转矩负载工作时，定子侧输入的电磁带恒转矩负载工作时，定子侧输入的电磁功率功率故故电磁功率恒定不变，与转速无关。电磁功率恒定不变，与转速无关。11LmmLpTPTn1LT、均为常数均为常数 6.2.2 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p 转差功率随着转差率的加大而增加。转差功率随着转差率
22、的加大而增加。p带恒转矩负载的降压调速就是靠带恒转矩负载的降压调速就是靠增大转差功增大转差功率率、减小输出功率来换取转速的降低。、减小输出功率来换取转速的降低。p增加的转差功率全部消耗在转子电阻上，这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。就是转差功率消耗型的由来。1 LsmmLpTPsPsTsn6.2.2 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
23、动机。l 缺点是机械特性缺点是机械特性较软。较软。图图6-6 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）在不同电压下的机械特性*6.2.1 异步电动机调压调速主电路异步电动机调压调速主电路图图6-4 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)不可逆电不可逆电路路b)可逆电路可逆电路*6.2.3 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
24、统统。图图6-7 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*6.2.3 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，如果负载增大或减小，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调整定子电压，使闭环系统工作在新的稳定工作点。工作点。l 按照反馈控制规律，将稳定工作点连接起来按照反馈控制规律，将稳定工作点连接起来便是闭环系统的静特性。便是闭环系统的静特性。6.2.3 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
25、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6-8 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sNUminsUo 忽略励磁电流，得到简化等效电路忽略励磁电流，得到简化等效电路图图6-2 异步电动机简化等效电路异步电动机简化等效电路sRlsLlrLsUsIsRr1rI6.3 异步电动机变压变频调速异步电动机变压变频调速2ppsr2rer2212r1s1lslr2mmpsr22221sr1ls1lr33/3Pnn U RsRTIsRRLLsn U R ssRRsLL
26、smnn0sTe100TeTemaxTemax变频可以调速变频可以调速,单独变频可以吗？单独变频可以吗？p 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p 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单独变频可以吗？单独变频可以吗？p 单降低频率，单降低频率，磁通增加！磁通增加！不能单独降频！变压变频调速o 变压变频的基本原则o 变频调速的基本原理o 变压变频调速得到一族机械特性曲线,机械特性如何变化?o 临界转矩如何变化?o 变压变频调速时转差功率怎么变?变压变频调速o 变压变频的
27、基本原则和基本原理o 变压变频调速得到一族机械特性曲线,机械特性如何变化?o 临界转矩如何变化?o 变压变频调速时转差功率怎么变?o 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gE14.44SmNgsEN kf（4-8）gE1f 气隙磁通在定子每相中感应电动势的 定子每相绕组串联匝数 定子基波绕组系数 每极气隙磁通量sNSNkmo 只要控制好只要控制好 和和 ，便可达到控制气隙磁通的目的。，便可达到控制气隙磁通的目的。o 对此，需要考虑基频（额定频率）以下和基频以上两对此，需要考虑基频（额定频率）以下和基频以上两种情况。种情况。变频调速时的气隙磁通控制变频调速时的
28、气隙磁通控制基频以下变频调速的基本原则基频以下变频调速的基本原则 l 当异步电动机在基频（额定频率）以下运行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，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。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。恒压频调速的基本原理恒压频调速的基本原理o 基频以下调速基频以下调速:o 保持每极磁通量为额定值不变。
29、因此，当频率保持每极磁通量为额定值不变。因此，当频率 f1 从额定值从额定值 f1N 向下调节时，必须同时降低向下调节时，必须同时降低 Eg，使：使：常值mNNsgSkNfE44.41（4-9）即采用电动势频率比为恒值的控制方式。即采用电动势频率比为恒值的控制方式。恒压频比控制恒压频比控制o 异步电动机绕组中的电动势是难以直接控制的，当电异步电动机绕组中的电动势是难以直接控制的，当电动势值较高时，可忽略定子电阻和漏磁感抗压降，认动势值较高时，可忽略定子电阻和漏磁感抗压降，认为为 ，则得，则得常值1fUs这就是这就是恒压频比的控制方式。恒压频比的控制方式。gsEU mLsRlsLlrLsUsI0
30、IsRr1rI基频以下调速基频以下调速 p 低频补偿（低频转矩提升）低频补偿（低频转矩提升）低频时（低速，尤其极低速），低频时（低速，尤其极低速），反电动势越来越小，定子电阻和漏反电动势越来越小，定子电阻和漏感压降所占的份量比较显著，不能感压降所占的份量比较显著，不能再忽略。再忽略。仍旧按照仍旧按照U/f=const，导致低频磁通大幅下降，带载能力导致低频磁通大幅下降，带载能力减弱！减弱！人为地把定子电压抬高一些，以人为地把定子电压抬高一些，以补偿定子阻抗压降。补偿定子阻抗压降。负载大小不同，需要补偿的定子负载大小不同，需要补偿的定子电压也不一样。电压也不一样。mLsRlsLlrLsUsI0I
31、sRr1rIOUsf 1图4.4 恒压频比控制特性带压降补偿的恒压频比控制特性带压降补偿的恒压频比控制特性UsNf 1Na 无补偿无补偿 b 带定子压降补偿带定子压降补偿 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，最多只能保持定子电压不能随之升高，最多只能保持额定电压不变。额定电压不变。l 这将导致磁通与频率成反比地降低，使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。得异步电动机工作在弱磁状态。14.44SmNgsEN kf变压变频
32、控制特性变压变频控制特性f1N图4-5 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不同调速区的特性不同调速区的特性 基频以下基频以下：由于保持气隙磁通不变，故由于保持气隙磁通不变，故允许输出转矩允许输出转矩基基本不变，所以基频以下的变频调速属于恒转矩调速。本不变，所以基频以下的变频调速属于恒转矩调速。属于属于“恒转矩调速恒转矩调速”。基频以上：基频以上：由于频率提高而定子电压不变，气隙磁通势由于频率提高而定子电压不变，气隙磁通势必减弱，允许输出转矩减小，但转速却升高了，可以认必减弱，允许输出转矩减小，但转速却升高了，可以认为允许输出功率
33、基本不变。所以基频以上的变频调速属为允许输出功率基本不变。所以基频以上的变频调速属于弱磁恒功率调速。于弱磁恒功率调速。属于属于“恒功率调速恒功率调速”。变压变频调速o 变压变频的基本原则和基本原理o 变压变频调速得到一族机械特性曲线,机械特性如何变化?o 变压变频调速时转差功率怎么变?恒压频比控制的机械特性恒压频比控制的机械特性o 在基频以下采用恒压频比控制时，可将异在基频以下采用恒压频比控制时，可将异步电动机的电磁转矩改写为步电动机的电磁转矩改写为22122121)()(3lrlsrsrspeLLsRsRRsUnT（6-28）11213sRsUnTrspen当当s很小时，可忽略上式分母中含很
34、小时，可忽略上式分母中含s各项，各项，（6-29）转速降落转速降落o 带负载时的转速降落带负载时的转速降落 esperpTUnTRsnsnn2121110260（6-31）1/sUeTn为恒值时，对于同一转矩为恒值时，对于同一转矩基本不变。基本不变。注：注：在恒压频比的条件下改变频率在恒压频比的条件下改变频率 1 时，机械特性基本上是时，机械特性基本上是平行下移，和直流他励电机变压调速时的情况相似。平行下移，和直流他励电机变压调速时的情况相似。sRlsLlrLsUsIsRr1rI恒压频比控制的临界转矩恒压频比控制的临界转矩 o 临界转矩临界转矩 221121)(123lrlsssspemLLR
35、RUnT（6-32）emT1临界转矩临界转矩随着随着的降低而减小。的降低而减小。恒转矩调速恒转矩调速o 当频率较低时，当频率较低时，Temax很小，电动机带载能力很小，电动机带载能力减弱，采用低频定子压降补偿，适当地提高减弱，采用低频定子压降补偿，适当地提高电压电压Us，可以增强带载能力。，可以增强带载能力。o 由于保持气隙磁通不变，故由于保持气隙磁通不变，故允许输出转矩基允许输出转矩基本不变，本不变，所以基频以下的变频调速属于恒转所以基频以下的变频调速属于恒转矩调速。矩调速。eTOnN0n13n12n11nN1111213131211N1补 偿 定 子 压降后的特性变频调速时的机械特性变频调
36、速时的机械特性固有特性基频以下机械特性变压变频调速变压变频调速o 变压变频的基本原则和基本原理o 变压变频调速得到一族机械特性曲线,机械特性如何变化?o 临界转矩如何变化?o 变压变频调速时转差功率怎么变?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。212213resmmespR TPsPsTUn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
37、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带带恒功率负载恒功率负载运行时运行时221123resmepsNR TPsPsTn U转差功率基本不变。转差功率基本不变。221eT常数基频以下为什么引入电压补偿控制o 基频以下，保持基频以下，保持Eg/f1恒恒定，可保持定子磁通恒定，可保持定子磁通恒定。定。o 当电动势值较高时，忽当电动势值较高时，忽略定
38、子电阻和漏磁感抗略定子电阻和漏磁感抗压降，认为压降，认为o 负载变化时导致定子磁负载变化时导致定子磁通改变，怎么办？通改变，怎么办？gsEU 图图6-10 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常值1fUs6.3.3基频以下电压补偿控制基频以下电压补偿控制 o 基频以下运行时，采用定子电压补偿控基频以下运行时，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，制，根据定子电流的大小改变定子电压，可更好保持可更好保持磁通恒定磁通恒定。o 重点是不同磁通恒定时机械特性的变化重点是不同磁通恒定时机械特性的变化异步电动机等效电路异步电动机等效电路o 为了使参考为了使参考极
39、性与极性与电动电动状态下状态下的实的实际极性相吻际极性相吻合，感应电合，感应电动势采用电动势采用电压降的表示压降的表示方法，方法，由高由高电位指向低电位指向低电位。电位。mLsRlsLlrLsUsI0IsRr1rIsEgErE图图6-12 异步电动机等效电路异步电动机等效电路注：注：参考方向，定子侧：电动机，转子侧：发电机磁通及对应的感应电动势磁通及对应的感应电动势o 气隙磁通气隙磁通在定子每相绕组中的感应电动势在定子每相绕组中的感应电动势有效值：有效值：o 定子全磁通（定子磁通）在定子每相绕组中的感定子全磁通（定子磁通）在定子每相绕组中的感应电动势应电动势 o 转子全磁通（转子磁通）转子全磁
40、通（转子磁通）在转子绕组中的感应电在转子绕组中的感应电动势（折合到定子边）动势（折合到定子边）mNsgSkNfE44.41msNssSkNfE44.4114.44SrsNmrEf N ko 分别讨论保持定子磁通分别讨论保持定子磁通 、气隙磁通、气隙磁通 和转和转子磁通子磁通 恒定恒定的控制方法及机械特性。的控制方法及机械特性。o 思考思考:什么恒定（正弦量的幅值恒定，未考什么恒定（正弦量的幅值恒定，未考虑相位，是标量控制）虑相位，是标量控制）？o 不考虑保持漏磁通恒定，漏磁通未参与能量不考虑保持漏磁通恒定，漏磁通未参与能量转换转换msmmr1.恒定子磁通控制恒定子磁通控制 o 从数学表达式来看
41、：只要使从数学表达式来看：只要使 为常值，即可为常值，即可保持定子磁通保持定子磁通 恒定恒定 。o 问题：问题：控制上如何实现？控制上如何实现？1/sEfmsmsNssSkNfE44.41o 能够直接控制的只有定子电压定子电压能够直接控制的只有定子电压定子电压 ，与与 关系为关系为o 只要恰当地提高定子电压，按式（只要恰当地提高定子电压，按式（6-42）补偿定）补偿定子电阻压降，以保持常值，就能够得到恒定子磁子电阻压降，以保持常值，就能够得到恒定子磁通。通。sUsUsE1sssUR IE（6-42）o 采用恒定子磁通控制，异步电动机的机械特采用恒定子磁通控制，异步电动机的机械特性？性？恒定子磁
42、通控制恒定子磁通控制o 忽略励磁电流忽略励磁电流 2212)(lrlsrsrLLsREI（6-43）mLsRlsLlrLsUsI0IsRr1rIsEgErE恒定子磁通控制恒定子磁通控制o 恒定子磁通电磁转矩恒定子磁通电磁转矩o 恒压频比控制时，电磁转矩212222113()sreprlslrEsRTnRsLL22122121)()(3lrlsrsrspeLLsRsRRsUnT相同负载变化，相同负载变化，恒定子磁通控制恒定子磁通控制时转速降落更小！时转速降落更小！机械特性更硬！机械特性更硬！恒定子磁通控制的临界转矩变化恒定子磁通控制的临界转矩变化o 临界转差率临界转差率o 临界转矩临界转矩)(1
43、lrlsrmLLRs（6-45）)(12321lrlsspemLLEnT（6-46）注：当频率变化时，临界转矩更大，且恒定不变。注：当频率变化时，临界转矩更大，且恒定不变。恒气隙磁通控制恒气隙磁通控制 o 维持为维持为 恒值，保持气隙磁通为常值，定恒值，保持气隙磁通为常值，定子电压为子电压为1/gEglsssEILjRU11)(（6-47）n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，还应补偿定子漏抗电阻压降。漏抗电阻压降。mLsRlsLlrLsUsI0IsRr1rIsEgErE恒气隙磁通控制恒气隙磁通控制 o 由等效电路可得由等效电路可得 2212lrrgrLsREI（6-4
44、8）恒气隙磁通控制恒气隙磁通控制 o 恒气隙磁通控制下的电恒气隙磁通控制下的电磁转矩（绿色）磁转矩（绿色）o 恒定子磁通控制下的电恒定子磁通控制下的电磁转矩磁转矩（蓝色）（蓝色）2 2122 12122122133lrrrgprlrrgpeLsRRsEnsRLsREnT212222113()sreprlslrEsRTnRsLL相同负载变化，相同负载变化，恒恒气隙磁通气隙磁通控制控制时转速降落更小！时转速降落更小！机械特性更硬！机械特性更硬！恒气隙磁通控制恒气隙磁通控制 o 临界转差率临界转差率 1lrrmLRs（6-50）21123lrspemLEnTv临界转矩临界转矩（6-51）注：当频率变
45、化时，临界转矩更大，且恒定不变。注：当频率变化时，临界转矩更大，且恒定不变。恒转子磁通控制恒转子磁通控制 o 定子电压定子电压（6-52）n且保持且保持 恒定，即可保持转子磁通恒定，即可保持转子磁通恒定恒定 rlrlsssEILLjRU11)(1/rE恒转子磁通控制恒转子磁通控制 o 转子电流为转子电流为（6-53）sREIrrr/v电磁转矩电磁转矩 212121133prrerrprnERTsRsEsnRs恒转子磁通控制恒转子磁通控制 o 机械特性完全是一条直线，恒机械特性完全是一条直线，恒 控制的稳控制的稳态性能最好，可以获得和直流电动机一样的态性能最好，可以获得和直流电动机一样的线性机械
46、特性，这正是高性能交流变频调速线性机械特性，这正是高性能交流变频调速所要求的性能。所要求的性能。1/rE小结小结 o 恒压频比控制最容易实现，变频机械特性基本恒压频比控制最容易实现，变频机械特性基本上平行，硬度也较好，能够满足一般的调速要上平行，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，以近似补偿求，低速时需适当提高定子电压，以近似补偿定子阻抗压降。定子阻抗压降。o 恒定子磁通和恒气隙磁通的控制方式虽然改善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，产生了低速性能。但机械特性还是非线性的，产生转矩的能力仍受到限制。转矩的能力仍受到限制。o 恒
47、转子磁通的控制方式，可以得到和直流他励恒转子磁通的控制方式，可以得到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。不同控制方式下，异步电动机的机械不同控制方式下，异步电动机的机械特性特性o a）恒控制）恒控制o b）恒定子磁）恒定子磁通控制通控制o c）恒气隙磁）恒气隙磁通控制通控制o d）恒转子磁）恒转子磁通控制通控制eTns1n100abcd图图4-8 -+控制器 信号处理 功率执行装置 传感器 电机及拖动对象 6.4 电力电子变压变频器电力电子变压变频器v异步电动机变频调速需要异步电动机变频调速需要电压与频率均可调电压与频率均可调的交的交流电源，常用的交
48、流可调电源是由流电源，常用的交流可调电源是由电力电子器件电力电子器件构成构成的静止式功率变换器，一般称为的静止式功率变换器，一般称为变频器变频器。变频器o 问题：问题：o 变频器输出电压的幅值、频率变频器输出电压的幅值、频率应当应当为多少？为多少？（电机的控制（电机的控制问题）问题）o 为了得到上面的三相交流输出电压，变频器的各可控功率为了得到上面的三相交流输出电压，变频器的各可控功率器件的开关状态如何确定？（器件的开关状态如何确定？（变频器的控制问题，交流变频器的控制问题，交流PWM变频技术变频技术）o 如何控制功率器件的导通关断？（如何控制功率器件的导通关断？（电力电子技术，功率器电力电子
49、技术，功率器件的驱动问题件的驱动问题）注：由变频器供电的异步电机驱动系统变频器结构示意图变频器结构示意图图图6-14整流逆变直流恒压恒频变压变频直接变频变压变频恒压恒频a）交-直-交变频器b）交-交变频器6.4.1交交-直直-交交PWM变频器主回路变频器主回路图图6-15 交交-直直-交变频器主回路结构图交变频器主回路结构图l主回路只有一套可控功率级，具有结主回路只有一套可控功率级，具有结构、控制方便的优点，采用脉宽调制的构、控制方便的优点，采用脉宽调制的方法，输出谐波分量小。方法，输出谐波分量小。l缺点：当电动机工作在回馈制动状态缺点：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
50、侧电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。压上升，称作泵升电压。直流母线直流母线 图图6-16 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，提高整流装直流母线来实现能量平衡，提高整流装置的工作效率。置的工作效率。l当某个电动机工作在回馈制动状态时，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
