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) 運動控制系統(tǒng)運動控制系統(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)等值電路來分析系統(tǒng)中，采用穩(wěn)態(tài)等值電路來分析 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

2、常用的基于穩(wěn)態(tài)模型的異步電動機(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

3、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)等值電路和機(jī)械特性，兩者既有機(jī)穩(wěn)態(tài)等值電路和機(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)等值電路描述了在一定的轉(zhuǎn)差率穩(wěn)態(tài)等值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 1 1 nn s n 1 (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 1 1 60 p

4、 f n n 1 fp n 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)） 2 1 2 1 2 1 lrls r s s r LCL s R CR U I m ls m lss L L Lj LjR C 11 1 1 1 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

5、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 2 2 1 2 lrls r s s rs LL s R R U II l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 s RI P rr m 2 3 p m n 1 1 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 ） 2 2 1 2 2 1 2 2 2 1 2 1 2 2 11 3 /33 lrlsrs rsp lrls r s r

6、sp r r p m m e LLsRsR sRUn LL s R R sRUn s R I n P T 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 0 ds dTe l最大轉(zhuǎn)矩，又稱臨界轉(zhuǎn)矩最大轉(zhuǎn)矩，又稱臨界轉(zhuǎn)矩 22 1 2 1 2 )(2 3 lrlsss sp em LLRR Un T 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 22 1 2 )( lrlss r m LLR R s 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 2 2 22222

7、11 2 2 22222 11 3 2 3 2 psr e srsrlslr psr lslrssrr n U R s T s RRsR RsLL n U R s LLsR 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 2 1 3 ps e r n U s Ts R l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)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

8、性是一段雙曲 線線 2 2 22 11 3 1 psr e slslr n U R T s s 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

9、數(shù)，使電動機(jī)的穩(wěn)定工作點偏離固有的參數(shù)，使電動機(jī)的穩(wěn)定工作點偏離固有 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）。 2 22 22 11 3 psr e srlslr n U R s T sRRsLL 異步電動機(jī)的氣隙磁通異步電動機(jī)的氣隙磁通 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

10、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 1 4.44 S gsmN Ef N k 1 4.44 S sgsmN UEf 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 / mgs EfUf 1 g E f 常數(shù) s 1 U f 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

11、電動機(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。 1 11 60 N N p f nn n 1 4.44 S s m sN U f N k 5.2.1 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

12、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 2 22 22 11 3 psr e srlslr n U R s T sRRsLL s U l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 01N nn 22 1 2 )( lrlss

13、r m LLR R s 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)矩臨界轉(zhuǎn)矩 22 1 2 1 2 )(2 3 lrlsss sp em LLRR Un T l 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

14、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。在不同電壓時的穩(wěn)定工作點。 l帶風(fēng)機(jī)類負(fù)載運行，調(diào)速范圍可以稍大一帶風(fēng)機(jī)類負(fù)載運行，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。時的穩(wěn)定工作點。 0 m ss 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 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)。 1 1 L mmL p T PT n 1L T、

15、 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) 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 L smmL p T PsPsTs n 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增加轉(zhuǎn)子電阻值，增加轉(zhuǎn)子電阻值， 臨

16、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缺點是機(jī)械特性缺點是機(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

17、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。新的穩(wěn)定工作點。 l按照反饋控制規(guī)律，將穩(wěn)定工作點連接起按照反饋控制規(guī)律，將穩(wěn)定工作點連接起 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)

18、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 sN U mins U *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。 2 2 1 2 lrlsrs s rstsst LLRR U II 2 22 2 11 3 psr est srlslr n U R T

19、RRLL *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)備的正常運網(wǎng)壓降過大，影響其它用電設(shè)備的正常運 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

20、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)運行時的總損耗三相異步電動機(jī)運行時的總損耗 smechCurFeCus pppppp l電機(jī)的運行效率電機(jī)的運行效率 pP P P P 2 2 1 2 *輕載降壓運行輕載降壓運行 l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

21、，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，輕載降壓運行有一個當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩一定時，輕載降壓運行有一個 最佳電壓值，此時效率最高。最佳電壓值，此時效率最高。 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

22、 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 pp nn f n 2 6060 11 1 5.3.1 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)的實際轉(zhuǎn)速異步電動機(jī)的實際轉(zhuǎn)速 1111 (1)ns nnsnnn l穩(wěn)態(tài)速降穩(wěn)態(tài)速降 1 snn 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 1 4.44 S gsmN Ef N k 1 4.44 S sgsmN UEf 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 l當(dāng)異步電動機(jī)在基頻（額定頻率）以下運當(dāng)異步電動機(jī)在基頻（額定頻率）以下運 行時，如果

23、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；如果磁通過大，又的鐵心，是一種浪費；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。 基頻以下調(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 1 4.44 S g sNmN E N k f 常值 l基頻以下應(yīng)采用電動勢頻率比為恒值的基頻以下應(yīng)采用電動勢頻率比為恒值的 控制方式?？刂品绞?。 基頻

24、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， gs EU 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?不一樣。不一樣。 基頻以下調(diào)速基頻以下調(diào)速 l通常在控制軟通常在控制軟 件

25、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，頻率從向上升高，在基頻以上調(diào)速時，頻率從向上升高， 受到電機(jī)絕緣耐壓和磁路飽和的限制，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，最多只能保定子電壓不能隨之升高，最多只能保 持額定電壓不變。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)。 變壓變頻調(diào)速變壓

26、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 22 1 22 1 2 1 )()( 3 lrlsrs rs pe LLsRsR RsU nT 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， s R sU nT r s pe 1 2 1 3 或或 2 1 1 3 s p er U n TR s 基頻以下調(diào)速基頻以下調(diào)速 l對于同

27、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。 2 1 112 1060 2 re e pps R T nsnsT nnU 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)靥岣唠妷海?以增強(qiáng)帶載能力。以增強(qiáng)帶載能力。 2 2 11 2 1 )( 1 2 3 lrls ss s p em LL RR U n T 基頻以下調(diào)速基頻以下調(diào)速

28、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。 2 12 1 3 re sme s p R T PsPsT U n 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 22 1 22 1 2 )()( 3 lrlsrs r sNpe LLsRsR sR UnT 22 1 2 1 2 )( 1 2 3 lrlsss sNpem LLRR UnT 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

29、項 22 1 2 )( lrlss r m LLR R s 2 1 3 sN ep r Us Tn R 或或 2 1 1 2 3 re psN R T s n 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。 2 1 11 22 1060 2 re ppsN R T nsns nnU 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)載運行時帶恒功率負(fù)載運行時 22 1 1 2 3 re

30、sme psN R T PsPsT n U 轉(zhuǎn)差功率基本不變。轉(zhuǎn)差功率基本不變。 22 1e T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 “

31、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在基頻以下運行時，采用恒壓頻比的控在基頻以下運行時，采用恒壓頻比的控 制方法具有控制簡便的優(yōu)點。制方法具有控制簡便的優(yōu)點。 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) 下的實際極性下的實際

32、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 1 4.44 S gsmN Ef N k l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的感應(yīng)電動勢 l轉(zhuǎn)子全磁通在定子每相繞組中的感應(yīng)電動勢轉(zhuǎn)子全磁通在定子每相繞組中的感應(yīng)電動勢 1 4.44 S ssmsN Ef N k 1 4.44 S rsmrN Ef N k 恒定

33、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 / fEs sss EIRU 1 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 22 1 2 )( lrls r s r LL s R E I 22 1 22 1 2 1 22 1 2 2 1 )( 3 )( 3 lrlsr rs p r lrls r s p e LL

34、sR RsE n s R LL s R E n T 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。 22 1 22 1 2 1 )()( 3 lrlsrs rs pe LLsRsR RsU nT 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 l臨界轉(zhuǎn)矩臨界

35、轉(zhuǎn)矩 )( 1 lrls r m LL R s )( 1 2 3 2 1lrls s p em LL E n T 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

36、子電阻壓降外，還應(yīng)補(bǔ)償定子 漏抗壓降。漏抗壓降。 1 / g E glsss EILjRU 11 )( 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 2 2 1 2 lr r g r L s R E I 2 2 1 22 1 2 1 2 2 1 2 2 1 3 3 lrr r g p r lr r gp e LsR Rs E n s R L s R En T 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

37、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。 1 lr r m L R s 2 1 1 2 3 lr s p em L E n T 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 / r E 11 () sslslrr URjLLIE 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 sR E I r r r / 1 2 1 2 2 1 3 3 r r p r r r p e R sE n s R s

38、R E n T 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

39、控制最容易實現(xiàn)，它的變頻機(jī)械恒壓頻比控制最容易實現(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

40、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

41、 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，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

42、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

43、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，采用脈寬調(diào)制的構(gòu)、控制方便的優(yōu)點，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

44、缺點是當(dāng)電動機(jī)工作在回饋制動狀態(tài)缺點是當(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 直流母線來實現(xiàn)能量平衡，提高整流裝直流母線來實現(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

45、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， 實現(xiàn)能量交換，有效地抑制泵升電壓。實現(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。多的等腰三角波作為載波。 l由它們的交點確定逆變器開關(guān)器件的由它們的交點確定逆變器開關(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

46、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PWM l普通的普通的SPWM變頻器輸出

47、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.

48、3 消除指定諧波消除指定諧波PWM l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 1 2 12( 1) cos01 m i d kmi i U Ukk k l基波幅值為所要求的電壓值基波幅值為所要求的電壓值 1 1 2 12( 1) cos m i d mi i U U 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) 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：在原來主回 路的基礎(chǔ)上，采用電流閉環(huán)控制，使實際電路的基礎(chǔ)上，采用電流閉環(huán)控制，使實際電 流快速跟隨給定值。流快速跟隨給定

49、值。 l在穩(wěn)態(tài)時，盡可能使實際電流接近正弦波在穩(wěn)態(tài)時，盡可能使實際電流接近正弦波 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

50、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 易于實現(xiàn)。但功率開關(guān)易于實現(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

51、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實際使用中，應(yīng)在器件開關(guān)頻率允許的前實際使用中，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)視為一體，以圓形 旋轉(zhuǎn)磁場為目標(biāo)來控制逆變器的工

52、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 實現(xiàn)的，所以又稱實現(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”。 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。在繞組的空間位置，可以定義為空間矢量。 l 定義

53、三相定子電壓空間矢量定義三相定子電壓空間矢量 2 AO j BO j CO ku kue kue AO BO CO u u u 3 2 k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 2jj AOBOCO kukuekue sAOBOCO uuuu 圖圖5-21 電壓空間矢量電壓空間矢量 0 0 0 AO BO CO u u u 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 2jj AOBOCO kikiekie sAOBOCO iiii 2jj AOBOCO kkeke sAOBOCO l定子磁鏈空間矢量定子磁鏈空間

54、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)式空間矢量功率表達(dá)式 222 2 22 2 p =Re() Re()() () Re( ) s s jjjj AOBOCOAOBOCO AO AOBO BOCO CO jjj BO AOCO AOAO BO jjj CO BOAO COBO CO kuueueiieie kuiuiui kuieuieuie uieuieuie u i ss 、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 0 AOBOCO iii 2 3 22 33 p =() 22 AO AOBO BOCO CO kuiuiuik p p= AO AO

55、BO BOCO CO uiuiui l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率相等的原則 2 3 k 空間矢量表達(dá)式空間矢量表達(dá)式 2 2 () 3 jj AOBOCO uueue s u 2 2 () 3 jj AOBOCO iieie s i 2 2 () 3 jj AOBOCO ee s 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 11 2 111 224 cos()cos()cos() 333 3 2 jj mmm jtjt ms UtUteUte

56、U eU e sAOBOCO uuuu 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)。 3 2 sm UU 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

57、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 dt d R s sss iu dt d s s u dt ss u 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\動軌跡呈圓恒速旋轉(zhuǎn)，磁鏈?zhǔn)噶宽敹说倪\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?)( 1 tj ses l定子電壓矢量定子電壓矢量 1 1 1 () () () 2 11

58、 () jt s jt jt ss d e dt jee s u 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 間矢量的運動軌跡間矢量的運動軌跡圖圖5-23 電壓矢量圓軌跡電壓矢量圓軌跡 電壓空間矢量電壓空間矢量 l直流電源中點直流電源中點O和交流電動機(jī)中點和交流電動機(jī)中點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無關(guān)。因此，三相合成電壓空間矢量與參考點無關(guān)。 2 2 222 2 () 3 2 ()()() 3 22 (1)() 33 jj AOBOCO jj A

59、OOBOOCOO jjjjjj ABCOOABC uueue uuuueuue uu eu eueeuu eu e sAOBOCO uuuu 8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) 100 ABC SSS uuu 222 ddd ABC UUU 24 2 33 22 (1)(1) 3 23 2 224242 (1 coscos)(sinsin) 3 233333 jj jj dd d d UU eeee U jU 1 u 8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 10 ABC SS

60、S uuu 222 ddd ABC UUU 24 2 33 3 2 (1)(1) 3 22 22424 (1 coscos)(sinsin) 3 23333 22 (13) 3 23 jj jj dd d j d d UU eeee U j U jU e 2 u 8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 07 uu、 16 uu 幅值為幅值為 2 3 d U 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 正六邊形空間旋轉(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