1、变频器技术讲座苏远平江西理工大学南昌校区2009年9月25日第一章 变频器概述一、变频器的发展历史 变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，它的发展与交流电机调速的控制方式密不可分，从控制方式的发展历程来说，变频器的发展经历了三个阶段：第一阶段 1、八十年代初日本学者提出了基本磁通轨迹的电压空间矢量（或称磁通轨迹法）。该方法以三相波形的整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成二相调制波形。这种方法被称为电压空间矢量控制。典型机种如1989年前后进入中国市场的FUJI（富士）FRN5OOOG5/P5、SANKEN（三垦）MF系列
2、等。2.引人频率补偿控制，以消除速度控制的稳态误差 3.基于电机的稳态模型，用直流电流信号重建相电流，如西门子MicroMaster系列,由此估算出磁链幅值，并通过反馈控制来消除低速时定子电阻对性能影响。4.将输出电压、电流进行闭环控制，以提高动态负载下的电压控制精度和稳定度，同时也一定程度上求得电流波形的改善。这种控制方法的另一个好处是对再生引起的过电压、过电流抑制较为明显，从而可以实现快速的加减速。第二阶段：矢量控制，也称磁场定向控制。它是七十年代初由西德F.Blasschke等人首先提出，以直流电动机和交流电动机比较的方法分析阐述了这一原理，由此开创了交流电动机等效直流电动机控制的先河。
3、它使人们看到交流电动机尽管控制复杂，但同样可以实现转矩、磁场独立控制的内在本质。矢量控制的基本点是控制转子磁链，以转子磁通定向，然后分解定子电流，使之成为转矩和磁场两个分量，经过坐标变换实现正交或解耦控制。第三阶段：1985年德国鲁尔大学Depenbrock教授首先提出直接转矩控制理论（DirectTorqueControl简称DTC）。直接转矩控制与矢量控制不同，它不是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量来控制。转矩控制的优越性在于：转矩控制是控制定子磁链，在本质上并不需要转速信息；控制上对除定子电阻外的所有电机参数变化鲁棒性良好；所引入的定子磁键观测器能很容易估算
4、出同步速度信息。二、变频器的技术现状 1、交一交变频是早期变频的主要形式，适应于低转速大容量的电动机负载。其主电路开关器件处于自然关断状态，不存在强迫换流问题，所以第一代电力电子器件晶闸管就能完全满足它的要求。由于其技术成熟，在国内开发研制也最多，目前在国内仍有一定的市场。交一交变频在其主接线中需要大量的晶闸管，结构复杂，维护工作量较大，并因采用移相控制方式，功率因数较低，一般仅有0.60.7，而且谐波成分大，需要无功补偿和滤波装置，使得总的造价提高。l 2 交直交变频器 由整流器、滤波系统和逆变器三部分组成。整流器为二极管三相桥式不控整流器或大功率晶体管组成的全控整流器，逆变器是大功率晶体管
5、组成的三相桥式电路，其作用正好与整流器相反，它是将恒定的直流电交换为可调电压，可调频率的交流电。中间滤波环节是用电容器或电抗器对整流后的电压或电流进行滤波。交直交变频器按中间直流滤波环节的不同，又可以分为电压型和电流型两种，由于控制方法和硬件设计等各种因素，电压型逆变器应用比较广泛。三、变频器的技术发展趋势1、单元串联多电平技术 单元串联多电平形式在谐波、效率和功率因数等方面存在着优势，在不要求四象限运行时有着较广泛的应用前景。2、功率母线技术功率母线按其结构包括：（1）电缆绞线是最常用的传统功率母线，价廉简易，但在IGBT逆变器中，由于电缆线的自感大，与圆截面导线相比，扁平母线的自感只有圆导
6、线的1/3一1/2，而所占的体积只有它的1/10一1/2。（2）印刷电路板母线主要用于小电流逆变器，但当母线直流电流达到150A时，要求电路板的复铜层很厚，造价太高，另外用来连接多层导线板的穿孔不但占据较大的空间，而且会影响整机的可靠性。（3）裸铜板母线（平面并行母线）是一种工业上广泛应用的IGBT模块馈电系统的传统母线形式，其缺点是并行母线的互感较大。（4）支架式母线如果将正直流母线铜板放置在负直流母线板上方，中间用一层薄绝缘材料隔开的方法来制作母线，由于磁场的相互抵消，可以最大限度地降低互感，但其工艺复杂，不宜规模化生产。（5）迭层功率母线 基于电磁场理论，把连线做成扁平截面，在同样的截面
7、下，做得越薄越宽，它的寄生电感越小，相邻导线内流过相反的电流，其磁场抵消，也可使寄生电感减小。3、微机控制和人工智能技术4、其它各种技术 近年来，国内外一些公司都在研制新型“无电网污染”的高压变频器。这类变频装置具有高功率因数、高效率、无谐波污染、无需专用电机等优点 第二章 交流电机与交流调速一、异步电动机的结构与基本工作原理1、结构图2-1 三相异步电动机的结构图1-轴承盖；2-端盖；3-接线盒；4-定子铁心；5-定子绕组；6-散热筋；7-转轴；8-转子；9-风扇；10-罩壳；11-轴承；12机座2 2、异步电动机的简单工作原理、异步电动机的简单工作原理 1.1.旋转磁场旋转磁场tIisin
8、mABiAXBYCZAiCi120sinmBtIi120sinmCtIi0nAYCBZX()电流出电流出()电流入电流入规定规定 i:“”首端流入，尾端流出。首端流入，尾端流出。i:“”尾端流入，首端流出尾端流入，首端流出。AXZBCY三相电流合成磁场的分布情况NS0 t 60t 90t 600SNAXZBCYAXZBCY6090右手螺旋定则右手螺旋定则1n1n900分析可知：三相电流产生的合成磁场是一旋转的磁场分析可知：三相电流产生的合成磁场是一旋转的磁场即：即：2.2.旋转磁场的转速旋转磁场的转速Hz501 f其中其中 为工频交流电的频率：为工频交流电的频率：1f)/(6011分转pfn
9、2p180分）转/(50011p360分）转/(0003磁极对数磁极对数每个电流周期每个电流周期磁场转过的空间角度磁场转过的空间角度同步转速同步转速n n0 0)f(Hz501 3p120分）转/(00014p分分）转转/(75090旋转磁场旋转磁场转速转速0 0(同同步转速）步转速）与电源频与电源频率率f f1 1和电和电机磁极对机磁极对数数p p有关。有关。3.3.电枢的转动原理电枢的转动原理铁芯槽内放铜条，端部用短路环形成一体。或铁芯槽内放铜条，端部用短路环形成一体。或铸铝形成转子。铸铝形成转子。转动原理转动原理AXYCBZ分）转/(6011pfn BlvBliFvF1nNS1nn 如果
10、如果:1nn 而异步电动机之所以被冠以而异步电动机之所以被冠以“异步异步”二字，是因二字，是因为其转子的转速为其转子的转速n n永远也跟不上旋转磁场的转速永远也跟不上旋转磁场的转速n n1 1。两者之差称为转差两者之差称为转差:nnn1%s)91(转子转速亦可由转差率求得：转子转速亦可由转差率求得：%100%10011nnnnns)1(60)1(11spfsnn5 5.电动机定子和转子的能量传递电动机定子和转子的能量传递图图2-3 2-3 能量传递能量传递a a）从电能转变成机械能）从电能转变成机械能 b b）定子与转子能量传递）定子与转子能量传递6 6、感应电机稳态模型、感应电机稳态模型:T
11、:T型等效电路型等效电路 7 7、感应电机稳态模型、感应电机稳态模型:简化等效电路简化等效电路 二、异步电动机的转矩和机械特征物理表达式22cosICTmTem表明：三相异步电动机的电磁转矩是由主磁通 与转子电流的有功分量 相互作用产生的。m22cosI参数表达式：l说明：电磁转矩与电源参数（、f）、结构参数（r、x、m、p）和运行参数（s）有关。22122112211)()(2xxsrrfsrUpmTem临界转差率临界转差率 sm 和最大电磁转矩和最大电磁转矩TmNmTTT212221212)(xxrxxrrsm)(4)(42112112212111211xxfpUmxxrrfpUmTm过载
12、能力过载能力实用表达式ssssTTmmmem2已知电机的额定功率、额定转速、过载能力NNNnPT9550NTmTT11nnnsNN)1(2TTNmss忽略空载转矩，有NmmNmNssssTT2将将Tm和和sm代入即可得到机械特性方程式代入即可得到机械特性方程式三相异步电动机的固有机械特性sn0nNsNnmsm10TNTstTmaxTemABCD三相异步电动机降压时的人为机械特性snsm10TLUN0TstTmaxTemn1A0.8UN0.64Tst0.64Tmax转子回路串电阻时的机械特性r2+Rs3Tst2sm2r2+Rs2Tst1sm1r2+Rs11 0TstTmTems n0n1smr2
13、三、异步电动机制动有三种制动状况：*回馈制动状态*反接制动状态*和能耗制动状态(一)回馈制动状态回馈制动状态的特点是电动机转速高于同步速度1.位能负载的回馈制动状态位能负载使转速高于同步速度 n0，即 n n0 时.回馈发电的问题回馈发电状态时由于转子电流的无功分量方向不变所以定子必须接到电网，并从电网吸取无功功率才能建立电动机的磁场如果在异步电动机定子脱离电网的同时，又希望能发电则定子三相必须接上连接成三角形或星形的三相电容器当电容器接成三角形时，电容量取值 C 可参考下式选择三角形星形2、能耗制动状态 方法由于定子两相绕组内通入直流电流，在定子内形成一固定磁场当转子旋转时，其导体即切割此磁
14、场，在转子中产生感应电动势及转子电流 ,根据左手定则，可以确定出转矩的方向与电动机的转速方向相反，电动机产生的转矩为制动转矩3、反接制动可以用于迅速停车或反向优点：制动效果强缺点：能量损耗大，制动准确度差四、异步电动机的调速方法交流调速的基本方案由异步电动机的转差率与转速之间的关系：由异步电动机的转差率与转速之间的关系：)1(60)1(1111spfsnsnnn 由上式表明，要改变异步电动机转子的转速，除由上式表明，要改变异步电动机转子的转速，除了改变供电电源的频率以外，剩下的就只有两种了改变供电电源的频率以外，剩下的就只有两种办法办法:l 改变磁极对数改变磁极对数l 改变转差率改变转差率l
15、改变磁极对数改变磁极对数这可以通过改变定子绕组的接法来实现，其接法如这可以通过改变定子绕组的接法来实现，其接法如下图所示：下图所示：这种方法的缺点是十分明这种方法的缺点是十分明显的显的:一台电动机最多只能安一台电动机最多只能安置两套绕组，每套绕组最多只置两套绕组，每套绕组最多只能有两种接法。所以最多只能能有两种接法。所以最多只能得到得到4 4种转速，与所要求的无种转速，与所要求的无级调速相去甚远。级调速相去甚远。l改变转差率改变转差率这种方法适用于绕线转子异步电动机，通过滑环与这种方法适用于绕线转子异步电动机，通过滑环与电刷改变外接电阻值来进行调速，如下图所示。电刷改变外接电阻值来进行调速，如
16、下图所示。显然，这是通过改变在显然，这是通过改变在外接电阻中消耗能量的多外接电阻中消耗能量的多少来调速的，不利于节能。少来调速的，不利于节能。此外，由于增加了滑环与此外，由于增加了滑环与电刷，从而增加了容易发电刷，从而增加了容易发生故障的薄弱环节。生故障的薄弱环节。l改变同步频率改变同步频率 上面这个式子是在发明异步电动机的当时就知道了上面这个式子是在发明异步电动机的当时就知道了的，所以改变供电电源变频即可调节转子转速，可的，所以改变供电电源变频即可调节转子转速，可以说是和异步电动机以说是和异步电动机“与生俱来与生俱来”的。一方面，生的。一方面，生产机械迫切地要求无级调速，另一方面，改变频率产
17、机械迫切地要求无级调速，另一方面，改变频率可以实现无级调速的原理又是如此明明白白地摆在可以实现无级调速的原理又是如此明明白白地摆在那儿。而变频调速装置却如此地难产，成为了人们那儿。而变频调速装置却如此地难产，成为了人们翘首以盼地期待着的技术！变频调速技术真正地进翘首以盼地期待着的技术！变频调速技术真正地进入到能够推广普及的实用阶段，已经是入到能够推广普及的实用阶段，已经是2020世纪世纪8080年年代以后了代以后了将近一个世纪！是什么原因使变频调将近一个世纪！是什么原因使变频调速技术如此地姗姗来迟呢？速技术如此地姗姗来迟呢？)1(60)1(1111spfsnsnnnl开关器件的发展是改变同步频
18、率的关键技开关器件的发展是改变同步频率的关键技术术 目前应用得最为广泛的是交直交变频器，目前应用得最为广泛的是交直交变频器，现在我们就通过其基本结构，来看看要实现变频现在我们就通过其基本结构，来看看要实现变频调速需要解决哪些问题。调速需要解决哪些问题。交-直-交变频器的主电路框图 先将电源的三相先将电源的三相(或单相或单相)交流电经整流桥整流成交流电经整流桥整流成直流电，又经逆变桥把直流电，又经逆变桥把直流电直流电“逆变逆变”成频率成频率任意可调的三相交流电。任意可调的三相交流电。其中，变频的核心部分其中，变频的核心部分就是就是“逆变电路逆变电路”。第三章 变频技术原理一、变频器的分类变频器交
19、-交变频器单相交-直-交变频器有环流按输出波形分按储能方式分按调压方式分电压型按相数分按环流情况分脉幅调制脉宽调制三相无环流正弦波方波电流型 按变频的原理分类二、交-交变频 交交-交变频器的主电路结构交变频器的主电路结构交交变频器是将恒压频的交流电一次变换成调压调频的交流电，它由三组可逆整流器组成 通常用于大功率（500kw或1000kw以上）、低速（600r/min以下）的场合，如扎钢机、球磨机、水泥回转窑等 l输出电压、电流波形图：l有环流运行方式：目的：使正、负组输出电流平滑过渡。特点：正、负组同时工作，l 采用环流电抗器抑制组间环流。优点：正、负组自动切换，l 输出电流连续、平滑、无死
20、区，l 系统动态性能高，稳定性好缺点：增加电抗器，成本高，损耗大。l无环流运行方式：目的：取消电抗器，降低成本及损耗。特点：i0 0 时正组工作，封锁负组，l i0 0 时负组工作，封锁正组。优点：无组间环流，成本低，损耗小。缺点：需要检测电流过零点，控制复杂，l 控制失败时，造成组间电源短路，l 输出电流存在死区，波形畸变。l 交交变频器输出电压：输出电压峰值：输出电压有效值：电压降系数：改变 min，可调节输出电压U0。min=0 时，=1，U0=U0max=0.83 U2。min200cos217.121 UUUP2083.0UU mincos min20cos17.1 UUPl交交变频
21、器输出频率：l f0/fi=1/2 时，半周期内有 6 脉波，谐波大l f0/fi=1/3 时，半周期内有 9 脉波，谐波较小l f0/fi=1/6 时，半周期内有 18 脉波，谐波小l为了减小谐波含量，l 降低负载转矩脉动，l 应保证 f0/fi 1/3，l 即 f0 16.7 Hz。l交交变频器的优点：无中间直流环节，损耗小，效率高。开关器件采用晶闸管，以利于大功率应用，采用电源自然换相，不需强迫换流电路。可以实现能量反馈，使电机作四象限运行。输出低频时，谐波含量小，负载转矩脉动低。l 因此适用于大功率、低速交流传动领域。l交交变频器的缺点：晶闸管元件数量多，成本高，控制复杂。最高输出频率
22、受限制，f0/fi SPWM波Out如何用一系列等幅不等宽的脉冲等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波OutOu t若要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。OutSPWM波Out如何用一系列等幅不等宽的脉冲等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波OutOtUd-Ud对于正弦波的负半周，采取同样的方法，得到PWM波形，因此正弦波一个完整周期的等效PWM波为：OtUd-Ud根据面积等效原理，正弦波还可等效为下图中的PWM波，而且这种方式在实际应用中更为广泛。等等幅幅PWM波波输入电源是恒定直流 第3章的直流斩波电路 6.2节的PWM逆变电路 6.4节的PWM整流电路不等幅不等幅PWM波波输
23、入电源是交流或不是恒定的直流 4.1节的斩控式交流调压电路 4.4节的矩阵式变频电路OtUd-UdUotl2）PWM电流波l 电流型逆变电路进行PWM控制，得到的就是PWM电流波。PWM波可等效的各种波形直流斩波电路 直流波形SPWM波 正弦波形等效成其他所需波形，如:l 所需波形 l 等效的PWM波0s5m s10m s15m s20m s25m s30m s-20V0V20V3）调制方法工作时V1和V2通断互补，V3和V4通断也互补。以uo正半周为例，V1通，V2断，V3和V4交替通断。负载电流比电压滞后，在电压正半周，电流有一段区间为正，一段区间为负。负载电流为正的区间，V1和V4导通时
24、，uo等于Ud。单相桥式PWM逆变电路结合IGBT单相桥式电压型逆变电路对调制法进行说明 单相桥式PWM逆变电路lV4关断时，负载电流通过V1和VD3续流，uo=0l负载电流为负的区间，V1和V4仍导通，io为负，实际上io从VD1和VD4流过，仍有uo=Ud。lV4关断V3开通后，io从V3和VD1续流，uo=0。luo总可得到Ud和零两种电平。luo负半周，让V2保持通，V1保持断，V3和V4交替通断，uo可得-Ud和零两种电平。单极性PWM控制方式（单相桥（单相桥逆变）逆变）ur正半周正半周，V1保持通通，V2保持断断。当uruc时使V4通，V3断，uo=Ud。当uruc时时，给V1和V
25、4导通信号，给V2和V3关断信号。如如io0，V1和V4通，如io0，VD1和VD4通，uo=Ud。当当uruc时时，给V2和V3导通信号，给V1和V4关断信号。如如io0，VD2和VD3通，uo=-Ud。图6-6 双极性PWM控制方式波形urucuOtOtuouofuoUd-Ud在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断。双极性PWM控制方式波形urucuOtOtuouofuoUd-Ud单极性PWM控制方式波形urucuOtOtuouofuoUd-Ud 对照上述两图可以看出，单相桥式电路既可采取单极性调制，也可采用双极性调制，由于对开关器件通断控制的规律不同，它们的输出波形也有较大的差别。双极
26、性PWM控制方式（三相桥逆变）（三相桥逆变）三相桥式PWM型逆变电路 三相的PWM控制公用三角波载波uc三相的调制信号urU、urV和urW依次相差120ucurUurVurWuuUNuVNuWNuUNuUVUd-UdO?tOOOOO?t?t?t?t?t2Ud?2Ud2Ud?2Ud2Ud3Ud32 Ud 三相桥式PWM型逆变电路 三相桥式PWM逆变电路波形 下面以U相为例分析控制规律控制规律：当urUuc时，给V1导通信号，给V4关断信号，uUN=Ud/2。当urUuc时，给V4导通信号，给V1关断信号，uUN=-Ud/2。当给V1(V4)加导通信号时，可能是V1(V4)导通，也可能是VD1(
27、VD4)导通。uUN、uVN和uWN的PWM波形只有Ud/2两种电平。uUV波形可由uUN-uVN得出，当1和6通时，uUV=Ud，当3和4通时，uUV=Ud，当1和3或4和6通时，uUV=0。l 输出线电压PWM波由Ud和0三种电平构成l 负载相电压PWM波由(2/3)Ud、(1/3)Ud和0共5种电平组成。l 防直通的死区时间 同一相上下两臂的驱动信号互补，为防止上下臂直通而造成短路，留一小段上下臂都施加关断信号的死区时间。死区时间的长短主要由开关器件的关断时间决定。死区时间会给输出的PWM波带来影响，使其稍稍偏离正弦波。ucurUurVurWuuUNuVNuWNuUNuUVUd-UdO?
28、tOOOOO?t?t?t?t?t2Ud?2Ud2Ud?2Ud2Ud3Ud32 Ud 三相桥式PWM型逆变电路 三相桥式PWM逆变电路波形 双极性调制的死区及影响双极性调制的死区及影响双极性调制的死区及影响双极性调制的死区及影响根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，PWM调制方式分为异步调制异步调制和同步调制同步调制。通常保持fc固定不变，当fr变化时，载波比N是变化的在信号波的半周期内，PWM波的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称当fr较低时，N较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生的不利影响都较小当fr增高时，N减小，一周期内的
29、脉冲数减少，PWM脉冲不对称的影响就变大载波比载波比载波频率fc与调制信号频率fr之比，N=fc/fr 异步调制异步调制载波信号和调制信号不同步的调制方式 同步调制同步调制载波信号和调制信号保持同步的调制方式，当变频时使载波与信号波保持同步，即N等于常数。ucurUurVurWuuUNuVNOttttOOOuWN2Ud2Ud 同步调制三相PWM波形基本同步调制方式，fr变化时N不变，信号波一周期内输出脉冲数固定。三相电路中公用一个三角波载波，且取N为3的整数倍，使三相输出对称。为使一相的PWM波正负半周镜对称，N应取奇数。fr很低时，fc也很低，由调制带来的谐波不易滤除。fr很高时，fc会过高
30、，使开关器件难以承受。分段同步调制分段同步调制异步调制和同步调制的综合应用。把整个fr范围划分成若干个频段，每个频段内保持N恒定，不同频段的N不同。在fr高的频段采用较低的N，使载波频率不致过高；在fr低的频段采用较高的N，使载波频率不致过低。00.40.81.21.62.02.410203040506070802011479969453321图 6-11fr/Hzfc/kHz为防止fc在切换点附近来回跳动，采用滞后切换的方法。同步调制比异步调制复杂，但用微机控制时容易实现。可在低频输出时采用异步调制方式，高频输出时切换到同步调制方式，这样把两者的优点结合起来，和分段同步方式效果接近。分段同步
31、调制方式举例分段同步调制方式举例 载波频率提高，电磁噪音减少，电机获得较载波频率提高，电磁噪音减少，电机获得较理想的正弦电流曲线。理想的正弦电流曲线。开关频率高，电磁幅射增大，输出电压下降，开关频率高，电磁幅射增大，输出电压下降，开关元件耗损大。开关元件耗损大。载波频率的特性载波频率的特性l自然采样l规则采样 在载波三角波的固定点对正弦波进行采样，以确定脉冲的前沿和后沿时刻，而并不管此时是否发生正弦调制波与载波三角波相交。也就是说采样点和开关点不重合，采样点是固定的，开关点是变化的。开关的转换时刻可以利用简单的三角函数在线地计算出来，满足了微机全数字控制的需要。l 三角波两个正峰值之间为一个采
32、样周期Tc。l 自然采样法中，脉冲中点不和三角波(负峰点)重合。l 规则采样法使两者重合，使计算大为减化。l 如图所示确定A、B点，在tA和tB时刻控制开关器件的通断。l 脉冲宽度d 和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近。规则采样法原理原理ucuOturTcADBOtuotAtDtBdd d 2d2d规则采样法 自然采样对称规则采样不对称规则采样平均对称规则采样第四章 交流变频调速的控制方式l交流电机的典型负载特性lU/f控制方式l转差率频率控制l矢量控制方式l直接转矩控制方式 三种典型负载特性1.恒转矩负载恒转矩负载 恒转矩负载及其特性恒转矩负载及其特性a a）带式输送机带式输送机 b b）
33、机械特性机械特性 c c）功率特性）功率特性2 2.恒功率负载恒功率负载 恒功率负载及其特性恒功率负载及其特性a）卷径最小时卷径最小时 b）卷径较大卷径较大 c）卷径最大卷径最大3.二次平方负载二次平方负载 二次平方负载及其特性二次平方负载及其特性a a）风机示图风机示图 b b）机械特性机械特性 c c）功率特性功率特性-TL=KL*n2 -PL=KP*n3对变频调速的基本要求mmwkNfEU1111144.4铁心过饱和铁心过饱和0I1cos1fm1fmTZT不变不变2I1I绕组过热绕组过热NmMTT带负载能力不变带负载能力不变U/f 控制方式 定子每相电动势mNs1g44.4SkNfE（1
34、）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 由上式可知，只要控制好 Eg 和 f1，便可达到控制磁通m 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。1.基频以下调速 由式可知，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 （2）即采用恒值电动势频率比的控制方式采用恒值电动势频率比的控制方式。恒压频比的控制方式 然而，绕组中的感应电动势是难以直接控制的，当电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，
35、而认为定子相电压 Us Eg，则得（3）这是恒压频比的控制方式恒压频比的控制方式。常值1fUs 但是，在低频时 Us 和 Eg 都较小，定子阻抗压降所占的份量就比较显著，不再能忽略。这时，需要人为地把电压 Us 抬高一些，以便近似地补偿定子压降近似地补偿定子压降。带定子压降补偿的恒压频比控制特性示于下图中的 b 线，无补偿的控制特性则为a 线。OUsf 1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 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=U
36、sN，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 变压变频控制特性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由异步电机在恒压恒频正弦波供电时的机械特性方程式 Te=f(s)。当定子电压 Us 和电源角频率 1 恒定时，可以改写成如下形式：2rs2122rsr121spe)()(3llLLsRsRRsUnT（6-4）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sRsUnTr
37、121spe3 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。smnn0sTe010TeTemaxTemax 恒压恒频时异步电机的机械特性 机械特性曲线eTOnN0n03n02n01nN1111213131211N1恒压频比控制时变频调速的机械特性补 偿 定 子 压降后的特性 恒 Eg/1 控制 下图再次绘出异步电机的稳态等效电路，图中几处感应电动势的意义如下：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）。异步电动机稳态等效电路和感应电
38、动势 Us1RsLlsLlrLmRr/sIsI0Ir 异步电动机等效电路EgEsEr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，可忽略式分母中含 s 项，则 sRsEnTr121gpe3（6-13）这表明机械特性的这一段近似为一条直线。机械特性曲线eTOnN0n03n02n01nN1111213131211N1Temax恒 Eg/1 控制时变频调速的机械特性恒 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
39、，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代入电磁转矩基本关系式，得 r121rpr2r2r1pe33RsEnsRsREnT 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，见图。0s10Te 几种电压频率协调控制方式的特性比较 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 低速转矩下降低速转矩下降（1 1）电动机在）电动机在f fx xf fN N时的机械特性时的机械特性 U/f=恒定值条件下的机械特性恒定值条件下的机械特性 转矩下降的原因分析转矩下降的原因分析
40、 U1下降下降 I1 r1在在U1中的比例增大中的比例增大低频电压补偿低频电压补偿 电压补偿原理电压补偿原理 U U的大小随负载电流而变化的大小随负载电流而变化 U/FU/F的比值只能设定一次；的比值只能设定一次；所以负载变动时不能始终工作在最佳状所以负载变动时不能始终工作在最佳状态，即轻载时磁路易饱和。态，即轻载时磁路易饱和。电压补偿的特性电压补偿的特性完整的恒压频比的SPWM变频调速系统电路框图 转差率频率控制1.转差频率控制的基本概念 直流电机的转矩与电枢电流成正比，控制电流就能控制转矩，因此，把直流双闭环调速系统转速调节器的输出信号当作电流给定信号，也就是转矩给定信号。在交流异步电机中
41、，影响转矩的因素较多，控制异步电机转矩的问题也比较复杂。将 按照恒 Eg/1 控制（即恒 m 控制）时的电磁转矩公式（6-12）重写为 2 r2122 rr121gpe3lLsRRsEnT（6-12）mNss1mNss1mNss1g21244.444.4kNkNkNfE代入上式，得 2 r2122 rr12m2Ns2spe23lLsRRskNnT（6-59）令 s=s1，并定义为转差角频率；，是电机的结构常数；2Ns2spm23kNnKl则l 当电机稳态运行时，s 值很小，因而 s也很小，只有1的百分之几，可以认l 为 s Llr Rr，则转矩可近似表示为2rs2 rrs2mme)(lLRRK
42、T rs2mmeRKT 上式表明，在s 值很小的稳态运行范围内，如果能够保持气隙磁通m不变，异步电机的转矩就近似与转差角频率s 成正比。这就是说，在异步电机中控制s，就和直流电机中控制电流一样，能够达到间接控制转矩的目的。l控制转差频率就代表控制转矩，这就是转控制转差频率就代表控制转矩，这就是转差频率控制的基本概念。差频率控制的基本概念。可以看出：l在s 较小的稳态运行段上，转矩 Te基本上与s 成正比，l当Te 达到其最大值Temax 时，s 达到smax值。smaxsmTemaxTemsTe0 按恒m值控制的 Te=f(s)特性 在转差频率控制系统中，只要给s 限幅，使其限幅值为 rrma
43、xssmlLR（6-64）就可以基本保持 Te与s 的正比关系，也就可以用转差频率控制来代表转矩控制。这这是转差频率控制的基本规律之一。是转差频率控制的基本规律之一。l 由此可见，要实现恒 Eg/1控制，须在Us/1=恒值的基础上再提高电压 Us 以补偿定子电流压降。l 如果忽略电流相量相位变化的影响，不同定子电流时恒 Eg/1 控制所需的电压-频率特性 Us=f(1,Is)如下图所示。不同定子电流时恒控制所需的电压-频率特性1OsUUs/1=Const.Eg/1=Const.定子电流增大的趋势 上述关系表明，只要 Us 和1及 Is 的关系符合上图所示特性，就能保持 Eg/1 恒定，也就是保持 m 恒定。这是转差频率这是转差频率控制的基本规律之二。控制的基本规律之二。系统组成sUsIF BS电压型逆变器PWMM3 ASRs11saUsbUscU 转差频率控制的转速闭环变压变频调速系统结构原理图
