第6章 异步电机调速控制系统,基于稳态的异步电机调速系统 基于动态的异步电机调速系统,主要内容,变压变频调速的基本控制方式 电压－频率协调控制时的机械特性 变压变频器的主要类型 变压变频调速系统中的脉宽调制技术,基于稳态的异步电机调速系统,内容提要 恒压恒频正弦波供电时异步电动机的机械特性 基频以下电压-频率协调控制时的机械特性 基频以上恒压变频时的机械特性,6.1 变压变频调速的基础知识,特性分析,当s很小时,可忽略上式分母中含s各项，则,当 s 接近于1时，可忽略式分母中的Rr' ，则,即s接近于1时转矩近似与s成反比，这时， Te = f（s）是对称于原点的一段双曲线即当s很小时，转矩近似与s成正比，机械特性 是一段直线6.1.1 电压频率协调控制时的机械特性,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：,1. 基频以下采用恒压频比控制,,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sm,恒压恒频时异步电机的机械特性,2 基频以下电压补偿控制,三种磁通,气隙磁通在定子每相绕组中的感应电动势,定子全磁通在定子每相绕组中的感应电动势,转子全磁通在定子每相绕组中的感应电动势,保持定子磁通恒定：,定子电动势不好直接控制，能够直接控制的只有定子电压，按,补偿定子电阻压降，就能够得到恒定子磁通。
1. 恒定子磁通控制（ Es /1 ）,忽略励磁电流，转子电流,电磁转矩,恒压频比控制时的转矩式,两式相比可知，恒定子磁通控制时转矩表达式的分母小于恒压频比控制特性中的同类项 当转差率s相同时，采用恒定子磁通控制方式的电磁转矩大于恒压频比控制方式临界转差率,临界转矩,频率变化时，恒定子磁通控制的临界转矩恒定不变 比较可知 恒定子磁通控制的临界转差率大于恒压频比控制方式 恒定子磁通控制的临界转矩也大于恒压频比控制方式2. 恒气隙磁通（Eg /1 ）控制,保持气隙磁通恒定：,定子电压,除了补偿定子电阻压降外，还应补偿定子漏抗压降转子电流,,电磁转矩,,,,,与恒定子磁通控制方式相比较，恒气隙磁通控制方式的临界转差率和临界转矩更大，机械特性更硬临界转差率,,临界转矩,,不必再作任何近似，这时的机械特性完全是一条直线 显然，恒 Er /1 控制的稳态性能最好，可以获得和直流电机一样的线性机械特性这正是高性能交流变频调速所要求的性能可见，只要能够按照转子全磁通幅值 rm = Constant 进 行控制，就可以获得恒 Er /1 了这正是矢量控制系统所遵循的原则保持转子磁通恒定：,定子电压,除了补偿定子电阻压降外，还应补偿定子和转子漏抗压降。
3. 恒 转子磁通（Er /1 ）控制,转子电流,电磁转矩,4.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,恒压频比控制最容易实现，它的变频机械特性基本上是平行下移，硬度也较好，能够满足一般的调速要求，低速时需适当提高定子电压，以近似补偿定子阻抗压降恒定子磁通、恒气隙磁通和恒转子磁通的控制方式均需要定子电压补偿，控制要复杂一些 恒定子磁通和恒气隙磁通的控制方式虽然改善了低速性能但机械特性还是非线性的，仍受到临界转矩的限制 恒转子磁通控制方式可以获得和直流他励电动机一样的线性机械特性，性能最佳交-直-交变压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6.1.2 变-直-交变频器,异步电机的变压变频调速，必须具备能够同时控制电压幅值和频率的交流电源，而电网提供的是恒压恒频的电源，因此应该配置变压变频器，又称VVVF装置1 交-直-交变压变频器分类,在交-直-交变压变频器中，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和电流源型两类，两种类型的实际区别在于直流环节采用怎样的滤波器。
电压源型和电流源型逆变器示意图,电压源型逆变器（Voltage Source Inverter --VSI ）， 直流环节采用大电容滤波，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电流源型逆变器（Current Source Inverter-- CSI），直流环节采用大电感滤波，直流电流波形比较平直，相当于一个恒流源，输出交流电流是矩形波或阶梯波，或简称电流型逆变器交-直-交变压变频器中的逆变器一般接成三相桥式电路，以便输出三相交流变频电源，下图为6个电力电子开关器件VT1 ~ VT6 组成的三相逆变器主电路.,2. 电压源型逆变器,180º导电型电压源型逆变器,180°导通型控制方式,同一桥臂上、下两管之间互相换流的逆变器称作180°导通型逆变器 例如，当VT1关断后，使VT4导通，而当VT4关断后，又使VT1导通这时，每个开关器件在一个周期内导通的区间是180°，其他各相亦均如此由于每隔60°有一个器件开关，在180°导通型逆变器中，除换流期间外，每一时刻总有3个开关器件同时导通注意：必须防止同一桥臂的上、下两管同时导通，否则将造成直流电源短路，谓之“直通”。
为此，在换流时，必须采取“先断后通”的方法，即先给应关断的器件发出关断信号，待其关断后留一定的时间裕量，叫做“死区时间”，再给应导通的器件发出开通信号 死区时间的长短视器件的开关速度而定，器件的开关速度越快时，所留的死区时间可以越短为了安全起见，设置死区时间是非常必要的，但它会造成输出电压波形的畸变3. 电流源型逆变器,120º导电型电流源型逆变器,120°导通型控制方式,120°导通型逆变器的换流是在不同桥臂中同一排左、右两管之间进行的 例如，VT1关断后使VT3导通，VT3关断后使VT5导通，VT4关断后使VT6导通等等这时，每个开关器件一次连续导通120°，在同一时刻只有两个器件导通，如果负载电机绕组是Y联结，则只有两相导电，另一相悬空4 两类逆变器的性能比较,（1）无功能量的缓冲 在调速系统中，逆变器的负载是异步电机，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，使它不致影响到交流电网 因此，两类逆变器的区别还表现在采用什么储能元件（电容器或电感器）来缓冲无功能量2）能量的回馈 用电流源型逆变器给异步电机供电的电流源型变压变频调速系统有一个显著特征，就是容易实现能量的回馈，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。
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：,（3）动态响应 正由于交-直-交电流源型变压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 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.,（5）应用场合 电压源型逆变器属恒压源，电压控制响应慢，不易波动，所以适于做多台电机同步运行时的供电电源，或单台电机调速但不要求快速起制动和快速减速的场合采用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6.2 变压变频调速系统中的脉宽调制 (PWM)技术,本节内容 正弦波脉宽调制(SPWM)技术 电流滞环跟踪PWM(CHBPWM)控制技术 电压空间矢量PWM(SVPWM)控制技术（或称磁链跟踪控制技术）,问题的提出,早期的交-直-交变压变频器所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。
而全控型器件通过门极门极控制，既可使其开通又可使其关断，其开关速度高于晶闸管，在20世纪80年代开发了应用PWM技术的逆变器，改善了交流电动机变压变频调速系统的性能由于技术性能优良，因此在国内外的变压变频器得到广泛采用PWM变压变频器常用的功率开关器件有： P-MOSFET（小容量）、IGBT（中小容量），GTO（大中容量）和IGCT等但是，受到开关器件额定电压和电流的限制，对于特大容量电机的变压变频调速还是采用半控型的晶闸管（SCR），即用可控整流器调压和六拍逆变器调频的交-直-交变压变频器电压型变压变频器的主电路和输出电压波形,晶闸管变压变频器,PWM逆变器,（1）在主电路整流和逆变两个单元中，只有逆变单元可控，通过它同时调节电压和频率，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2）输出电压波形虽是一系列的PWM波，但由于采用了恰当的 PWM控制技术，正弦基波的比重较大，影响电机运行的低次谐波受到很大抑制，因而转矩脉动小，提高了系统的调速范围和稳态性能PWM变压变频器的优点：,（4）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。
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6.2.1 正弦波脉宽调制(SPWM)技术,1. PWM调制原理 以正弦波作为逆变器输出的期望波形，以频率比期望波高得多的等腰三角波作为载波（Carrier wave），并用频率和期望波相同的正弦波作为调制波（Modulation wave），当调制波与载波相交时，由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得在正弦调制波的半个周期内呈两边窄中间宽的一系列等幅不等宽的矩形波按照波形面积相等的原则，每一个矩形波的面积与相应位置的正弦波面积相等，因而这个序列的矩形波与期望的正弦波等效这种调制方法称作正弦波脉宽调制（Sinusoidal pulse width modulation，简称SPWM），这种序列的矩形波称作SPWM波2. SPWM控制方式,如果在正弦调制波的半个周期内，三角载波只在正或负的一种极性范围内变化，所得到的SPWM波也只处于一个极性的范围内，叫做单极性控制方式 如果在正弦调制波半个周期内，三角载波在正负极性之间连续变化，则SPWM波也是在正负之间变化，叫做双极性控制方式。
三相桥式PWM逆变器主电路原理图,三相SPWM控制电路,PWM变压变频器的应用非常广泛，已制成多种专用集成电路芯片SPWM信号的发生器，后来更进一步把它做在微机芯片里面，生产出多种带PWM信号输出口的电机控制用的8位、16位微机芯片和DSP三相SPWM逆变器在双极式控制方式时的电压输出波形,主电路开关器件的开关能力与主电路的结构及换流能力有关，所以SPWM 调制技术应用于交流调速系统必然受一定条件的制约，主要有两点： （1）开关频率 逆变器各功率开关器件的开关损耗限制了脉宽调制逆变器的每秒脉冲数（即每个开关器件的每秒动作次数）从电动机角度出发，开关频率越高越好，但是开关频率过高，将导致开关管的功率损耗增加，只能在这两者之间折中 （2）调制度 为保证主电路开关器件安全工作，必须使所调制的脉冲波有最小脉宽与最小间隙的限制，以保证脉冲宽度大于开关器件的导通时间与关断时间，这就要求参考正弦信号的幅值不能超过三角载波峰值的某一百分数（称为临界百分数）一般定义调制度为： M=Urm/Ucm 其中Urm和Ucm分别为正弦调制波参考信号与三角载波信号的峰值 理想情况下M可在0—1之间变化，以调节输出电压幅值，实际上M值总是小于1的。
当调制超过最小脉宽的限制时，可以改为按固定的最小脉宽工作，但这。