交流调速系统汇编

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1、1. 异步电动机调速 l转差功率-sPm 从能量转换的角度看，转差功率是 否增大，能量是被消耗掉还是得到 利用，是评价调速系统效率高低的 标志。 l按转差功率将异步电动机的调速系 统分成三类。 转差功率消耗型 l全部转差功率都转换成热能消耗在转 子回路中。 l以增加转差功率的消耗来换取转速降 低（恒转矩负载时），越到低速效率 越低。 l结构简单，设备成本少，还有一定的 应用价值。 转差功率馈送型 l转差功率一部分被消耗掉，大部分则 通过变流装置回馈给电网或转化成机 械能予以利用。 l功率既可以从转子馈入又可以馈出的 系统称作双馈调速系统。 l效率较高，只能采用绕线转子感应电 动机。 转差功率不

2、变型 l变压变频调速，转子铜损基本不变 ，转子电路中没有附加的损耗，效 率最高。 l须配置与电动机容量相当的变压变 频器，设备成本最高。 l变极对数调速也是转差功率不变型 调速系统，属于有级调速。 2. 同步电动机调速 l同步电动机没有转差，也就没有转差 功率，所以同步电动机调速系统只能 是转差功率不变型。 l同步电动机转子极对数是固定的，只 能靠变压变频调速。 2. 同步电动机调速 l从频率控制的方式来看，同步电动机 调速可分为他控变频调速和自控变频 调速两类。 l自控变频调速利用转子磁极位置检测 信号来控制变压变频装置换相，又称 作无换向器电动机调速，或无刷直流 电动机调速。 电力拖动自动

3、控制系统 运动控制系统 第5章 基于稳态模型的异 步电动机调速系统 基于稳态模型的调速方法 l常用的基于稳态模型的异步电动机 调速方法有调压调速和变压变频调 速两类。 5.1 异步电动机稳态数学模 型和调速方法 l异步电动机稳态数学模型包括异步电动机 稳态等效电路和机械特性，两者既有联系 ，又有区别。 稳态等效电路描述了在一定的转差率 下电动机的稳态电气特性。 机械特性则表征了转矩与转差率（或 转速）的稳态关系。 异步电动机的机械特性 l异步电动机的电磁转矩（机械特性方程式 ） 异步电动机的机械特性 对s求导，并令 l最大转矩，又称临界转矩 异步电动机的机械特性 l临界转差率：对应最大转矩的转

4、差率 异步电动机的机械特性 图5-3 异步电动机的机械特性 5.1.2异步电动机的调速方 法与气隙磁通 l异步电动机的调速方法 所谓调速，就是人为地改变机械特性 的参数，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。 5.2 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 ，定子电压只能降低，不能升高，故 又称作降压调速。 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 持额定值不变 l气隙磁通 随定子电压的降低而减小，属于弱磁调速。 5.2.2 异步电动机调压调速 的机械特

5、性 可调 l调压调速的机械特性表达式 l电磁转矩与定子电压的平方成正比 5.2.2 异步电动机调压调速 的机械特性 l临界转差率保持不变（与定子电压无关 ） l理想空载转速保持为同步转速不变 5.2.2 异步电动机调压调速 的机械特性 l临界转矩 l 随定子电压的减小而成平方比地下 降 5.2.2 异步电动机调压调速 的机械特性 图5-5 异步电动机调压调速的机械特性 0.3 0.30.30.30.3 5.2.2 异步电动机调压调速 的机械特性 l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围为 调速范围有限，图中A、B、C为恒转矩负载 在不同电压时的稳定工作点。 l带风机类负载

6、运行，调速范围可以稍大一 些，图中D、E为风机类负载在不同电压时的 稳定工作点。 5.2.2 异步电动机调压调速 的机械特性 l转差功率 随着转差率的加大（转速越低）而增加。 l带恒转矩负载的降压调速就是靠增大转 差功率、减小输出功率来换取转速的降低 。 l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。 5.2.2 异步电动机调压调速 的机械特性 l增加转子电阻值， 临界转差率加大， 可以扩大恒转矩负 载下的调速范围， 这种高转子电阻电 动机又称作交流力 矩电动机。 l缺点是机械特性 较软。 图5-6 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 开环难以解决

7、 5.3 异步电动机变压变频调速 l变压变频调速是改变异步电动机同步转速 的一种调速方法，同步转速随频率而变化 基频以下调速 l当频率从额定值向下调节时，必须使 l基频以下应采用电动势频率比为恒值的 控制方式。 基频以下调速 l恒压频比的控制方式 当电动势值较高时，忽略定子电阻和漏感 压降， 基频以下调速 l低频补偿（低频转矩提升） 低频时，定子电阻和漏感压降所占的份 量比较显著，不能再忽略。 人为地把定子电压抬高一些，以补偿定 子阻抗压降。 负载大小不同，需要补偿的定子电压也 不一样。 基频以下调速 l通常在控制软 件中备有不同 斜率的补偿特 性，以供用户 选择。 a无补偿 b带定子 电压补

8、偿 图5-9 恒压频比控制特性 基频以上调速 l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，定子电压不能随之升高，最多只 能保持额定电压不变。 l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。 变压变频调速 图5-10 异步电动机变压变频调速的控制特性 5.3.2 变压变频调速时的机械 特性 l基频以下采用恒压频比控制 异步电动机机械特性方程式改写为 基频以下调速 l对于同一转矩，转速降落基本不变 在恒压频比的条件下把频率向下调节时，机 械特性基本上是平行下移的。 变压变频调速时的机械特性 图5-11 异步电动机变压变频调速机械特性 基频以下调速

9、l临界转矩 随着频率的降低而减小。 l当频率较低时，电动机带载能力减弱，采 用低频定子压降补偿，适当地提高电压，可 以增强带载能力。 基频以下调速 l转差功率 与转速无关，故称作转差功率不变型。 基频以上调速 l电压不能从额定值再向上提高，只能 保持不变，机械特性方程式可写成 l临界转矩表达式 基频以上调速 l临界转差 l当s很小时，忽略上式分母中含s各项 或 基频以上调速 l带负载时的转速降落 l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。 l同步转速升高、临界转矩减少，输出功率 基本不变-弱磁恒功率调速。 基频以上调速 l转差功率 l带恒功率负载运行时 转差功率基本不变。

10、 变压变频调速时的机械特性 图5-11 异步电动机变压变频调速机械特性 0.30.3 图5-5 异步电动机调压调速 的机械特性 转差功率消耗型 转差功率不变型 变压变频调速 l在基频以下，由于磁通恒定，允许输 出转矩也恒定，属于“恒转矩调速”方 式。 l在基频以上，转速升高时磁通减小， 允许输出转矩也随之降低，由于转速 上升，允许输出功率基本恒定，属于“ 近似的恒功率调速”方式。 5.3.3 基频以下电压补偿控制 l在基频以下运行时，采用恒压频比的控 制方法具有控制简便的优点。 l但负载的变化时定子压降不同，将导致 磁通改变，须采用定子电压补偿控制。 l根据定子电流的大小改变定子电压，以 保持

11、磁通恒定。 三种磁通 l气隙磁通在定子每相绕组中的感应电动势 l定子全磁通在定子每相绕组中的感应电动势 l转子全磁通在定子每相绕组中的感应电动势 不同控制方式下的机械特性 图5-13 异步电动机在不同控制方式下的机械特性 a）恒压频比控制 b）恒定子磁通控 制 c）恒气隙磁通控 制 d）恒转子磁通控 制 5.4 电力电子变压变频器 l交-直-交变频器：先将恒压恒频的交流电 整成直流，再将直流电逆变成电压与频率 均为可调的交流，称作间接变频。 l交-交变频器：将恒压恒频的交流电直接变 换为电压与频率均为可调的交流电，无需 中间直流环节，称作直接变频。 5.4 电力电子变压变频器 图5-14 变频

12、器结构示意图 a）交-直- 交变频器 b）交-交 变频器 脉冲宽度调制技术 l现代变频器中用得最多的控制技术是脉冲 宽度调制（Pulse Width Modulation），简 称PWM。 l基本思想是控制逆变器中电力电子器件的 开通或关断，输出电压为幅值相等、宽度按 一定规律变化的脉冲序列，用这样的高频脉 冲序列代替期望的输出电压。 5.4.2正弦波脉宽调制技术 l以频率与期望的输出电压波相同的正 弦波作为调制波，以频率比期望波高得 多的等腰三角波作为载波。 l由它们的交点确定逆变器开关器件的 通断时刻，从而获得幅值相等、宽度按 正弦规律变化的脉冲序列，这种调制方 法称作正弦波脉宽调制（Si

13、nusoidal pulse Width Modulation，简称SPWM ）。 5.4.1 PWM变频器主回路 图5-15 交-直-交变频器主回路结构图 5.4.1 PWM变频器主回路 l左边是不可控整流桥，将三相交流电 整流成电压恒定的直流电压。 l右边是逆变器，将直流电压变换为频 率与电压均可调的交流电。 l中间的滤波环节是为了减小直流电压 脉动而设置的。 图5-15 交-直-交变频器主回路结构图 三相输出电压共有八个状态 5.4.2 正弦波脉宽调制技术 图5-17 三相PWM逆变器双极 性SPWM波形 a) 三相正弦调制波与 双极性三角载波 b）、c）、d）三相 电压 e）输出线电压

14、 f）电动机相电压 5.4.4 电流跟踪PWM（ CFPWM）控制技术 l电流跟踪PWM（CFPWM，Current Follow PWM）的控制方法是：在原来主回 路的基础上，采用电流闭环控制，使实际电 流快速跟随给定值。 l在稳态时，尽可能使实际电流接近正弦波 形，这就能比电压控制的SPWM获得更好的 性能。 5.4.4 电流跟踪PWM（ CFPWM）控制技术 图5-19 电流滞环跟踪控制的A相原理图 5.4.4 电流跟踪PWM（ CFPWM）控制技术 l电流控制器是带滞环的比较器，环宽为2h 。将给定电流与输出电流进行比较，电流偏 差超过h时，经滞环控制器HBC控制逆变 器上（或下）桥臂

15、的功率器件动作。 5.4.4 电流跟踪PWM（ CFPWM）控制技术 l电流跟踪控制的精度与滞环的宽度有关， 同时还受到功率开关器件允许开关频率的制 约。 l当环宽选得较大时，开关频率低，但电流 波形失真较多，谐波分量高； l如果环宽小，电流跟踪性能好，但开关频 率却增大了。 l实际使用中，应在器件开关频率允许的前 提下，尽可能选择小的环宽。 5.4.5 电压空间矢量PWM（ SVPWM）控制技术 l把逆变器和交流电动机视为一体，以圆形 旋转磁场为目标来控制逆变器的工作，这种 控制方法称作“磁链跟踪控制”，磁链轨迹的 控制是通过交替使用不同的电压空间矢量实 现的，所以又称“电压空间矢量PWM（

16、 SVPWM，Space Vector PWM）控制”。 电压与磁链空间矢量的关系 l当电动机由三相平衡正弦电压供电时， 电动机定子磁链幅值恒定，其空间矢量以 恒速旋转，磁链矢量顶端的运动轨迹呈圆 形（简称为磁链圆）。-圆形旋转磁场 l定子磁链矢量 l定子电压矢量 电压与磁链空间矢量的关系 图5-22 旋转磁场与电压空 间矢量的运动轨迹图5-23 电压矢量圆轨迹 正交 8个基本空间矢量 lPWM逆变器共有8种工作状态 当 8个基本空间矢量 依此类推，可得8个基本空间矢量 。 当 8个基本空间矢量 l2个零矢量 l6个有效工作矢量 幅值为 空间互差 正六边形空间旋转磁场 图5-26 正六边形定子磁链轨迹 l在一个周期内，