電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)-運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)：第5章 異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型和調(diào)速方法

電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)第

2

篇交流調(diào)速系統(tǒng)概述直流電力拖動(dòng)和交流電力拖動(dòng)在19世紀(jì)先后誕生。在20世紀(jì)上半葉的年代里，鑒于直流拖動(dòng)具有優(yōu)越的調(diào)速性能，高性能可調(diào)速拖動(dòng)都采用直流電機(jī)，而約占電力拖動(dòng)總?cè)萘?0%以上的不變速拖動(dòng)系統(tǒng)則采用交流電機(jī)。交流調(diào)速系統(tǒng)的性能卻始終無(wú)法與直流調(diào)速系統(tǒng)相匹敵20世紀(jì)60~70年代，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，使得采用電力電子變換器的交流拖動(dòng)系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)，特別是大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)控制的出現(xiàn)，高性能交流調(diào)速系統(tǒng)便應(yīng)運(yùn)而生直流電機(jī)具有電刷和換相器因?yàn)楸仨毥?jīng)常檢查維修、換向火花使直流電機(jī)的應(yīng)用環(huán)境受到限制、以及換向能力限制了直流電機(jī)的容量和速度等缺點(diǎn)日益突出起來(lái)，用交流可調(diào)拖動(dòng)取代直流可調(diào)拖動(dòng)的呼聲越來(lái)越強(qiáng)烈。交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)已經(jīng)成為當(dāng)前電力拖動(dòng)控制的主要發(fā)展方向2交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域主要有三個(gè)方面：一般性能的節(jié)能調(diào)速高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)特大容量、極高轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速3一般性能的節(jié)能調(diào)速

在過(guò)去大量的所謂“不變速交流拖動(dòng)”中，風(fēng)機(jī)、水泵等通用機(jī)械的容量幾乎占工業(yè)電力拖動(dòng)總?cè)萘康囊话胍陨希渲杏胁簧賵?chǎng)合并不是不需要調(diào)速，只是因?yàn)檫^(guò)去的交流拖動(dòng)本身不能調(diào)速，不得不依賴擋板和閥門來(lái)調(diào)節(jié)送風(fēng)和供水的流量，因而把許多電能白白地浪費(fèi)了。如果換成交流調(diào)速系統(tǒng)，把消耗在擋板和閥門上的能量節(jié)省下來(lái)，每臺(tái)風(fēng)機(jī)、水泵平均都可以節(jié)約20~30%以上的電能，效果是很可觀的。但風(fēng)機(jī)、水泵的調(diào)速范圍和對(duì)動(dòng)態(tài)快速性的要求都不高，只需要一般的調(diào)速性能。交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域4高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)鑒于交流電機(jī)比直流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、工作可靠、維護(hù)方便、慣量小、效率高，如果改成交流拖動(dòng)，顯然能夠帶來(lái)不少的效益。但是，其電磁轉(zhuǎn)矩難以像直流電機(jī)那樣通過(guò)電樞電流施行靈活的實(shí)時(shí)控制。20世紀(jì)70年代初發(fā)明了矢量控制技術(shù)，或稱磁場(chǎng)定向控制技術(shù)，通過(guò)坐標(biāo)變換，把交流電機(jī)的定子電流分解成轉(zhuǎn)矩分量和勵(lì)磁分量，用來(lái)分別控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁通，就可以獲得和直流電機(jī)相仿的高動(dòng)態(tài)性能，從而使交流電機(jī)的調(diào)速技術(shù)取得了突破性進(jìn)展。

直接轉(zhuǎn)矩控制、解耦控制等方法，形成了一系列可以和直流調(diào)速系統(tǒng)媲美的高性能交流調(diào)速系統(tǒng)和交流伺服系統(tǒng)。交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域5特大容量、極高轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速

直流電機(jī)的換向能力限制了它的容量轉(zhuǎn)速積不超過(guò)106kW

·r/min，超過(guò)這一數(shù)值時(shí)，其設(shè)計(jì)與制造就非常困難了。交流電機(jī)沒(méi)有換向器，不受這種限制，因此，特大容量的電力拖動(dòng)設(shè)備，如厚板軋機(jī)、礦井卷?yè)P(yáng)機(jī)等，以及極高轉(zhuǎn)速的拖動(dòng)，如高速磨頭、離心機(jī)等，都以采用交流調(diào)速為宜。交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域6交流調(diào)速系統(tǒng)交流電機(jī)主要分為異步電機(jī)（即感應(yīng)電機(jī)）和同步電機(jī)兩大類，每類電機(jī)又有不同類型的調(diào)速系統(tǒng)。

交流調(diào)速系統(tǒng)的主要類型按電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法分類調(diào)電壓調(diào)速轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速繞線電機(jī)串級(jí)調(diào)速或雙饋電機(jī)調(diào)速變極對(duì)數(shù)調(diào)速變頻調(diào)速7~按電動(dòng)機(jī)的能量轉(zhuǎn)換類型分類從定子傳入轉(zhuǎn)子的電磁功率可分成兩部分：一部分是拖動(dòng)負(fù)載的有效功率，稱作機(jī)械功率；另一部分是傳輸給轉(zhuǎn)子電路的轉(zhuǎn)差功率，與轉(zhuǎn)差率s成正比。PmechPmPs交流調(diào)速系統(tǒng)即Pm=Pmech+Ps

Ps=sPm

Pmech=(1–s)Pm從能量轉(zhuǎn)換的角度上看，轉(zhuǎn)差功率是否增大，是消耗掉還是得到回收，是評(píng)價(jià)調(diào)速系統(tǒng)效率高低的標(biāo)志。從這點(diǎn)出發(fā)，可以把異步電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)分成三類8從能量轉(zhuǎn)換的角度上看，轉(zhuǎn)差功率是否增大，是消耗掉還是得到回收，是評(píng)價(jià)調(diào)速系統(tǒng)效率高低的標(biāo)志可以把異步電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)分成三類：1.轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速系統(tǒng)全部轉(zhuǎn)差功率都轉(zhuǎn)換成熱能消耗在轉(zhuǎn)子回路中，上述的第①、②、③三種調(diào)速方法(降壓、轉(zhuǎn)差離合器、串電阻)都屬于這一類。

在三類異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，這類系統(tǒng)的效率最低，而且越到低速時(shí)效率越低，它是以增加轉(zhuǎn)差功率的消耗來(lái)?yè)Q取轉(zhuǎn)速的降低的?？墒沁@類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)備成本最低，所以還有一定的應(yīng)用價(jià)值。交流調(diào)速系統(tǒng)9從能量轉(zhuǎn)換的角度上看，轉(zhuǎn)差功率是否增大，是消耗掉還是得到回收，是評(píng)價(jià)調(diào)速系統(tǒng)效率高低的標(biāo)志。可以把異步電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)分成三類：2.轉(zhuǎn)差功率饋送型調(diào)速系統(tǒng)交流調(diào)速系統(tǒng)除轉(zhuǎn)子銅損外，大部分轉(zhuǎn)差功率在轉(zhuǎn)子側(cè)通過(guò)變流裝置饋出或饋入，轉(zhuǎn)速越低，能饋送的功率越多，上述第④種調(diào)速方法屬于這一類。無(wú)論是饋出還是饋入的轉(zhuǎn)差功率，扣除變流裝置本身的損耗后，最終都轉(zhuǎn)化成有用的功率，因此這類系統(tǒng)的效率較高，但要增加一些設(shè)備。10從能量轉(zhuǎn)換的角度上看，轉(zhuǎn)差功率是否增大，是消耗掉還是得到回收，是評(píng)價(jià)調(diào)速系統(tǒng)效率高低的標(biāo)志?？梢园旬惒诫姍C(jī)的調(diào)速系統(tǒng)分成三類：3.轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)差功率只有轉(zhuǎn)子銅損，而且無(wú)論轉(zhuǎn)速高低，轉(zhuǎn)差功率基本不變，因此效率更高，上述的第⑤、⑥兩種調(diào)速方法屬于此類。其中變極對(duì)數(shù)調(diào)速是有級(jí)的，應(yīng)用場(chǎng)合有限。只有變壓變頻調(diào)速應(yīng)用最廣，可以構(gòu)成高動(dòng)態(tài)性能的交流調(diào)速系統(tǒng)，取代直流調(diào)速；但在定子電路中須配備與電動(dòng)機(jī)容量相當(dāng)?shù)淖儔鹤冾l器，相比之下，設(shè)備成本最高。交流調(diào)速系統(tǒng)11中國(guó)地質(zhì)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)控制系第二篇交流調(diào)速系統(tǒng)

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

主講：陳鑫

chenxin@基于穩(wěn)態(tài)模型的異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速在基于穩(wěn)態(tài)模型的異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，采用穩(wěn)態(tài)等值電路來(lái)分析異步電動(dòng)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)系和機(jī)械特性，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)常用的基于穩(wěn)態(tài)模型的異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法有調(diào)壓調(diào)速和變壓變頻調(diào)速兩類13目錄轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)電力電子變壓變頻器異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型和調(diào)速方法異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速14轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)5.1異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型和調(diào)速方法包括異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)等值電路和機(jī)械特性

穩(wěn)態(tài)等值電路——描述了在一定的轉(zhuǎn)差率下電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)電氣特性

機(jī)械特性——表征了轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差率（或轉(zhuǎn)速）的穩(wěn)態(tài)關(guān)系異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型155.1異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型和調(diào)速方法圖5-1異步電動(dòng)機(jī)T型等效電路

假定條件：①忽略空間和時(shí)間諧波，②忽略磁飽和，③忽略鐵損異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路轉(zhuǎn)差率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系或

電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)供電電源頻率其中，同步轉(zhuǎn)速

165.1異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型和調(diào)速方法轉(zhuǎn)子相電流（折合到定子側(cè)）異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路式中17圖5-2異步電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)化等效電路由于，因此，忽略勵(lì)磁電流，可以得到簡(jiǎn)化等效電路5.1異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型和調(diào)速方法異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路簡(jiǎn)化等效電路的相電流18異步電動(dòng)機(jī)傳遞的電磁功率

機(jī)械同步角速度異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性5.1異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型和調(diào)速方法異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩（機(jī)械特性方程式）19對(duì)s求導(dǎo)，并令最大轉(zhuǎn)矩，又稱臨界轉(zhuǎn)矩5.1異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型和調(diào)速方法異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性臨界轉(zhuǎn)差率：對(duì)應(yīng)最大轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)差率20將機(jī)械特性方程式分母展開(kāi)5.1異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型和調(diào)速方法異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性轉(zhuǎn)矩近似與s成正比，機(jī)械特性近似為直線當(dāng)s很小時(shí)，忽略分母中含s各項(xiàng)當(dāng)s較大時(shí)，忽略分母中s的一次項(xiàng)和零次項(xiàng)轉(zhuǎn)矩近似與s成反比，機(jī)械特性是一段雙曲線21異步電動(dòng)機(jī)由額定電壓、額定頻率供電，且無(wú)外加電阻和電抗時(shí)的機(jī)械特性方程式，稱作固有特性或自然特性圖5-3異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性5.1異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型和調(diào)速方法異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性轉(zhuǎn)矩近似與s成正比，機(jī)械特性近似為直線當(dāng)s很小時(shí)，忽略分母中含s各項(xiàng)當(dāng)s較大時(shí)，忽略分母中s的一次項(xiàng)和零次項(xiàng)轉(zhuǎn)矩近似與s成反比，機(jī)械特性是一段雙曲線22異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速 人為地改變機(jī)械特性的參數(shù)，使電動(dòng)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)速的目的異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法與氣隙磁通5.1異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型和調(diào)速方法異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速分類1）電動(dòng)機(jī)參數(shù)2）電源電壓3）電源頻率（或角頻率）23三相異步電動(dòng)機(jī)定子每相電動(dòng)勢(shì)的有效值忽略定子繞組電阻和漏磁感抗壓降異步電動(dòng)機(jī)的氣隙磁通5.1異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型和調(diào)速方法式中，Eg——?dú)庀洞磐ㄔ诙ㄗ用肯嘀懈袘?yīng)電動(dòng)勢(shì)的有效值

Ns——定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)

KNs——定子基波繞組系數(shù)

Φm——每極氣隙磁通量24如果f1是常數(shù)，氣隙磁通滿足為了保持氣隙磁通恒定，，應(yīng)使或近似為5.1異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型和調(diào)速方法異步電動(dòng)機(jī)的氣隙磁通255.2異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速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)速由于受電動(dòng)機(jī)絕緣和磁路飽和的限制，定子電壓只能降低，不能升高，故又稱作降壓調(diào)速調(diào)壓調(diào)速的基本特征：電動(dòng)機(jī)同步轉(zhuǎn)速保持額定值不變氣隙磁通隨定子電壓Us的降低而減小，屬于弱磁調(diào)速26圖5-4晶閘管交流調(diào)壓器調(diào)速TVC——雙向晶閘管交流調(diào)壓器a)不可逆電b)可逆電路異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速的主電路一般采用三對(duì)晶閘管反并聯(lián)或三個(gè)雙向晶閘管分別串聯(lián)在三相電路中5.2異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速27其中可調(diào)，電磁轉(zhuǎn)矩與定子電壓的平方成正比調(diào)壓調(diào)速的機(jī)械特性表達(dá)式異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速的機(jī)械特性TeOnn0TemaxsmTLUsN0.7UsNABCFDE0.5UsN風(fēng)機(jī)類負(fù)載特性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性當(dāng)，，即調(diào)壓時(shí)理想空載轉(zhuǎn)速保持不變5.2異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速28臨界轉(zhuǎn)差率保持不變5.2異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速的機(jī)械特性臨界轉(zhuǎn)矩隨定子電壓的減小而成平方比地下降TeOnn0TemaxsmTLUsN0.7UsNABCFDE0.5UsN風(fēng)機(jī)類負(fù)載特性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性29帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí)，普通籠型異步電動(dòng)機(jī)降壓調(diào)速時(shí)的穩(wěn)定工作范圍為

缺點(diǎn)：調(diào)速范圍有限（圖中A、B、C為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載在不同電壓時(shí)的穩(wěn)定工作點(diǎn)）帶風(fēng)機(jī)類負(fù)載運(yùn)行，調(diào)速范圍可以稍大一些，圖中D、E、F為風(fēng)機(jī)類負(fù)載在不同電壓時(shí)的穩(wěn)定工作點(diǎn)5.2異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速的機(jī)械特性TeOnn0TemaxsmTLUsN0.7UsNABCFDE0.5UsN風(fēng)機(jī)類負(fù)載特性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性30帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載工作時(shí)，定子側(cè)輸入的電磁功率由于均為常數(shù)，故電磁功率恒定不變，與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)5.2異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速的機(jī)械特性電機(jī)輸出功率隨轉(zhuǎn)差率s的增加而減小轉(zhuǎn)差功率隨轉(zhuǎn)差率s的增加而增加，轉(zhuǎn)速越低，轉(zhuǎn)差功率越大耗散31轉(zhuǎn)差功率隨著轉(zhuǎn)差率的加大而增加帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的降壓調(diào)速就是靠增大轉(zhuǎn)差功率、減小輸出功率來(lái)?yè)Q取轉(zhuǎn)速的降低增加的轉(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(lái)5.2異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速的機(jī)械特性TeOnn0TemaxsmTLUsN0.7UsNABCFDE0.5UsN風(fēng)機(jī)類負(fù)載特性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性32臨界轉(zhuǎn)差率:5.2異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速的機(jī)械特性增加轉(zhuǎn)子電阻值，臨界轉(zhuǎn)差率加大，可以擴(kuò)大恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載下的調(diào)速范圍，這種高轉(zhuǎn)子電阻電動(dòng)機(jī)又稱作交流力矩電動(dòng)機(jī)缺點(diǎn)：機(jī)械特性較軟33普通異步電機(jī)降壓調(diào)速范圍窄；高轉(zhuǎn)自電阻電機(jī)機(jī)械特性軟，因此開(kāi)環(huán)無(wú)法滿足恒轉(zhuǎn)矩下較大調(diào)速范圍需求采用帶轉(zhuǎn)速反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)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)閉環(huán)控制的調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)5.2異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速34當(dāng)系統(tǒng)帶負(fù)載穩(wěn)定時(shí)，如果負(fù)載增大或減小，引起轉(zhuǎn)速下降或上升，反饋控制作用會(huì)自動(dòng)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)將穩(wěn)定工作點(diǎn)連接起來(lái)便是閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性5.2異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速閉環(huán)控制的調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)靜特性左右兩邊都有極限，即額定電壓下的機(jī)械特性和最小輸出電壓下的機(jī)械特性35三相異步電動(dòng)機(jī)直接接電網(wǎng)起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)電流比較大，而起動(dòng)轉(zhuǎn)矩并不大降壓控制應(yīng)用5.2異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速一般籠型異步電動(dòng)機(jī),起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩對(duì)其額定值的倍數(shù)分別為4-7倍與0.9-1.3倍中、大容量電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流大，會(huì)使電網(wǎng)壓降過(guò)大，影響其它用電設(shè)備的正常運(yùn)行，甚至使該電動(dòng)機(jī)本身根本起動(dòng)不起來(lái)必須降低起動(dòng)電流，或降壓起動(dòng)36當(dāng)電壓降低時(shí)，起動(dòng)電流將隨電壓成正比地降低，從而可以避開(kāi)起動(dòng)電流沖擊的高峰起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與電壓的平方成正比，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的減小將比起動(dòng)電流的降低更多，降壓起動(dòng)時(shí)又會(huì)出現(xiàn)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩不夠的問(wèn)題降壓起動(dòng)只適用于中、大容量電動(dòng)機(jī)空載（或輕載）起動(dòng)的場(chǎng)合5.2異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速降壓控制應(yīng)用——軟起動(dòng)器一級(jí)降壓起動(dòng)軟起動(dòng)器直接起動(dòng)375.3異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速變壓變頻調(diào)速是改變異步電動(dòng)機(jī)同步轉(zhuǎn)速的一種調(diào)速方法，同步轉(zhuǎn)速隨頻率而變化異步電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速氣隙磁通的控制變壓變頻調(diào)速的基本原理穩(wěn)態(tài)速降隨負(fù)載大小變化控制好定子每相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（約等于定子相電壓）Eg

和電源頻率f1就能控制氣隙磁通

38異步電動(dòng)機(jī)T型等效電路假定條件：①忽略空間和時(shí)間諧波，②忽略磁飽和，③忽略鐵損5.3異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速變壓變頻調(diào)速的基本原理—定子頻率，單位為Hz；—定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)；—基波繞組系數(shù)；—每極氣隙磁通量，單位為Wb。f1NskNs

m定子每相電動(dòng)勢(shì)只要控制好Eg

和f1

，便可達(dá)到控制磁通

m的目的，對(duì)此，需要考慮基頻（額定頻率）以下和基頻以上兩種情況。395.3異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速在進(jìn)行電機(jī)調(diào)速時(shí)，希望保持電機(jī)中每極磁通量

m為額定值不變。

如果磁通太弱，沒(méi)有充分利用電機(jī)的鐵心，是一種浪費(fèi)；

如果過(guò)分增大磁通，鐵心飽和導(dǎo)致過(guò)大的勵(lì)磁電流，可能損壞電機(jī)?；l以下調(diào)速基頻以下采用感生電動(dòng)勢(shì)頻率比為恒值定子相電壓頻率比為恒值——恒壓頻比40補(bǔ)償定子阻抗壓降在低頻時(shí)Us

和Eg

都較小，定子阻抗壓降所占的份量就比較顯著，不再能忽略。需要把電壓Us

抬高一些，近似地補(bǔ)償定子壓降5.3異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速基頻以下調(diào)速OUsf1圖6-1恒壓頻比控制特性UsNf1Na

—無(wú)補(bǔ)償

b

—帶定子壓降補(bǔ)償

帶定子壓降補(bǔ)償?shù)暮銐侯l比控制特性示于下圖中的b線，無(wú)補(bǔ)償?shù)目刂铺匦詣t為a線。帶壓降補(bǔ)償?shù)暮銐侯l比控制特性415.3異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速

在基頻以上調(diào)速時(shí)，頻率應(yīng)該從f1N

向上升高，但定子電壓Us

卻不可能超過(guò)額定電壓UsN

，最多只能保持Us

=UsN

，這將迫使磁通與頻率成反比地降低，相當(dāng)于直流電機(jī)弱磁升速的情況

基頻以上調(diào)速42圖6-2異步電機(jī)變壓變頻調(diào)速的控制特性f1N恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速UsUsNΦmNΦm恒功率調(diào)速ΦmUsf1O變壓變頻控制特性5.3異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速

如果電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速時(shí)所帶的負(fù)載都能使電流達(dá)到額定值，即都能在允許溫升下長(zhǎng)期運(yùn)行，則轉(zhuǎn)矩基本上隨磁通變化

在基頻以下，磁通恒定時(shí)轉(zhuǎn)矩也恒定，屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”性質(zhì)，而在基頻以上，轉(zhuǎn)速升高時(shí)轉(zhuǎn)矩降低，基本上屬于“恒功率調(diào)速”43恒壓恒頻正弦波供電時(shí)異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性基頻以下電壓-頻率協(xié)調(diào)控制時(shí)的機(jī)械特性基頻以上恒壓變頻時(shí)的機(jī)械特性變壓變頻調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性5.3異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速44當(dāng)定子電壓Us

和電源角頻率

1

之比恒定時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩方程：恒壓恒頻正弦波供電時(shí)異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性5.3異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速

當(dāng)s很小時(shí)，可忽略上式分母中含s各項(xiàng)，則

轉(zhuǎn)矩近似與s成正比，機(jī)械特性Te=f（s）是一段直線

當(dāng)s接近于1時(shí)，可忽略上式分母中的Rr'

，則

Te=f（s）是對(duì)稱于原點(diǎn)的一段雙曲線45當(dāng)s很小時(shí)，機(jī)械特性Te=f（s）是一段直線當(dāng)s接近于1時(shí)，機(jī)械特性Te=f（s）是對(duì)稱于原點(diǎn)的一段雙曲線當(dāng)s為以上兩段的中間數(shù)值時(shí)，機(jī)械特性從直線段逐漸過(guò)渡到雙曲線段smnn0sTe010TeTemaxTemax圖6-3恒壓恒頻時(shí)異步電機(jī)的機(jī)械特性機(jī)械特性5.3異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速46基頻以下電壓-頻率協(xié)調(diào)控制時(shí)的機(jī)械特性5.3異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速當(dāng)s很小時(shí)，可忽略上式分母中含s各項(xiàng)，則負(fù)載下轉(zhuǎn)速降落當(dāng)恒壓頻比時(shí)，對(duì)于同一轉(zhuǎn)矩，基本不變，因此，當(dāng)電源頻率向下調(diào)節(jié)時(shí)，機(jī)械特性基本平行下移

47為了近似地保持氣隙磁通不變，以便充分利用電機(jī)鐵心，發(fā)揮電機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的能力，在基頻以下須采用恒壓頻比控制。這時(shí)，同步轉(zhuǎn)速隨頻率變化恒壓頻比控制（Us/

1

）5.3異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速On48

5.3異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速基頻以下電壓-頻率協(xié)調(diào)控制時(shí)的機(jī)械特性臨界轉(zhuǎn)矩On

495.3異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速基頻以下電壓-頻率協(xié)調(diào)控制時(shí)的機(jī)械特性恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速——帶定子電壓補(bǔ)償?shù)暮銐侯l比控制基本上保證氣隙磁通不變，輸出轉(zhuǎn)矩不變。On基頻以下變頻調(diào)速時(shí)轉(zhuǎn)差功率定子側(cè)輸入電磁功率轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速方法505.3異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速

臨界轉(zhuǎn)矩臨界轉(zhuǎn)差率515.3異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速

當(dāng)s很小時(shí)轉(zhuǎn)速降落

525.3異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速

轉(zhuǎn)差功率恒功率負(fù)載時(shí)，有轉(zhuǎn)差功率不變53基頻以下時(shí)，恒壓頻比控制簡(jiǎn)便，但負(fù)載變化導(dǎo)致磁通變化，需要定子電壓補(bǔ)償5.3異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速基頻以下的電壓補(bǔ)償控制為了使參考極性與電動(dòng)狀態(tài)下的實(shí)際極性相吻合，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)采用電壓降的表示方法，由高電位指向低電位。54氣隙磁通在定子每相繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)定子全磁通在定子每相繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)子全磁通在轉(zhuǎn)子每相繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)三種磁通5.3異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速55保持定子磁通恒定：定子電動(dòng)勢(shì)不好直接控制，能夠直接控制的只有定子電壓，按補(bǔ)償定子電阻壓降，就能夠得到恒定子磁通

5.3異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速電阻壓降56忽略勵(lì)磁電流，轉(zhuǎn)子電流電磁轉(zhuǎn)矩5.3異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速

57恒壓頻比控制時(shí)的轉(zhuǎn)矩式結(jié)論：1）恒定子磁通控制時(shí)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(xiàng)2）當(dāng)轉(zhuǎn)差率s相同時(shí)，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5.3異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速電磁轉(zhuǎn)矩

58臨界轉(zhuǎn)差率臨界轉(zhuǎn)矩頻率變化時(shí)，恒定子磁通控制的臨界轉(zhuǎn)矩恒定不變5.3異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速

59臨界轉(zhuǎn)差率臨界轉(zhuǎn)矩5.3異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速

結(jié)論：1）恒定子磁通控制的臨界轉(zhuǎn)差率大于恒壓頻比控制方式2）恒定子磁通控制的臨界轉(zhuǎn)矩也大于恒壓頻比控制方式

60Eg

—?dú)庀叮ɑ蚧ジ校┐磐ㄔ诙ㄗ用肯嗬@組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Es

—定子全磁通在定子每相繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Er

—轉(zhuǎn)子全磁通在轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（折合到定子邊）5.3異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速

Us

1RsLlsL’lrLmR’r/sIsI0I’rEgEsEr

如果在電壓－頻率協(xié)調(diào)控制中，恰當(dāng)?shù)靥岣唠妷篣s的數(shù)值，使它在克服定子阻抗壓降以后，能維持Eg/

1

為恒值（基頻以下），則無(wú)論頻率高低，每極磁通

m

均為常值61轉(zhuǎn)子電流輸出電磁轉(zhuǎn)矩5.3異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速Us

1RsLlsL’lrLmR’r/sIsI0I’rEgEsEr

62輸出電磁轉(zhuǎn)矩5.3異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速

當(dāng)s很小時(shí)，可忽略式中分母含s項(xiàng)機(jī)械特性近似為一條直線當(dāng)s接近于1時(shí)，忽略分母中的Rr'2

項(xiàng)整條特性與恒壓頻比特性相似機(jī)械特性近似為一條雙曲線63恒Eg/

1

特性分母中含s項(xiàng)的參數(shù)要小于恒Us/

1

特性中的同類項(xiàng)，s值要更大一些才能使該項(xiàng)占有顯著的份量，從而不能被忽略，因此恒Eg/

1

特性的線性段范圍更寬性能比較5.3異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速

64臨界轉(zhuǎn)差率臨界轉(zhuǎn)矩5.3異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速

臨界轉(zhuǎn)差率臨界轉(zhuǎn)矩

65當(dāng)Eg/

1

為恒值時(shí)，Tem

恒定不變，其穩(wěn)態(tài)性能優(yōu)于恒Us/

1

控制的性能。這正是恒Eg/

1

控制中補(bǔ)償定子壓降所追求的目標(biāo)5.3異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速

OnTem66如果把電壓－頻率協(xié)調(diào)控制中的電壓再進(jìn)一步提高，把轉(zhuǎn)子漏抗上的壓降也抵消掉，得到恒Er/

1

控制5.3異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速

Us

1RsLlsL’lrLmR’r/sIsI0I’rEgEsEr定子電壓67電磁轉(zhuǎn)矩機(jī)械特性完全是一條直線5.3異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速

結(jié)論：

恒Er/

1

控制的穩(wěn)態(tài)性能和直流電機(jī)一樣為線性機(jī)械特性。這正是高性能交流變頻調(diào)速所要求的性能

轉(zhuǎn)子電流68a）恒壓頻比控制b）恒定子磁通控制c）恒氣隙磁通控制d）恒轉(zhuǎn)子磁通控制不同控制方式下的機(jī)械特性5.3異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速（1）恒壓頻比（Us/

1=Constant）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，能夠滿足一般的調(diào)速要求，但低速帶載對(duì)定子壓降實(shí)行補(bǔ)償69a）恒壓頻比控制b）恒定子磁通控制c）恒氣隙磁通控制d）恒轉(zhuǎn)子磁通控制不同控制方式下的機(jī)械特性5.3異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速（2）恒Eg/

1

控制是通常對(duì)恒壓頻比控制實(shí)行電壓補(bǔ)償?shù)臉?biāo)準(zhǔn)，可以在穩(wěn)態(tài)時(shí)達(dá)到

m=Constant，從而改善了低速性能。但機(jī)械特性還是非線性的，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的能力仍受到限制

70a）恒壓頻比控制b）恒定子磁通控制c）恒氣隙磁通控制d）恒轉(zhuǎn)子磁通控制不同控制方式下的機(jī)械特性5.3異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速（3）恒Er/

1

控制可以得到和直流他勵(lì)電機(jī)一樣的線性機(jī)械特性，按照轉(zhuǎn)子全磁通

rm

恒定進(jìn)行控制，即得

Er/

1=Constant而且，在動(dòng)態(tài)中也盡可能保持

rm

恒定是矢量控制系統(tǒng)的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜71性能分析在基頻以上變頻調(diào)速時(shí)，由于定子電壓Us=UsN

不變，機(jī)械特性基頻以上恒壓變頻時(shí)的機(jī)械特性5.3異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速最大轉(zhuǎn)矩恒功率調(diào)速O<<<當(dāng)角頻率提高時(shí)，同步轉(zhuǎn)速隨之提高，最大轉(zhuǎn)矩減小，機(jī)械特性上移由于頻率提高而電壓不變，氣隙磁通勢(shì)必減弱，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩的減小，基頻以上變頻調(diào)速屬于弱磁恒功率調(diào)速

72小結(jié)電壓Us與頻率

1是變頻器—異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的兩個(gè)獨(dú)立的控制變量，在變頻調(diào)速時(shí)需要對(duì)這兩個(gè)控制變量進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。在基頻以下，有三種協(xié)調(diào)控制方式。采用不同的協(xié)調(diào)控制方式，得到的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能不同，其中恒Er

/

1控制的性能最好。在基頻以上，采用保持電壓不變的恒功率弱磁調(diào)速方法。返回目錄735.4電力電子變壓變頻器變頻器——異步電動(dòng)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)電源是由電力電子器件構(gòu)成的靜止式功率變換器變頻器結(jié)構(gòu)示意圖a）交-直-交變頻器b）交-交變頻器

74基本思想：

控制逆變器中電力電子器件的開(kāi)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，用這樣的高頻脈沖序列代替期望的輸出電壓脈沖寬度調(diào)制技術(shù)——（PulseWidthModulation，PWM）5.4電力電子變壓變頻器按照波形面積相等的原則，每一個(gè)矩形波的面積與相應(yīng)位置的正弦波面積相等，因而這個(gè)序列的矩形波與期望的正弦波等效。稱作正弦波脈寬調(diào)制（Sinusoidalpulsewidthmodulation，SPWM），這種序列的矩形波稱作SPWM波75PWM變頻器主回路交-直-交變頻器主回路結(jié)構(gòu)圖5.4電力電子變壓變頻器不可控整流橋：將三相交流電整流成電壓恒定的直流電壓逆變器：將直流電壓變換為頻率與電壓均可調(diào)的交流電濾波環(huán)節(jié)：減小直流電壓脈動(dòng)76主回路只有一套可控功率級(jí)，結(jié)構(gòu)、控制方便，采用脈寬調(diào)制的方法，輸出諧波分量小缺點(diǎn)：當(dāng)電動(dòng)機(jī)工作在回饋制動(dòng)狀態(tài)時(shí)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PWM變頻器主回路5.4電力電子變壓變頻器77直流母線供電采用直流母線供電給多臺(tái)逆變器，可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，可以通過(guò)直流母線來(lái)實(shí)現(xiàn)能量平衡，提高整流裝置的工作效率當(dāng)某個(gè)電動(dòng)機(jī)工作在回饋制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，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直流母線方式的變頻器主回路結(jié)構(gòu)圖5.4電力電子變壓變頻器78正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)（SPWM）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多的等腰三角波作為載波。由它們的交點(diǎn)確定逆變器開(kāi)關(guān)器件的通斷時(shí)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)制方法稱作正弦波脈寬調(diào)制（SinusoidalpulseWidthModulation，簡(jiǎn)稱SPWM）5.4電力電子變壓變頻器79若要改變等效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可。SPWM波Ouωt>用一系列等幅不等寬的脈沖來(lái)代替一個(gè)正弦半波Ouωt>Ouωt>5.4電力電子變壓變頻器80正弦脈寬調(diào)制（SPWM）波的產(chǎn)生

5.4電力電子變壓變頻器頻率可調(diào)的載波信號(hào)—三角波頻率不變的基波信號(hào)—正弦波頻率可隨載波信號(hào)變化的調(diào)制信號(hào)——SPWM波81單相橋式PWM逆變電路VT1VT2VT3VT4單相橋式PWM逆變電路5.4電力電子變壓變頻器82單極性控制方式——如果在正弦調(diào)制波的半個(gè)周期內(nèi)，三角載波只在正或負(fù)的一種極性范圍內(nèi)變化，所得到的SPWM波也只處于一個(gè)極性的范圍內(nèi)5.4電力電子變壓變頻器正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)（SPWM）83雙極性控制方式——如果在正弦調(diào)制波半個(gè)周期內(nèi)，三角載波在正負(fù)極性之間連續(xù)變化，則SPWM波也是在正負(fù)之間變化5.4電力電子變壓變頻器正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)（SPWM）84

圖6-19三相橋式PWM逆變器主電路原理圖調(diào)制電路VT1VD1VD2VD3VD4ucVD6VD5BACOO'C+C+urAurBurC2Ud2UdVT3VT5VT4VT6VT2PWM逆變器主電路及輸出波形5.4電力電子變壓變頻器85三相橋式PWM逆變器的雙極性SPWM波形uuAOwtOOOOUd2-Ud2uBuCuABuAOwtwtwtwtOwturaurburcutUd23Ud2

5.4電力電子變壓變頻器三相正弦調(diào)制波雙極三角載波A相輸出與O’之間相電壓B相輸出與O’之間相電壓C相輸出與O’之間相電壓AB相電壓A相輸出與O之間相電壓電機(jī)相電壓正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)（SPWM）86uuAOwtOOOOUd2-Ud2uBuCuABuAOwtwtwtwtOwturaurburcutUd23Ud2

5.4電力電子變壓變頻器正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)（SPWM）自然采樣法——開(kāi)關(guān)器件通斷時(shí)刻由調(diào)制波與載波交點(diǎn)確定特點(diǎn)：1）構(gòu)造方便

87電流跟蹤PWM（CFPWM）控制技術(shù)電流跟蹤PWM（CFPWM，CurrentFollowPWM）——在原來(lái)主回路的基礎(chǔ)上，采用電流閉環(huán)控制，使實(shí)際電流快速跟隨給定值在穩(wěn)態(tài)時(shí)，盡可能使實(shí)際電流接近正弦波形，這就能比電壓控制的SPWM獲得更好的性能5.4電力電子變壓變頻器將給定電流i*a與輸出電流ia

進(jìn)行比較，電流偏差

ia

超過(guò)時(shí)

h，經(jīng)滯環(huán)控制器HBC控制逆變器A相上（或下）橋臂的功率器件動(dòng)作。電流控制器是帶滯環(huán)的比較器，環(huán)寬為2h88滯環(huán)比較方式的指令電流和輸出電流基本原理——把指令電流i*和實(shí)際輸出電流i的偏差i*-i作為滯環(huán)比較器的輸入?！猇1（或VD1）通時(shí)，i增大—V2（或VD2）通時(shí)，i減小—通過(guò)環(huán)寬為2ΔI的滯環(huán)比較器控制，i在i*+ΔI和i*-ΔI的范圍內(nèi)呈鋸齒狀地跟蹤指令電流i*參數(shù)的影響

—環(huán)寬過(guò)寬時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率低，跟蹤誤差大；環(huán)寬過(guò)窄時(shí)，跟蹤誤差小—開(kāi)關(guān)頻率過(guò)高，開(kāi)關(guān)損耗增大—L大時(shí)，i的變化率小，跟蹤慢—L小時(shí)，i的變化率大，開(kāi)關(guān)頻率過(guò)高滯環(huán)環(huán)寬電抗器L的作用5.4電力電子變壓變頻器電流跟蹤PWM（CFPWM）控制技術(shù)應(yīng)在器件開(kāi)關(guān)頻率允許的前提下，盡可能選擇小的環(huán)寬89三相電流跟蹤型PWM逆變電路+-iAi*AV4+-iBi*B+-iCi*CV1V6V3V2V5UdABC5.4電力電子變壓變頻器電流跟蹤PWM（CFPWM）控制技術(shù)（1）硬件電路簡(jiǎn)單（2）實(shí)時(shí)控制，電流響應(yīng)快（3）不用載波，輸出電壓波形中不含特定頻率的諧波（4）和計(jì)算法及調(diào)制法相比，相同開(kāi)關(guān)頻率時(shí)輸出電流中高次諧波含量多（5）閉環(huán)控制，是各種跟蹤型PWM變流電路的共同特點(diǎn)90三相電流跟蹤型PWM逆變電路輸出波形5.4電力電子變壓變頻器91電壓空間矢量PWM（SVPWM）控制技術(shù)5.4電力電子變壓變頻器問(wèn)題的提出

經(jīng)典的SPWM控制主要著眼于使變壓變頻器的輸出電壓盡量接近正弦波，并未顧及輸出電流的波形

電流滯環(huán)跟蹤控制則直接控制輸出電流，使之在正弦波附近變化，這就比只要求正弦電壓前進(jìn)了一步交流電動(dòng)機(jī)需要輸入三相正弦電流的最終目的是在電動(dòng)機(jī)空間形成圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，從而產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩磁鏈跟蹤控制——把逆變器和交流電動(dòng)機(jī)視為一體，按照跟蹤圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)來(lái)控制逆變器的工作由于磁鏈的軌跡是交替使用不同的電壓空間矢量得到的，所以又稱“電壓空間矢量PWM（SVPWM，SpaceVectorPWM）控制”92空間矢量的定義交流電動(dòng)機(jī)繞組的電壓、電流、磁鏈等物理量都是隨時(shí)間變化的，分析時(shí)常用時(shí)間相量來(lái)表示，考慮到它們所在繞組的空間位置，也可以如圖所示定義為空間矢量uA0，uB0，uC0

電壓空間矢量5.4電力電子變壓變頻器93空間矢量的定義定子電壓空間矢量：uA0

、uB0

、uC0

的方向始終處于各相繞組的軸線上，而大小則隨時(shí)間按正弦規(guī)律脈動(dòng)，時(shí)間相位互相錯(cuò)開(kāi)的角度也是120°

其中，，k為待定系數(shù)合成空間矢量：5.4電力電子變壓變頻器94定子電流空間矢量

定子磁鏈空間矢量

空間矢量的定義5.4電力電子變壓變頻器定子電壓空間矢量

確定k的大小95空間矢量功率表達(dá)式

其中，共軛矢量

空間矢量的定義5.4電力電子變壓變頻器96空間矢量功率表達(dá)式

空間矢量的定義5.4電力電子變壓變頻器帶入上面的功率表達(dá)式，97空間矢量功率表達(dá)式

空間矢量的定義5.4電力電子變壓變頻器帶入上面的功率表達(dá)式，按照矢量功率與瞬時(shí)功率相等原則98定子電流空間矢量

定子磁鏈空間矢量

空間矢量的定義5.4電力電子變壓變頻器定子電壓空間矢量

995.4電力電子變壓變頻器100當(dāng)定子相電壓為三相平衡正弦電壓時(shí)，三相合成矢量5.4電力電子變壓變頻器空間矢量的定義

在三相平衡正弦電壓供電時(shí)，若電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)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在空間作恒速旋轉(zhuǎn)101電壓與磁鏈空間矢量的關(guān)系合成空間矢量表示的定子電壓方程式

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)系為或5.4電力電子變壓變頻器102當(dāng)電動(dòng)機(jī)由三相平衡正弦電壓供電時(shí)，電動(dòng)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(dòng)軌跡呈圓形（簡(jiǎn)稱為磁鏈圓）定子磁鏈?zhǔn)噶慷ㄗ与妷菏噶?.4電力電子變壓變頻器電壓與磁鏈空間矢量的關(guān)系

103定子電壓矢量5.4電力電子變壓變頻器電壓與磁鏈空間矢量的關(guān)系旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與電壓空間矢量的運(yùn)動(dòng)軌跡電壓矢量圓軌跡104

主電路原理圖三相逆變器-異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主電路原理圖

等效為開(kāi)關(guān)5.4電力電子變壓變頻器105PWM逆變器基本輸出電壓矢量結(jié)論：直流電源中點(diǎn)O’和交流電動(dòng)機(jī)中點(diǎn)O的電位不等，但合成電壓矢量的表達(dá)式相等——三相合成電壓空間矢量與參考點(diǎn)無(wú)關(guān)5.4電力電子變壓變頻器106PWM逆變器基本輸出電壓矢量5.4電力電子變壓變頻器開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)逆變器采用180°導(dǎo)通型，功率開(kāi)關(guān)器件有8種工作狀態(tài)：6種有效開(kāi)關(guān)狀態(tài)；2種無(wú)效狀態(tài)（因?yàn)槟孀兤鬟@時(shí)并沒(méi)有輸出電壓）：上橋臂開(kāi)關(guān)

VT1、VT3、VT5全部導(dǎo)通下橋臂開(kāi)關(guān)VT2、VT4、VT6全部導(dǎo)通107PWM逆變器基本輸出電壓矢量5.4電力電子變壓變頻器開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)6種有效開(kāi)關(guān)狀態(tài)；2種無(wú)效狀態(tài)108

開(kāi)關(guān)控制模式

對(duì)于六拍階梯波的逆變器，在其輸出的每個(gè)周期中6種有效的工作狀態(tài)各出現(xiàn)一次。逆變器每隔

/3時(shí)刻就切換一次工作狀態(tài)（即換相），而在這

/3時(shí)刻內(nèi)則保持不變。5.4電力電子變壓變頻器100狀態(tài)（VT6、VT1、VT2導(dǎo)通）O+-iCUdiAiBidVT1VT6VT2u1uAO’-uCO’-uBO’ABC三相的合成空間矢量為u1，其幅值等于Ud，方向沿A軸（即X軸）109

開(kāi)關(guān)控制模式

對(duì)于六拍階梯波的逆變器，在其輸出的每個(gè)周期中6種有效的工作狀態(tài)各出現(xiàn)一次。逆變器每隔

/3時(shí)刻就切換一次工作狀態(tài)（即換相），而在這

/3時(shí)刻內(nèi)則保持不變。5.4電力電子變壓變頻器100狀態(tài)（VT6、VT1、VT2導(dǎo)通）u1uAO’-uCO’-uBO’ABC110狀態(tài)（VT1、VT2、VT3導(dǎo)通）u2uAO’-uCO’uBO’ABC合成空間矢量變成圖中的u2

，它在空間上滯后于u1的相位為

/3弧度，存在的時(shí)間也是

/3

1108個(gè)基本空間矢量當(dāng)5.4電力電子變壓變頻器因此，100狀態(tài)（VT6、VT1、VT2導(dǎo)通）下電壓矢量為1118個(gè)基本空間矢量當(dāng)5.4電力電子變壓變頻器110狀態(tài)（VT6、VT1、VT2導(dǎo)通）下電壓矢量為1128個(gè)基本空間矢量6個(gè)有效工作矢量幅值為空間互差5.4電力電子變壓變頻器PWM逆變器基本輸出電壓矢量113

對(duì)于六拍階梯波的逆變器，在其輸出的每個(gè)周期中6種有效的工作狀態(tài)各出現(xiàn)一次。逆變器每隔

/3時(shí)刻就切換一次工作狀態(tài)（即換相），而在這

/3時(shí)刻內(nèi)則保持不變。5.4電力電子變壓變頻器

依此類推，隨著逆變器工作狀態(tài)的切換，電壓空間矢量的幅值不變，而相位每次旋轉(zhuǎn)

/3，直到一個(gè)周期結(jié)束在一個(gè)周期中6個(gè)電壓空間矢量共轉(zhuǎn)過(guò)2

弧度，形成一個(gè)封閉的正六邊形u1u2u3u4u5u6u7

u8PWM逆變器基本輸出電壓矢量114電壓空間矢量與磁鏈?zhǔn)噶康年P(guān)系

5.4電力電子變壓變頻器

正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)

設(shè)在逆變器工作開(kāi)始時(shí)定子磁鏈空間矢量為

1，在第一個(gè)

/3期間，電動(dòng)機(jī)上施加的電壓空間矢量為u1

在

/3所對(duì)應(yīng)的時(shí)間

t內(nèi)，施加u1的結(jié)果是使定子磁鏈

1產(chǎn)生一個(gè)增量

，其幅值|u1|與成正比，方向與u1一致，1156個(gè)有效工作矢量完成一個(gè)周期，輸出基波電壓角頻率6個(gè)有效工作矢量每個(gè)有效工作矢量作用

順序分別作用△t時(shí)間，并使5.4電力電子變壓變頻器u1u2u3u4u5u6u7

u8定子磁鏈?zhǔn)噶康脑隽?/p>

對(duì)所有有效工作矢量

k=1,2,3,4,5,6

增量的幅值

正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)116定子磁鏈?zhǔn)噶康倪\(yùn)動(dòng)軌跡為

定子磁鏈?zhǔn)噶吭隽恳来祟愅?，在一個(gè)周期內(nèi)，6個(gè)磁鏈空間矢量呈放射狀，矢量的尾部都在O點(diǎn)，其頂端的運(yùn)動(dòng)軌跡是6個(gè)電壓空間矢量所圍成的正六邊形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

正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)5.4電力電子變壓變頻器117在基頻以下調(diào)速時(shí)，應(yīng)保持正六邊形定子磁鏈的最大值恒定。若直流側(cè)電壓恒定，

5.4電力電子變壓變頻器問(wèn)題：要保持正六邊形定子磁鏈不變，必須使

在變頻的同時(shí)必須調(diào)節(jié)直流電壓，造成了控制的復(fù)雜性

正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)118

磁鏈?zhǔn)噶吭隽颗c電壓矢量、時(shí)間增量的關(guān)系

如果u1的作用時(shí)間

t小于

/3，則

i

的幅值也按比例地減小，如圖6-30中的矢量?？梢?jiàn)，在任何時(shí)刻，所產(chǎn)生的磁鏈增量的方向決定于所施加的電壓，其幅值則正比于施加電壓的時(shí)間。磁鏈?zhǔn)噶吭隽颗c電壓矢量、時(shí)間增量的關(guān)系5.4電力電子變壓變頻器119有效的方法是插入零矢量當(dāng)零矢量作用時(shí)，定子磁鏈?zhǔn)噶康脑隽勘砻鞫ㄗ哟沛準(zhǔn)噶客Ａ舨粍?dòng)

5.4電力電子變壓變頻器有效工作矢量作用時(shí)間：當(dāng)零矢量作用時(shí)間：定子磁鏈?zhǔn)噶康脑隽繛?/p>

正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)1205.4電力電子變壓變頻器定子磁鏈?zhǔn)噶康脑隽繛樾Ч涸跁r(shí)間△t1段內(nèi)：定子磁鏈?zhǔn)噶寇壽E沿著有效工作電壓矢量方向運(yùn)行正六邊形定子磁鏈的最大值在時(shí)間△t0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(gè)有效工作矢量的到來(lái)

正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)1215.4電力電子變壓變頻器正六邊形定子磁鏈的最大值

只要使△t1為常數(shù)即可。輸出頻率越低，△t越大，零矢量作用時(shí)間△t0也越大，定子磁鏈?zhǔn)噶寇壽E停留的時(shí)間越長(zhǎng)零矢量的插入有效地解決了定子磁鏈?zhǔn)噶糠蹬c旋轉(zhuǎn)速度的矛盾

正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)122期望電壓空間矢量的合成六邊形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)帶有較大的諧波分量，這將導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的脈動(dòng)要獲得更多邊形或接近圓形的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，就必須有更多的空間位置不同的電壓空間矢量以供選擇問(wèn)題：PWM逆變器只有8個(gè)基本電壓矢量，能否用這8個(gè)基本矢量合成出其他多種不同的矢量？5.4電力電子變壓變頻器123電壓空間矢量PWM（SVPWM）基本思想——按空間矢量的平行四邊形合成法則，用相鄰的兩個(gè)有效工作矢量合成期望的輸出矢量按6個(gè)有效工作矢量將電壓矢量空間分為對(duì)稱的六個(gè)扇區(qū)，當(dāng)期望輸出電壓矢量落在某個(gè)扇區(qū)內(nèi)時(shí)，就用與期望輸出電壓矢量相鄰的2個(gè)有效工作矢量等效地合成期望輸出矢量5.4電力電子變壓變頻器每個(gè)扇區(qū)對(duì)應(yīng)期望電壓空間矢量的合成124基本電壓空間矢量和的線性組合構(gòu)成期望的電壓矢量期望輸出電壓矢量的合成期望輸出電壓矢量與扇區(qū)起始邊的夾角5.4電力電子變壓變頻器期望電壓空間矢量的合成

合成電壓矢量125期望輸出電壓矢量的合成5.4電力電子變壓變頻器期望電壓空間矢量的合成合成電壓矢量由正弦定理可得零矢量的作用時(shí)間126兩個(gè)基本矢量作用時(shí)間之和應(yīng)滿足當(dāng)時(shí)，輸出電壓矢量最大幅值

5.4電力電子變壓變頻器期望電壓空間矢量的合成127當(dāng)定子相電壓為三相平衡正弦電壓時(shí)，三相合成矢量幅值

基波相電壓最大幅值基波線電壓最大幅值

5.4電力電子變壓變頻器期望電壓空間矢量的合成SPWM的基波線電壓最大幅值為

結(jié)論:SVPWM方式的逆變器輸出線電壓基波最大值為直流側(cè)電壓，比SPWM逆變器輸出電壓最多提高了約15%128SVPWM的實(shí)現(xiàn)以開(kāi)關(guān)損耗和諧波分量都較小為原則，來(lái)安排基本矢量和零矢量的作用順序，一般在減少開(kāi)關(guān)次數(shù)的同時(shí)，盡量使PWM輸出波型對(duì)稱，以減少諧波分量零矢量集中的實(shí)現(xiàn)方法：

按照對(duì)稱原則，將兩個(gè)基本電壓矢量的作用時(shí)間平分為二后，安放在開(kāi)關(guān)周期的首端和末端

零矢量的作用時(shí)間放在開(kāi)關(guān)周期的中間，并按開(kāi)關(guān)次數(shù)最少的原則選擇零矢量在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，有一相的狀態(tài)保持不變，從一個(gè)矢量切換到另一個(gè)矢量時(shí)，只有一相狀態(tài)發(fā)生變化，因而開(kāi)關(guān)次數(shù)少，開(kāi)關(guān)損耗小5.4電力電子變壓變頻器129SVPWM的實(shí)現(xiàn)零矢量集中的實(shí)現(xiàn)方法：基本電壓矢量的作用時(shí)間平分為二后，安放在開(kāi)關(guān)周期的首端和末端

零矢量的作用時(shí)間放在開(kāi)關(guān)周期的中間5.4電力電子變壓變頻器將零矢量平均分為4份，在開(kāi)關(guān)周期的首、尾各放1份，在中間放兩份。將兩個(gè)基本電壓矢量的作用時(shí)間平分為二后，插在零矢量間。按開(kāi)關(guān)次數(shù)最少的原則選擇矢量。130SVPWM的實(shí)現(xiàn)零矢量分散的實(shí)現(xiàn)方法：

每個(gè)周期均以零矢量開(kāi)始，并以零矢量結(jié)束從一個(gè)矢量切換到另一個(gè)矢量時(shí)，只有一相狀態(tài)發(fā)生變化在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，三相狀態(tài)均各變化一次，開(kāi)關(guān)損耗略大于零矢量集中的方法5.4電力電子變壓變頻器131SVPWM控制的定子磁鏈5.4電力電子變壓變頻器期望的定子磁鏈?zhǔn)噶寇壽E8個(gè)基本輸出矢量，6個(gè)有效工作矢量和2個(gè)零矢量，在一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)，每個(gè)有效工作矢量只作用1次的方式，生成正6邊形的旋轉(zhuǎn)磁鏈，諧波分量大，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)將占據(jù)π/3的定子磁鏈?zhǔn)噶寇壽E等分為N個(gè)小區(qū)間，每個(gè)小區(qū)間所占的時(shí)間為定子磁鏈?zhǔn)噶寇壽E為正6N邊形，軌跡更接近于圓，諧波分量小，能有效減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)132SVPWM控制的定子磁鏈5.4電力電子變壓變頻器期望的定子磁鏈?zhǔn)噶寇壽E

定子磁鏈?zhǔn)噶康脑隽繛樵诿總€(gè)小區(qū)間內(nèi)，定子磁鏈?zhǔn)噶康脑隽繛?33定子磁鏈?zhǔn)噶康倪\(yùn)動(dòng)的7步軌跡5.4電力電子變壓變頻器SVPWM控制的定子磁鏈零矢量分布式方法——7步完成的定子磁鏈134N=4時(shí)，實(shí)際的定子磁鏈?zhǔn)噶寇壽E

SVPWM控制的定子磁鏈5.4電力電子變壓變頻器

實(shí)際的定子磁鏈?zhǔn)噶寇壽E在期望的磁鏈圓周圍波動(dòng)。N越大，磁鏈軌跡越接近于圓，但開(kāi)關(guān)頻率隨之增大由于N是有限的，所以磁鏈軌跡只能接近于圓，而不可能等于圓1355.4電力電子變壓變頻器SVPWM控制的特點(diǎn)8個(gè)基本輸出矢量，6個(gè)有效工作矢量和2個(gè)零矢量，在一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)，每個(gè)有效工作矢量只作用1次的方式，生成正6邊形的旋轉(zhuǎn)磁鏈，諧波分量大，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)用相鄰的2個(gè)有效工作矢量，合成任意的期望輸出電壓矢量，使磁鏈軌跡接近于圓。開(kāi)關(guān)周期越小，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)越接近于圓，但功率器件的開(kāi)關(guān)頻率將提高用電壓空間矢量直接生成三相PWM波，計(jì)算簡(jiǎn)便與一般的SPWM相比較，SVPWM控制方式的輸出電壓最多可提高15%。136交流PWM變頻器-異步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的特殊問(wèn)題PWM變頻器的輸出電壓為等幅不等寬的脈沖序列，該脈沖序列可分解為基波和一系列諧波分量基波產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩，而諧波分量則帶來(lái)一些負(fù)面效應(yīng)5.4電力電子變壓變頻器轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)一般使PWM波正負(fù)半波鏡對(duì)稱和1/4周期對(duì)稱，則三相對(duì)稱的電壓PWM波可用傅氏級(jí)數(shù)表示

137當(dāng)諧波次數(shù)k是3的整數(shù)倍時(shí)，諧波電壓為零序分量，不產(chǎn)生該次諧波電流。因此，三相電流可表示為轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)

5.4電力電子變壓變頻器138三相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)近似為正弦波單相等效電路5.4電力電子變壓變頻器轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)基波感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與k次諧波電流傳輸?shù)乃矔r(shí)功率139單相等效電路5.4電力電子變壓變頻器轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)k次諧波電流產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩140k次諧波電流產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩5.4電力電子變壓變頻器轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)在PWM控制時(shí)，應(yīng)抑制這些諧波分量當(dāng)k繼續(xù)增大時(shí)，諧波電流較小，脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩不大，可忽略不計(jì)5次和7次諧波電流產(chǎn)生6次的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，11次和13次諧波電流產(chǎn)生12次的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩141電壓變化率當(dāng)電動(dòng)機(jī)由三相平衡電壓供電時(shí)，線電壓的變化率5.4電力電子變壓變頻器

因此，很大，在電動(dòng)機(jī)繞組的匝間和軸間產(chǎn)生較大的漏電流，不利于電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行

采用多重化技術(shù)，可有效降低電壓變化率，但變頻器主回路和控制將復(fù)雜得多142能量回饋與泵升電壓泵升電壓——采用不可控整流的交-直-交變頻器，能量不能從直流側(cè)回饋至電網(wǎng)，交流電動(dòng)機(jī)工作在發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，能量從電動(dòng)機(jī)側(cè)回饋至直流側(cè)，導(dǎo)致直流電壓上升電動(dòng)機(jī)儲(chǔ)存的動(dòng)能較大、制動(dòng)時(shí)間較短或電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間工作在發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，泵升電壓很高，嚴(yán)重時(shí)將損壞變頻器泵升電壓的限制

—在直流側(cè)并入一個(gè)制動(dòng)電阻

—在直流側(cè)并入一組晶閘管有源逆變器或采用PWM可控整流5.4電力電子變壓變頻器143泵升電壓的限制在直流側(cè)并入一個(gè)制動(dòng)電阻——當(dāng)泵升電壓達(dá)到一定值時(shí)，開(kāi)通與制動(dòng)電阻相串聯(lián)的功率器件，通過(guò)制動(dòng)電阻釋放電能，以降低泵升電壓5.4電力電子變壓變頻器帶制動(dòng)電阻的交-直-交變頻器主回路144泵升電壓的限制在直流側(cè)并入一組晶閘管有源逆變器或采用PWM可控整流，當(dāng)泵升電壓升高時(shí)，將能量回饋至電網(wǎng)，以限制泵升電壓。5.4電力電子變壓變頻器直流側(cè)并晶閘管有源逆變器的交-直-交變頻器主回路145泵升電壓的限制在直流側(cè)并入一組晶閘管有源逆變器或采用PWM可控整流，當(dāng)泵升電壓升高時(shí)，將能量回饋至電網(wǎng)，以限制泵升電壓。5.4電力電子變壓變頻器PWM可控整流的交-直-交變頻器主回路146對(duì)電網(wǎng)的污染由于直流側(cè)存在較大的濾波電容，只有當(dāng)輸入交流線電壓幅值大于電容電壓時(shí)，才有充電電流流通，交流電壓低于電容電壓時(shí)，電流便終止電流波形具有較大的諧波分量，使電源受到污染5.4電力電子變壓變頻器電網(wǎng)側(cè)輸入電流波形1475.5轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)對(duì)于風(fēng)機(jī)、水泵等調(diào)速性能要求不高的負(fù)載，可以根據(jù)電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)模型，采用轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)電壓頻率協(xié)調(diào)控制的方案通用變頻器控制系統(tǒng)可以和通用的籠型異步電動(dòng)機(jī)配套使用具有多種可供選擇的功能，適用于各種不同性質(zhì)的負(fù)載148tff*ufu斜坡函數(shù)U/f曲線脈沖發(fā)生器驅(qū)動(dòng)電路工作頻率設(shè)定升降速時(shí)間設(shè)定電壓補(bǔ)償設(shè)定PWM產(chǎn)生圖5-39PWM變壓變頻器的基本控制作用5.5轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)控制電路149轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由于系統(tǒng)本身沒(méi)有自動(dòng)限制起制動(dòng)電流的作用，頻率設(shè)定必須通過(guò)給定積分算法產(chǎn)生平緩的升速或降速信號(hào)5.5轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)

tff*ufu斜坡函數(shù)U/f曲線脈沖發(fā)生器驅(qū)動(dòng)電路150電壓/頻率特性當(dāng)實(shí)際頻率大于或等于額定頻率時(shí)，只能保持額定電壓不變。而當(dāng)實(shí)際頻率小于額定頻率時(shí)，一般是帶低頻補(bǔ)償?shù)暮銐侯l比控制轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)5.5轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)151數(shù)字控制通用變頻器-異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)硬件原理圖5.5轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)主電路、驅(qū)動(dòng)電路、微機(jī)控制電路、信號(hào)采集與故障綜合電路1525.6

轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)前節(jié)所述的轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)可以滿足平滑調(diào)速的要求，但靜、動(dòng)態(tài)性能都有限，要提高靜、動(dòng)態(tài)性能，首先要用轉(zhuǎn)速反饋閉環(huán)控制。轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性比開(kāi)環(huán)系統(tǒng)強(qiáng)，是否能夠提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能？

問(wèn)題的提出153電力傳動(dòng)的基本控制規(guī)律電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)都服從于基本運(yùn)動(dòng)方程式

提高調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能主要依靠控制轉(zhuǎn)速的變化率d

/dt

，根據(jù)基本運(yùn)動(dòng)方程式，控制電磁轉(zhuǎn)矩就能控制d

/dt

，因此，歸根結(jié)底，調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能就是控制轉(zhuǎn)矩的能力5.6

轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)在異步電機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)中，需要控制的是電壓（或電流）和頻率。通過(guò)控制電壓（電流）和頻率來(lái)控制電磁轉(zhuǎn)矩是提高動(dòng)態(tài)性能需要解決的問(wèn)題154轉(zhuǎn)差頻率控制的基本概念

直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與電樞電流成正比，控制電流就能控制轉(zhuǎn)矩，因此，把直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)當(dāng)作電流給定信號(hào)，也就是轉(zhuǎn)矩給定信號(hào)

在交流異步電機(jī)中，影響轉(zhuǎn)矩的因素較多，控制異步電機(jī)轉(zhuǎn)矩的問(wèn)題也比較復(fù)雜5.6

轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)155將

按照恒Eg

/

1

控制（即恒

m

控制）時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)差頻率控制的基本概念5.6

轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)代入上式定義電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)常數(shù)定義為轉(zhuǎn)差角頻率

s=s1156轉(zhuǎn)差頻率控制的基本概念5.6

轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)當(dāng)電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，s值很小，因而

s也很小，只有

1的百分之幾，可以認(rèn)為

sLlr'<<Rr'，則轉(zhuǎn)矩可近似表示為在s值很小的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行范圍內(nèi)，如果能夠保持氣隙磁通

m不變，異步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩就近似與轉(zhuǎn)差角頻率

s

成正比。結(jié)論：在異步電機(jī)中控制

s

，就和直流電機(jī)中控制電流一樣，能夠達(dá)到間接控制轉(zhuǎn)矩的目的157基本思想——控制轉(zhuǎn)差頻率就代表控制轉(zhuǎn)矩5.6

轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)差頻率控制的基本概念轉(zhuǎn)矩特性（即機(jī)械特性）在

s

較小的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行段上，轉(zhuǎn)矩Te基本上與

s

成正比當(dāng)Te

達(dá)到其最大值Temax

時(shí)，

s

達(dá)到

smax值1585.6

轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)差頻率控制的基本概念ωsmaxωsmTemaxTemωsTe0圖5-40按恒Φm值控制的Te=f(

s

)特性取dTe/d

s=0可得在轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)中，只要給

s

限幅就可以基本保持Te與

s

的正比關(guān)系，也就可以用轉(zhuǎn)差頻率控制來(lái)代表轉(zhuǎn)矩控制。這是轉(zhuǎn)差頻率控制的基本規(guī)律之一159保持

m恒定是保持Te與

s

的正比關(guān)系的前提問(wèn)題：如何能保持

m恒定？基于異步電機(jī)穩(wěn)態(tài)模型的轉(zhuǎn)差頻率控制規(guī)律5.6