1、1笼型异步电机变频调速笼型异步电机变频调速 交流伺服电机特点交流伺服电机特点 交流伺服电机采用了全封闭无刷结构，以适应实际生产环境，不需要定期检查和维修。其定子省去了铸件壳体，结构紧凑、外形小、重量轻(只有同类直流电机的7590)。定子铁芯较一般电机开槽多且深，绕组绕在定子铁芯上，绝缘可靠，磁场均匀。可对定子铁芯直接冷却，散热效果好，因而传给机械部分的热量小，提高了整个系统的可靠性。2 交流伺服电机特点交流伺服电机特点 直流伺服电机具有电刷和整流子，尺寸较大且必须经常维修，使用环境也受到一定影响，特别是其容量较小，受换向器限制，很多特性参数随速度而变化，因而限制了直流伺服电机向高转速、大容量发
2、展。转子采用具有精密磁极形状的永久磁铁，因而可实现高转矩惯量比，动态响应好，运行平稳。因此交流伺服电机以其高性能、大容量日益受到广泛的重视和应用。4 但是交流电机的控制性能没有直流电机的好，也正是由于这一点，交流伺服系统的发展历史没有直流伺服系统早，在过去较长的一段时间远没有直流伺服系统应用广泛。随着电子学和电子技术的发展，特别是集成电路和计算机控制技术的发展，交流伺服的发展极为迅速，已进入与直流伺服相媲美、相竞争的时代，并有取而代之的趋势。交流电机的转速公式：)1(60spfn00nnns 式中，f定子电源频率，s转差率；p极对数，n0同步转速。根据上式，可得到不同的交流电机调速的方法：(1
3、)转子绕组串联电阻改变转差率，这种方法调速机械特性很软，低速运行时电阻损耗很大。(2)改变定子电压来改变转差率，这种方法损耗也很大。7 (3)改变极对数来改变转速，这种方法调速是有级的，而且调速范围窄。(4)改变定子供电频率，可以平滑地改变电机的同步转速，这种方法最为理想，称又交流变频调速交流变频调速，其装置叫变频器调速装置变频器调速装置(VFD)。目前高性能的交流调速系统大都采用变频调速方法来改变电机转速。为了保持在调速时电机的最大转矩不变，需要维持磁通恒定，这时就需要定子供电电压做相应调节。因此，对交流电机供电的变频器一般都要求兼有调频调压两种功能。910 异步电机的变压变频调速系统一般简
4、称为变频调速系统。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都较高，在采取一定的技术措施后能实现高动态性能，可与直流调速系统媲美。因此现在应用很广，是本篇的重点。11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 电机调速时，常须考虑的一个重要因素是：希望保持电机中每极磁通量 m 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。12对于直流电机，励磁系统是独立的，只要对电枢反应有恰当的补偿，m 保持不变是很容易做到的。在交流异步电机中，磁通 m 由定子和转
5、子磁势合成产生，要保持磁通恒定就需要费一些周折了。13 定子每相电动势mNs1gS44.4kNfE（7-1）式中 Eg 气隙磁通在定子每相中感应电动势的 有效值（V）；定子频率（Hz）；定子每相绕组串联匝数；基波绕组系数；每极气隙磁通量（Wb）。f1NskNsm14 由式（7-1）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。151.基频以下调速 由式（7-1）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 （7-2）即采用采用恒值电动势频率比的控制方式恒值电动势频率
6、比的控制方式。16 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，而认为定子相电压 Us Eg，则得（7-3）这是恒压频比的控制方式恒压频比的控制方式。常值1fUs17 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。18OUsf 1图7-1 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
7、压降补偿带定子压降补偿 192.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。20f1N 变压变频控制特性图7-2 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mUsf1O21 如果电机在不同转速时所带的负载都能使电流达到额定值，则转矩基本上随磁通变化，按照电力拖动原理，在基频以下，磁通恒定时转矩也恒定，属于“恒转矩调速”性质，而在基频以上，转速
8、升高时转矩降低，基本上属于“恒功率调速”。返回目录返回目录222 电力电子变频器的主要类型电力电子变频器的主要类型本节提要本节提要n交交-直直-交和交交和交-交变频器交变频器n电压源型和电流源型逆变器电压源型和电流源型逆变器237.3.1 交交-直直-交和交交和交-交变频器交变频器 从整体结构上看，电力电子变频器可分为交-直-交和交-交两大类。1.交交-直直-交变频器交变频器 交-直-交变频器先将工频交流电源通过整流器变换成直流，再通过逆变器变换成可控频率和电压的交流，如下图所示。24 交-直-交变频器基本结构图7-9 交-直-交（间接）变频器 变压变频变压变频(VVVF)中间直流环节中间直流
9、环节恒压恒频恒压恒频(CVCF)逆变逆变DCACAC 50Hz整流整流25 由于这类变频器在恒频交流电源和变频交流输出之间有一个“中间直流环节”，所以又称间接式的变频器。具体的整流和逆变电路种类很多，当前应用最广的是由二极管组成不控整流器和由功率开关器件（P-MOSFET，IGBT等）组成的脉宽调制（PWM）逆变器，简称PWM变频器，如下图所示。26 交-直-交PWM变频器基本结构图7-10 交-直-交PWM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DCACAC 50Hz调压调频调压调频C27 PWM变频器的应用如此广泛，是由于它具
10、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，结构简单。采用全控型的功率开关器件，只通过驱动电压脉冲进行控制，电路也简单，效率高。282）采用PWM控制技术，基波比重大，谐波受到很大抑制，因而转矩脉动小，调速范围和稳态性能高。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。294）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。5）PWM变频器常用功率开关器件有：P-MOSFET，IGBT，GTO和替代GTO的电压控制器件如IGCT、IEGT等。302.交-交变频器 交-交变频器它只有一个变
11、换环节，把恒压恒频（CVCF）的交流电源直接变换成VVVF输出，因此又称直接式变频器。有时为了突出其变频功能，也称作周波变换器（Cycloconveter）。31 图7-12 交-交（直接）变频器交交变频交交变频AC50HzACCVCFVVVF32 三相交交变频器的基本结构33 输出星形联结方式三相交交变频电路34三相桥式交交变频电路35特点1、结构上只有一个变换环节，省去了中间直流环节，看似简单，但所用的器件数量却很多，总体设备相当庞大。在技术上很成熟。2、输出频率低。当采用三相桥时，输出频率不能大于电网频率的1/31/2。36 3、输入功率因数较低，谐波电流含量大，频谱复杂，因此须配置谐波
12、滤波和无功补偿设备。4、一般主要用于轧机主传动、球磨机、水泥回转窑等大容量、低转速的调速系统，可以省去庞大的齿轮减速箱。37 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型电压源型和电流源型电流源型两类，两种类型的实际区别在于直流环节采用怎样的滤波器实际区别在于直流环节采用怎样的滤波器。下图绘出了电压源型和电流源型逆变器的示意图。38 两种类型逆变器结构逆变器逆变器LdIdCdUdUd+-a)电压源逆变器b)电流源逆变器图7-15 电压源型和电流源型逆变器示意图39电压源型逆变器电压源型逆变器（Voltage
13、Source InverterVSI），直流环节采用大电容滤波储能，因而直流电压波形比较平直，在理想情况下是一个内阻为零的恒压源，输出交流电压是矩形波或阶梯波，有时简称电压型逆变器。40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储能，直流电流波形比较平直，相当于一个内阻很大的恒流源，输出交流电流是矩形波或阶梯波，或简称电流型逆变器。41 性能比较 两类逆变器在主电路上虽然只是滤波环节的不同，在性能上却带来了明显的差异，主要表现如下：（1）无功能量的缓冲）无功能量的缓冲 异步电机属感性负载，在中间直流环节与负载电机之间，除了有功
14、功率的传送外，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。因此，还表现在储能元件（电容器或电感器）的区别。42（2）能量的回馈）能量的回馈 电流源型逆变器有一个显著特征，就是容易实现能量回馈，从而便于四象限运行，适用于需要回馈制动和经常正、反转的生产机械。电压源型逆变器却很困难。下面以由晶闸管可控整流器和电流源型串联二极管式晶闸管逆变器构成的交-直-交变压变频调速系统为例，说明电动运行和回馈制动两种状态。43电动运行状态P图7-16 电流源型交-直-交变压变频调速系统的两种运行状态M3+-UdIdLdCSI 电动Te 逆变UCRa）电动运行图7-16 电流源型交-直-交变压
15、变频调速系统的两种运行状态M3+-UdIdLdCSI 90o整流 电动Te 逆变UCRa）电动运行44 当电动运行时，UCR的控制角 90o有源逆变发电Te整流UCRb）逆变运行46如果异步电动机处于发电制动状态，则逆变器转入整流状态，而可控整流器转入有源逆变状态，此时直流电压Ud 立即反向，而电流 Id 方向不变，电能由电机回馈给交流电网（图b）。47 与此相反，采用电压源型的交-直-交变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电容钳制着电压的极性，直流电压不可能迅速反向，而电流受到器件单向导电性的制约也不能反向，所以在原装置上无法实现回馈制动。48 必须制动
16、时，只得在直流环节中并联电阻实现能耗制动，或者与UCR反并联一组反向的可控整流器，用以通过反向的制动电流，而保持电压极性不变，实现回馈制动。这样做，设备要复杂多了。49性能比较（续）（3）动态响应）动态响应 正由于交-直-交电流源型变频调速系统的直流电压可以迅速改变，所以动态响应比较快，而电压源型变压变频调速系统的动态响应就慢得多。（4）输出波形）输出波形 电压源型逆变器输出的电压波形为方波，电流源型逆变器输出的电流波形为方波（见下表）。50性能比较（续）表7-1 两种逆变器输出波形比较51性能比较（续）（4）应用场合）应用场合 电压源型逆变器，电压控制响应慢，不易波动，所以适于做多台电机同步
17、运行时的供电电源，或单台电机调速但不要求快速起制动和快速减速的场合。电流源型逆变器的系统则相反，不适用于多电机传动，但可以满足快速起制动和可逆运行的要求。523 变频调速系统中的变频调速系统中的 脉宽调制脉宽调制(PWM)技术技术本节提要本节提要问题的提出问题的提出正弦波脉宽调制正弦波脉宽调制(SPWM)技术技术消除指定次数谐波的消除指定次数谐波的PWM(SHEPWM)控制技术控制技术电流滞环跟踪电流滞环跟踪PWM(CHBPWM)控制技术控制技术电压空间矢量电压空间矢量PWM(SVPWM)控制技术（或称控制技术（或称磁链跟踪控制技术）磁链跟踪控制技术）53 问题的提出 早期的交-直-交变频器所
18、输出的交流波形都是六拍阶梯波（对于电压型逆变器）或矩形波（对于电流型逆变器），这是因为当时逆变器只能采用半控式的晶闸管，其关断的不可控性和较低的开关频率导致逆变器的输出波形不可能近似按正弦波变化，从而会有较大的低次谐波，使电机输出转矩存在脉动分量，影响其稳态工作性能，在低速运行时更为明显。54 六拍逆变器主电路结构NN+-UVW图5-9V1V2V3V4V5V6VD1VD2VD3VD4VD5VD6Ud2Ud2VT1VT6主电路开关器件 VD1VD6续流二极管55 为了改善交流电动机变压变频调速系统的性能，在出现了全控式电力电子开关器件之后，科技工作者在20世纪80年代开发了应用PWM技术的逆变器
19、。由于它的优良技术性能，当今国内外各厂商生产的变频器都已采用这种技术，只有在全控器件尚未能及的特大容量时才属例外。561.PWM调制原理调制原理用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波正弦半波N等分等分，宽度相等，幅值不等用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积相等SPWM波形波形脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形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7.4.1 正弦波脉宽调制正弦波脉宽调制(SPWM)技术技术57图6-5urucuOtOtuouofuoUd-Ud（1）单极性PWM控制方式58（2）双极性PWM控制方
20、式图6-6urucuOtOtuouofuoUd-Ud595.PWM逆变器主电路及输出波形图7-19 三相桥式PWM逆变器主电路原理图调制电路V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4ucV6VD6V5VD5VUWNNC+C+urUurVurW2Ud2UdVT1VT4VT3VT6VT5VT260 转速开环恒压频比控制调速系统转速开环恒压频比控制调速系统 通用变频器通用变频器-异步电动机调速系统异步电动机调速系统概述概述 现代通用变频器大都是采用二极管整流和由快速全控开关器件 IGBT 或功率模块IPM 组成的PWM逆变器，构成交-直-交电压源型变频器，已经占领了全世界0.5500kVA 中、小容量
21、变频调速装置的绝大部分市场。61 所谓“通用”，包含着两方面的含义：（1）可以和通用的笼型异步电机配套使用；（2）具有多种可供选择的功能，适用于各种不同性质的负载。系统介绍系统介绍 图7-37绘出了一种典型的数字控制通用数字控制通用变频器变频器-异步电动机调速系统异步电动机调速系统原理图。62 1.系统组成M3电压检测泵升限制电流检测温度检测电流检测单片机显示设定接口PWM发生器驱动电路URUIR0R1R2RbVTbKR0R1RbR263 2.电路分析l主电路主电路由二极管整流器UR、PWM逆变器UI和中间直流电路三部分组成，一般都是电压源型的，采用大电容C滤波，同时兼有无功功率交换的作用。6
22、4主电路（续）u限流电阻限流电阻 为了避免大电容C在通电瞬间产生过大的充电电流，在整流器和滤波电容间的直流回路上串入限流电阻（或电抗），通上电源时，先限制充电电流，再延时用开关K将短路，以免长期接入时影响变频器的正常工作，并产生附加损耗。65主电路（续）u泵升限制电路泵升限制电路由于二极管整流器不能为异步电机的再生制动提供反向电流的通路，所以除特殊情况外，通用变频器一般都用电阻吸收制动能量。减速制动时，异步电机进入发电状态，首先通过逆变器的续流二极管向电容C充电，当中间直流回路的电压（通称泵升电压）升高到一定的限制值时，通过泵升限制电路使开关器件导通，将电机释放的动能消耗在制动电阻上。为了便于
23、散热，制动电阻器常作为附件单独装在变频器机箱外边。66图7-38 三相二极管整流电路的输入电流波形主电路（续）u进线电抗器进线电抗器 二极管整流器虽然是全波整流装置，但由于其输出端有滤波电容存在，因此输入电流呈脉冲波形，如图7-38所示。67 a)+abcTiaRCudidiCiRVD4VD6VD1VD3VD5VD2b)Oiaudiduduabuac0t3ta)b)ttttiaidiaidOOOO68 这样的电流波形具有较大的谐波分量，使电源受到污染。为了抑制谐波电流，对于容量较大的PWM变频器，都应在输入端设有进线电抗器，有时也可以在整流器和电容器之间串接直流电抗器。还可用来抑制电源电压不平
24、衡对变频器的影响。69电路分析（续）l控制电路控制电路现代PWM变频器的控制电路大都是以微处理器为核心的数字电路，其功能主要是接受各种设定信息和指令，再根据它们的要求形成驱动逆变器工作的PWM信号，再根据它们的要求形成驱动逆变器工作的PWM信号。微机芯片主要采用8位或16位的单片机，或用32位的DSP，现在已有应用RISC的产品出现。70控制电路（续）uPWM信号产生信号产生可以由微机本身的软件产生，由PWM端口输出，也可采用专用的PWM生成电路芯片。u检测与保护电路检测与保护电路各种故障的保护由电压、电流、温度等检测信号经信号处理电路进行分压、光电隔离、滤波、放大等综合处理，再进入A/D转换
25、器，输入给CPU作为控制算法的依据，或者作为开关电平产生保护信号和显示信号。71控制电路（续）u信号设定信号设定需要设定的控制信息主要有：U/f 特性、工作频率、频率升高时间、频率下降时间等，还可以有一系列特殊功能的设定。由于通用变频器-异步电动机系统是转速或频率开环、恒压频比控制系统，低频时，或负载的性质和大小不同时，都得靠改变 U/f 函数发生器的特性来补偿，使系统达到恒定，甚至恒定的功能（见7.2.2中内容），在通用产品中称作“电压补偿”或“转矩补偿”。72控制电路（续）tff*ufu斜坡函数U/f 曲线脉冲发生器驱动电路工作频率设定升降速时间设定电压补偿设定PWM产生图7-39 PWM
26、变频器的基本控制作用 737.5.2 转速闭环转速闭环转差频率控制转差频率控制的变频速系统的变频速系统 0.问题的提出问题的提出 前节所述的转速开环变频调速系统可以满足平滑调速的要求，但静、动态性能都有限，要提高静、动态性能，首先要用转速反馈闭环控制。转速闭环系统的静特性比开环系统强，这是很明显的，但是，是否能够提高系统的动态性能呢？还得进一步探讨一下。74 电力传动的基本控制规律 归根结底，调速系统的动态性能就是控制调速系统的动态性能就是控制转矩的能力转矩的能力。75 在异步电机变压变频调速系统中，需要控制的是电压（或电流）和频率，怎样能够通过控制电压（电流）和频率来控制电磁转矩，这是寻求提
27、高动态性能时需要解决的问题。761.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，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。77p 概 述 异步电机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，通过坐标变换，可以使之降阶并化简，但并没有改变其非线性、多变量的本质。需要高动态性能的异步电机调速系统必须在其动态模型的基础上进行分析和设计，但要完成这一任务并非易事。经过多年的潜心研究和实践，有几种控制方案已经获得了成功的应用，目前应用最广的就是按转
28、子磁链定向的矢量控制系统。78 通过直流电机的控制量，模仿直流电机的控制策略，经过相应的坐标反变换，就能够控制异步电机。由于进行坐标变换的是电流（代表磁动势）的空间矢量，所以这样通过坐标变换实现的控制系统就叫作矢量控制系统（Vector Control System。79 基于动态模型按定子磁链控制的基于动态模型按定子磁链控制的 直接转矩控制系统直接转矩控制系统概 述 直接转矩控制系统简称 DTC(Direct Torque Control)系统，是继矢量控制系统之后发展起来的另一种高动态性能的交流电动机变压变频调速系统。在它的转速环里面，利用转矩反馈直接控制电机的电磁转矩，因而得名。80n
29、性能比较 从总体控制结构上看，直接转矩控制从总体控制结构上看，直接转矩控制(DTC)系统和矢量控制系统和矢量控制(VC)系统是一致的，系统是一致的，都能获得较高的静、动态性能都能获得较高的静、动态性能。81表表7-1 直接转矩控制系统和矢量控制系统特点与性能比直接转矩控制系统和矢量控制系统特点与性能比较较性能与特点直接转矩控制系统矢量控制系统磁链控制定子磁链转子磁链转矩控制砰-砰控制，有转矩脉动连续控制，比较平滑坐标变换静止坐标变换，较简单旋转坐标变换，较复杂转子参数变化影响无有调速范围不够宽比较宽人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。
