电力拖动与运动控制系统：第7章 交流异步电动机变频调速系统

《电力拖动与运动控制系统：第7章 交流异步电动机变频调速系统》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电力拖动与运动控制系统：第7章 交流异步电动机变频调速系统（194页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、Spring 2015Motion Control Systems第一部分第一部分 直流调速系统直流调速系统 （约（约2828学时）学时）1.1.第一章（转速负反馈）单闭环直流调速系统第一章（转速负反馈）单闭环直流调速系统2.2.第二章第二章 双闭环（速度环双闭环（速度环+ +电流环）直流调速系统电流环）直流调速系统 3.3.第三章第三章 直流可逆（晶闸管反并联）调速系统直流可逆（晶闸管反并联）调速系统4.4.第四章第四章 直流脉宽调速系统（直流脉宽调速系统（PWMPWM）5.5.第五章第五章 数字控制的直流调速系统与数字控制的直流调速系统与MATLABMATLAB仿真（自学）仿真（自学）第二

2、部分第二部分 交流调速系统交流调速系统 （约（约2020学时）学时）1.1.第六章第六章 交流调速系统（调压调速、串级调速）交流调速系统（调压调速、串级调速） 2.2.第七章第七章 交流异步电动机变频调速系统交流异步电动机变频调速系统 （VVVFVVVF调速系统）调速系统）转差功率不变型调速系统转差功率不变型调速系统课程内容提要课程内容提要-重点内容重点内容重点内容重点内容2Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统分体式变频空调控制电路原理框图分体式变频空调控制电路原理框图变频空调变频空调3Spring 2015Motion C

3、ontrol Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统数字控制通用变频器数字控制通用变频器异步电动机调速系统原理图异步电动机调速系统原理图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URUIR0R1R2RbVTbKR0R1RbR24Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统5Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统 7.1 7.1 异步电动机变频调速的基本控制方式异步电动机变频调速的基本控制方式 7.2 7.2 变

4、频器与逆变器变频器与逆变器 7.3 7.3 转速开环恒压频比控制的变频调速系统转速开环恒压频比控制的变频调速系统 7.4 7.4 转速闭环转差频率控制的变频调速系统转速闭环转差频率控制的变频调速系统 7.5 7.5 异步电机的多变量数学模型和坐标转换异步电机的多变量数学模型和坐标转换 7.6 7.6 按转子磁场定向的矢量控制系统按转子磁场定向的矢量控制系统 本章内容提要本章内容提要-重点内容重点内容重点内容重点内容6Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统7.1 7.1 异步电动机变频调速的基本控制方式异步电动机变频调速的基本控

5、制方式 l问题的提出的提出 在在进行行电机机调速速时，常，常须考考虑的重要因素的重要因素磁通量磁通量 m m （励磁磁通、（励磁磁通、气隙磁通、主磁通的幅气隙磁通、主磁通的幅值）。）。磁通太弱，没有充分利用磁通太弱，没有充分利用电机的机的铁芯，是一种浪芯，是一种浪费；若增大磁通，又会使若增大磁通，又会使铁芯芯饱和，和，导致励磁致励磁电流流过大，大，严重重时会因会因绕组过热而而损坏坏电机。机。直流直流电机，励磁系机，励磁系统是独立的，只要是独立的，只要对电枢反枢反应作合适作合适补偿，可保，可保持持 m m 。交流异步交流异步电动机中，磁通是定子和机中，磁通是定子和转子磁子磁势合成合成产生的，需要

6、生的，需要认真真研究。研究。 问：如何保持磁通量：如何保持磁通量 m m 恒定？恒定？7Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统l 定子每相电动势定子每相电动势（7-1） 式中：式中：E Eg g 气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值；气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值； 定子频率，单位为定子频率，单位为HzHz； 定子每相绕组串联匝数；定子每相绕组串联匝数； 基波绕组系数；基波绕组系数； 每极气隙磁通量，单位为每极气隙磁通量，单位为WbWb。 f1N1kN1 m说明：明：由式（由式（7-17-1）知，只要控制好）知，只要

7、控制好E Eg g和和f f1 1，便可达到控制磁通，便可达到控制磁通 m m的目的，的目的，因此，需要考因此，需要考虑基基频（额定定频率）以下和基率）以下和基频以上以上两种情况。两种情况。 为保持主磁通不保持主磁通不变，在，在变频时必必须同同时变压，使得，使得压频比比为一一常数常数, , 这也是也是VVVFVVVF控制又被称控制又被称为恒恒压频比控制比控制的原因。的原因。8Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统 然而，定子绕组中的感应电动势是然而，定子绕组中的感应电动势是难以直接控制难以直接控制的，当电动势的，当电动势值较高

8、时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压相电压U U1 1E Eg g，则得，则得 这是这是恒压频比的控制方式。恒压频比的控制方式。7.1.1 基频以下调速基频以下调速由式（由式（7-17-1）可知，要保持）可知，要保持 m m不变，当频率不变，当频率f f1 1从额定值从额定值f f1N1N向向下调节时，必须同时降低下调节时，必须同时降低E Eg g，使，使 恒值恒值即即采用恒值电动势频率比的控制方式采用恒值电动势频率比的控制方式。 一般频率是从额定频一般频率是从额定频率向下调，所以需要率向下调，所以需要同时降低电源电压同时降低

9、电源电压恒值恒值9Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统7.1.1 基频以下调速基频以下调速7.1.1.1 恒压频比控制恒压频比控制（U1/ 1= 恒值）恒值） 在第六章已给出异步电动机的机械特性方程式（如（在第六章已给出异步电动机的机械特性方程式（如（6-7）当定子电压当定子电压U1和和角频率角频率 1 ( ) 都为恒定值时，可以将都为恒定值时，可以将它改写成如下的形式：它改写成如下的形式：（7-27-2） Np磁极对数，前一章用磁极对数，前一章用p表示表示10Spring 2015Motion Control System

10、s第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统l 特性分析特性分析当当s很小时，可忽略上式分母中含很小时，可忽略上式分母中含s各项则各项则 也就是说，当也就是说，当s很小时，转矩近似与很小时，转矩近似与s成正比，机械特性成正比，机械特性 Te= f(s) 是是一段直线一段直线。当当s s 接近于接近于1 1时，可忽略式（时，可忽略式（7-27-2）分母中的）分母中的R R2 2 ，则，则 即即s s接接近近于于1 1时时转转矩矩近近似似与与s s成成反反比比，这这时时, ,Te= f(s) 是是对对称称于于原原点的一段双曲线点的一段双曲线。（7-3） 11Spring 2015Motion Con

11、trol Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统l 机械特性机械特性 当当 s 为以上两段的以上两段的中中间数数值时，机械，机械特性从直特性从直线段逐段逐渐过渡到双曲渡到双曲线段，段，如如图所示。所示。smnn0sTe010TeTemaxTemax图图7-1 恒压恒频时异步电机的机械特性恒压恒频时异步电机的机械特性12Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统 当定子旋转磁场的转速（同步转速）为当定子旋转磁场的转速（同步转速）为 时，则有时，则有因此转速降落为因此转速降落为 （7-57-5） （r/min） （7-

12、67-6） （r/min） 由于由于 13Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统在式（在式（7-37-3）所表示的机械特性近似直线段上，可以导出）所表示的机械特性近似直线段上，可以导出（7-7） 由此可见，由此可见，当当 U U1 1 / / 1 1 为恒值为恒值时，对于同一转矩时，对于同一转矩T Te e，s s 1 1 是是 基本不变的基本不变的，因而，因而 n n 也是基本不变的也是基本不变的。这就是说，在恒压频比的条件下改变频率这就是说，在恒压频比的条件下改变频率 1 1 时，时，机械特性机械特性 基本上是平行下移基本

13、上是平行下移，它们和，它们和直流他励电机变压调速时直流他励电机变压调速时的情况的情况 基本相似。基本相似。所不同的是所不同的是: :当转矩增大到最大值以后，转速再降低，特性就当转矩增大到最大值以后，转速再降低，特性就 折回来了。而且频率越低时最大转矩值越小。如图折回来了。而且频率越低时最大转矩值越小。如图7-27-2所示。所示。14Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统l 机械特性曲线机械特性曲线图图7-2 7-2 恒压频比控制时变频调速的机械特性恒压频比控制时变频调速的机械特性ns01TeTL15Spring 2015Mot

14、ion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统异步电动机最大转矩为：异步电动机最大转矩为：（7-9） 可见最大转矩可见最大转矩 T Temaxemax 是随着的是随着的 1 1 降低而减小的。降低而减小的。频率很低时，频率很低时，T Temax emax 太小将限制电机的带载能力，太小将限制电机的带载能力，采采用定子压降补偿，适当地提高电压用定子压降补偿，适当地提高电压U U1 1，可以增强带，可以增强带载能力载能力，见图，见图7-27-2。16Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统7.1.1.

15、2 恒恒 Eg / 1 控制控制 E Eg g 气隙（或互感）磁通在定子每相绕组中的感应电动势；气隙（或互感）磁通在定子每相绕组中的感应电动势； E Es s 定子全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； E Er r 转子全磁通在转子绕组中的感应电动势（折合到定子边）。转子全磁通在转子绕组中的感应电动势（折合到定子边）。 图图7-3 异步电动机稳态异步电动机稳态T型等效电路和感应电动势型等效电路和感应电动势R1I1I0I2EsEgErU1sR21Lm1lL2lLoo17Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调

16、速系统变频调速系统 由等效电路可以看出由等效电路可以看出 代入电磁转矩关系式（式（代入电磁转矩关系式（式（6-7），得），得（7-11） （7-10） l 特性分析特性分析如果在电压频率协调控制中，恰当地提高电压如果在电压频率协调控制中，恰当地提高电压U U1 1的数值，使它在的数值，使它在克服定子阻抗压降以后，能维持克服定子阻抗压降以后，能维持 E Eg g/ / 1 1 为恒值（基频以下），则为恒值（基频以下），则由式（由式（7-17-1）可知，无论频率高低，每极磁通）可知，无论频率高低，每极磁通 m m 均为常值。均为常值。18Spring 2015Motion Control Syst

17、ems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统l 特性分析（续）特性分析（续）类似前面分析，当类似前面分析，当s s很小时，可忽略式（很小时，可忽略式（7-117-11）分母中含）分母中含s s ，则，则 （7-12） 这表明机械特性的这一段这表明机械特性的这一段近似为一条直线近似为一条直线。当当s s 接近于接近于1 1时，可忽略式（时，可忽略式（7-117-11）分母中的）分母中的 R R2 2 2 2 项，则项，则 （7-13） s s 值为上述两段的中间值时，机械特性在值为上述两段的中间值时，机械特性在直线和双曲线直线和双曲线之间逐之间逐渐过渡，渐过渡，整条特性与恒压频比特性相似整条特

18、性与恒压频比特性相似。19Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统l 机械特性曲线机械特性曲线OnTemax恒恒 E Eg g / / 1 1 控制时变频调速的机械特性控制时变频调速的机械特性20Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统l 性能比较性能比较对比式（对比式（7-117-11）和式（）和式（7-27-2）可以看出，恒）可以看出，恒 E Eg g/ / 1 1 特性分母中含特性分母中含s s 项的参数要小于恒项的参数要小于恒 U U1 1/ / 1 1

19、特性中的同类项，也就是说，特性中的同类项，也就是说，s s 值要更大一些才能使该项占有显著的份量，从而不能被忽略，值要更大一些才能使该项占有显著的份量，从而不能被忽略，因此恒因此恒 E Eg g / / 1 1 特性的线性段范围更宽。特性的线性段范围更宽。恒恒E Eg g / / 1 1控制特性在最大转矩时的转差率控制特性在最大转矩时的转差率 最大转矩最大转矩（7-14） （7-15） 21Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统值得注意的是，当值得注意的是，当E Eg g / / 1 1 为恒值时，为恒值时，T Temaxem

20、ax 恒定不变，恒定不变， 其稳态性能优于恒其稳态性能优于恒 U U1 1 / / 1 1 控制的性能。控制的性能。这正是恒这正是恒 E Eg g / / 1 1 控制中补偿定子压降所追求的目标。控制中补偿定子压降所追求的目标。 l 性能比较性能比较( (续续) )22Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统7.1.1.3 7.1.1.3 恒恒 Er/ 1 控制控制 如果把电压频率协调控制中的电压再进一步提高，把转子漏如果把电压频率协调控制中的电压再进一步提高，把转子漏抗上的压降也抵消掉，得到恒抗上的压降也抵消掉，得到恒 E E

21、r r / / 1 1 控制，那么，机械特性控制，那么，机械特性会怎样呢？由此可写出会怎样呢？由此可写出 （7-16） 这时的机械特性完全是一条直线，见图这时的机械特性完全是一条直线，见图7-47-4。（7-17） 代入电磁转矩关系式（式（代入电磁转矩关系式（式（6-7），得），得23Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统0s10Tel 几种电压频率协调控制方式的机械特性比较几种电压频率协调控制方式的机械特性比较图图7-4 7-4 不同电压频率协调控制方式时的机械特性不同电压频率协调控制方式时的机械特性恒 Er /1 控制恒

22、Eg /1 控制恒 U1 /1 控制ab c24Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统异步电动机稳态等效电路、感应电动势、转矩方程（机械特性方程式）异步电动机稳态等效电路、感应电动势、转矩方程（机械特性方程式）R1I1I0I2EsEgErU1sR21Lm1lL2lLoo25Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统 按照式（按照式（7-17-1）电动势和磁通的关系，可以看出，当和磁通的关系，可以看出，当频率恒定率恒定时，电动势与与磁通成正比。在式（磁通成正比。在式

23、（7-17-1）中，气隙磁通的感）中，气隙磁通的感应电动势 E Eg g 对应于气隙磁通于气隙磁通幅幅值 m m ，那么，那么，转子全磁通的感子全磁通的感应电动势 E Er r 就就应该对应于于转子全磁通幅子全磁通幅值 rmrm ：（7-18） 机械特性的比较结果：机械特性的比较结果： 恒恒 Er/Er/ 1 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。性。这正是高性能交流变频调速所要求的性能。这正是高性能交流变频调速所要求的性能。问题：问题：如何控制变频装置的电压和频率才能获得恒定的如何控制变频装置的电压和频率才能获得

24、恒定的 E Er r / / 1 1 呢？呢？ 由此可见，只要能够按照转子全磁通幅值由此可见，只要能够按照转子全磁通幅值 rmrm= Constant = Constant 进行控制，就可获进行控制，就可获得恒得恒 E Er r/ / 1 1 了。这正是矢量控制系统所遵循的原则，将在后面详细讨论。了。这正是矢量控制系统所遵循的原则，将在后面详细讨论。 26Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统几种协调控制方式的比较几种协调控制方式的比较 综上所述，按不同规律实现电压频率协调控制可得不同类型的机械特性。综上所述，按不同规律实现电

25、压频率协调控制可得不同类型的机械特性。 恒压频比恒压频比（U U1 1/ / 1 1 = Constant = Constant）控制最容易实现控制最容易实现，它的变频机械特，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，但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，但低速带载能力有些差强人意，须对定子压降实行补偿。低速带载能力有些差强人意，须对定子压降实行补偿。恒恒E Eg/g/ 1 1 控制是通常对恒压频比控制实行电压补偿的标准，可以在控制是通常对恒压频比控制实行电压补偿的标准，可以在稳态时达到稳态时达到 m m = Constant = Constan

26、t，从而改善了低速性能。但机械特性还，从而改善了低速性能。但机械特性还是非线性的，产生转矩的能力仍受到限制。是非线性的，产生转矩的能力仍受到限制。恒恒 E Er/r/ 1 1 控制可以得到和控制可以得到和直流他励电机一样的线性机械特性直流他励电机一样的线性机械特性，按照按照转子全磁通转子全磁通 rm rm 恒定进行控制恒定进行控制，即得，即得E Er/r/ 1 1 = Constant = Constant。而且，。而且，在动态中也尽可能保持在动态中也尽可能保持 rmrm 恒定恒定是是矢量控制系统的目标矢量控制系统的目标，当然实，当然实现起来是比较复杂的。现起来是比较复杂的。 27Spring

27、 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统7.1.2. 7.1.2. 基频以上调速基频以上调速 在基频以上调速时，频率应该从在基频以上调速时，频率应该从f f1N1N 向上升高，但定子向上升高，但定子电压电压U U1 1 却不可能超过额定电压却不可能超过额定电压U U1N1N ，最多只能保持，最多只能保持U U1 1 = = U U1N1N ，这将迫使磁通与频率成反比地降低，相当于直流，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。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，把基频以下和基频以上两种情况

28、的控制特性画在一起，如下图所示。如下图所示。 28Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统f1N 变压变频控制特性变压变频控制特性图图7-5 7-5 异步电机变压变频调速的控制特性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U1U1NmNm恒功率调速恒功率调速mU1f1O29Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统 如果如果电机在机在不同不同转速速时所所带的的负载都能使都能使电流达流达到到额定定值，即都能在允，即都能在允许温升下温升下长期运行，期运行，则转

29、矩基本上随磁通矩基本上随磁通变化，按照化，按照电力拖力拖动原理，在基原理，在基频以下，磁通恒定以下，磁通恒定时转矩也恒定矩也恒定，属于，属于“恒恒转矩矩调速速”性性质，而在基，而在基频以上，以上，转速升高速升高时转矩降矩降低低，基本上属于，基本上属于“恒功率恒功率调速速”。30Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统l恒恒转矩矩负载的特点是的特点是负载转矩与矩与转速无关速无关，任何任何转速下速下转矩矩总保持恒定保持恒定或基本恒定或基本恒定。应用的用的场合比如合比如传送送带、搅拌机，拌机，挤压机等摩擦机等摩擦类负载以以及吊及吊车、

30、提升机等位能、提升机等位能负载。l恒功率恒功率负载的特点是的特点是负载转矩大体与矩大体与转速成反比（速成反比（负载转矩与矩与转速乘速乘积（即功率）基本保持不（即功率）基本保持不变），如机床主，如机床主轴和和轧机、造机、造纸机、塑料薄膜生机、塑料薄膜生产线中的卷取机、开卷机等中的卷取机、开卷机等负载 。负载的恒功率性的恒功率性质通常是就一定的通常是就一定的速度速度变化范化范围而言的。当速度很低而言的。当速度很低时，受机械，受机械强度的限制，度的限制，转矩不可能矩不可能无限增大，在低速下无限增大，在低速下转变为恒恒转矩性矩性质。l负载的恒功率区和恒的恒功率区和恒转矩区矩区对传动方案的方案的选择有影

31、响，有影响，电动机在恒磁通机在恒磁通调速速时，最大容，最大容许输出出转矩不矩不变，属于，属于恒恒转矩矩调速速；而在；而在弱磁弱磁调速速时，最大容最大容许输出出转矩与速度成反比，属于恒功率矩与速度成反比，属于恒功率调速速。l除了上述两除了上述两类负载一般一般还有有风机、机、泵类负载，他的特点是，他的特点是转矩和速度的矩和速度的2次方成正比。次方成正比。附：恒转矩与恒功率调速附：恒转矩与恒功率调速 31Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统小小 结结电压U U1 1与与频率率 1 1是是变频器器异步异步电动机机调速系速系统的两个独

32、的两个独立的控制立的控制变量，在量，在变频调速速时需要需要对这两个控制两个控制变量量进行行协调控制控制。在基在基频以下，有三种以下，有三种协调控制方式。采用不同的控制方式。采用不同的协调控制控制方式，得到的系方式，得到的系统稳态性能不同，其中性能不同，其中恒恒Er /Er / 1 1控制的性控制的性能最好能最好。在基在基频以上，采用保持以上，采用保持电压不不变的的恒功率恒功率调速方法。速方法。32Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统 7.17.1 异步电动机变频调速的基本控制方式异步电动机变频调速的基本控制方式 7.27.2

33、 变频器与逆变器变频器与逆变器 7.3 7.3 转速开环恒压频比控制的变频调速系统转速开环恒压频比控制的变频调速系统 7.4 7.4 转速闭环转差频率控制的变频调速系统转速闭环转差频率控制的变频调速系统 7.5 7.5 异步电机的多变量数学模型和坐标转换异步电机的多变量数学模型和坐标转换 7.6 7.6 按转子磁场定向的矢量控制系统按转子磁场定向的矢量控制系统 本章内容提要本章内容提要-重点内容重点内容重点内容重点内容33Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统引引 言言 现有的交流供电电源都是恒压恒频的，必须通过变频装置，才能

34、获得变压变频的电源，这样的装置通称为变压变频装置（VVVF）。 分类：p 间接接变频装置；装置；p 直接直接变频装置。装置。 34Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统7.2.1 7.2.1 间接变频装置（交间接变频装置（交- -直直- -交变频装置）交变频装置） 图图7-6 间接变频器基本结构间接变频器基本结构 35Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统可控整流器变压，逆变器变频的可控整流器变压，逆变器变频的 交交-直直-交变频装置交变频装置 变压变频变压变

35、频(VVVF)中间直流环节中间直流环节恒压恒频恒压恒频(CVCF)逆变器逆变器DCACAC50Hz调频调频可控可控整流整流调压调压36Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统逆变器逆变器DCACAC50Hz调频调频不控不控整流整流调压调压DCVVVF斩波斩波器器不可控整流器整流，斩波器变压，逆变不可控整流器整流，斩波器变压，逆变 器变频的交器变频的交- -直直- -交变频装置交变频装置 37Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统不可控整流器整流，不可控整流器整流

36、，PWMPWM逆变器同时变压逆变器同时变压 变频的交变频的交- -直直- -交变频装置交变频装置 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DCACAC50Hz调压调频调压调频38Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统39Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统40Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统7.2.2 7.2.2 电压源和电流源

37、变频器电压源和电流源变频器 在在交交-直直-交交变压变频器器中中，按按照照中中间直直流流环节直流直流电源性源性质的不同，逆的不同，逆变器可以分成器可以分成p 电压源型源型p 电流源型流源型 两两种种类型型的的主主要要区区别在在于于用用什什么么储能能元元件件来来缓冲冲无功能量。无功能量。如下示意如下示意图。 41Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统两种类型逆变器结构两种类型逆变器结构(a)(a)电压源变频器电压源变频器: :直流侧是电压源直流侧是电压源(b)(b)电流源变频器电流源变频器: :直流侧是电流源直流侧是电流源42S

38、pring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统 两种类型逆变器比较两种类型逆变器比较 变频器类别变频器类别比较项目比较项目电压源电压源电流源电流源直流回路滤波环节直流回路滤波环节(无功功率缓冲环节无功功率缓冲环节)电容器电容器电抗器电抗器输出电压波形输出电压波形矩形波矩形波决定于负载决定于负载,对异步电机负载近似对异步电机负载近似为正弦波为正弦波输出电流波形输出电流波形决定于负载的功率因数决定于负载的功率因数,有较大有较大的谐波分量的谐波分量矩形波矩形波输出阻抗输出阻抗小小大大回馈制动回馈制动须在电源侧设置反并联逆变器须在电源侧设置反并

39、联逆变器方便方便,主回路不需附加设备主回路不需附加设备调速动态响应调速动态响应较慢较慢快快对晶闸管的要求对晶闸管的要求关断时间要短关断时间要短,对耐压要求一般对耐压要求一般较低较低耐压高耐压高,对关断时间无特殊要求对关断时间无特殊要求适用范围适用范围多电机拖动多电机拖动,稳频稳压电源稳频稳压电源单电机拖动单电机拖动,可逆拖动可逆拖动43Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统晶闸管三相六拍式交晶闸管三相六拍式交- -直直- -交变频器交变频器 基于晶闸管的电压源型三相六拍式交基于晶闸管的电压源型三相六拍式交-直直-交变频交变频器

40、主电路原理图如图器主电路原理图如图79所示它由相控整流电路所示它由相控整流电路A，滤波电容，滤波电容C和有源逆变电路和有源逆变电路B构成。构成。 依晶闸管导通角的大小不同，逆变器有依晶闸管导通角的大小不同，逆变器有180导电导电型型和和120导电型导电型两种不同的工作方式。两种不同的工作方式。 44Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统图图7-9 电压源型六拍式晶闸管交电压源型六拍式晶闸管交-直直-交变频器主电路交变频器主电路45Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频

41、调速系统180180导电型工作方式导电型工作方式 p逆变器每只晶闸管的导通角均为逆变器每只晶闸管的导通角均为180p 导通顺序为导通顺序为V1V2V3V4V5V6 p 每一瞬间均有三只晶闸管处于导通状态每一瞬间均有三只晶闸管处于导通状态 p 换流则按规定的顺序在同一桥臂的上换流则按规定的顺序在同一桥臂的上 、 下两晶闸管之间进行下两晶闸管之间进行六只晶闸管的导通情况如图六只晶闸管的导通情况如图710所示。所示。 46Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统图图7-10 180导电方式下晶闸管的切换规律导电方式下晶闸管的切换规律4

42、7Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统48Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统n变频器输出相电压为阶梯波，线电压为间断式矩变频器输出相电压为阶梯波，线电压为间断式矩形波；形波；n波形的幅值取决于相控整流器输出直流平均电压波形的幅值取决于相控整流器输出直流平均电压值值Ud的大小；的大小；n频率则取决于换流频率，即每频率则取决于换流频率，即每60导电角所代表导电角所代表的时间长短（两者均可人为控制，可达到的时间长短（两者均可人为控制，可达到VVVF的要求）。的

43、要求）。n由于在每一个输出电源周期内产生六次切换动作，由于在每一个输出电源周期内产生六次切换动作，故称此类变频器为三相六拍故称此类变频器为三相六拍 式变频器。式变频器。 输出电压波形分析输出电压波形分析49Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统7.2.3 7.2.3 直接变频装置（交直接变频装置（交- -交变频）交变频） 交交-交交变压变频器的基本器的基本结构如下构如下图所示，它只所示，它只有一个有一个变换环节，把恒，把恒压恒恒频（CVCF）的交流）的交流电源直接源直接变换成成VVVF输出，因此又称直接式出，因此又称直接式变压

44、变频器。器。 有有时为了突出其了突出其变频功能，也称作周波功能，也称作周波变换器器（Cycloconveter）。）。 50Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统变频器的基本结构变频器的基本结构图图7-14 7-14 直接（交直接（交- -交）变压变频器交）变压变频器51Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统(a) 电路原理图 b)方波型平均输出电压波形 交交- -交变频装置的基本电路结构交变频装置的基本电路结构图图7-15 交交-交变频装置每一相的基本电路及

45、波形交变频装置每一相的基本电路及波形变频器输出的每一相变频器输出的每一相都是一个由正、反两都是一个由正、反两组晶闸管可控整流装组晶闸管可控整流装置反并联的可逆线路。置反并联的可逆线路。也就是说，每一相都也就是说，每一相都相当于一套直流可逆相当于一套直流可逆调速系统的反并联可调速系统的反并联可逆线路逆线路52Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统 交交-交变压变频器的控制方式交变压变频器的控制方式整半周控制方式整半周控制方式 正、反两组按一定周期相互切换；正、反两组按一定周期相互切换； u0 的幅值决定于各组控制角的幅值决定于各

46、组控制角 ； u0 的频率决定于正、反两组的切换频率；的频率决定于正、反两组的切换频率； 如果控制角一直不变，则输出平均电压是如果控制角一直不变，则输出平均电压是 方波，如下图方波，如下图 b 所示。所示。53Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统图6-15 -b 方波型平均输出电压波形tu0正组通正组通反组通反组通正组通正组通反组通反组通输出电压波形54Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统abcaud0r0 t2Ud0r tIcpicpud0f ud0f

47、tabca02Ud0f0rud055Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统 交交-交变压变频器的控制方式交变压变频器的控制方式 调制控制方式制控制方式u 要获得正弦波正弦波输出，就必须在每一组整 流装置导通期间不断改改变其控制角其控制角 。例如例如：在正向组导通的半个周期中: 控制角：0/2平均电压U0：Umax0/2056Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统图7-16 交-交变压变频器的单相正弦波输出电压波形 输出电压波形57Spring 2015Moti

48、on Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统三相交交变频器的主电路三相交交变频器的主电路 图图7-17 7-17 三相交变变频主电路三相交变变频主电路58Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统7.2.4 正弦波脉宽调制（正弦波脉宽调制（SPWM）逆变器）逆变器2问题的提出的提出 在基于晶在基于晶闸管的交管的交- -直直- -交交变频器供器供电的的变压变频调速系速系统中，中，为了了获得得变频调速所要求的速所要求的电压频率率协调控制，控制，调速速时须同同时控制整流器和逆控制整流器和逆变器，器，这样就

49、就带来了一系列来了一系列问题。 主主电路有两个可控的功率路有两个可控的功率环节，电路复路复杂；存在大存在大惯性元件（性元件（电容、容、电感），使系感），使系统的的动态响响应缓慢；慢； 由于整流器是可控的，供由于整流器是可控的，供电电源的功率因数随源的功率因数随变频装置装置输出出频率的降低而率的降低而变差，并差，并产生高次生高次谐波波电流；流； 逆逆变器器输出出为六拍六拍阶梯波交梯波交变电压（电流）在拖流）在拖动电动机中机中形成形成较多的各次多的各次谐波，从而波，从而产生生较大的脉大的脉动转矩，影响矩，影响电动机的机的稳定工作。定工作。59Spring 2015Motion Control Sy

50、stems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统uPWM（Pulse Width Modulation）控制就是控制就是对脉冲的脉冲的宽度度进行行调制的制的技技术，即通，即通过对一系列脉冲的一系列脉冲的宽度度进行行调制，来等效地制，来等效地获得所需要波得所需要波形（含形状和幅形（含形状和幅值）。）。uPWM控制技控制技术在逆在逆变电路中的路中的应用最用最为广泛，广泛，对逆逆变电路的影响也最路的影响也最为深刻，深刻，现在大量在大量应用的逆用的逆变电路中，路中，绝大部分都是大部分都是PWM型逆型逆变电路路。uPWM控制的思想源于通信技控制的思想源于通信技术，全控型器件的，全控型器件的发展使得展使

51、得实现PWM控控制制变得十分容易。得十分容易。uPWM技技术的的应用十分广泛，它使用十分广泛，它使电力力电子装置的性能大大提高，因此子装置的性能大大提高，因此它在它在电力力电子技子技术的的发展史上占有十分重要的地位。展史上占有十分重要的地位。uPWM控制技控制技术正是有正是有赖于在于在逆逆变电路路中的成功中的成功应用，才确定了它在用，才确定了它在电力力电子技子技术中的重要地位。中的重要地位。现在使用的各种逆在使用的各种逆变电路都采用了路都采用了PWM技技术。PWM 控制技术控制技术60Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统（1

52、） PWM控制的基本原理控制的基本原理面积等效原理面积等效原理 是是PWM控制技术的重要理论基础控制技术的重要理论基础。 原理内容：原理内容：冲量相等冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效效果基本相同果基本相同。 冲量即指窄脉冲的面积。冲量即指窄脉冲的面积。 效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。 如果把各输出波形用傅里叶变换分析，则其低频段非常接近，仅在高频如果把各输出波形用傅里叶变换分析，则其低频段非常接近，仅在高频段略有差异。段略有差异。 实例实例 将图将图7-1a、b、c、

53、d所示的脉冲作为输入，加在图所示的脉冲作为输入，加在图7-2a所示的所示的R-L电路电路上，上，设其电流设其电流i(t)为电路的输出，图为电路的输出，图7-2b给出了不同窄脉冲时给出了不同窄脉冲时i(t)的响应波形。的响应波形。 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲形状不同而冲量相同的各种窄脉冲 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形冲量相同的各种窄脉冲的响应波形 61Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统（1） PWM控制的基本原理控制的基本原理用用PWM波代替正弦半波波代替正弦半波 将正弦半波看成是由将正弦半波看成是由N个彼此相连的脉冲

54、宽度为个彼此相连的脉冲宽度为 /N，但幅值顶部是，但幅值顶部是曲线曲线且大小按且大小按正弦规律变化正弦规律变化的的脉冲序列组成的。脉冲序列组成的。 把上述脉冲序列利用相同数量的把上述脉冲序列利用相同数量的等幅而不等宽等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积（冲量）相等，这就是分面积（冲量）相等，这就是PWM波形波形。 对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到到PWM波形。波形。 脉冲的宽度按正弦规律变

55、化而和正弦波等效的脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称波形，也称SPWM（Sinusoidal PWM）波形）波形。 PWM波形可分为波形可分为等幅等幅PWM波波和和不等幅不等幅PWM波波两两种，由直流电源产生的种，由直流电源产生的PWM波通常是等幅波通常是等幅PWM波。波。基于等效面积原理，基于等效面积原理，PWM波形还可以等效成其他波形还可以等效成其他所需要的波形，如等效所需要的非正弦交流波形等。所需要的波形，如等效所需要的非正弦交流波形等。 用用PWM波代替正弦半波波代替正弦半波 62Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变

56、频调速系统变频调速系统（2 2） 计算法与调制法计算法与调制法计算法计算法 根据逆变电路的根据逆变电路的正弦波输出频率正弦波输出频率、幅值幅值和半个周期内的和半个周期内的脉冲脉冲数数，将，将PWM波形中各脉冲的波形中各脉冲的宽度宽度和和间隔间隔准确计算出来，按照计准确计算出来，按照计算结果控制逆变电路中各开关器件的通断，就可以得到所需要的算结果控制逆变电路中各开关器件的通断，就可以得到所需要的PWM波形，这种方法称之为计算法。波形，这种方法称之为计算法。 计算法是很繁琐的，当需要输出的正弦波的频率、幅值或相计算法是很繁琐的，当需要输出的正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要变化。位变化时，结

57、果都要变化。 调制法调制法 把希望输出的波形（在本章是正弦波）作为把希望输出的波形（在本章是正弦波）作为调制信号调制信号(调制波调制波 Modulation Wave)，把接受调制的信号作为，把接受调制的信号作为载波载波(Carrier Wave)，通过，通过信号波的调制得到所期望的信号波的调制得到所期望的PWM波形。波形。 通常采用通常采用等腰三角波等腰三角波或或锯齿波锯齿波作为载波，其中等腰三角波应作为载波，其中等腰三角波应用最多。用最多。 63Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统 以正弦波作以正弦波作为逆逆变器器输出的

58、期望波形，以出的期望波形，以频率比期望波高率比期望波高得多的等腰三角波作得多的等腰三角波作为载波（波（Carrier wave），并用），并用频率率和期望波相同的正弦波作和期望波相同的正弦波作为调制波（制波（Modulation wave），），当当调制波与制波与载波相交波相交时，由它，由它们的交点确定逆的交点确定逆变器功率开器功率开关器件的通断关器件的通断时刻，刻，从而从而获得在正弦得在正弦调制波的半个周期内制波的半个周期内呈两呈两边窄中窄中间宽的一系列的一系列等幅不等等幅不等宽的矩形波的矩形波。（3 3） PWMPWM调制原理调制原理64Spring 2015Motion Control

59、Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统(4) (4) 调制法电路工作过程调制法电路工作过程单相桥式单相桥式PWM逆变电路逆变电路 单相桥式单相桥式PWM逆变电路（调制法）逆变电路（调制法） 电路工作过程电路工作过程 工作时工作时V1和和V2通断互补通断互补，V3和和V4通断也互补通断也互补，比如在比如在uo正半周，正半周，V1导通，导通，V2关断，关断，V3和和V4交替通断。交替通断。 负载电流比电压滞后，在电压正半周，电流有负载电流比电压滞后，在电压正半周，电流有一段区间为正，一段区间为负。一段区间为正，一段区间为负。 在负载电流为正的区间，在负载电流为正的区间，V1和和V4

60、导通时，导通时，uo=Ud。 V4关断时，负载电流通过关断时，负载电流通过V1和和VD3续流，续流，uo=0。 在负载电流为负的区间，仍为在负载电流为负的区间，仍为V1和和V4导通时，导通时，因因io为负，故为负，故io实际上从实际上从VD1和和VD4流过，仍有流过，仍有uo=Ud。 V4关断，关断，V3开通后，开通后，io从从V3和和VD1续流，续流，uo=0。 uo总可以得到总可以得到Ud和零两种电平。和零两种电平。 在在uo的负半周，让的负半周，让V2保持通态，保持通态，V1保持断态，保持断态，V3和和V4交替通断，负载电压交替通断，负载电压uo可以得到可以得到-Ud和和零零两种电两种电

61、平。平。 阻感负载阻感负载65Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统（5 5） SPWMSPWM控制方式控制方式如果在正弦如果在正弦调制波的半个周期内，三角制波的半个周期内，三角载波只在正或波只在正或负的的一种极性范一种极性范围内内变化，所得到的化，所得到的SPWM波也只波也只处于一个极于一个极性的范性的范围内，叫做内，叫做单极性控制方式极性控制方式。如果在正弦如果在正弦调制波半个周期内，三角制波半个周期内，三角载波在正波在正负极性之极性之间连续变化，化，则SPWM波也是在正波也是在正负之之间变化，叫做化，叫做双极性双极性控制

62、方式控制方式。66Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统(6)(6)单极性单极性PWMPWM控制方式控制方式 urucuOtOtuouofuoUd-Ud 单相桥式单相桥式PWM逆变电路逆变电路 单极性单极性PWM控制方式波形控制方式波形 调制信号调制信号ur为正弦波，载波为正弦波，载波uc在在ur的正半周为的正半周为正极性正极性的三角波，在的三角波，在ur的负半周为的负半周为负极性负极性的三角的三角波。波。 在在ur的正半周，的正半周，V1保持通态，保持通态，V2保持断态。保持断态。 当当uruc时使时使V4导通，导通，V3关

63、断，关断， uo=Ud。 当当uruc时使时使V4关断，关断，V3导通，导通， uo=0。 在在ur的负半周，的负半周，V1保持断态，保持断态，V2保持通态。保持通态。 当当uruc时使时使V3关断，关断，V4导通，导通， uo=0。 表示表示u uo o的基波分量的基波分量67Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统(7)(7)双极性双极性PWMPWM控制方式控制方式 urucuOtOtuouofuoUd-Ud单相桥式单相桥式PWM逆变电路逆变电路 图图7-6 双极性双极性PWM控制方式波形控制方式波形 在调制信号在调制信号u

64、r和载波信号和载波信号uc的交的交点时刻控制各开关器件的通断。点时刻控制各开关器件的通断。 在在ur的半个周期内，三角波载的半个周期内，三角波载波有正有负，所得的波有正有负，所得的PWM波也是有波也是有正有负，在正有负，在ur的一个周期内，输出的一个周期内，输出的的PWM波只有波只有Ud两种电平。两种电平。 在在ur的正负半周，对各开关器的正负半周，对各开关器件的控制规律相同。件的控制规律相同。 当当uruc时，时，V1和和V4导通，导通，V2和和V3关断，这时如关断，这时如io0，则，则V1和和V4通，通，如如io0，则，则VD1和和VD4通，不管哪种通，不管哪种情况都是情况都是uo=Ud。

65、 当当uruc时，时，V2和和V3导通，导通，V1和和V4关断，这时如关断，这时如io0，则，则VD2和和VD3通，不管哪种通，不管哪种情况都是情况都是uo=-Ud。 68Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统(8) (8) 三相双极性三相双极性PWM控制方式控制方式三相桥式三相桥式PWM型逆变电路型逆变电路 三相桥式三相桥式PWM逆变电路波形逆变电路波形 三相桥式三相桥式PWM逆变电路（调制法）逆变电路（调制法） 采用双极性控制方式。采用双极性控制方式。 U、V和和W三相的三相的PWM控制通常公控制通常公用一个三角波载波用一

66、个三角波载波uc，三相的调制信号，三相的调制信号urU、urV和和urW依次相差依次相差120。 69Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统电路工作路工作过程（程（U相相为例）例） 当当urUuc时，上，上桥臂臂V1导通，下通，下桥臂臂V4关断，关断，则U相相相相对于直流于直流电源假想中点源假想中点N的的输出出电压uUN=Ud/2。 当当urUuc时，V4导通，通，V1关断，关断，则uUN=-Ud/2。 V1和和V4的的驱动信号始信号始终是互是互补的。的。 当当给V1(V4)加加导通信号通信号时，可能是，可能是V1(V4)导通

67、，通，也可能是二极管也可能是二极管VD1(VD4)续流流导通，通，这要由阻感要由阻感负载中中电流的方向来决定。流的方向来决定。 uUN、uVN和和uWN的的PWM波形都只有波形都只有Ud/2两种两种电平。平。 三相桥式三相桥式PWM型逆变电路型逆变电路 三相桥式三相桥式PWM逆变电路波形逆变电路波形 (8) (8) 三相双极性三相双极性PWMPWM控制方式控制方式70Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统三相桥式三相桥式PWM型逆变电路型逆变电路 三相桥式三相桥式PWM逆变电路波形逆变电路波形 输出线电压输出线电压PWM波由波

68、由Ud和和0三种电平构成。三种电平构成。 当臂当臂1和和6导通时，导通时，uUV=Ud。 当臂当臂3和和4导通时，导通时，uUV=Ud。 当臂当臂1和和3或臂或臂4和和6导通时，导通时，uUV=0。 负载相电压负载相电压uUN可由下式求得可由下式求得 负载相电压的负载相电压的PWM波由波由(2/3)Ud、(1/3)Ud和和0共共5种电平组成。种电平组成。 为了防止上下两个臂直通而造成短路，在上下两为了防止上下两个臂直通而造成短路，在上下两臂通断切换时要留一小段上下臂都施加关断信号的臂通断切换时要留一小段上下臂都施加关断信号的死区时间死区时间。 71Spring 2015Motion Contr

69、ol Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统SPWM变变频频器器电电路路原原理理框框图图 72Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统三相桥式三相桥式PWMPWM逆变器主电路原理图逆变器主电路原理图调制电路V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4ucV6VD6V5VD5VUWNNC+C+urUurVurW2Ud2UdVT1VT4VT3VT6VT5VT273Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统三相桥式三相桥式PWMPWM逆变器的双极性逆变器的双极

70、性SPWMSPWM波形波形 uuUNO tOOOOUd2-Ud2uVNuWNuUVuUN t t t tO turUurVurWucUd23Ud274Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统附图：数字控制通用变频器附图：数字控制通用变频器异步电动机调速系统原理图异步电动机调速系统原理图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URUIR0R1R2RbVTbKR0R1RbR275Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统(9)

71、SPWM(9) SPWM逆变器的同步调制和异步调制逆变器的同步调制和异步调制定定义：载波的波的频率率 ft 与与调制波制波频率率 fr 之比之比为载波波比比 N, 即即ftfrN = 视载波比视载波比N N的变化与否分为：的变化与否分为：同步调制同步调制和和异步调制异步调制76Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统(9.1) (9.1) 同步同步调制制 同步调制同步调制N N 等于常数，并在变频时使载波和信号波保等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步。持同步。基本同步调制方式，基本同步调制方式，f fr r 变化时变化时N

72、 N不变，信号波一周期内输出脉不变，信号波一周期内输出脉冲数固定；冲数固定；三相电路中公用一个三角波载波，且取三相电路中公用一个三角波载波，且取 N N 为为3 3的整数倍，使的整数倍，使三相输出对称；三相输出对称；f fr r 很低时，很低时，f ft t 也很低，由调制带来的谐波不易滤除；也很低，由调制带来的谐波不易滤除；f fr r 很高时，很高时，f ft t会过高，使开关器件难以承受。会过高，使开关器件难以承受。77Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统(9.2) (9.2) 异步调制异步调制异步异步调制：在逆制：在

73、逆变器的整个器的整个变频范范围内内载波比波比N是是不等于常数不等于常数。优点：点： 改改变参考信号参考信号频率率fr时保持三角波保持三角波载波波频率率ft不不变，因而提，因而提高低高低频时的的载波比波比 N。这样逆逆变器器输出出电压半波内的矩形脉冲半波内的矩形脉冲数可随数可随输出出频率的降低而增加，相率的降低而增加，相应的可减少的可减少负载电机的机的转矩矩脉脉动与噪声，改善了低与噪声，改善了低频工作特性。工作特性。 缺点：缺点： 载波比波比N随着随着输出出频率的降低而率的降低而连续变化化时，势必使逆必使逆变器器输出出电压波形及其相位都波形及其相位都发生生变化，很化，很难保持三相保持三相输出出间

74、的的对称称关系，因而引起关系，因而引起电动机工作的不平机工作的不平稳。78Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统(9.3) (9.3) 分段同步调制方式分段同步调制方式 把把 fr范范围划分成若干个划分成若干个频段，每个段，每个频段内保持段内保持N恒定，不同恒定，不同频段段N不同；不同；在在 fr高的高的频段采用段采用较低的低的N，使，使载波波频率不致率不致过高；高；在在 fr低的低的频段采用段采用较高的高的N，使，使载波波频率不致率不致过低；低；79Spring 2015Motion Control Systems第第7 7

75、章章 变频调速系统变频调速系统(9.3) (9.3) 分段同步调制方式（续）分段同步调制方式（续）80Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统（1010）SPWMSPWM波形的数字采样法波形的数字采样法 前面已指出，前面已指出，SPWM的控制就是根据三角的控制就是根据三角载波与正弦波与正弦调制制波的交点来确定逆波的交点来确定逆变器功率开关器件的通断器功率开关器件的通断时刻，刻，可以用可以用模模拟电子子电路，数字路，数字电子子电路或路或专用的大用的大规模集成模集成电路芯路芯片等硬件片等硬件实现，也可以使用微型，也可以使用微型计算机

76、通算机通过软件生成件生成SPWM波形。开始波形。开始应用用SPWM技技术时，多采用振，多采用振荡器、比器、比较器等模器等模拟电路，由于所用元件多，控制路，由于所用元件多，控制线路复路复杂，控制，控制精度也精度也难以保以保证，在微，在微电子技子技术迅速迅速发展的今天，以微机展的今天，以微机为基基础的数字控制方案日益被人的数字控制方案日益被人们采采纳，提出了多种，提出了多种SPWM波形的波形的软件生成方法件生成方法，其中最常用的有，其中最常用的有自然采自然采样法法和和规则采采样法法。81Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统(10

77、.1) (10.1) 规则采样法规则采样法ucuOturTcADBOtuotAtDtBdd d 2d2d规则采样法规则采样法 在正弦波和三角波的自然交点时刻控制功在正弦波和三角波的自然交点时刻控制功率开关器件的通断，这种生成率开关器件的通断，这种生成SPWM波形的波形的方法称为自然采样法。方法称为自然采样法。 规则采样法规则采样法 是一种应用较广的是一种应用较广的工程实用方法工程实用方法，其效，其效果接近自然采样法，但计算量却比自然采样果接近自然采样法，但计算量却比自然采样法小得多。法小得多。 方法说明方法说明 取三角波两个正峰值之间为一个采样取三角波两个正峰值之间为一个采样周期周期Tc，使每

78、个脉冲的中点都以相应的三角，使每个脉冲的中点都以相应的三角波中点（即负峰点）为对称。波中点（即负峰点）为对称。 在三角波的负峰时刻在三角波的负峰时刻tD对正弦信号波对正弦信号波采样而得到采样而得到D点，过点，过D点作一水平直线和三点作一水平直线和三角波分别交于角波分别交于A点和点和B点，在点，在A点时刻点时刻tA和和B点时刻点时刻tB控制功率开关器件的通断。控制功率开关器件的通断。 可以看出，用这种规则采样法得到的可以看出，用这种规则采样法得到的脉冲宽度脉冲宽度 和用自然采样法得到的脉冲宽度和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近。非常接近。 82Spring 2015Motion Control

79、 Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统(10.1) (10.1) 规则采样法规则采样法ucuOturTcADBOtuotAtDtBdd d 2d2d规则采样法规则采样法 和和 的确定的确定 设正弦调制信号波为设正弦调制信号波为 式中，式中，a a称为调制度，称为调制度，00a a11； r r为为正弦信号波角频率，从图正弦信号波角频率，从图7-127-12中可得如中可得如下关系式下关系式 因此可得因此可得脉冲两边的间隙宽度脉冲两边的间隙宽度 为为 （7-307-30） （7-317-31） 83Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章

80、变频调速系统变频调速系统(10.1) (10.1) 规则采样法规则采样法三相桥式逆变电路三相桥式逆变电路 通常三相的三角波载波是公用的，三相正弦调制波的相位依次相差通常三相的三角波载波是公用的，三相正弦调制波的相位依次相差120。 设在同一三角波周期内三相的脉冲宽度分别为设在同一三角波周期内三相的脉冲宽度分别为 U、 V和和 W，脉冲两，脉冲两边的间隙宽度分别为边的间隙宽度分别为 U、 V和和 W，由于在同一时刻三相正弦调制波，由于在同一时刻三相正弦调制波电压之和为零，故由式电压之和为零，故由式(7-30)可得可得 同样，由式同样，由式(7-31)(7-31)可得可得 利用上述两个公式可以简化

81、生成三相利用上述两个公式可以简化生成三相SPWM波形时的计算。波形时的计算。84Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统作业思考题：作业思考题：以图示的函数以图示的函数Y(t)Y(t)为调制波，载波为三角波、且幅为调制波，载波为三角波、且幅值为值为1 1；要求将；要求将t t在在0,20,2区间分成区间分成8 8等分等分（载波比（载波比N N8 8) )画出画出Y(t)Y(t)的双极式的双极式PWMPWM波形图。波形图。85Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统

82、 7.1 7.1 异步电动机变频调速的基本控制方式异步电动机变频调速的基本控制方式 7.27.2 变频器与逆变器变频器与逆变器 7.37.3 转速开环恒压频比控制的变频调速系统转速开环恒压频比控制的变频调速系统 7.4 7.4 转速闭环转差频率控制的变频调速系统转速闭环转差频率控制的变频调速系统 7.5 7.5 异步电机的多变量数学模型和坐标转换异步电机的多变量数学模型和坐标转换 7.6 7.6 按转子磁场定向的矢量控制系统按转子磁场定向的矢量控制系统 本章内容提要本章内容提要-重点内容重点内容重点内容重点内容86Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章

83、 变频调速系统变频调速系统7.3 7.3 转速开环恒压频比控制的变频调速系统转速开环恒压频比控制的变频调速系统 采用采用电压频率率协调控制控制时，异步，异步电机在不同机在不同的的频率下（基率下（基频以下）都能以下）都能获得得较硬的机械特硬的机械特性性线性段。如果生性段。如果生产机械机械对调速系速系统的静、的静、动态性能要求不高，可以采用性能要求不高，可以采用转速开速开环恒恒压频比比带低低频电压补偿的控制方案，即前面介的控制方案，即前面介绍过的的U1/1常数的控制方案常数的控制方案 。87Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统7

84、.3.1 电压源型晶闸管变频器异步电机调速系统电压源型晶闸管变频器异步电机调速系统图图7 731 31 转速开环的交转速开环的交- -直直- -交电压源型变频器交电压源型变频器- -异步电机调速系统原理图异步电机调速系统原理图URUR可控整流器可控整流器GIGI给定积分器给定积分器 GABGAB绝绝对对值值变变换换器器 VSIVSI电压源型逆变器电压源型逆变器积分器积分器GIGI将将阶跃信号阶跃信号转变成按设定的斜率逐渐变化的转变成按设定的斜率逐渐变化的斜坡信号斜坡信号，从而使，从而使电压和转速都能平电压和转速都能平稳升高或降低稳升高或降低。在异步电动机。在异步电动机VVVFVVVF系统中，由

85、于转矩与转差率成正比，限制了定子频率变系统中，由于转矩与转差率成正比，限制了定子频率变化率也就限制了转子转差率也就间接限制了转矩化率也就限制了转子转差率也就间接限制了转矩即限制了起制动电流即限制了起制动电流。88Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统调速系统分析调速系统分析 UR是可控整流器，用是可控整流器，用电压控制控制环节控制它的控制它的输出直流出直流电压。VSI (Voltage Source Inverter)是是电压源型逆源型逆变器，用器，用频率控制率控制环节控制它的控制它的 输出出频率。率。 电压和和频率控制采用同

86、一个控制信号率控制采用同一个控制信号Uabs，以保，以保证二者之二者之间的的协调。 设置了置了积分器分器GI将将阶跃信号信号转变成按成按设定的斜率逐定的斜率逐渐变化的化的斜坡信号，从而使斜坡信号，从而使电压和和转速都能平速都能平稳升高或降低。升高或降低。由于由于Ugi是可逆的，而是可逆的，而电机的旋机的旋转方向方向只能只能取决于取决于变频电压的的相序相序，并不需要在并不需要在电压和和频率的控制信号上反映极性率的控制信号上反映极性。因此。因此设置置绝对值变换器器GAB 。89Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统 电压控制环节电

87、压控制环节 图图7-327-32电压源型变频器调速系统的电压控制环节电压源型变频器调速系统的电压控制环节 电压调节器器AVR用以控制用以控制变频器的器的输出出电压。 电流流调节器器ACR用以限制用以限制动态电流兼起保流兼起保护作用。作用。 函数函数发生器生器GF把把电压给定信号相定信号相对 的提高一些的提高一些，以，以补 偿定子阻抗定子阻抗压降，降，改善系改善系统调速速时（特（特别是低速是低速时）的机械）的机械 特性，特性，提高提高带负载能力能力。 90Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统频率控制环节频率控制环节 图图733

88、 晶闸管逆变器的频率控制环节晶闸管逆变器的频率控制环节AP脉冲放大环节脉冲放大环节 DPI-极性鉴别器极性鉴别器动态校正器校正器GFC一一阶惯性性环节，用以延，用以延缓频率的率的变化，希望化，希望频率和率和电压的的变化一致起来化一致起来。压频变换器器GVF电压控制的振控制的振荡器器，将，将电压信号信号转变成一系列成一系列脉冲信号脉冲信号，脉冲列的脉冲列的频率与控制率与控制电压的大小成正比的大小成正比，从而得到恒，从而得到恒压频比的控制作用。比的控制作用。 环形分配器形分配器DRC（具有（具有6分分频作用的作用的环形形计数器），将脉冲分成数器），将脉冲分成6个一个一组相互相互间隔隔60的具有适当

89、的具有适当宽度的脉冲触度的脉冲触发信号。信号。 91Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统7.3.2 电流源型晶闸管变频器异步电机调速系统电流源型晶闸管变频器异步电机调速系统92Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统与电压源型的区别与电压源型的区别电流源型流源型变频器的器的电压反反馈不能从直流不能从直流电压引引出，而改从出，而改从CSI的的输出端引出。出端引出。用用电流微分信号通流微分信号通过GFC来加快来加快频率控率控 制，制，使它赶上使它赶上电压变化的步化

90、的步调，GFC中一般采用中一般采用微分校正。微分校正。93Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统 7.1 7.1 异步电动机变频调速的基本控制方式异步电动机变频调速的基本控制方式 7.2 7.2 变频器与逆变器变频器与逆变器 7.3 7.3 转速开环恒压频比控制的变频调速系统转速开环恒压频比控制的变频调速系统 7.47.4 转速闭环转差频率控制的变频调速系统转速闭环转差频率控制的变频调速系统 7.5 7.5 异步电机的多变量数学模型和坐标转换异步电机的多变量数学模型和坐标转换 7.6 7.6 按转子磁场定向的矢量控制系统按转子

91、磁场定向的矢量控制系统 本章内容提要本章内容提要-重点内容重点内容重点内容重点内容94Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统7.4 7.4 转速闭环转差频率控制的变频调速系统转速闭环转差频率控制的变频调速系统 0. 问题的提出问题的提出 前前节节所所述述的的转转速速开开环环变变频频调调速速系系统统可可以以满满足足平平滑滑调调速速的的要要求求，但但静静、动动态态性性能能都都有有限限，要要提提高高静静、动动态态性性能能，首首先先要要用用转转速速反反馈馈闭闭环环控控制制。转转速速闭闭环环系系统统的的静静特特性性比比开开环环系系统统强

92、强，这这是是很很明明显显的的，但但是是，是是否否能能够够提提高高系系统统的的动动态态性性能能呢呢？还得进一步探讨一下。还得进一步探讨一下。 95Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统电力传动的基本控制规律电力传动的基本控制规律 我我们知道，任何知道，任何电力拖力拖动自自动控制系控制系统都服从于基本运都服从于基本运动方程式方程式提高提高调速系速系统动态性能主要依靠控制性能主要依靠控制转速的速的变化率化率 d / dt ，根据基本运，根据基本运动方程式，控制方程式，控制电磁磁转矩就能控制矩就能控制 d / dt ，因此，因此，归根

93、根结底，底，调速系速系统的的动态性能就是控制性能就是控制转矩的能力。矩的能力。 在异步在异步电机机变压变频调速系速系统中，需要控制的是中，需要控制的是电压（或（或电流）和流）和频率，怎率，怎样能能够通通过控制控制电压（电流）和流）和频率来控制率来控制电磁磁转矩，矩，这是是寻求提高求提高动态性能性能时需要解需要解决的决的问题。 96Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统7.4.1. 7.4.1. 转差频率控制的基本概念转差频率控制的基本概念 直直流流电电机机的的转转矩矩与与电电枢枢电电流流成成正正比比，控控制制电电流流就就能能控

94、控制制转转矩矩，因因此此，把把直直流流双双闭闭环环调调速速系系统统转转速速调调节节器器的的输输出出信信号号当当作作电电流流给给定定信信号号，也也就就是是转矩给定信号。转矩给定信号。在在交交流流异异步步电电机机中中，影影响响转转矩矩的的因因素素较较多多，控控制异步电机转矩的问题也比较复杂。制异步电机转矩的问题也比较复杂。97Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统异步电动机稳态等效电路、感应电动势、转矩方程（机械特性方程式）异步电动机稳态等效电路、感应电动势、转矩方程（机械特性方程式）温故而知新温故而知新R1I1I0I2EsEgE

95、rU1sR21Lm1lL2lLoo98Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统将将 按照第按照第7.17.1节恒节恒 E Eg g / / 1 1 控制（即恒控制（即恒 m m 控制），公式控制），公式（7-117-11）给出机械特性方程）给出机械特性方程代入上式，得代入上式，得 （7-427-42） 99Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统 则则 当电机稳态运行时，当电机稳态运行时，s s 值很小值很小，因而，因而 s s 也很小。当也很小。当s=s=2 2

96、5 5，可以认为，可以认为 s s Ll2 R2 Ll2 R2 ，则转矩可，则转矩可近似表示为近似表示为（7-43） 令令 s s= =s s 1 1，并定义为，并定义为转差角频率转差角频率； , 是电机的结构常数；是电机的结构常数； 100Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统（7-44） 式（式（7-447-44）表明，在）表明，在s s 值很小的稳态运行范围内，值很小的稳态运行范围内，如果能够保持气隙磁通如果能够保持气隙磁通 m m不变，不变，异步电机的转矩异步电机的转矩就近似与转差角频率就近似与转差角频率 s s 成正

97、比。这就是说，成正比。这就是说，在在异步电机中控制异步电机中控制 s s ，就和直流电机中控制电流，就和直流电机中控制电流一样，能够达到间接控制转矩的目的一样，能够达到间接控制转矩的目的。 结论： 控制控制转差差频率就代表控制率就代表控制转矩，矩，这就是就是转差差频率率控制的基本概念。控制的基本概念。101Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统7.4.2 7.4.2 控制规律控制规律 上面分析所得的转差频率控制概念是在转矩上面分析所得的转差频率控制概念是在转矩近似公式（近似公式（7-44）上得到的，当）上得到的，当 s 较大时

98、，就得较大时，就得采用式（采用式（7-43）的精确转矩公式，把这个转矩特）的精确转矩公式，把这个转矩特性（即机械特性）性（即机械特性） 画在下图，画在下图，102Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统 可以看出：可以看出： 在在 s 较小的稳态运行段较小的稳态运行段上，转矩上，转矩 Te基本上与基本上与 s 成正比。成正比。 当当Te 达到其最大值达到其最大值Temax 时，时， s 达到达到 smax值。值。图图7-35 7-35 按恒按恒m值控制的值控制的 Te=f ( s ) 特性特性 suc时使时使V4导通，导通，V3

99、关断，关断， uo=Ud。 当当uruc时使时使V4关断，关断，V3导通，导通， uo=0。 在在ur的负半周，的负半周，V1保持断态，保持断态，V2保持通态。保持通态。 当当uruc时使时使V3关断，关断，V4导通，导通， uo=0。 表示表示u uo o的基波分量的基波分量186Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统三相双极性三相双极性PWM控制方式（一）控制方式（一）三相桥式三相桥式PWM型逆变电路型逆变电路 三相桥式三相桥式PWM逆变电路波形逆变电路波形 三相桥式三相桥式PWM逆变电路（调制法）逆变电路（调制法） 采用

100、双极性控制方式。采用双极性控制方式。 U、V和和W三相的三相的PWM控制通常公控制通常公用一个三角波载波用一个三角波载波uc，三相的调制信号，三相的调制信号urU、urV和和urW依次相差依次相差120。 187Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统电路工作路工作过程（程（U相相为例）例） 当当urUuc时，上，上桥臂臂V1导通，下通，下桥臂臂V4关关断，断，则U相相相相对于直流于直流电源假想中点源假想中点N的的输出出电压uUN=Ud/2。 当当urUuc时，V4导通，通，V1关断，关断，则uUN=-Ud/2。 V1和和V4的

101、的驱动信号始信号始终是互是互补的。的。 当当给V1(V4)加加导通信号通信号时，可能是，可能是V1(V4)导通，也可能是二极管通，也可能是二极管VD1(VD4)续流流导通，通，这要由要由阻感阻感负载中中电流的方向来决定。流的方向来决定。 uUN、uVN和和uWN的的PWM波形都只有波形都只有Ud/2两种两种电平。平。 三相桥式三相桥式PWM型逆变电路型逆变电路 三相桥式三相桥式PWM逆变电路波形逆变电路波形 三相双极性三相双极性PWMPWM控制方式（二）控制方式（二）188Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统三相桥式三相桥式

102、PWMPWM逆变器的双极性逆变器的双极性SPWMSPWM波形波形 uuUNO tOOOOUd2-Ud2uVNuWNuUVuUN t t t tO turUurVurWucUd23Ud2189Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统第七章第七章 复习要点（复习要点（3）7.3 7.3 理解转差频率控制的基本概念及其控制规律。理解转差频率控制的基本概念及其控制规律。VVVFVVVF转转速速开开环环系系统统中中由由于于本本身身没没有有自自动动限限制制起起制制动动电电流流的的作作用用，因因此此频频率率设设定定必必须须通通过过给给定定积积

103、分分算算法法（电电路路）使使定定子子频频率率不不要要变变化化过过快快，产产生生平平缓缓的的升升速速或或降降速速信信号号，由由于于转转矩矩与与转转差差成成正正比比，限限制制了了定定子子频频率率变变化化率率也也就就限限制制了了转转子子转转差差也也就就间间接接限限制制了了转转矩矩即即限限制制了了起起制制动动电电流流；由由于于转转差差频频率率与与转转矩矩成成正正比比，因因此此控控制制转转差差频频率率也也就就间间接接控控制制了了转转矩矩，但但其其前前提提条条件件是是保保证证气气隙隙磁磁通通不不变变，这这可可以以根根据据图图7-367-36（式式7-497-49）的的函函数数关关系系控控制制定定子子电电流

104、流和和频频率率来来保保证证。理理解解转转差差频频率率控控制制的的基基本本概概念念及及其其控控制制规规律律。转转差差频频率率系系统统可可以以构构成成双双闭闭环环系系统统，但但还还达达不不到到直直流流双双闭闭环环系系统统的的动动态态性性能能，其其原原因因是是只只在在稳稳态态下下保保证证气气隙隙磁磁通通不不变变，没没有有控控制制定定子子电电流流的的相相位位，而而且且存存在在正反馈环节也就影响控制的性能。正反馈环节也就影响控制的性能。190Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统第七章第七章 复习要点（复习要点（4）7.4 7.4 理解

105、异步电动机数学模型的坐标变换的原则与思路。理解异步电动机数学模型的坐标变换的原则与思路。异异步步电电动动机机是是多多变变量量、高高阶阶、非非线线性性、强强耦耦合合的的系系统统。坐坐标标变变换换是是交交流流电电机机矢矢量量控控制制的的基基础础。根根据据磁磁动动势势或或旋旋转转磁磁场场相相等等的的原原则则，三三相相交交流流绕绕组组可可用用二二相相交交流流绕绕组组等等效效；3/2是是三三相相静静止止坐坐标标变变成成二二相相静静止止坐坐标标，其其目目的的是是减减少少变变量量，即即降降阶阶。还还可可以以用用二二相相相相互互垂垂直直的的直直流流绕绕组组旋旋转转等等效效；矢矢量量旋旋转转变变换换VR是是将将

106、两两相相静静止止坐坐标标变变换换到到二二相相旋旋转转坐坐标标系系，将将交交流流量量变变换换到到直直流流量量。二二相相旋旋转转坐坐标标系系中中很很有有用用的的一一种种是是两两相相同同步步旋旋转转坐坐标标系系dq系系，其其旋旋转转速速度度等等于于同同步步角角速速度度。将将dq系系定定向向到到转转子子磁磁链链方方向向，称称之之为为MT系系。也也就就是是按按转转子子磁磁链链定定向向的的旋旋转转坐坐标标系系。这这样样的的好好处处，如如果果保保持持转转子子磁磁链链恒恒定定并并使使之之全全在在M轴轴，可可将将定定子子电电流流的的励励磁磁分分量量和和转转矩矩分分量量解解耦耦，从从而而可可以以将将之之变变成成单

107、单变变量量系系统统，可可单单独独闭闭环环控控制制。进进而而将将异异步步电电动动机机定定子子电电流流分分解解成成励励磁磁(Magnetization)电电流流 im1和和转转矩矩（Torque）电电流流 it1，在在调调速速过过程程中中，保保持持转转子子磁磁链链 不不变变，即即保保持持 im1 不不变变，通通过过调调节节转转矩矩电电流流 it1 调调节节电电动动机机的的转转矩矩，此此时时交交流流电电动动机机的的调调速速原原理理与与直直流流电电动动机机相相同同。控制转矩电流控制转矩电流 it1，就可以控制电磁转矩，就可以控制电磁转矩Te。191Spring 2015Motion Control S

108、ystems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统第七章第七章 复习要点（复习要点（5）7.5 7.5 理解矢量控制系统的构想及其结构图。理解矢量控制系统的构想及其结构图。控制器控制器VR-12/3电流控制电流控制变频器变频器3/2VR等效直流等效直流电机模型电机模型+i*m1i*t1 1i*1i*1i*Ai*Bi*CiAiBiCi1i1im1it1反馈信号反馈信号异步电动机异步电动机给定给定信号信号 图图7-47 7-47 矢量控制系统构想原理结构图矢量控制系统构想原理结构图 矢量控制的基本思想：把异步电机经过坐标变换等效成直流电机，然矢量控制的基本思想：把异步电机经过坐标变换等效成直流电

109、机，然后仿照直流电机的控制方法进行控制器设计，再经过相应的坐标反变后仿照直流电机的控制方法进行控制器设计，再经过相应的坐标反变换，就能够控制交流电机了。换，就能够控制交流电机了。192Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统设计控制器时省略后的部分设计控制器时省略后的部分控制器控制器VR-12/3电流控制电流控制变频器变频器3/2VR等效直流等效直流电机模型电机模型+i*m1i*t1 1i*1i*1i*Ai*Bi*CiAiBiCi1i1im1it1反馈信号反馈信号异步电动机给定给定信号信号 在在设计矢量控制系矢量控制系统时，可以

110、，可以认为，在控制器后面引入的反旋，在控制器后面引入的反旋转变换器器VR-1VR-1与与电机内部的旋机内部的旋转变换环节VRVR抵消，抵消，2/32/3变换器与器与电机内部的机内部的3/23/2变换环节抵抵消，如果再忽略消，如果再忽略变频器中可能器中可能产生的滞后，生的滞后，则图7-477-47中虚中虚线框内的部分可以框内的部分可以完全完全删去，剩下的就是直流去，剩下的就是直流调速系速系统了。了。193Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统预祝同学们考试顺利预祝同学们考试顺利！考考试时间：第：第14周星期二周星期二 （2014年年5月月27日日 ） 上午上午10:00-12:00考考试地点：地点：330102（2011自自动化化2班班58人、人、4班班14人）人）考考试地点：地点：340103（2011自自动化化3、4班、重修班、重修5人，人，108人）人）说明：明：请关注考关注考试安排是否有安排是否有变动，如有，如有变动请按照教按照教务处安排安排为准。准。194Spring 2015Motion Control Systems第第7 7章章 变频调速系统变频调速系统