第5章 基于穩(wěn)態(tài)模型的異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)

1、電力拖動自動控制系統(tǒng)電力拖動自動控制系統(tǒng) 運(yùn)動控制系統(tǒng)運(yùn)動控制系統(tǒng)第第5章章基于穩(wěn)態(tài)模型的異基于穩(wěn)態(tài)模型的異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 基于穩(wěn)態(tài)模型的異步電動機(jī)調(diào)速基于穩(wěn)態(tài)模型的異步電動機(jī)調(diào)速l在基于穩(wěn)態(tài)模型的異步電動機(jī)調(diào)速在基于穩(wěn)態(tài)模型的異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，采用穩(wěn)態(tài)等效電路來分析系統(tǒng)中，采用穩(wěn)態(tài)等效電路來分析異步電動機(jī)在不同電壓和頻率供電異步電動機(jī)在不同電壓和頻率供電條件下的轉(zhuǎn)矩與磁通的穩(wěn)態(tài)關(guān)系和條件下的轉(zhuǎn)矩與磁通的穩(wěn)態(tài)關(guān)系和機(jī)械特性，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計異步機(jī)械特性，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。基于穩(wěn)態(tài)模型的調(diào)速方法基于穩(wěn)態(tài)模型的調(diào)速方法l常用的基于穩(wěn)態(tài)模型的異

2、步電動機(jī)常用的基于穩(wěn)態(tài)模型的異步電動機(jī)調(diào)速方法有調(diào)壓調(diào)速和變壓變頻調(diào)調(diào)速方法有調(diào)壓調(diào)速和變壓變頻調(diào)速兩類。速兩類。內(nèi)內(nèi) 容容 提提 要要n異步電動機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型和調(diào)速方法異步電動機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型和調(diào)速方法n異步電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速異步電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速n異步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速異步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速n電力電子變壓變頻器電力電子變壓變頻器n轉(zhuǎn)速開環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速開環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)n轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制的變壓變頻調(diào)速轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)系統(tǒng)5.1 異步電動機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模異步電動機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型和調(diào)速方法型和調(diào)速方法l異步電動機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型包括異步電動異步電動機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型包括異步電動機(jī)穩(wěn)態(tài)

3、等效電路和機(jī)械特性，兩者既有機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路和機(jī)械特性，兩者既有聯(lián)系，又有區(qū)別。聯(lián)系，又有區(qū)別。穩(wěn)態(tài)等效電路描述了在一定的轉(zhuǎn)差率穩(wěn)態(tài)等效電路描述了在一定的轉(zhuǎn)差率下電動機(jī)的穩(wěn)態(tài)電氣特性。下電動機(jī)的穩(wěn)態(tài)電氣特性。機(jī)械特性則表征了轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差率（或機(jī)械特性則表征了轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差率（或轉(zhuǎn)速）的穩(wěn)態(tài)關(guān)系。轉(zhuǎn)速）的穩(wěn)態(tài)關(guān)系。5.1.1異步電動機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型異步電動機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型l轉(zhuǎn)差率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系轉(zhuǎn)差率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系11nnsn1(1)ns n或或 電動機(jī)極對數(shù)電動機(jī)極對數(shù) 供電電源頻率供電電源頻率 l同步轉(zhuǎn)速同步轉(zhuǎn)速 1160pfnn1fpn異步電動機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路異步電動機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路圖圖5-1 異步電動機(jī)異步電

4、動機(jī)T型等效電路型等效電路假定條件：假定條件：忽略空間和時間諧波，忽略空間和時間諧波，忽略磁飽和，忽略磁飽和，忽略鐵損忽略鐵損異步電動機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路異步電動機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路式中式中 l轉(zhuǎn)子相電流（折合到定子側(cè)）轉(zhuǎn)子相電流（折合到定子側(cè)） 212121lrlsrssrLCLsRCRUImlsmlssLLLjLjRC11111異步電動機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路異步電動機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路圖圖5-2 異步電動機(jī)簡化等效電路異步電動機(jī)簡化等效電路忽略勵磁電流忽略勵磁電流異步電動機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路異步電動機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路2212lrlsrssrsLLsRRUIIl簡化等效電路的相電流簡化等效電路的相電流異步電動機(jī)的機(jī)械特性異步電

5、動機(jī)的機(jī)械特性l異步電動機(jī)傳遞的電磁功率異步電動機(jī)傳遞的電磁功率 l機(jī)械同步角速度機(jī)械同步角速度 sRIPrrm2 3pmn11異步電動機(jī)的機(jī)械特性異步電動機(jī)的機(jī)械特性l異步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩（機(jī)械特性方程式異步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩（機(jī)械特性方程式 ）22122122212122 113/33lrlsrsrsplrlsrsrsprrpmmeLLsRsRsRUnLLsRRsRUnsRInPT異步電動機(jī)的機(jī)械特性異步電動機(jī)的機(jī)械特性對對s求導(dǎo)，并令求導(dǎo)，并令 0dsdTel最大轉(zhuǎn)矩，又稱臨界轉(zhuǎn)矩最大轉(zhuǎn)矩，又稱臨界轉(zhuǎn)矩 221212)(23lrlsssspemLLRRUnT異步電動機(jī)的機(jī)械特性異步電動機(jī)的

6、機(jī)械特性l臨界轉(zhuǎn)差率：對應(yīng)最大轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)差率臨界轉(zhuǎn)差率：對應(yīng)最大轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)差率2212)(lrlssrmLLRRs異步電動機(jī)的機(jī)械特性異步電動機(jī)的機(jī)械特性將機(jī)械特性方程式分母展開將機(jī)械特性方程式分母展開2222222112222222113232psresrsrlslrpsrlslrssrrn U R sTs RRsR RsLLn U R sLLsR ssR RR異步電動機(jī)的機(jī)械特性異步電動機(jī)的機(jī)械特性當(dāng)當(dāng)s很小時，忽略分母中含很小時，忽略分母中含s各項各項213psern U sTsRl轉(zhuǎn)矩近似與轉(zhuǎn)矩近似與s成正比，機(jī)械特性近似為直成正比，機(jī)械特性近似為直線線 異步電動機(jī)的機(jī)械特性異步電動機(jī)的機(jī)

7、械特性當(dāng)當(dāng)s較大時，忽略分母中較大時，忽略分母中s的一次項和零次項的一次項和零次項l轉(zhuǎn)矩近似與轉(zhuǎn)矩近似與s成反比，機(jī)械特性是一段雙曲成反比，機(jī)械特性是一段雙曲線線22221131psreslslrn U RTss RLL異步電動機(jī)的機(jī)械特性異步電動機(jī)的機(jī)械特性l異步電動機(jī)由額異步電動機(jī)由額定電壓、額定頻定電壓、額定頻率供電，且無外率供電，且無外加電阻和電抗時加電阻和電抗時的機(jī)械特性方程的機(jī)械特性方程式，稱作固有特式，稱作固有特性或自然特性。性或自然特性。圖圖5-3 異步電動機(jī)的機(jī)械特性異步電動機(jī)的機(jī)械特性5.1.2異步電動機(jī)的調(diào)速方異步電動機(jī)的調(diào)速方法與氣隙磁通法與氣隙磁通l異步電動機(jī)的調(diào)速方

8、法異步電動機(jī)的調(diào)速方法所謂調(diào)速，就是人為地改變機(jī)械特性所謂調(diào)速，就是人為地改變機(jī)械特性的參數(shù)，使電動機(jī)的穩(wěn)定工作點(diǎn)偏離固有的參數(shù)，使電動機(jī)的穩(wěn)定工作點(diǎn)偏離固有特性，工作在人為機(jī)械特性上，以達(dá)到調(diào)特性，工作在人為機(jī)械特性上，以達(dá)到調(diào)速的目的。速的目的。異步電動機(jī)的調(diào)速方法異步電動機(jī)的調(diào)速方法由異步電動機(jī)的機(jī)械特性方程式由異步電動機(jī)的機(jī)械特性方程式可知，能夠改變的參數(shù)可分為可知，能夠改變的參數(shù)可分為3類：類：電動機(jī)參數(shù)、電源電壓和電源頻率（或角頻電動機(jī)參數(shù)、電源電壓和電源頻率（或角頻率）。率）。22222113psresrlslrn U R sTsRRsLL異步電動機(jī)的氣隙磁通異步電動機(jī)的氣隙磁通

9、l三相異步電動機(jī)定子每相電動勢的有效值三相異步電動機(jī)定子每相電動勢的有效值忽略定子繞組電阻和漏磁感抗壓降忽略定子繞組電阻和漏磁感抗壓降14.44SgsmNEf N k14.44SsgsmNUEf N k異步電動機(jī)的氣隙磁通異步電動機(jī)的氣隙磁通l氣隙磁通氣隙磁通 l為了保持氣隙磁通恒定，應(yīng)使為了保持氣隙磁通恒定，應(yīng)使 11/mgsEfUf1gEf常數(shù)s1Uf常數(shù)或近似為或近似為 5.2 異步電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速異步電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速l保持電源頻率為額定頻率，只改變定保持電源頻率為額定頻率，只改變定子電壓的調(diào)速方法稱作調(diào)壓調(diào)速。子電壓的調(diào)速方法稱作調(diào)壓調(diào)速。l由于受電動機(jī)絕緣和磁路飽和的限制，由于受電動機(jī)絕

10、緣和磁路飽和的限制，定子電壓只能降低，不能升高，故又定子電壓只能降低，不能升高，故又稱作降壓調(diào)速。稱作降壓調(diào)速。異步電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速異步電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速l調(diào)壓調(diào)速的基本特征：電動機(jī)同步轉(zhuǎn)速保調(diào)壓調(diào)速的基本特征：電動機(jī)同步轉(zhuǎn)速保持額定值不變持額定值不變 l氣隙磁通氣隙磁通 隨定子電壓的降低而減小，屬于弱磁調(diào)速。隨定子電壓的降低而減小，屬于弱磁調(diào)速。11160NNpfnnn14.44SsmsNUf N k5.2.1 異步電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速的異步電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速的主電路主電路圖圖5-4 晶閘管交流調(diào)壓器調(diào)速晶閘管交流調(diào)壓器調(diào)速TVC雙雙向晶閘管向晶閘管交流調(diào)壓交流調(diào)壓器器a) 不可逆不可逆電路電路b) 可逆電

11、可逆電路路5.2.2 異步電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速異步電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速的機(jī)械特性的機(jī)械特性可調(diào)可調(diào) l調(diào)壓調(diào)速的機(jī)械特性表達(dá)式調(diào)壓調(diào)速的機(jī)械特性表達(dá)式22222113psresrlslrn U R sTsRRsLLsUl電磁轉(zhuǎn)矩與定子電壓的平方成正比電磁轉(zhuǎn)矩與定子電壓的平方成正比 5.2.2 異步電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速異步電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速的機(jī)械特性的機(jī)械特性l臨界轉(zhuǎn)差率保持不變臨界轉(zhuǎn)差率保持不變 l理想空載轉(zhuǎn)速保持為同步轉(zhuǎn)速不變理想空載轉(zhuǎn)速保持為同步轉(zhuǎn)速不變 01Nnn2212)(lrlssrmLLRRs5.2.2 異步電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速異步電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速的機(jī)械特性的機(jī)械特性l臨界轉(zhuǎn)矩臨界轉(zhuǎn)矩 221212)(23lr

12、lsssspemLLRRUnTl 隨定子電壓的減小而成平方比地下隨定子電壓的減小而成平方比地下降降5.2.2 異步電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速異步電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速的機(jī)械特性的機(jī)械特性圖圖5-5 異步電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速的機(jī)械特性異步電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速的機(jī)械特性5.2.2 異步電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速異步電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速的機(jī)械特性的機(jī)械特性l帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時，普通籠型異步電動機(jī)降帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時，普通籠型異步電動機(jī)降壓調(diào)速時的穩(wěn)定工作范圍為壓調(diào)速時的穩(wěn)定工作范圍為 調(diào)速范圍有限，圖中調(diào)速范圍有限，圖中A、B、C為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載在不同電壓時的穩(wěn)定工作點(diǎn)。在不同電壓時的穩(wěn)定工作點(diǎn)。l帶風(fēng)機(jī)類負(fù)載運(yùn)行，調(diào)速范圍可以稍大一帶風(fēng)機(jī)類負(fù)載運(yùn)

13、行，調(diào)速范圍可以稍大一些，圖中些，圖中D、E、F為風(fēng)機(jī)類負(fù)載在不同電壓為風(fēng)機(jī)類負(fù)載在不同電壓時的穩(wěn)定工作點(diǎn)。時的穩(wěn)定工作點(diǎn)。0mss5.2.2 異步電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速異步電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速的機(jī)械特性的機(jī)械特性帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載工作時，定子側(cè)輸入的電帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載工作時，定子側(cè)輸入的電磁功率磁功率故電磁功率恒定不變，與轉(zhuǎn)速無關(guān)。故電磁功率恒定不變，與轉(zhuǎn)速無關(guān)。 11LmmLpTPTn1LT、均為常數(shù)均為常數(shù) 5.2.2 異步電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速異步電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速的機(jī)械特性的機(jī)械特性l轉(zhuǎn)差功率轉(zhuǎn)差功率 隨著轉(zhuǎn)差率的加大而增加。隨著轉(zhuǎn)差率的加大而增加。l帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的降壓調(diào)速就是靠增大轉(zhuǎn)帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的降壓調(diào)速就是靠增大轉(zhuǎn)

14、差功率、減小輸出功率來換取轉(zhuǎn)速的降低。差功率、減小輸出功率來換取轉(zhuǎn)速的降低。l增加的轉(zhuǎn)差功率全部消耗在轉(zhuǎn)子電阻上，增加的轉(zhuǎn)差功率全部消耗在轉(zhuǎn)子電阻上，這就是轉(zhuǎn)差功率消耗型的由來。這就是轉(zhuǎn)差功率消耗型的由來。1 LsmmLpTPsPsTsn5.2.2 異步電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速異步電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速的機(jī)械特性的機(jī)械特性l增加轉(zhuǎn)子電阻值，增加轉(zhuǎn)子電阻值，臨界轉(zhuǎn)差率加大，臨界轉(zhuǎn)差率加大，可以擴(kuò)大恒轉(zhuǎn)矩負(fù)可以擴(kuò)大恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載下的調(diào)速范圍，載下的調(diào)速范圍，這種高轉(zhuǎn)子電阻電這種高轉(zhuǎn)子電阻電動機(jī)又稱作交流力動機(jī)又稱作交流力矩電動機(jī)。矩電動機(jī)。l缺點(diǎn)是機(jī)械特性缺點(diǎn)是機(jī)械特性較軟。較軟。 圖圖5-6 高轉(zhuǎn)子電阻電動機(jī)（交流力

15、矩高轉(zhuǎn)子電阻電動機(jī)（交流力矩電動機(jī)）在不同電壓下的機(jī)械特性電動機(jī)）在不同電壓下的機(jī)械特性5.2.3 閉環(huán)控制的調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)閉環(huán)控制的調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)l要求帶恒轉(zhuǎn)要求帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的調(diào)矩負(fù)載的調(diào)壓系統(tǒng)具有壓系統(tǒng)具有較大的調(diào)速較大的調(diào)速范圍時，往范圍時，往往須采用帶往須采用帶轉(zhuǎn)速反饋的轉(zhuǎn)速反饋的閉環(huán)控制系閉環(huán)控制系統(tǒng)統(tǒng)。圖圖5-7 帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)控帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)控制的交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)制的交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng) 5.2.3 閉環(huán)控制的調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)閉環(huán)控制的調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)l當(dāng)系統(tǒng)帶負(fù)載穩(wěn)定時，如果負(fù)載增大或減當(dāng)系統(tǒng)帶負(fù)載穩(wěn)定時，如果負(fù)載增大或減小，引起轉(zhuǎn)速下降或上升，反饋控制作用小，引起轉(zhuǎn)速下降或上升，反饋控制

16、作用會自動調(diào)整定子電壓，使閉環(huán)系統(tǒng)工作在會自動調(diào)整定子電壓，使閉環(huán)系統(tǒng)工作在新的穩(wěn)定工作點(diǎn)。新的穩(wěn)定工作點(diǎn)。l按照反饋控制規(guī)律，將穩(wěn)定工作點(diǎn)連接起按照反饋控制規(guī)律，將穩(wěn)定工作點(diǎn)連接起來便是閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性。來便是閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性。5.2.3 閉環(huán)控制的調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)閉環(huán)控制的調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)l靜特性左右靜特性左右兩邊都有極兩邊都有極限，它們是限，它們是額定電壓下額定電壓下的機(jī)械特性的機(jī)械特性和最小輸出和最小輸出電壓下的機(jī)電壓下的機(jī)械特性。械特性。圖圖5-8 轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制的交流轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制的交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)靜特性調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)靜特性sNUminsU*5.2.4降壓控制應(yīng)用降壓控制應(yīng)用l三相異步電動機(jī)直接

17、接電網(wǎng)起動時，起動三相異步電動機(jī)直接接電網(wǎng)起動時，起動電流比較大，而起動轉(zhuǎn)矩并不大。電流比較大，而起動轉(zhuǎn)矩并不大。2212lrlsrssrstsstLLRRUII2222113psrestsrlslrn U RTRRLL*5.2.4降壓控制應(yīng)用降壓控制應(yīng)用l中、大容量電動機(jī)的起動電流大，會使電中、大容量電動機(jī)的起動電流大，會使電網(wǎng)壓降過大，影響其它用電設(shè)備的正常運(yùn)網(wǎng)壓降過大，影響其它用電設(shè)備的正常運(yùn)行，甚至使該電動機(jī)本身根本起動不起來。行，甚至使該電動機(jī)本身根本起動不起來。l必須采取措施來降低其起動電流，常用的必須采取措施來降低其起動電流，常用的辦法是降壓起動。辦法是降壓起動。*軟起動器軟起動

18、器l當(dāng)電壓降低時，起動電流將隨電壓成正比當(dāng)電壓降低時，起動電流將隨電壓成正比地降低，從而可以避開起動電流沖擊的高地降低，從而可以避開起動電流沖擊的高峰。峰。l起動轉(zhuǎn)矩與電壓的平方成正比，起動轉(zhuǎn)矩起動轉(zhuǎn)矩與電壓的平方成正比，起動轉(zhuǎn)矩的減小將比起動電流的降低更多，降壓起的減小將比起動電流的降低更多，降壓起動時又會出現(xiàn)起動轉(zhuǎn)矩不夠的問題。動時又會出現(xiàn)起動轉(zhuǎn)矩不夠的問題。l降壓起動只適用于中、大容量電動機(jī)空載降壓起動只適用于中、大容量電動機(jī)空載（或輕載）起動的場合。（或輕載）起動的場合。*5.2.4降壓控制應(yīng)用降壓控制應(yīng)用l三相異步電動機(jī)運(yùn)行時的總損耗三相異步電動機(jī)運(yùn)行時的總損耗 smechCurFe

19、Cusppppppl電機(jī)的運(yùn)行效率電機(jī)的運(yùn)行效率 pPPPP2212*輕載降壓運(yùn)行輕載降壓運(yùn)行l(wèi)為了減少輕載時的能量損耗，降低定子電為了減少輕載時的能量損耗，降低定子電壓可以降低氣隙磁通，這樣可以同時降低壓可以降低氣隙磁通，這樣可以同時降低鐵損和勵磁電流。鐵損和勵磁電流。l過分降低電壓和磁通，轉(zhuǎn)子電流必然增大，過分降低電壓和磁通，轉(zhuǎn)子電流必然增大，定子電流反而可能增加，鐵損的降低將被定子電流反而可能增加，鐵損的降低將被銅損的增加填補(bǔ)，效率反而更差了。銅損的增加填補(bǔ)，效率反而更差了。l當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩一定時，輕載降壓運(yùn)行有一個當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩一定時，輕載降壓運(yùn)行有一個最佳電壓值，此時效率最高。最佳電壓值，此

20、時效率最高。5.3 異步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速異步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速l變壓變頻調(diào)速是改變異步電動機(jī)同步轉(zhuǎn)速變壓變頻調(diào)速是改變異步電動機(jī)同步轉(zhuǎn)速的一種調(diào)速方法，同步轉(zhuǎn)速隨頻率而變化的一種調(diào)速方法，同步轉(zhuǎn)速隨頻率而變化ppnnfn260601115.3.1 變壓變頻調(diào)速的基本原理變壓變頻調(diào)速的基本原理l異步電動機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速異步電動機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速 1111(1)ns nnsnnnl穩(wěn)態(tài)速降穩(wěn)態(tài)速降 1snn 隨負(fù)載大小變化隨負(fù)載大小變化 氣隙磁通氣隙磁通控制控制l只要控制只要控制14.44SgsmNEf N k14.44SsgsmNUEf N k便可控制氣隙磁通便可控制氣隙磁通 基頻以下調(diào)速基頻以下調(diào)速

21、l當(dāng)異步電動機(jī)在基頻（額定頻率）以下運(yùn)當(dāng)異步電動機(jī)在基頻（額定頻率）以下運(yùn)行時，如果磁通太弱，沒有充分利用電機(jī)行時，如果磁通太弱，沒有充分利用電機(jī)的鐵心，是一種浪費(fèi)；如果磁通過大，又的鐵心，是一種浪費(fèi)；如果磁通過大，又會使鐵心飽和，從而導(dǎo)致過大的勵磁電流，會使鐵心飽和，從而導(dǎo)致過大的勵磁電流，嚴(yán)重時還會因繞組過熱而損壞電機(jī)。嚴(yán)重時還會因繞組過熱而損壞電機(jī)。l最好是保持每極磁通量為額定值不變。最好是保持每極磁通量為額定值不變?；l以下調(diào)速基頻以下調(diào)速 l當(dāng)頻率從額定值向下調(diào)節(jié)時，必須使當(dāng)頻率從額定值向下調(diào)節(jié)時，必須使 14.44SgsNmNEN kf常值l基頻以下應(yīng)采用電動勢頻率比為恒值的基頻以

22、下應(yīng)采用電動勢頻率比為恒值的控制方式?？刂品绞健；l以下調(diào)速基頻以下調(diào)速 l恒壓頻比的控制方式恒壓頻比的控制方式 當(dāng)電動勢值較高時，忽略定子電阻和漏感當(dāng)電動勢值較高時，忽略定子電阻和漏感壓降，壓降，gsEU 基頻以下調(diào)速基頻以下調(diào)速 l低頻補(bǔ)償（低頻轉(zhuǎn)矩提升）低頻補(bǔ)償（低頻轉(zhuǎn)矩提升）低頻時，定子電阻和漏感壓降所占的份低頻時，定子電阻和漏感壓降所占的份量比較顯著，不能再忽略。量比較顯著，不能再忽略。人為地把定子電壓抬高一些，以補(bǔ)償定人為地把定子電壓抬高一些，以補(bǔ)償定子阻抗壓降。子阻抗壓降。負(fù)載大小不同，需要補(bǔ)償?shù)亩ㄗ与妷阂藏?fù)載大小不同，需要補(bǔ)償?shù)亩ㄗ与妷阂膊灰粯印２灰粯??；l以下調(diào)速基頻以下調(diào)速

23、 l通常在控制軟通常在控制軟件中備有不同件中備有不同斜率的補(bǔ)償特斜率的補(bǔ)償特性，以供用戶性，以供用戶選擇。選擇。a無補(bǔ)償無補(bǔ)償 b帶定子帶定子電壓補(bǔ)償電壓補(bǔ)償圖圖5-9 恒壓頻比控制特性恒壓頻比控制特性基頻以上調(diào)速基頻以上調(diào)速 l在基頻以上調(diào)速時，頻率從基頻向上在基頻以上調(diào)速時，頻率從基頻向上升高，但受到電機(jī)絕緣耐壓和磁路飽升高，但受到電機(jī)絕緣耐壓和磁路飽和的限制，定子電壓不能隨之升高，和的限制，定子電壓不能隨之升高，最多只能保持額定電壓不變。最多只能保持額定電壓不變。l這將導(dǎo)致磁通與頻率成反比地降低，這將導(dǎo)致磁通與頻率成反比地降低，使得異步電動機(jī)工作在弱磁狀態(tài)。使得異步電動機(jī)工作在弱磁狀態(tài)。

24、變壓變頻調(diào)速變壓變頻調(diào)速 圖圖5-10 異步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速的控制特性異步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速的控制特性5.3.2 變壓變頻調(diào)速時的機(jī)械變壓變頻調(diào)速時的機(jī)械特性特性l基頻以下采用恒壓頻比控制基頻以下采用恒壓頻比控制 異步電動機(jī)機(jī)械特性方程式改寫為異步電動機(jī)機(jī)械特性方程式改寫為22122121)()(3lrlsrsrspeLLsRsRRsUnT基頻以下調(diào)速基頻以下調(diào)速l當(dāng)當(dāng)s很小時，忽略上式分母中含很小時，忽略上式分母中含s各項，各項，sRsUnTrspe1213或或 2113sperUnTRs基頻以下調(diào)速基頻以下調(diào)速l對于同一轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速降落基本不變對于同一轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速降落基本不變在恒壓頻比的條件

25、下把頻率向下調(diào)節(jié)時，機(jī)械特性基本上是平行下移的。2111210602reeppsR TnsnsTnnU 基頻以下調(diào)速基頻以下調(diào)速l臨界轉(zhuǎn)矩臨界轉(zhuǎn)矩 隨著頻率的降低而減小。隨著頻率的降低而減小。l當(dāng)頻率較低時，電動機(jī)帶載能力減弱，采當(dāng)頻率較低時，電動機(jī)帶載能力減弱，采用低頻定子壓降補(bǔ)償，適當(dāng)?shù)靥岣唠妷?，可用低頻定子壓降補(bǔ)償，適當(dāng)?shù)靥岣唠妷?，可以增?qiáng)帶載能力。以增強(qiáng)帶載能力。221121)(123lrlsssspemLLRRUnT基頻以下調(diào)速基頻以下調(diào)速l轉(zhuǎn)差功率轉(zhuǎn)差功率 與轉(zhuǎn)速無關(guān)，故稱作轉(zhuǎn)差功率不變型。21213resmespR TPsPsTUn基頻以上調(diào)速基頻以上調(diào)速l電壓不能從額定值再向上

26、提高，只能電壓不能從額定值再向上提高，只能保持不變，機(jī)械特性方程式可寫成保持不變，機(jī)械特性方程式可寫成l臨界轉(zhuǎn)矩表達(dá)式臨界轉(zhuǎn)矩表達(dá)式 2212212)()(3lrlsrsrsNpeLLsRsRsRUnT221212)(123lrlssssNpemLLRRUnT基頻以上調(diào)速基頻以上調(diào)速l臨界轉(zhuǎn)差臨界轉(zhuǎn)差 l當(dāng)當(dāng)s很小時，忽略上式分母中含很小時，忽略上式分母中含s各項各項 2212)(lrlssrmLLRRs213sNeprUsTnR或或21123repsNR Tsn U基頻以上調(diào)速基頻以上調(diào)速l帶負(fù)載時的轉(zhuǎn)速降落帶負(fù)載時的轉(zhuǎn)速降落 l對于相同的電磁轉(zhuǎn)矩，角頻率越大，轉(zhuǎn)速對于相同的電磁轉(zhuǎn)矩，角頻率

27、越大，轉(zhuǎn)速降落越大，機(jī)械特性越軟，與直流電動機(jī)弱降落越大，機(jī)械特性越軟，與直流電動機(jī)弱磁調(diào)速相似。磁調(diào)速相似。21112210602reppsNR TnsnsnnU 基頻以上調(diào)速基頻以上調(diào)速l轉(zhuǎn)差功率轉(zhuǎn)差功率 l帶恒功率負(fù)載運(yùn)行時帶恒功率負(fù)載運(yùn)行時221123resmepsNR TPsPsTn U轉(zhuǎn)差功率基本不變。轉(zhuǎn)差功率基本不變。221eT常數(shù)變壓變頻調(diào)速時的機(jī)械特性變壓變頻調(diào)速時的機(jī)械特性圖圖5-11 異步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速機(jī)械特性異步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速機(jī)械特性變壓變頻調(diào)速變壓變頻調(diào)速l在基頻以下，由于磁通恒定，允許輸在基頻以下，由于磁通恒定，允許輸出轉(zhuǎn)矩也恒定，屬于出轉(zhuǎn)矩也恒定，屬于“恒

28、轉(zhuǎn)矩調(diào)速恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”方式。方式。l在基頻以上，轉(zhuǎn)速升高時磁通減小，在基頻以上，轉(zhuǎn)速升高時磁通減小，允許輸出轉(zhuǎn)矩也隨之降低，由于轉(zhuǎn)速允許輸出轉(zhuǎn)矩也隨之降低，由于轉(zhuǎn)速上升，允許輸出功率基本恒定，屬于上升，允許輸出功率基本恒定，屬于“近似的恒功率調(diào)速近似的恒功率調(diào)速”方式。方式。5.3.3 基頻以下電壓補(bǔ)償控制基頻以下電壓補(bǔ)償控制 l在基頻以下運(yùn)行時，采用恒壓頻比的控在基頻以下運(yùn)行時，采用恒壓頻比的控制方法具有控制簡便的優(yōu)點(diǎn)。制方法具有控制簡便的優(yōu)點(diǎn)。l但負(fù)載的變化時定子壓降不同，將導(dǎo)致但負(fù)載的變化時定子壓降不同，將導(dǎo)致磁通改變，須采用定子電壓補(bǔ)償控制。磁通改變，須采用定子電壓補(bǔ)償控制。l根據(jù)定子電

29、流的大小改變定子電壓，以根據(jù)定子電流的大小改變定子電壓，以保持磁通恒定。保持磁通恒定。5.3.3 基頻以下電壓補(bǔ)償控制基頻以下電壓補(bǔ)償控制 l為了使參考極為了使參考極性與電動狀態(tài)性與電動狀態(tài)下的實(shí)際極性下的實(shí)際極性相吻合，感應(yīng)相吻合，感應(yīng)電動勢采用電電動勢采用電壓降的表示方壓降的表示方法，由高電位法，由高電位指向低電位。指向低電位。 圖圖5-12 異步電動機(jī)等值電路和感應(yīng)電動勢異步電動機(jī)等值電路和感應(yīng)電動勢三種磁通三種磁通l氣隙磁通在定子每相繞組中的感應(yīng)電動勢氣隙磁通在定子每相繞組中的感應(yīng)電動勢 14.44SgsmNEf N kl定子全磁通在定子每相繞組中的感應(yīng)電動勢定子全磁通在定子每相繞組中

30、的感應(yīng)電動勢 l轉(zhuǎn)子全磁通在轉(zhuǎn)子每相繞組中的感應(yīng)電動勢轉(zhuǎn)子全磁通在轉(zhuǎn)子每相繞組中的感應(yīng)電動勢 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：保持定子磁通恒定： 定子電動勢不好直接控制，能夠直接控制定子電動勢不好直接控制，能夠直接控制的只有定子電壓，按的只有定子電壓，按l補(bǔ)償定子電阻壓降，就能夠得到恒定子磁補(bǔ)償定子電阻壓降，就能夠得到恒定子磁通。通。 1/ fEssssEIRU1常值常值恒定子磁通控制恒定子磁通控制 l忽略勵磁電流，轉(zhuǎn)子電流忽略勵磁電流，轉(zhuǎn)子電流l電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩 2212)(lrlsrsrLLsREI221

31、22 121221221)(3)(3lrlsrrsprlrlsrspeLLsRRsEnsRLLsREnT恒定子磁通控制恒定子磁通控制 恒壓頻比控制時的轉(zhuǎn)矩式恒壓頻比控制時的轉(zhuǎn)矩式 兩式相比可知，恒定子磁通控制時轉(zhuǎn)矩表達(dá)式兩式相比可知，恒定子磁通控制時轉(zhuǎn)矩表達(dá)式的分母小于恒壓頻比控制特性中的同類項。的分母小于恒壓頻比控制特性中的同類項。l當(dāng)轉(zhuǎn)差率當(dāng)轉(zhuǎn)差率s相同時，采用恒定子磁通控制方式相同時，采用恒定子磁通控制方式的電磁轉(zhuǎn)矩大于恒壓頻比控制方式。的電磁轉(zhuǎn)矩大于恒壓頻比控制方式。22122121)()(3lrlsrsrspeLLsRsRRsUnT恒定子磁通控制恒定子磁通控制 l臨界轉(zhuǎn)差率臨界轉(zhuǎn)差率

32、 l臨界轉(zhuǎn)矩臨界轉(zhuǎn)矩 )(1lrlsrmLLRs)(12321lrlsspemLLEnT頻率變化時，恒定子磁通控制的臨界轉(zhuǎn)矩恒定頻率變化時，恒定子磁通控制的臨界轉(zhuǎn)矩恒定不變不變 。恒定子磁通控制恒定子磁通控制 比較可知比較可知l恒定子磁通控制的臨界轉(zhuǎn)差率大恒定子磁通控制的臨界轉(zhuǎn)差率大于恒壓頻比控制方式。于恒壓頻比控制方式。l恒定子磁通控制的臨界轉(zhuǎn)矩也大恒定子磁通控制的臨界轉(zhuǎn)矩也大于恒壓頻比控制方式。于恒壓頻比控制方式。恒氣隙磁通控制恒氣隙磁通控制 l保持氣隙磁通恒定：保持氣隙磁通恒定： l定子電壓定子電壓l除了補(bǔ)償定子電阻壓降外，還應(yīng)補(bǔ)償定子除了補(bǔ)償定子電阻壓降外，還應(yīng)補(bǔ)償定子漏抗壓降。漏抗壓

33、降。 1/gEglsssEILjRU11)(常值常值恒氣隙磁通控制恒氣隙磁通控制 l轉(zhuǎn)子電流轉(zhuǎn)子電流l電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩 2212lrrgrLsREI2 2122 12122122133lrrrgprlrrgpeLsRRsEnsRLsREnT恒氣隙磁通控制恒氣隙磁通控制 l臨界轉(zhuǎn)差率臨界轉(zhuǎn)差率 l臨界轉(zhuǎn)矩臨界轉(zhuǎn)矩 l與恒定子磁通控制方式相比較，恒氣隙磁通與恒定子磁通控制方式相比較，恒氣隙磁通控制方式的臨界轉(zhuǎn)差率和臨界轉(zhuǎn)矩更大，機(jī)械控制方式的臨界轉(zhuǎn)差率和臨界轉(zhuǎn)矩更大，機(jī)械特性更硬。特性更硬。 1lrrmLRs21123lrspemLEnT恒轉(zhuǎn)子磁通控制恒轉(zhuǎn)子磁通控制 l保持轉(zhuǎn)子磁通恒定：保持轉(zhuǎn)子磁

34、通恒定： l定子電壓定子電壓l除了補(bǔ)償定子電阻壓降外，還應(yīng)補(bǔ)償定除了補(bǔ)償定子電阻壓降外，還應(yīng)補(bǔ)償定子和轉(zhuǎn)子漏抗壓降。子和轉(zhuǎn)子漏抗壓降。 1/rE11()sslslrrURjLLIE常值常值恒轉(zhuǎn)子磁通控制恒轉(zhuǎn)子磁通控制 l轉(zhuǎn)子電流轉(zhuǎn)子電流l電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩 sREIrrr/12122133rrprrrpeRsEnsRsREnT恒轉(zhuǎn)子磁通控制恒轉(zhuǎn)子磁通控制 l機(jī)械特性完全是一條直線，可以獲機(jī)械特性完全是一條直線，可以獲得和直流電動機(jī)一樣的線性機(jī)械特得和直流電動機(jī)一樣的線性機(jī)械特性，這正是高性能交流變頻調(diào)速所性，這正是高性能交流變頻調(diào)速所要求的穩(wěn)態(tài)性能。要求的穩(wěn)態(tài)性能。不同控制方式下的機(jī)械特性不同控

35、制方式下的機(jī)械特性 圖圖5-13 異步電動機(jī)在不同控制方式下的機(jī)械特性異步電動機(jī)在不同控制方式下的機(jī)械特性a）恒壓頻比控制）恒壓頻比控制b）恒定子磁通控）恒定子磁通控制制c）恒氣隙磁通控）恒氣隙磁通控制制 d）恒轉(zhuǎn)子磁通控）恒轉(zhuǎn)子磁通控制制不同控制方式的比較不同控制方式的比較 l恒壓頻比控制最容易實(shí)現(xiàn)，它的變頻機(jī)械恒壓頻比控制最容易實(shí)現(xiàn)，它的變頻機(jī)械特性基本上是平行下移，硬度也較好，能特性基本上是平行下移，硬度也較好，能夠滿足一般的調(diào)速要求，低速時需適當(dāng)提夠滿足一般的調(diào)速要求，低速時需適當(dāng)提高定子電壓，以近似補(bǔ)償定子阻抗壓降。高定子電壓，以近似補(bǔ)償定子阻抗壓降。不同控制方式下的比較不同控制方式

36、下的比較l恒定子磁通、恒氣隙磁通和恒轉(zhuǎn)子磁通的恒定子磁通、恒氣隙磁通和恒轉(zhuǎn)子磁通的控制方式均需要定子電壓補(bǔ)償，控制要復(fù)控制方式均需要定子電壓補(bǔ)償，控制要復(fù)雜一些。雜一些。l恒定子磁通和恒氣隙磁通的控制方式雖然恒定子磁通和恒氣隙磁通的控制方式雖然改善了低速性能。但機(jī)械特性還是非線性改善了低速性能。但機(jī)械特性還是非線性的，仍受到臨界轉(zhuǎn)矩的限制。的，仍受到臨界轉(zhuǎn)矩的限制。l恒轉(zhuǎn)子磁通控制方式可以獲得和直流他勵恒轉(zhuǎn)子磁通控制方式可以獲得和直流他勵電動機(jī)一樣的線性機(jī)械特性，性能最佳。電動機(jī)一樣的線性機(jī)械特性，性能最佳。5.4 電力電子變壓變頻器電力電子變壓變頻器l異步電動機(jī)變頻調(diào)速需要電壓與頻率均可異步

37、電動機(jī)變頻調(diào)速需要電壓與頻率均可調(diào)的交流電源，常用的交流可調(diào)電源是由調(diào)的交流電源，常用的交流可調(diào)電源是由電力電子器件構(gòu)成的靜止式功率變換器，電力電子器件構(gòu)成的靜止式功率變換器，一般稱為變頻器。一般稱為變頻器。5.4 電力電子變壓變頻器電力電子變壓變頻器l交交-直直-交變頻器：先將恒壓恒頻的交流電交變頻器：先將恒壓恒頻的交流電整成直流，再將直流電逆變成電壓與頻率整成直流，再將直流電逆變成電壓與頻率均為可調(diào)的交流，稱作間接變頻。均為可調(diào)的交流，稱作間接變頻。l交交-交變頻器：將恒壓恒頻的交流電直接變交變頻器：將恒壓恒頻的交流電直接變換為電壓與頻率均為可調(diào)的交流電，無需換為電壓與頻率均為可調(diào)的交流電

38、，無需中間直流環(huán)節(jié)，稱作直接變頻。中間直流環(huán)節(jié)，稱作直接變頻。5.4 電力電子變壓變頻器電力電子變壓變頻器圖圖5-14 變頻器結(jié)構(gòu)示意圖變頻器結(jié)構(gòu)示意圖a）交）交-直直-交變頻器交變頻器b）交）交-交交變頻器變頻器 脈沖寬度調(diào)制技術(shù)脈沖寬度調(diào)制技術(shù)l現(xiàn)代變頻器中用得最多的控制技術(shù)是脈沖現(xiàn)代變頻器中用得最多的控制技術(shù)是脈沖寬度調(diào)制（寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation），簡），簡稱稱PWM。l基本思想是控制逆變器中電力電子器件的基本思想是控制逆變器中電力電子器件的開通或關(guān)斷，輸出電壓為幅值相等、寬度按開通或關(guān)斷，輸出電壓為幅值相等、寬度按一定規(guī)律變化的脈沖序列，用這樣的高頻脈一

39、定規(guī)律變化的脈沖序列，用這樣的高頻脈沖序列代替期望的輸出電壓。沖序列代替期望的輸出電壓。5.4.1 PWM變頻器主回路變頻器主回路圖圖5-15 交交-直直-交變頻器主回路結(jié)構(gòu)圖交變頻器主回路結(jié)構(gòu)圖5.4.1 PWM變頻器主回路變頻器主回路l左邊是不可控整流橋，將三相交流電左邊是不可控整流橋，將三相交流電整流成電壓恒定的直流電壓。整流成電壓恒定的直流電壓。l右邊是逆變器，將直流電壓變換為頻右邊是逆變器，將直流電壓變換為頻率與電壓均可調(diào)的交流電。率與電壓均可調(diào)的交流電。l中間的濾波環(huán)節(jié)是為了減小直流電壓中間的濾波環(huán)節(jié)是為了減小直流電壓脈動而設(shè)置的。脈動而設(shè)置的。5.4.1 PWM變頻器主回路變頻器

40、主回路l主回路只有一套可控功率級，具有結(jié)主回路只有一套可控功率級，具有結(jié)構(gòu)、控制方便的優(yōu)點(diǎn)，采用脈寬調(diào)制的構(gòu)、控制方便的優(yōu)點(diǎn)，采用脈寬調(diào)制的方法，輸出諧波分量小。方法，輸出諧波分量小。l缺點(diǎn)是當(dāng)電動機(jī)工作在回饋制動狀態(tài)缺點(diǎn)是當(dāng)電動機(jī)工作在回饋制動狀態(tài)時能量不能回饋至電網(wǎng)，造成直流側(cè)電時能量不能回饋至電網(wǎng)，造成直流側(cè)電壓上升，稱作泵升電壓。壓上升，稱作泵升電壓。直流母線供電直流母線供電l采用直流母線供電給多臺逆變器，可采用直流母線供電給多臺逆變器，可以減少整流裝置的電力電子器件，逆變以減少整流裝置的電力電子器件，逆變器從直流母線上汲取能量，還可以通過器從直流母線上汲取能量，還可以通過直流母線來實(shí)

41、現(xiàn)能量平衡，提高整流裝直流母線來實(shí)現(xiàn)能量平衡，提高整流裝置的工作效率。置的工作效率。l當(dāng)某個電動機(jī)工作在回饋制動狀態(tài)時，當(dāng)某個電動機(jī)工作在回饋制動狀態(tài)時，直流母線能將回饋的能量送至其他負(fù)載，直流母線能將回饋的能量送至其他負(fù)載，實(shí)現(xiàn)能量交換，有效地抑制泵升電壓。實(shí)現(xiàn)能量交換，有效地抑制泵升電壓。直流母線供電直流母線供電圖圖5-16 直流母線方式的變頻器主回路結(jié)構(gòu)圖直流母線方式的變頻器主回路結(jié)構(gòu)圖5.4.2正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)l以頻率與期望的輸出電壓波相同的正以頻率與期望的輸出電壓波相同的正弦波作為調(diào)制波，以頻率比期望波高得弦波作為調(diào)制波，以頻率比期望波高得多的等腰三角波作為載波。

42、多的等腰三角波作為載波。l由它們的交點(diǎn)確定逆變器開關(guān)器件的由它們的交點(diǎn)確定逆變器開關(guān)器件的通斷時刻，從而獲得幅值相等、寬度按通斷時刻，從而獲得幅值相等、寬度按正弦規(guī)律變化的脈沖序列，這種調(diào)制方正弦規(guī)律變化的脈沖序列，這種調(diào)制方法稱作正弦波脈寬調(diào)制（法稱作正弦波脈寬調(diào)制（Sinusoidal pulse Width Modulation，簡稱，簡稱SPWM）。）。5.4.2 正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)圖圖5-17 三相三相PWM逆變器雙極逆變器雙極性性SPWM波形波形a) 三相正弦調(diào)制波與三相正弦調(diào)制波與雙極性三角載波雙極性三角載波b）、）、c）、）、d）三相）三相電壓電壓e）輸出線電

43、壓）輸出線電壓f）電動機(jī)相電壓）電動機(jī)相電壓*5.4.3 消除指定諧波消除指定諧波PWMl普通的普通的SPWM變頻器輸出電壓帶有一定的變頻器輸出電壓帶有一定的諧波分量，為降低諧波分量，減少電動機(jī)轉(zhuǎn)諧波分量，為降低諧波分量，減少電動機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動，可以采用直接計算各脈沖起始與終矩脈動，可以采用直接計算各脈沖起始與終了相位的方法，以消除指定次數(shù)的諧波。了相位的方法，以消除指定次數(shù)的諧波。l在在SPWM的基礎(chǔ)上衍生出的的基礎(chǔ)上衍生出的“消除指定次消除指定次數(shù)諧波數(shù)諧波PWM”（SHEPWM，Selected Harmonics Elimination PWM）控制技術(shù)。）控制技術(shù)。*5.4.3 消除指定

44、諧波消除指定諧波PWM圖圖5-18 變壓變頻器輸出的相電壓變壓變頻器輸出的相電壓PWM波形波形*5.4.3 消除指定諧波消除指定諧波PWMl要消除第要消除第k次諧波分量，只須令次諧波分量，只須令1212( 1) cos01midkmiiUUkkkl基波幅值為所要求的電壓值基波幅值為所要求的電壓值11212( 1) cosmidmiiUU期望值5.4.4 電流跟蹤電流跟蹤PWM（CFPWM）控制技術(shù)）控制技術(shù)lSPWMK控制技術(shù)以輸出電壓接近正弦波?？刂萍夹g(shù)以輸出電壓接近正弦波。l電流跟蹤電流跟蹤PWM（CFPWM，Current Follow PWM）的控制方法是：在原來主回）的控制方法是：在

45、原來主回路的基礎(chǔ)上，采用電流閉環(huán)控制，使實(shí)際電路的基礎(chǔ)上，采用電流閉環(huán)控制，使實(shí)際電流快速跟隨給定值。流快速跟隨給定值。l在穩(wěn)態(tài)時，盡可能使實(shí)際電流接近正弦波在穩(wěn)態(tài)時，盡可能使實(shí)際電流接近正弦波形，這就能比電壓控制的形，這就能比電壓控制的SPWM獲得更好的獲得更好的性能。性能。5.4.4 電流跟蹤電流跟蹤PWM（CFPWM）控制技術(shù)）控制技術(shù)圖圖5-19 電流滯環(huán)跟蹤控制的電流滯環(huán)跟蹤控制的A相原理圖相原理圖5.4.4 電流跟蹤電流跟蹤PWM（CFPWM）控制技術(shù)）控制技術(shù)l電流控制器是帶滯環(huán)的比較器，環(huán)寬為電流控制器是帶滯環(huán)的比較器，環(huán)寬為2h。將給定電流與輸出電流進(jìn)行比較，電流偏差將給定電

46、流與輸出電流進(jìn)行比較，電流偏差超過超過h時，經(jīng)滯環(huán)控制器時，經(jīng)滯環(huán)控制器HBC控制逆變器控制逆變器上（或下）橋臂的功率器件動作。上（或下）橋臂的功率器件動作。5.4.4 電流跟蹤電流跟蹤PWM（CFPWM）控制技術(shù)）控制技術(shù)圖圖5-20 電流滯環(huán)跟蹤控制時的三相電流電流滯環(huán)跟蹤控制時的三相電流波形與相電壓波形與相電壓PWM波形波形l電流滯環(huán)跟蹤控制方法電流滯環(huán)跟蹤控制方法的精度高、響應(yīng)快，且的精度高、響應(yīng)快，且易于實(shí)現(xiàn)。但功率開關(guān)易于實(shí)現(xiàn)。但功率開關(guān)器件的開關(guān)頻率不定。器件的開關(guān)頻率不定。5.4.4 電流跟蹤電流跟蹤PWM（CFPWM）控制技術(shù)）控制技術(shù)l電流跟蹤控制的精度與滯環(huán)的寬度有關(guān)，電

47、流跟蹤控制的精度與滯環(huán)的寬度有關(guān)，同時還受到功率開關(guān)器件允許開關(guān)頻率的制同時還受到功率開關(guān)器件允許開關(guān)頻率的制約。約。l當(dāng)環(huán)寬選得較大時，開關(guān)頻率低，但電流當(dāng)環(huán)寬選得較大時，開關(guān)頻率低，但電流波形失真較多，諧波分量高；波形失真較多，諧波分量高；l如果環(huán)寬小，電流跟蹤性能好，但開關(guān)頻如果環(huán)寬小，電流跟蹤性能好，但開關(guān)頻率卻增大了。率卻增大了。l實(shí)際使用中，應(yīng)在器件開關(guān)頻率允許的前實(shí)際使用中，應(yīng)在器件開關(guān)頻率允許的前提下，盡可能選擇小的環(huán)寬。提下，盡可能選擇小的環(huán)寬。5.4.5 電壓空間矢量電壓空間矢量PWM（SVPWM）控制技術(shù)）控制技術(shù)l把逆變器和交流電動機(jī)視為一體，以圓形把逆變器和交流電動機(jī)

48、視為一體，以圓形旋轉(zhuǎn)磁場為目標(biāo)來控制逆變器的工作，這種旋轉(zhuǎn)磁場為目標(biāo)來控制逆變器的工作，這種控制方法稱作控制方法稱作“磁鏈跟蹤控制磁鏈跟蹤控制”，磁鏈軌跡，磁鏈軌跡的控制是通過交替使用不同的電壓空間矢量的控制是通過交替使用不同的電壓空間矢量實(shí)現(xiàn)的，所以又稱實(shí)現(xiàn)的，所以又稱“電壓空間矢量電壓空間矢量PWM（SVPWM，Space Vector PWM）控制）控制”。1.空間矢量的定義空間矢量的定義l交流電動機(jī)繞組的電壓、電流、磁鏈等物交流電動機(jī)繞組的電壓、電流、磁鏈等物理量都是隨時間變化的，如果考慮到它們所理量都是隨時間變化的，如果考慮到它們所在繞組的空間位置，可以定義為空間矢量。在繞組的空間位

49、置，可以定義為空間矢量。l 定義三相定子電壓空間矢量定義三相定子電壓空間矢量 2AOjBOjCOkukuekueAOBOCOuuu32k為待定系數(shù)為待定系數(shù) 空間矢量的合成空間矢量的合成l三相合成矢量三相合成矢量2jjAOBOCOkukuekuesAOBOCOuuuu圖圖5-21 電壓空間矢量電壓空間矢量000AOBOCOuuu的合成矢量的合成矢量 空間矢量的定義空間矢量的定義l定子電流空間矢量定子電流空間矢量 2jjAOBOCOkikiekiesAOBOCOiiii2jjAOBOCOkkekesAOBOCOl定子磁鏈空間矢量定子磁鏈空間矢量 空間矢量表達(dá)式空間矢量表達(dá)式 l空間矢量功率表達(dá)式

50、空間矢量功率表達(dá)式 2222222p =Re()Re()()()Re()s sjjjjAOBOCOAOBOCOAO AOBO BOCO COjjjBO AOCO AOAO BOjjjCO BOAO COBO COkuueueiieiekuiuiuikuieuieuieuieuieuieu iss、ii共軛矢量共軛矢量 空間矢量表達(dá)式空間矢量表達(dá)式 考慮到考慮到 0AOBOCOiii232233p =()22AO AOBO BOCO COkuiuiuik pp=AO AOBO BOCO COuiuiuil三相瞬時功率三相瞬時功率 l按空間矢量功率與三相瞬時功率相等的原則按空間矢量功率與三相瞬時功

51、率相等的原則 23k空間矢量表達(dá)式空間矢量表達(dá)式 22()3jjAOBOCOuueuesu22()3jjAOBOCOiieiesi22()3jjAOBOCOees空間矢量表達(dá)式空間矢量表達(dá)式 l當(dāng)定子相電壓為三相平衡正弦電壓時，三當(dāng)定子相電壓為三相平衡正弦電壓時，三相合成矢量相合成矢量112111224cos()cos()cos()33332jjmmmjtjtmsUtUteUteU eU esAOBOCOuuuu空間矢量表達(dá)式空間矢量表達(dá)式 l以電源角頻率為角速度作恒速旋轉(zhuǎn)的空以電源角頻率為角速度作恒速旋轉(zhuǎn)的空間矢量，幅值間矢量，幅值 l在三相平衡正弦電壓供電時，若電動機(jī)轉(zhuǎn)在三相平衡正弦電壓供

52、電時，若電動機(jī)轉(zhuǎn)速已穩(wěn)定，則定子電流和磁鏈的空間矢量速已穩(wěn)定，則定子電流和磁鏈的空間矢量的幅值恒定，以電源角頻率為電氣角速度的幅值恒定，以電源角頻率為電氣角速度在空間作恒速旋轉(zhuǎn)。在空間作恒速旋轉(zhuǎn)。32smUU2.電壓與磁鏈空間矢量的關(guān)系電壓與磁鏈空間矢量的關(guān)系 l合成空間矢量表示的定子電壓方程式合成空間矢量表示的定子電壓方程式 l忽略定子電阻壓降，定子合成電壓與合成忽略定子電阻壓降，定子合成電壓與合成磁鏈空間矢量的近似關(guān)系為磁鏈空間矢量的近似關(guān)系為dtdRssssiudtdssu dtssu或或電壓與磁鏈空間矢量的關(guān)系電壓與磁鏈空間矢量的關(guān)系 l當(dāng)電動機(jī)由三相平衡正弦電壓供電時，當(dāng)電動機(jī)由三相

53、平衡正弦電壓供電時，電動機(jī)定子磁鏈幅值恒定，其空間矢量以電動機(jī)定子磁鏈幅值恒定，其空間矢量以恒速旋轉(zhuǎn)，磁鏈?zhǔn)噶宽敹说倪\(yùn)動軌跡呈圓恒速旋轉(zhuǎn)，磁鏈?zhǔn)噶宽敹说倪\(yùn)動軌跡呈圓形（簡稱為磁鏈圓）。形（簡稱為磁鏈圓）。l定子磁鏈?zhǔn)噶慷ㄗ哟沛準(zhǔn)噶?(1tjsesl定子電壓矢量定子電壓矢量111()()()211()jtsjtjtssdedtjeesu電壓與磁鏈空間矢量的關(guān)系電壓與磁鏈空間矢量的關(guān)系 圖圖5-22 旋轉(zhuǎn)磁場與電壓空旋轉(zhuǎn)磁場與電壓空間矢量的運(yùn)動軌跡間矢量的運(yùn)動軌跡圖圖5-23 電壓矢量圓軌跡電壓矢量圓軌跡3.PWM逆變器電壓空間矢量逆變器電壓空間矢量 l直流電源中點(diǎn)直流電源中點(diǎn)O和交流電動機(jī)中點(diǎn)和

54、交流電動機(jī)中點(diǎn)O的電位的電位不等，但合成電壓矢量的表達(dá)式相等。不等，但合成電壓矢量的表達(dá)式相等。l因此，三相合成電壓空間矢量與參考點(diǎn)無關(guān)。因此，三相合成電壓空間矢量與參考點(diǎn)無關(guān)。222222()32()()()322(1)()33jjAOBOCOjjAOOBOOCOOjjjjjjABCOOABCuueueuuuueuueuu eu eueeuu eu esAOBOCOuuuu8個基本空間矢量個基本空間矢量lPWM逆變器共有逆變器共有8種工作狀態(tài)種工作狀態(tài) 當(dāng)當(dāng) 100ABCSSSuuu222dddABCUUU2423322(1)(1)3 23 2224242(1 coscos)(sinsin)

55、3 233333jjjjddddUUeeeeUjU1u8個基本空間矢量個基本空間矢量依此類推，可得依此類推，可得8個基本空間矢量個基本空間矢量 。當(dāng)當(dāng) 1 10ABCSSSuuu222dddABCUUU2423332(1)(1)3 2222424(1 coscos)(sinsin)3 2333322(13)3 23jjjjdddjddUUeeeeUjUjU e2u8個基本空間矢量個基本空間矢量l2個零矢量個零矢量l6個有效工作矢量個有效工作矢量07uu、16uu幅值為幅值為 23dU空間互差空間互差 3基本電壓空間矢量圖基本電壓空間矢量圖圖圖5-24 基本電壓空間矢量圖基本電壓空間矢量圖4.正

56、六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場 l6個有效工作矢量完成一個周期，輸出基波個有效工作矢量完成一個周期，輸出基波電壓角頻率電壓角頻率 l6個有效工作矢量個有效工作矢量16uu每個有效工作矢量作用每個有效工作矢量作用 3順序分別作用順序分別作用t時間，并使時間，并使 13tt31正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場 k=1,2,3,4,5,6 l定子磁鏈?zhǔn)噶康脑隽慷ㄗ哟沛準(zhǔn)噶康脑隽?tss = u(1)3( )( )23sskjdkktUt e ul定子磁鏈?zhǔn)噶窟\(yùn)動方向與電壓矢量相同，定子磁鏈?zhǔn)噶窟\(yùn)動方向與電壓矢量相同，增量的幅值等于增量的幅值等于23dUt正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場正六邊形空

57、間旋轉(zhuǎn)磁場 l定子磁鏈?zhǔn)噶康倪\(yùn)動軌定子磁鏈?zhǔn)噶康倪\(yùn)動軌跡為跡為 圖圖5-25 定子磁鏈?zhǔn)噶吭隽慷ㄗ哟沛準(zhǔn)噶吭隽?1)( )( )( )( )ssssskkkkk t u正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場 圖圖5-26 正六邊形定子磁鏈軌跡正六邊形定子磁鏈軌跡l在一個周期內(nèi)，在一個周期內(nèi)，6個有效工作矢量個有效工作矢量順序作用一次，順序作用一次，定子磁鏈?zhǔn)噶渴嵌ㄗ哟沛準(zhǔn)噶渴且粋€封閉的正六一個封閉的正六邊形。邊形。正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場 l正六邊形定子磁鏈的大小與直流側(cè)電壓成正六邊形定子磁鏈的大小與直流側(cè)電壓成正比，而與電源角頻率成反比。正比，而與電源角頻率成反比。 1|(

58、 )| |( )| | ( )|2233 3ssddkkktUUt u正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場 122|( )| |( )| | ( )|33 3dssdUkkktUt ul在基頻以下調(diào)速時，應(yīng)保持正六邊形定子在基頻以下調(diào)速時，應(yīng)保持正六邊形定子磁鏈的最大值恒定。磁鏈的最大值恒定。l若直流側(cè)電壓恒定，則若直流側(cè)電壓恒定，則1越小時，越小時， t越越大，勢必導(dǎo)致大，勢必導(dǎo)致 增大。增大。正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場 1dU常數(shù)l要保持正六邊形定子磁鏈不變，必須使要保持正六邊形定子磁鏈不變，必須使 l在變頻的同時必須調(diào)節(jié)直流電壓，造成了控在變頻的同時必須調(diào)節(jié)直流電壓，造

59、成了控制的復(fù)雜性。制的復(fù)雜性。正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場 l有效的方法是插入零矢量有效的方法是插入零矢量l當(dāng)零矢量作用時，定子磁鏈?zhǔn)噶康脑隽慨?dāng)零矢量作用時，定子磁鏈?zhǔn)噶康脑隽勘砻鞫ㄗ哟沛準(zhǔn)噶客Ａ舨粍印１砻鞫ㄗ哟沛準(zhǔn)噶客Ａ舨粍印?0s =正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場 l有效工作矢量作用時間有效工作矢量作用時間當(dāng) tt1l零矢量作用時間零矢量作用時間10ttt1110()3ttt l定子磁鏈?zhǔn)噶康脑隽繛槎ㄗ哟沛準(zhǔn)噶康脑隽繛?1)31012( )( )3kjssdkkttUt e u0正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場 l在時間在時間t1段內(nèi)，定子磁鏈?zhǔn)噶寇壽E沿著有段

60、內(nèi)，定子磁鏈?zhǔn)噶寇壽E沿著有效工作電壓矢量方向運(yùn)行。效工作電壓矢量方向運(yùn)行。l在時間在時間t0段內(nèi)，零矢量起作用，定子磁鏈段內(nèi)，零矢量起作用，定子磁鏈?zhǔn)噶寇壽E停留在原地，等待下一個有效工作矢量軌跡停留在原地，等待下一個有效工作矢量的到來。矢量的到來。l正六邊形定子磁鏈的最大值正六邊形定子磁鏈的最大值112|( )| |( )| |( )|3sssdkkktUt u正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場 l在直流電壓不變的條件下，要保持在直流電壓不變的條件下，要保持l輸出頻率越低，輸出頻率越低，t越大，零矢量作用時間越大，零矢量作用時間t0也越大，定子磁鏈?zhǔn)噶寇壽E停留的時間越也越大，定子磁鏈?zhǔn)噶?/p>