交流調(diào)速技術(shù)與系統(tǒng)ppt課件完整版

1、 第一章 概 論 1.1 交流調(diào)速發(fā)展的概況與趨勢(shì)1.1.1 直流電機(jī)與交流電機(jī)的比較:由于換向器的存在，使直流電動(dòng)機(jī)的維護(hù)工作量加大，單機(jī)容量、最高轉(zhuǎn)速以及使用環(huán)境都受到限制。人們轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、便于維護(hù)、價(jià)格低廉的異步電動(dòng)機(jī)，但異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能難以滿足生產(chǎn)要求， 60年代以后，特別是70年代以來，電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的飛速發(fā)展，使得交流調(diào)速性能可以與直流調(diào)速相媲美、相競(jìng)爭(zhēng)，目前，交流調(diào)速已進(jìn)入逐步替代直流調(diào)速的時(shí)代。1.1.2 電力電力子器件的發(fā)展電力電力子器件的發(fā)展為交流調(diào)速奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。50年代末出現(xiàn)了晶閘管，實(shí)現(xiàn)了變頻調(diào)速，70年代以后，功率晶體管（GTR）、門極關(guān)斷

2、晶閘管(GTO晶閘管)、功MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管(Power MOSFET)、絕緣柵雙極晶體管(IGBT)、MOS控制晶閘管(MCT) 等已先后問世，這些器件都是既能控制導(dǎo)通又能控制關(guān)斷的自關(guān)斷器件。80年代以后出現(xiàn)的功率集成電路(Power ICPIC)，集功率開關(guān)器件、驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路、接口電路于一體，目前已應(yīng)用于交流調(diào)速的智能功率模塊(Intelligent Power ModuleIPM) 是功率器件的重要發(fā)展方向。1.1.3 變頻技術(shù)的發(fā)展以普通晶閘管構(gòu)成的方波形逆變器被全控型高頻率開關(guān)器件組成的脈寬調(diào)制(PWM)逆變器取代后，SPWM 逆變器及其專用芯片得到了普通應(yīng)用。 1.1.4

3、控制技術(shù)的發(fā)展70年代初提出的矢量控制理論解決了交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制問題 。直接轉(zhuǎn)矩控制是80年代中期提出的又一轉(zhuǎn)矩控制方法，其思路是把電機(jī)與逆變器看作一個(gè)整體,采用空間電壓矢量分析方法在定子坐標(biāo)系進(jìn)行磁通、轉(zhuǎn)矩計(jì)算，通過磁通跟蹤型PWM逆變器的開關(guān)狀態(tài)直接控制轉(zhuǎn)矩。 1.1.5 交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展無速度傳感器控制系統(tǒng)的研究 。微處理機(jī)引入控制系統(tǒng)，促進(jìn)了模擬控制系統(tǒng)向數(shù)字控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化。 非線性解耦控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制、模糊控制等各種新的控制策略正不斷涌現(xiàn) 。1.2 交流調(diào)速方法異步電動(dòng)調(diào)速可以通過三條途徑進(jìn)行：改變電源頻率、改變極對(duì)數(shù)以及改變轉(zhuǎn)差率。1.2.1.1變頻調(diào)速1. 變頻

4、調(diào)速的基本要求及機(jī)械性能. 保持磁通為額定值 恒定圖1-1 異步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)等效電路轉(zhuǎn)子電流電磁功率電磁轉(zhuǎn)矩 最大轉(zhuǎn)矩可見，保持 恒定進(jìn)行變頻調(diào)速時(shí)，最大轉(zhuǎn)矩保持不變。 圖1-2 保持E1/f1恒定時(shí)，變頻調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性U1/f1恒定保持E1/f1恒定只是一種理想的控制方法 ，可以近似地維持m恒定，從而實(shí)現(xiàn)近似的恒磁通調(diào)速，這可通過對(duì)定子相電壓和頻率進(jìn)行協(xié)調(diào)控制來實(shí)現(xiàn)。轉(zhuǎn)子電流電磁轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)差率 最大轉(zhuǎn)矩可見，保持U1/f1恒定進(jìn)行變頻調(diào)速時(shí)，最大轉(zhuǎn)矩將隨f1的降低而降低。 圖1-3 保持U1/f1恒定時(shí)，變頻調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性（2）保持電壓為額定值 此時(shí)氣隙磁通 將隨著頻率f1的升高而反比例下降

5、，類似于直流電動(dòng)機(jī)的弱磁升速?？梢?，保持電壓為額定值進(jìn)行變頻調(diào)速時(shí)，最大轉(zhuǎn)矩將隨f1的升高而減少。當(dāng)s很小時(shí)，有r2/sx1及r2/s(x1+ x2)， 帶負(fù)載后的轉(zhuǎn)速降為當(dāng)保持電壓為額定值、且s變化范圍不大時(shí)，如果頻率f1增加，則轉(zhuǎn)矩T減少，而同步機(jī)械角速度1=2f1/pN將隨頻率增加而增加。這就是說，隨著頻率增加，轉(zhuǎn)矩減少，而轉(zhuǎn)速增加。根據(jù)pM=T1，可近視地看作恒功率調(diào)速。圖1-4 保持U1為額定電壓時(shí)，變頻調(diào)速時(shí) 1-5 異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性圖 的控制特性2. 變頻電源 按結(jié)構(gòu)型式 ：交-直-交變頻器和交-交變頻器兩類 表1-1 交-直-交變頻器與交-交變頻器主要特點(diǎn)比較比較

6、項(xiàng)目交-直-交變頻器交-交變頻器換能方式兩次換能，效率略低一次換能，效率較高晶閘管換相方式強(qiáng)迫換相或負(fù)載換相電網(wǎng)電壓換相所用器件數(shù)量較少較多調(diào)頻范圍頻率調(diào)節(jié)范圍寬一般情況下，輸出最高頻率為電網(wǎng)頻率的1/31/2電網(wǎng)功率因數(shù)采用可控整流器調(diào)壓，低頻低壓時(shí)功率因數(shù)較低；采用斬波器或PWM方式調(diào)壓，功率因數(shù)高較低適用場(chǎng)所可用于各種電力拖動(dòng)裝置，穩(wěn)頻穩(wěn)壓電源和不間斷電源適用于低速大功率拖動(dòng)按電源性質(zhì)：可分為電壓型變頻器和電流型變頻器兩類。 表1-2 電壓型與電流型交-直-交變頻器主要特點(diǎn)比較比較項(xiàng)目電壓型變頻器電流型變頻器直流回路濾波環(huán)節(jié)電容器電抗器輸出電壓波形矩形波決定于負(fù)載,對(duì)于異步電動(dòng)機(jī)負(fù)載近似

7、值為正弦波輸出電流波形決定于負(fù)載功率因數(shù)有較大的諧波分量矩形波輸出阻抗小大回饋制動(dòng)需在電源側(cè)設(shè)置反并聯(lián)逆變器方便，主電路不需附加設(shè)備調(diào)速動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢快對(duì)晶閘管的要求關(guān)斷時(shí)間要短，對(duì)耐壓要求一般較低耐壓高，對(duì)關(guān)斷時(shí)間無特殊要求適用范圍多電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，穩(wěn)頻穩(wěn)壓電源單電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，可逆拖動(dòng)1.2.1.2變極調(diào)速1. 變極原理 改變繞組聯(lián)接方法，使流過線圈的電流相反，即可達(dá)到改變極對(duì)數(shù)的目的。將一相繞組分為兩半，當(dāng)兩半繞組順接串聯(lián)時(shí)，在氣隙中形成4極磁場(chǎng)，如果把其中一半繞組的電流反向，即把兩半繞組反接串聯(lián)或反接并聯(lián)時(shí)，氣隙中就形成2極磁場(chǎng)，同步轉(zhuǎn)速將升高一倍。 2. 變極調(diào)速時(shí)的容許輸出與機(jī)械特性 圖1-

8、13 -變極調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性 圖1-14 -變極調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性1.2.1.3變轉(zhuǎn)差率調(diào)速1. 繞線轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速 串入調(diào)速電阻r1，轉(zhuǎn)子回路總電阻變?yōu)閞2+ r1，機(jī)械特性由固有特性1變?yōu)檎J(rèn)為特2，機(jī)械特性變軟。若負(fù)載轉(zhuǎn)矩仍為額定值不變，則運(yùn)行點(diǎn)由ab，轉(zhuǎn)差率從sNs1，轉(zhuǎn)速便由n1(1-sN)變?yōu)閚1(1-s1)。 圖1-15 繞線轉(zhuǎn)子串電阻時(shí) 的機(jī)械特性轉(zhuǎn)子串電阻屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。 2.定子調(diào)壓調(diào)速 改變異步電動(dòng)機(jī)定子端電壓，其機(jī)械特性如圖1-16a所示。如果帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載,由于穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)限制在0sm范圍內(nèi)，可以調(diào)試的范圍極小，已無實(shí)際意義。如果帶通風(fēng)機(jī)型負(fù)載,穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)不受sm限制，相應(yīng)的

9、調(diào)速范圍較大。3. 電磁轉(zhuǎn)差率離合器調(diào)速 采用電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速的異步電動(dòng)機(jī)稱為電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)，它由三部分組成：籠型異步電動(dòng)機(jī)、電磁轉(zhuǎn)差離合器和控制裝置。我國(guó)的YCT系列電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)已將三部分組裝起來成套供應(yīng)。離合器輸出轉(zhuǎn)矩為圖1-20 電磁轉(zhuǎn)差離合器的機(jī)械特性4. 雙饋調(diào)速及串級(jí)調(diào)速 （1）雙饋調(diào)速 雙饋調(diào)速是將定、轉(zhuǎn)子三相繞組分別接入兩個(gè)獨(dú)立的三相對(duì)稱電源：定子繞組接入工頻電源；轉(zhuǎn)子繞組接入頻率、幅值、相位都可以按照要求進(jìn)行調(diào)節(jié)的交流電源，即采用交-交變頻器或交-直-交變頻器給定子繞組供電。其中，必須保證的是在任何情況下轉(zhuǎn)子外加電壓的頻率都要與轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率保持一致。當(dāng)改變轉(zhuǎn)子外加

10、電壓的幅值和相位時(shí)就可以調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，也可以調(diào)節(jié)定子側(cè)的功率因數(shù)。（2）串級(jí)調(diào)速 串級(jí)調(diào)速的基本思路是，把異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和轉(zhuǎn)子外加電壓都變?yōu)橹绷髁?，使原來隨轉(zhuǎn)差率而變化的可變頻率交流量轉(zhuǎn)化為與頻率無關(guān)的直流量，從而免去了對(duì)轉(zhuǎn)差頻率的檢測(cè)、控制，主電路結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)都要簡(jiǎn)單得多。由于采用不控整流器整流，轉(zhuǎn)差功率也僅僅是單方向地由轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子側(cè)送出，回饋給電網(wǎng)。串級(jí)調(diào)速于雙饋調(diào)速相比，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，分析、控制都方便，但在相同調(diào)速范圍和額定負(fù)載下，調(diào)速裝置容量增大一倍，因而往往推薦用于調(diào)速范圍不太大的場(chǎng)合。另外功率因數(shù)也較低。1.2.2 同步電動(dòng)機(jī)同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就是同步轉(zhuǎn)速

11、n1=60f1/pN，如果接入恒頻電源，則由于同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速將與電源頻率保持嚴(yán)格的同步關(guān)系故而不可調(diào)。隨著電力電子變頻技術(shù)的飛速發(fā)展，同步電動(dòng)機(jī)同樣可以進(jìn)行變頻調(diào)速。 同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速可以分為他控式變頻調(diào)速和自控式變頻調(diào)速兩大類。1.3 交流調(diào)速的主要應(yīng)用領(lǐng)域冶金機(jī)械 電氣牽引數(shù)控機(jī)床 礦井提升機(jī)械 起重、裝卸機(jī)械 原子能及化工設(shè)備 建筑電氣設(shè)備 紡織、食品機(jī)械 The end. 第二章 變頻調(diào)速技術(shù) 2.1 交-直-交變頻器的基本電路交-直-交變頻器的基本電路包括整流電路和逆變電路，整流電路將共頻交流電整流成直流電，逆變電路再將直流電逆變成頻率可調(diào)的三相交流電，是整流變換的逆過程。其核心

12、部分為逆變器。變頻器的分類方法有多種，按照主電路工作方式分類，可以分為電壓型變頻器和電流型變頻器；按照開關(guān)方式分類，可以分為PAM控制變頻器、PWM控制變頻器和高載頻PWM控制變頻器；按照工作原理分類，可以分為V/f控制變頻器、轉(zhuǎn)差頻率控制變頻器和矢量控制變頻器等；按照用途分類，可以分為通用變頻器、高性能專用變頻器、高頻變頻器、單相變頻器和三相變頻器等。 2.1.1 交直交電壓型變頻器圖2-1 交-直-交電壓型變頻器主電路三相逆變電路由六只具有單向?qū)щ娦缘墓β拾雽?dǎo)體開關(guān)SlS6組成。每只功率開關(guān)上反并聯(lián)一只續(xù)流二極管，為負(fù)載的滯后電流提供一條反饋到電源的通路。 極據(jù)功率開關(guān)的導(dǎo)通持續(xù)時(shí)間不同，

13、可以分為180導(dǎo)電型和120導(dǎo)電型兩種工作方式。180導(dǎo)電型各功率元件驅(qū)動(dòng)脈沖波形如圖2-3所示。狀態(tài)S1S2S3S4S5S6狀態(tài)1（060）狀態(tài)2（60120）狀態(tài)3（120180）狀態(tài)4（180240）狀態(tài)5（240300）狀態(tài)6（3003600）表2-1 180導(dǎo)電型逆變器功率開關(guān)導(dǎo)通規(guī)律輸出電壓狀態(tài)1狀態(tài)2狀態(tài)3狀態(tài)4狀態(tài)5狀態(tài)6相電壓uA0Ud/32Ud/3Ud/3-Ud/3-2Ud/3-Ud/3uB0-2Ud/3-Ud/3Ud/32Ud/3Ud/3-Ud/3uC0Ud/3-Ud/3-2Ud/3-Ud/3Ud/3Ud/3線電壓uABUdUd0-Ud-Ud0uBC-Ud0UdUd0-U

14、duCA0-Ud-Ud0UdUd表2-2 負(fù)載為丫接時(shí)各個(gè)工作狀態(tài)下的輸出電壓圖2-5 三相電壓型逆變器的輸出電壓波形（180導(dǎo)電型）2電壓型變頻器及電壓調(diào)節(jié)方式（1）電壓型變頻器 最簡(jiǎn)單的電壓型變頻器由可控整流器和電壓型逆變器組成，用可控整流器調(diào)壓，逆變器調(diào)頻，如圖2-6所示。為適應(yīng)再生制動(dòng)運(yùn)行，可在圖2-6電路的基礎(chǔ)上，增加附加電路。一種方法是，在中間直流電路中設(shè)法將再生能量處理掉，即在電容Cd的兩端并聯(lián)一條由耗能電阻R與功率開關(guān)(可以是晶閘管或自關(guān)斷器件)相串聯(lián)的電路，如圖2-7所示。另一種方法是，在整流電路中設(shè)置再生反饋通路反并聯(lián)一組逆變橋，如圖2-8所示。（2）電壓調(diào)節(jié)方式 一種是采

15、用可控整流器整流，通過對(duì)觸發(fā)脈沖的相位控制直接得到可調(diào)直流電壓。另一種是采用不控整流器整流，在直流環(huán)節(jié)增加斬波器，以實(shí)現(xiàn)調(diào)壓，如圖2-9所示。3串聯(lián)電感式電壓型變頻器 圖2-10 三相串聯(lián)電感式電壓型變頻器的主電路圖中Cd、Ld構(gòu)成中間濾波環(huán)節(jié)，通常Ld很小，Cd很大。晶閘管VT1VT6作為功率開關(guān)取代了圖2-3中的SlS6。L1L6為換相電感，位于同一橋臂上的兩個(gè)換相電感是緊密耦合的，串聯(lián)在兩個(gè)主晶閘管之間，因而稱之為串聯(lián)電感式。C1C6為換相電容，RARC為環(huán)流衰減電阻。該電路屬于180導(dǎo)電型，換相是在同橋臂的兩個(gè)晶閘管之間進(jìn)行，采用補(bǔ)換相方式、即觸發(fā)一個(gè)晶閘管去關(guān)斷同一橋臂上的另個(gè)晶閘管

16、。（1）換相前的狀態(tài) （2）.換相階段 （3）環(huán)流及反饋階段 （4）負(fù)載電流反向階段 圖2-12 換相時(shí)的電壓、電流波形 2.1.2 交-直-交電流型變頻器1電流型逆變器的基本電路 表2-3 120導(dǎo)電型逆變器功率開關(guān)導(dǎo)通規(guī)律狀態(tài)S1S2S3S4S5S6狀態(tài)1（060） 狀態(tài)2（60120） 狀態(tài)3（120180） 狀態(tài)4（180240） 狀態(tài)5（240300） 狀態(tài)6（3003600） 以狀態(tài)1為例 表2-4 負(fù)載為接時(shí)各個(gè)工作狀態(tài)下的輸出電流輸出電流狀態(tài)1狀態(tài)2狀態(tài)3狀態(tài)4狀態(tài)5狀態(tài)6線電流iA0IdId0-Id-Id0iB0-Id0IdId0-IdiC00-Id-Id0IdId相電流iA

17、B2Id/3Id/3-Id/3-2Id/3-Id/3Id/3iBC-Id/3Id/32Id/3Id/3-Id/3-2Id/3iCA-Id/3-2Id/3-Id/3Id/32Id/3Id/3圖2-15 三相電流型逆變器的輸出電流波形（120導(dǎo)電型）2電流型變頻器的再生制動(dòng)運(yùn)行 圖2-16 電流型變頻器的電動(dòng)狀態(tài)與再生制動(dòng)狀態(tài)（a）電動(dòng)狀態(tài) （b）再生制動(dòng)狀態(tài)3串聯(lián)二極管式電流型變頻器 a換相前的狀態(tài) b晶間管換相及恒流充電階段（3）二極管換相階段 （4）換相后的狀態(tài) 2.2 脈寬調(diào)制型變頻器圖2-19 PWM變頻器的主電路原理圖PWM變頻器的主電路如圖2-19所示，由圖可知，該變頻器的主電路時(shí)由

18、整流電路部分和逆變電路部分組成。整流電路完成將三相交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姷淖饔谩Ｄ孀儾糠衷賹⒑愣ǖ闹绷麟娹D(zhuǎn)變?yōu)殡妷汉皖l率均可調(diào)的三相交流電，以驅(qū)動(dòng)三相異步電動(dòng)機(jī)負(fù)載， 2.2.1 交-直部分 圖2-20 PWM變頻器交-直部分主電路 圖2-21 PWM變頻器交-直部分輸出 電壓波形 2.2.2 直-交部分圖2-22 PWM變頻器直-交部分主電路圖2-23 三相橋式PWM逆變電路波形2.3 諧振型變頻器2.3.1 詣?wù)裰绷鳝h(huán)節(jié)逆變器的基本原理圖2-24 三相諧振直流環(huán)節(jié)逆變器原理圖 圖2-25 每個(gè)諧振周期對(duì)應(yīng)的等效電路1忽略電路中的損耗考慮種理想情況，即令圖2-25中的R0。當(dāng)開關(guān)S導(dǎo)通時(shí) 兩式整

19、理得解之并考慮到初始條件如果有，則有 （a） 2考慮電路中的損耗，即 當(dāng)， S在零電壓下關(guān)斷時(shí)，對(duì)應(yīng)的電路方程為解之并考慮到初始條件可近似為 （b） 2.3.2 諧振直流環(huán)節(jié)逆變電路舉例1并聯(lián)諧振直流環(huán)節(jié)逆變器 圖2-27 并聯(lián)諧振DC環(huán)節(jié)逆變器（a）電路原理圖 （b）等效電路圖圖2-28 電容電壓和電感電流的波形圖2-29 并聯(lián)諧振DC環(huán)節(jié)逆變器的工作原理 2結(jié)實(shí)型諧振直流環(huán)節(jié)逆變器 圖2-30 結(jié)實(shí)形諧振直流環(huán)節(jié)逆變器圖2-31 結(jié)實(shí)型諧振DC環(huán)節(jié)逆變器的工作原理2.4 交交變頻器的基本原理2.4.1 工作原理從上式可見，改變輸出電壓的頻率，只需按要求改變正、負(fù)兩組整流器觸發(fā)角變化的調(diào)制頻

20、率即可。而改變輸出電壓值，只需改變調(diào)制系數(shù)是值即可實(shí)現(xiàn)。當(dāng)是k1時(shí)，輸出電壓為最大；當(dāng)k0時(shí)，輸出電壓為零。圖2-33 交-交變頻器正、負(fù)組的工作狀態(tài)正組逆變；正組整流；負(fù)組逆變；負(fù)組整流a）輸出電壓基波和電流；b）正組輸出電流；c）負(fù)組輸出電流；d）正組輸出電壓；e）負(fù)組輸出電壓2.4.2 運(yùn)行方式 (1)無環(huán)流運(yùn)行方式 (2)自然環(huán)流運(yùn)行方式 圖2-35 自感應(yīng)環(huán)流原理圖a）輸出電流；b）正組輸出電流；c）負(fù)組輸出電流；d）自感應(yīng)環(huán)流；e）等效電路（3）局部環(huán)流運(yùn)行方式 圖2-36 局部環(huán)流運(yùn)行方式的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖a）線路結(jié)構(gòu)；b）波形2.4.3主電路型式2.4.4 觸發(fā)控制方式(1)余弦

21、交點(diǎn)法 a）滯后功率因數(shù) b）超前功率因數(shù)（2）鎖相控制法 利用反饋的方法，使觸發(fā)脈沖的頻率和相位與所需的輸出相適應(yīng)，這就是在變頻器控制中常采用的鎖相控制法。 2.4.5 最高輸出頻率最高極限為： fo/fi=p/6定量的研究表明，在輸出最高電壓且負(fù)載功率因素cos =1時(shí)，輸出諧波不超過2.5%的條件下，其允許的最高輸出頻率與輸入頻率之比為： (fo/fi)max=0.33 (p=3) (fo/fi)max=0.5 (p=6) (fo/fi)max=0.75 (p=12)2.4.6 晶閘管的電壓、電流容量對(duì)需要在很廣范圍的交-交變頻器選擇晶閘管的電流容量時(shí)，最好按可能遇到的最惡劣條件來選擇，

22、即按輸出電流的峰值來確定晶閘管的額定容量。2.5 交交變頻器的基本類型2.5.1 矩形電壓波交交變頻器1工作原理假定三相電源電壓ua、ub和uc完全對(duì)稱。當(dāng)給定一個(gè)恒定的觸發(fā)角時(shí)，例如=90 ，得正組的輸出電壓波形如圖2-48所示。2換相過程和換組過程假定電流是連續(xù)的，而且不考慮重疊角。當(dāng)t=120時(shí)，晶閘管5符合導(dǎo)通條件，輸出的電壓片段為ub。當(dāng)晶閘管5被觸發(fā)導(dǎo)通后，晶閘管1受到線電壓uba的封鎖作用，陰極電位高于陽極電位，晶閘管1被關(guān)斷。這就是電源側(cè)的自然換組。所以交-交變頻器的換相過程就是普通整流器的換相過程。 當(dāng)ot此時(shí)正好等于180，需要發(fā)出換橋（組）指令。（1）封鎖發(fā)往組的觸發(fā)脈沖

23、；（2）開放發(fā)往組的觸發(fā)脈沖。 圖2-49 電流連續(xù)時(shí)組觸發(fā)得到的輸出電壓波形圖2-50 換組時(shí)的等值電路圖2-51 無環(huán)流控制時(shí)組觸發(fā)得到的輸出電壓波形2.5.2 正弦電壓波交交變頻器余弦交點(diǎn)法控制的交交變頻器輸出的電壓平均值是正弦函數(shù)，但不能提供完全正弦的輸出電流 。特別是當(dāng)輸出頻率超過電網(wǎng)頻率的一半時(shí)還會(huì)產(chǎn)生危害很大的次諧波 。2.5.3 正弦電流交交變頻器 目前采用的電流控制型都是閉環(huán)控制方式，即依靠傳統(tǒng)的電流負(fù)反饋進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)，三相全控橋加上PI電流調(diào)節(jié)器使輸出電流按給定函數(shù)變化。如果電流調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)功能達(dá)到最佳，全控橋的輸出電流就可以跟蹤電流調(diào)節(jié)器的給定值進(jìn)行變化。 The end

24、. 第三章 脈寬調(diào)制控制技術(shù) 3.1.1 PWM型變頻器的基本控制方式“”波調(diào)制法的電路原理如圖3-1a所示，在電壓比較器A的兩輸入端分別輸入正弦波參考電壓uR和三角波電壓u，在A的輸出端便得到PWM調(diào)制電壓脈沖。PWM脈沖寬度的確定可由圖3-1b看出。uR與u的交點(diǎn)之間的距離隨參考電壓uR的大小而變，而該交點(diǎn)之間的距離決定了電壓比較器輸出電壓脈沖的寬度，因而可得到幅值相等而脈沖寬度不等的PWM電壓信號(hào)uP。 圖3-1 “”調(diào)制法原理從三角波電壓與參考電壓的頻率來看，PWM控制方式可分為同步式、異步式和分段同步式。3.1.2 簡(jiǎn)單的PWM型變頻器工作原理3.1.3 單極性正弦波PWM調(diào)制原理3

25、.1.4 雙極性正弦波PWM調(diào)制原理3.2 PWM的控制模式及實(shí)現(xiàn)3.2.1 SPWM逆變器的同步調(diào)制和異步調(diào)制1. 同步調(diào)制在同步調(diào)制方式中，N=常數(shù)，變頻時(shí)三角載波的頻率與正弦調(diào)制波的頻率同步變化，因而逆變器輸出電壓半波內(nèi)的矩形脈沖數(shù)是固定不變的。 2. 異步調(diào)制異步調(diào)制中，在逆變器的整個(gè)變頻范圍內(nèi)，載波比N是不等于常數(shù)的。 3. 分段同步調(diào)制在一定頻率范圍內(nèi)，采用同步調(diào)制，保持輸出波形對(duì)稱的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)頻率降低較多時(shí)，使載波比分段有級(jí)的增加，又采納了異步調(diào)制的長(zhǎng)處。這就是分段同步調(diào)制方式。具體的說，把逆變器整個(gè)變頻范圍分成若干頻段，在每個(gè)頻段內(nèi)斗維持載波比N的恒定，對(duì)不同的頻段取不同的N值，

26、頻率低時(shí)N取大一些，一般按等級(jí)比數(shù)安排。3.2.2 SPWM的控制模式及其實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)SPWM的控制方式有三類，一是采用模擬電路，二是采用數(shù)字電路，三是采用模擬與數(shù)字電路相結(jié)合的控制方式。采用模擬電路元件實(shí)現(xiàn)SPWM控制的原理,首先由模擬元件構(gòu)成的三角波和正弦波發(fā)生器分別產(chǎn)生三角載波信號(hào)u和正弦波參考信號(hào)uR，然后送入電壓比較器，產(chǎn)生SPWM脈沖序列。采用數(shù)字電路的SPWM逆變器，可采用以軟件為基礎(chǔ)的控制模式。 微機(jī)控制的SPWM控制模式有多種，常用的有以下兩種：1. 自然取樣法 :用計(jì)算的辦法尋找三角載波u與參考正弦波uR的交點(diǎn)從而確定SPWM脈沖寬度的。2對(duì)稱規(guī)則取樣法通過兩個(gè)三角波峰之間中線

27、與uR的交點(diǎn)M作水平與兩個(gè)三角波分別交于A和B點(diǎn)。由交點(diǎn)A和B確定SPWM脈寬為t2， 3.3 具有消除諧波功能的SPWM控制模式的優(yōu)化所謂PWM控制模式的優(yōu)化就是指可消除諧波分量的PWM控制方式。 1兩電平SPWM逆變器 假定兩電平SPWM逆變器輸出電壓波形具有基波四分之一周期對(duì)稱關(guān)系，顯然，如將該SPWM脈沖電壓序列展成傅氏級(jí)數(shù)，則僅含奇次諧波分量。負(fù)載電壓uL可表示各次諧波電壓之和，即圖3-9 兩電平SPWM逆變器的輸出電壓波形 理論上講，欲想消除第v次諧波分量，只要令式（3-3）中的Uv=0，從而解出相應(yīng)的K值即可。然而，由式（3-3）可看出，未知數(shù)K的個(gè)數(shù)有N個(gè)，需要有N個(gè)方程聯(lián)立求

28、解。為此可同時(shí)令N個(gè)諧波次數(shù)的電壓為0，通過優(yōu)化值K消除N個(gè)諧波分量。 （1）消除5次和7次諧波求得的值為1=16247，2=22068 （2）消除5、7、11和13次諧波 解上述四個(gè)超越聯(lián)立方程比較困難，一般需采用數(shù)值法求解值法求解，首先假定1、2、3、4值，代入上述方程，如不滿足對(duì)14進(jìn)行修正，通過迭代逐漸逼近真值。2三電平SPWM逆變器 其輸出如圖 3.4 電流跟蹤型PWM逆變器的控制技術(shù)滯環(huán)電流跟蹤型SPWM逆變器的單相結(jié)構(gòu)示意圖如圖3-13所示。 ir為給定參考電流，是電流跟蹤目標(biāo)，當(dāng)實(shí)際負(fù)載電流反饋值if與ir之差達(dá)到滯環(huán)上限值時(shí)，即if-ir，使VT2導(dǎo)通，VT1截止，負(fù)載電壓為

29、-E，負(fù)載電流if下降。當(dāng)if與ir之差達(dá)到滯環(huán)下限值時(shí)，即if-ir-，使VT1導(dǎo)通，VT2截止，負(fù)載電壓為+E，負(fù)載電流if上升。這樣通過VT1，VT2的交替通斷，使if-ir，實(shí)現(xiàn)if對(duì)ir的自動(dòng)跟蹤。如ir為正弦電流，則if也近似為一正弦電流。 圖3-14 電壓SPWM波形的產(chǎn)生3.4.2 開關(guān)頻率恒定的電流跟蹤型PWM控制技術(shù)改變滯寬使fT恒定，可以采用不同的控制方式。 （1）隨著dir/dt變化調(diào)整滯環(huán)寬度使fT不變。圖3-15使用dir/dt改變滯寬保持fT恒定的原理電路圖 （2）在電流閉環(huán)中增設(shè)頻率閉環(huán)使fT不變。圖3-16 使用頻率閉環(huán)使fT恒定的原理電路圖3.5 PWM脈沖

30、的生成方法3.5.1 模擬電路控制方式分段同步控制三角載波產(chǎn)生電路原理如圖示3-17所示 圖3-17 分段同步控制三角載波的產(chǎn)生 3.5.2 數(shù)字電路控制方式采用數(shù)字控制方式時(shí)，調(diào)速系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的求解，各閉環(huán)控制調(diào)節(jié)器以及PWM控制信號(hào)的產(chǎn)生等功能全部由單片機(jī)或微處理器完成。 The end. 第四章 矢量變換控制技術(shù) 4.1 旋轉(zhuǎn)矢量控制的概念與原理直流電動(dòng)機(jī)其優(yōu)異的調(diào)速性能是因?yàn)榫邆淞巳缦氯齻€(gè)條件： （1）磁極固定在定子機(jī)座上，在空間能產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定直流磁場(chǎng)。（2）電樞繞組是固定在轉(zhuǎn)子鐵心槽里，在空間能產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的電樞磁勢(shì)，并且電樞磁勢(shì)總是能保持與磁場(chǎng)相垂直，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩最有效。（3）勵(lì)磁電流

31、和電樞電流在各自回路中分別可控、可調(diào)。三相異步電動(dòng)機(jī)的情況：（1）定子通三相正弦對(duì)稱交流電時(shí)產(chǎn)生一個(gè)隨時(shí)間和空間都在變化的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。（2）轉(zhuǎn)子磁勢(shì)和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)間不存在垂直關(guān)系。（3）異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子是短路的，只能在定子方面調(diào)節(jié)電流。組成定子電流的兩個(gè)成分一勵(lì)磁電流和工作電流都在變化，因?yàn)榇嬖诜蔷€件關(guān)系，因此對(duì)這兩部分電流不可能分別調(diào)節(jié)和控制?？梢姰惒诫妱?dòng)機(jī)所以調(diào)速性能差，就是它不具備直流電機(jī)優(yōu)異調(diào)速性能的三個(gè)條件。如果在控制上想辦法能達(dá)到那些要求，那末它的調(diào)速性能也一定是優(yōu)異的。如果要模擬直流電動(dòng)機(jī)的電樞磁勢(shì)與磁場(chǎng)垂直，并且電樞磁勢(shì)大小和磁場(chǎng)強(qiáng)弱分別可調(diào)。可設(shè)想如圖4-2所示的異步電動(dòng)機(jī)M、T兩相

32、繞組模型。該模型有兩個(gè)互相垂直的繞組：M繞組和T繞組且以角頻率1在空間旋轉(zhuǎn)。T、M繞組分別通以直流電流iT、iM。iM在M繞組軸線方向產(chǎn)生磁場(chǎng)，iM稱勵(lì)磁電流。調(diào)節(jié)iM大小可以調(diào)節(jié)磁場(chǎng)強(qiáng)弱。iT在T繞組軸線方向上產(chǎn)生磁勢(shì)，這個(gè)磁勢(shì)總是與磁場(chǎng)同步旋轉(zhuǎn)，而且總是與磁場(chǎng)方向垂直，調(diào)節(jié)iT大小可以在磁場(chǎng)不變時(shí)改變轉(zhuǎn)矩大小，iT稱轉(zhuǎn)距電流。iT、iM分屬于T、M繞組因此分別可調(diào)，可控。實(shí)際上三相異步電動(dòng)機(jī)定子三相繞組嵌在定于鐵心槽中，在空間上相互差120電角度，固定不動(dòng)。根據(jù)電機(jī)學(xué)原理知道三相繞組的作用，完全可以用在空間上互相垂直的兩個(gè)靜上的、繞組的代替、三相繞組的電流和兩相靜止、繞組電流有固定的變換關(guān)

33、系?，F(xiàn)在還要找到兩相靜止、繞組的電流，與兩相旋轉(zhuǎn)的M、T繞組電流的關(guān)系。如果M、T、繞組電流iM、iT、i、i都用矢量表示，如圖4-3所示為、坐標(biāo)系統(tǒng)與M、T坐標(biāo)系統(tǒng)。圖4-2 異步電動(dòng)機(jī)M、T兩相繞組模型 圖4-3 、坐標(biāo)與M、T坐標(biāo)系統(tǒng)這樣要調(diào)節(jié)磁場(chǎng)確定iM值，要調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)距確定iT值，通過變換運(yùn)算就知道三相電流ia、ib、ic大小，控制ia、ib、ic也就達(dá)到預(yù)想目的，達(dá)到控制轉(zhuǎn)距(iT)、磁場(chǎng)(iM)的目的。4.1.1 矢量變換控制的基本思想把三相異步電動(dòng)機(jī)等效于兩相、靜止系統(tǒng)模型。再經(jīng)過旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換為磁場(chǎng)方向與M軸方向一致的同步旋轉(zhuǎn)的兩相M、T模型。電流矢量是一個(gè)空間矢量，因?yàn)樗鼘?shí)際上代

34、表電機(jī)三相產(chǎn)生的合成磁勢(shì)，是沿空間作正弦分布的量，不同于在電路中電流隨時(shí)間按正弦變化是時(shí)間的相量。電流矢量分解為與M軸平行的產(chǎn)生磁場(chǎng)的分量一一勵(lì)磁電流iM和與T軸平行的產(chǎn)生轉(zhuǎn)距分量一轉(zhuǎn)矩電流iT。前者可理解為勵(lì)磁磁勢(shì)，后者可理解為電樞磁勢(shì)。通過控制iM、iT大小也就是電流矢量的幅值和方向（M、T坐標(biāo)系統(tǒng)中的角）去等效地控制三相電流ia、ib、ic的瞬時(shí)值，從而調(diào)節(jié)電機(jī)的磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)矩以達(dá)到調(diào)速的目的。4.1.2 矢量變換控制系統(tǒng)的構(gòu)想4.2 矢量變換控制的異步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型4.2.1 異步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的性質(zhì)(1)異步電機(jī)是一個(gè)多變量（多輸人多輸出）系統(tǒng)，而電壓（電流）、頻率、磁通、轉(zhuǎn)速之間又

35、互相都有影響，所以是強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)。 （2）在異步電機(jī)中，磁通乘電流產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)速乘磁通得到旋轉(zhuǎn)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，由于它們都是同時(shí)變化的，在數(shù)學(xué)模型中就含有兩個(gè)變量的乘積項(xiàng)。這樣一來，即使不考慮磁飽和等因素，數(shù)學(xué)模型也是非線性的。（3）三相異步電機(jī)定子有三個(gè)繞組，轉(zhuǎn)子也可等效為三個(gè)繞組，每個(gè)繞組產(chǎn)生磁通時(shí)都有自己的電磁慣性，再加上運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)電慣性，即使不考慮變頻裝置中的滯后因素，至少也是一個(gè) 七階系統(tǒng)。異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型是一個(gè)高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng). 圖4-5 多變量的異步電機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖4.2.2 三相異步電動(dòng)機(jī)的多變量非線性數(shù)學(xué)模型在研究異步電機(jī)的多變量數(shù)學(xué)模型時(shí)，

36、常作如下的假設(shè)：忽略空間諧波，設(shè)三相繞組對(duì)稱(在空間互差120電角度)，所產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)沿氣隙圓周按正弦規(guī)律分布；忽略磁路飽和，各繞組的自感和互感都是恒定的；忽略鐵心損耗；不考慮頻率和溫度變化對(duì)繞組電阻的影響。圖4-6 三相異步電機(jī)的物理模型（1）電壓方程三相定子繞組電壓方程 三相轉(zhuǎn)子折算到定 子側(cè)的電壓方程將電壓方程寫出矩陣形式，并以微分算子p代表微分符號(hào)d/dt（2）磁鏈方程完整的磁鏈方程電壓方程 （3）轉(zhuǎn)矩方程上式是在磁路為線性、磁動(dòng)勢(shì)在空間按正弦分布的假定條件下得出的，但對(duì)定子、轉(zhuǎn)子電流的波形未作任何假定，式中的都是瞬時(shí)值。因此，此電磁轉(zhuǎn)矩公式同樣適用于由變壓變頻器供電的三相異步電動(dòng)機(jī)調(diào)

37、速系統(tǒng)。（4）運(yùn)動(dòng)方程對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載5三相異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型歸納 4.2.3 三相異步電動(dòng)機(jī)在兩相坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型1異步電機(jī)在兩相任意旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（dq坐標(biāo)系）上的數(shù)學(xué)模型 （1）電壓方程（2）磁鏈方程 圖4-7 異步動(dòng)機(jī)變換到dq坐標(biāo)系上的物理模型 或?qū)懗桑?）轉(zhuǎn)矩和運(yùn)動(dòng)方程旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)矢量則 畫成多變量系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 圖4-8 異步電機(jī)的多變量、強(qiáng)耦合動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型具有以下性質(zhì)：（1）異步電機(jī)可以看作一個(gè)雙輸入雙輸出系統(tǒng)，輸入量是電壓矢量和定子與dq坐標(biāo)軸的相對(duì)角轉(zhuǎn)速11，輸出是磁鏈?zhǔn)噶亢娃D(zhuǎn)子角轉(zhuǎn)速。電流矢量可以看作狀態(tài)變量，它和磁鏈?zhǔn)噶恐g有由式（4-25）確定的關(guān)系。（2）

38、非線性因素存在于 (*)和 (*)中，即存在于產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩的兩個(gè)環(huán)節(jié)上。除此以外，系統(tǒng)的其它部分部是線性關(guān)系 這和直流電機(jī)弱磁控制的情況相似。（3）多變量之間的耦合關(guān)系主要體現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)上。如果忽略旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)的影響，系統(tǒng)便容易簡(jiǎn)化成單變量系統(tǒng)了。將d、q軸電壓方程繪成動(dòng)態(tài)等效電路 圖4- 9 異步電機(jī)在dq坐標(biāo)上的動(dòng)態(tài)等效電路（a）d軸電路 （b）q軸電路 2. 異步電機(jī)在兩相靜止坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型 磁鏈方程 電壓矩陣方程 坐標(biāo)系上的電磁轉(zhuǎn)矩3異步電機(jī)在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型 電壓方程4異步電機(jī)在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向（MT坐標(biāo)系）的數(shù)學(xué)模型 現(xiàn)在規(guī)定d軸沿著

39、轉(zhuǎn)子總磁鏈?zhǔn)噶康姆较?，并稱之為M（Magnetization）軸；而q抽則逆時(shí)針轉(zhuǎn)900，即垂直于矢量，稱之為T（Torque）軸。這樣，兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系就具體規(guī)定為M、T坐標(biāo)系，即按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的坐標(biāo)系。 簡(jiǎn)化 得轉(zhuǎn)矩方程 4.3 交流電動(dòng)機(jī)矢量變換變頻調(diào)速系統(tǒng)基本原理4.3.1 矢量控制基本方程式電壓矩陣方程 解出 表明，轉(zhuǎn)子磁鏈2僅由產(chǎn)生，與it1無關(guān)，因而im1被稱為定子電流的勵(lì)磁分量。該式還表明，2與im1之間的傳遞函數(shù)是一階慣性環(huán)節(jié)（p相當(dāng)于拉氏變換變量S）。其涵義是，當(dāng)勵(lì)磁分量im1突變時(shí)，2的變化要受到勵(lì)磁慣性的阻撓，這和直流電機(jī)勵(lì)磁繞組的慣性作用是一致的。當(dāng)定子電流勵(lì)磁分量

40、im1突變而引起2變化時(shí)，當(dāng)即在轉(zhuǎn)子中感生轉(zhuǎn)子電流勵(lì)磁分量im2，阻止2的變化，使2只能按時(shí)間常數(shù)T2的指數(shù)規(guī)律變化。當(dāng)2達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)p2=0，因而im2=0；2=Lm im1，即2的穩(wěn)態(tài)值由im1唯決定。異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型繪成圖 圖4-11 帶除法環(huán)節(jié)的解耦矢量控制系統(tǒng)C2r/3s兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)到三相靜止坐標(biāo)的變換；AR磁鏈調(diào)節(jié)器；ASR轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器4.3.2 磁鏈開環(huán)轉(zhuǎn)差控制的矢量控制系統(tǒng)圖4-12 磁鏈開環(huán)轉(zhuǎn)差控制的矢量控制系統(tǒng)ASR轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ACR電流調(diào)節(jié)器 K/P直角坐標(biāo)-極坐標(biāo)變換器（1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出是定子電流轉(zhuǎn)矩分量的給定信號(hào)，與雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電樞電流給定信號(hào)相當(dāng)。（

41、2）定子電流勵(lì)磁分量給定信號(hào) 和轉(zhuǎn)子磁鏈給定信號(hào) 之間的關(guān)系是靠矢量控制方程式（4-42）建立的其中的比例微分環(huán)節(jié)使im1在動(dòng)態(tài)中獲得強(qiáng)迫勵(lì)磁效應(yīng)，從而克服了實(shí)際磁通的滯后。（3） 和 經(jīng)直角坐標(biāo)極坐標(biāo)（K/P）變換器合成后產(chǎn)生定子電流幅值給定信號(hào) 和相角給定信號(hào) 。前者經(jīng)電流調(diào)節(jié)器ACR控制定子電流的大小，后者則控制逆變器換相的觸發(fā)時(shí)刻，用以決定定子電流的相位。定于電流相位是否得到及時(shí)的控制對(duì)于動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩的發(fā)生極為重要。極端來看，如果電流幅值很大，但相位落后900，所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩只能是零。（4）轉(zhuǎn)差頻率給定信號(hào) 按矢量控制方程式（4-46）算出，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)差頻率控制的功能。4.3.3 轉(zhuǎn)速磁鏈閉環(huán)

42、控制的電流滯環(huán)型PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)磁鏈閉環(huán)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是磁鏈反饋信號(hào)的獲得。 現(xiàn)在實(shí)用的系統(tǒng)中，多采用間接觀測(cè)的方法，即檢測(cè)出電壓、電流或轉(zhuǎn)速等容易測(cè)得的物理量，利用轉(zhuǎn)子磁通（磁通）的模型，實(shí)時(shí)計(jì)算磁鏈的幅值和相位。按磁場(chǎng)定向兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的轉(zhuǎn)子磁鏈模型圖4-14 在按磁場(chǎng)定向兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的轉(zhuǎn)子磁鏈模型帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)矢量控制系統(tǒng) 圖4-15 帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)ASR轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器；AR磁鏈調(diào)節(jié)器；ATR轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器；BRT轉(zhuǎn)速傳感器The end. 第五章 直接轉(zhuǎn)距控制技術(shù) 5.1直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的誕生與發(fā)展直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是在20世紀(jì)80年代中期繼矢量控

43、制技術(shù)之后發(fā)展起來的一種高性能異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)。 直接轉(zhuǎn)矩控制理論于1977年美國(guó)學(xué)者A.B.Plunkett在IEEE雜志上首先提出，1985年由德國(guó)魯爾大學(xué)的德彭布羅克（Depenbrock）教授首次取得了直接轉(zhuǎn)矩控制在實(shí)際應(yīng)用上的成功，接著在1987年又把直接轉(zhuǎn)矩控制推廣到弱磁調(diào)速范圍。 目前在德國(guó)，直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)已成功應(yīng)用于兆瓦級(jí)的電力機(jī)車牽引上。 5.2 異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的理論基礎(chǔ)圖5-1 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)控制思路5.2.2 異步電動(dòng)機(jī)定子軸系的數(shù)學(xué)模型1 異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩模型圖5-2 異步電動(dòng)機(jī)各量的空間矢量關(guān)系 圖5-3 旋轉(zhuǎn)空間矢量在軸根據(jù)以上規(guī)定，異步電

44、動(dòng)機(jī)在定子坐標(biāo)系上由下列方程式表示定、轉(zhuǎn)子磁鏈轉(zhuǎn)子磁鏈 r LmisLrir （LmLr）irLmis氣隙磁鏈 s LsisLmir 定子磁鏈 s LsisLmir （LmLs）isLmirTei Cm（FsFr） Cm Fs Frsin（Fs、Fr） Km missin（m，is）由于missin（m，is）ssin（s，is），所以 Tei Km sissin（s，is） 在定子坐標(biāo)系中，異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩模型可表達(dá)為Tei Km（sissis） 圖5-4 轉(zhuǎn)矩觀測(cè)模型框圖2 異步電動(dòng)機(jī)的磁鏈模型異步電動(dòng)機(jī)的定子磁鏈可以根據(jù)下式來確定s usisRsdtsusisRsdtsusisRsd

45、t 用定子電壓與定子電流來確定定子磁鏈的方法叫電機(jī)的磁鏈電壓模型法，簡(jiǎn)稱為ui模型，其結(jié)構(gòu)如圖所示。問題：（1）積分器存在漂移，為抑制漂移需引入反饋通道，反饋通道使輸出信號(hào)幅值和相移減小，隨電機(jī)轉(zhuǎn)速和頻率的降低，積分器誤差增大。（2）隨電機(jī)轉(zhuǎn)速和頻率的降低，us的模值減小，由isRs項(xiàng)補(bǔ)償不準(zhǔn)確帶來的誤差就越大。（3）電機(jī)不轉(zhuǎn)時(shí)es0，無法按式（7-5）計(jì)算磁鏈，也無法建立初始磁鏈。圖5-6模型既解決了兩模型的過渡，又解決了電壓模型積分器漂移問題。圖5-6 電流-電壓混合模型電機(jī)的電流模型表示為Trr LmisTrr rTrr LmisTrr r s rLiss rLis 式中，LLsLr 圖

46、5-7 in模型高精度磁鏈模型數(shù)學(xué)方程式圖5-8 un模型5.2.3 逆變器的八種開關(guān)狀態(tài)和逆變器的電壓狀態(tài)圖5-9 電壓型逆變器表5-1 逆變器的8種開關(guān)組合狀態(tài)01234567SA01010101SB00110011SC000011118種可能的開關(guān)狀態(tài)可以分成兩類：一類是6種所謂的工作狀態(tài)，即表5-1種的狀態(tài)“1”到狀態(tài)“6”，它們的特點(diǎn)是三相負(fù)載并不都接到相同的電位上去；另一類開關(guān)狀態(tài)是零開關(guān)狀態(tài)，如表6-1中的狀態(tài)“0”和狀態(tài)“7”，它們的特點(diǎn)是三相負(fù)載都接到相同的電位上去。 表5-2 逆變器的開關(guān)狀態(tài)狀態(tài)工作狀態(tài)零狀態(tài)12345678開關(guān)組SA00111001SB10001101S

47、C11100001表5-3 逆變器的電壓狀態(tài)與開關(guān)狀態(tài)的對(duì)照關(guān)系狀態(tài)工作狀態(tài)零狀態(tài)12345678開關(guān)狀態(tài)SABC011001101100110010000111電壓狀態(tài)表示一us(t)us(011)us(001)us(101)us(100)us(110)us(010)us(000)us(111)表示二us(t)us1us2us3us4us5us6us7表示三us(t)1234567 圖5-10 無零狀態(tài)輸出時(shí)相電壓波形及對(duì)應(yīng)的開 關(guān)狀態(tài)和電壓狀態(tài) 圖5-11 用電壓空間矢量表示的7個(gè)離散的電壓狀態(tài) 5.2.4 電壓空間矢量的概念三相異步電動(dòng)機(jī)中對(duì)稱的三相物理量如圖5-12所示，選三相定子坐標(biāo)

48、系的A軸與Park矢量復(fù)平面的實(shí)軸重合，則其三相物理量XA(t)、XB(t)、XC(t)的Park矢量X(t)為式中，為復(fù)系數(shù)，稱為旋轉(zhuǎn)因子，ej2/3。旋轉(zhuǎn)空間矢量X(t)的某個(gè)時(shí)刻在某相軸線（A、B、C軸上）的投影就是該時(shí)刻該相物理量的瞬時(shí)值。Park矢量變換表達(dá)式應(yīng)為us(t) 圖5-13電壓空間矢量在坐標(biāo)系中的離散位置對(duì)于狀態(tài)“1”，SABC011 us(011) us(011)位于軸的負(fù)方向上 。對(duì)于下一個(gè)狀態(tài)“2”，SABC001 us(001) 狀態(tài)“4”，SABC100時(shí) us(100) （1）逆變器的六個(gè)工作電壓狀態(tài)給出了六個(gè)不同方向的電壓空間矢量。它們周期性地順序出現(xiàn)，相鄰

49、兩個(gè)矢量之間相差60。（2）電壓空間矢量的幅值不變，都等于4E/3。因此六個(gè)電壓空間矢量的頂點(diǎn)構(gòu)成了正六邊形的六個(gè)頂點(diǎn)。（3）六個(gè)電壓空間矢量的順序是：us(011)us(001)us(101)us(100)us(110)us(010)。它們依次沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。（4）零電壓狀態(tài)“7”位于六邊形的中心。5.2.5 電壓空間矢量與磁鏈空間矢量的關(guān)系定子磁鏈s(t)與定子電壓us(t)之間的關(guān)系為 若忽略定子電阻壓降的影響，則圖5-14 電壓空間矢量與磁鏈空間矢量的關(guān)系結(jié)論： （1）定子磁鏈空間矢量頂點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向和軌跡（以后簡(jiǎn)稱為定子磁鏈的運(yùn)動(dòng)方向和軌跡，或s(t)的運(yùn)動(dòng)方向和軌跡），對(duì)應(yīng)于相應(yīng)的

50、電壓空間矢量的作用，s(t)的運(yùn)動(dòng)軌跡平行于us(t)指示的方向。只要定子電阻壓降is(t)Rs比起us(t)足夠小，那么這種平行就能得到很好的近似。（2）在適當(dāng)?shù)臅r(shí)刻依次給出定子電壓空間矢量us1us2us3us4us5us6，則得到定子磁鏈的運(yùn)動(dòng)軌跡依次沿邊S1S2S3S4S5S6運(yùn)動(dòng)，形成了正六邊形磁鏈。（3）正六邊形的六條邊代表著磁鏈空間矢量一個(gè)周期的運(yùn)動(dòng)軌跡。每條邊代表一個(gè)周期磁鏈軌跡的1/6，本書稱之為一個(gè)區(qū)段。六條邊分別稱為磁鏈軌跡的區(qū)段S1，區(qū)段S2，直至區(qū)段S6?！皡^(qū)段”這個(gè)名稱，在以后的分析匯總經(jīng)常要用到。直接利用逆變器的六種工作狀態(tài)，簡(jiǎn)單地得到六邊形的磁鏈軌跡以控制電動(dòng)機(jī)

51、，這就是DSC控制的基本思路。5.2.6 電壓空間矢量對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的影響在直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)中，其控制機(jī)理是通過電壓空間矢量us(t)來控制定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度，從而改變定、轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶恐g的夾角，達(dá)到控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。用定、轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶康氖噶糠e來表達(dá)異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩 Tei Km（s(t)r(t)） Km srsin（s(t)，r(t)） Km srsin(t) 在實(shí)際運(yùn)行中，保持定子磁鏈?zhǔn)噶康姆禐轭~定值，以充分利用電動(dòng)機(jī)鐵心；轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶康姆涤韶?fù)載決定。要改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的大小，可以通過改變磁通角(t)的大小來實(shí)現(xiàn).圖5-15 電壓空間矢量對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的影響5.2.7 電壓空間矢量的

52、正確選擇正確選擇電壓空間矢量，可以形成六邊形磁鏈。所謂正確選擇，包括兩個(gè)含義：一是電壓空間矢量順序的選擇；二是各電壓空間矢量給出時(shí)刻的選擇。定子磁鏈空間矢量的運(yùn)動(dòng)軌跡取決于定子電壓空間矢量。反過來，定子電壓空間矢量的選擇又取決于定子磁鏈空間矢量的運(yùn)動(dòng)軌跡。圖5-16 六邊形磁鏈及三相坐標(biāo)系A(chǔ)軸、B軸、C軸圖5-17 DSC控制開關(guān)信號(hào)及 電壓空間矢量的正確選擇定子磁鏈的三個(gè)分量 (b) 磁鏈開關(guān)信號(hào)(c) 電壓開關(guān)信號(hào) (d) 電壓狀態(tài)信號(hào)由檢測(cè)出的定子磁鏈向三相坐標(biāo)系投影得到磁鏈的分量，通過施密特觸發(fā)器與磁鏈給定值比較，得到正確的電壓狀態(tài)信號(hào)，以控制逆變器的輸出電壓，并產(chǎn)生所期望的六邊形磁鏈

53、。以上整個(gè)過程，稱為“磁鏈自控制”過程。 圖5-18 用作磁鏈比較器的施密特觸發(fā)器5.2.8 異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的基本結(jié)構(gòu)所謂“直接轉(zhuǎn)矩控制”，其本質(zhì)是：在異步電動(dòng)機(jī)定子坐標(biāo)系中，采用空間矢量的數(shù)學(xué)分析方法，直接計(jì)算和控制電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩。 1直接轉(zhuǎn)矩控制的基本結(jié)構(gòu)圖5-19 DSC的基本結(jié)構(gòu)原理框圖2弱磁過程中的轉(zhuǎn)矩特性圖5-20 弱磁過程中的轉(zhuǎn)矩變化 3定子電阻壓降對(duì)定子磁鏈幅值的影響圖5-21 定子電阻壓降對(duì)定子磁鏈的影響 5.3 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的特點(diǎn)（1）直接轉(zhuǎn)矩控制是直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，控制電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。它不需要將交流電動(dòng)機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行比較、等

54、效、轉(zhuǎn)化；既不需要模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制，也不需要為解耦而簡(jiǎn)化交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，它省掉了矢量旋轉(zhuǎn)變換等復(fù)雜的變換與計(jì)算。因此，它所需要的信號(hào)處理工作比較簡(jiǎn)單，所用的控制信號(hào)易于觀察著對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的物理過程作出直接和明確的判斷。（2）直接轉(zhuǎn)矩控制的磁場(chǎng)定向采用的是定子磁鏈軸，只要知道定子電阻就可以把定子磁鏈觀測(cè)出來。而矢量控制的磁場(chǎng)定向所用的是轉(zhuǎn)子磁鏈軸，觀測(cè)轉(zhuǎn)子磁鏈需要知道電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電阻和電感。因此，直接轉(zhuǎn)矩控制大大減少了矢量控制技術(shù)中控制性能易受參數(shù)變化影響的問題。（3）直接轉(zhuǎn)矩控制采用空間矢量的概念來分析三相交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型和控制各物理量，使問題變得簡(jiǎn)單明了。（4）直接轉(zhuǎn)矩控制強(qiáng)調(diào)的

55、是轉(zhuǎn)矩的直接控制效果。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，用空間矢量的分析方法，直接在定子坐標(biāo)系下計(jì)算與控制交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，采用定子磁場(chǎng)定向，借助于離散的兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)產(chǎn)生PWM信號(hào)，直接對(duì)逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最佳控制，以獲得轉(zhuǎn)矩的高動(dòng)態(tài)性能。 The end. 第六章 無換向器電動(dòng)機(jī)技術(shù) 6.1 概述1. 無換向器電動(dòng)機(jī)的定義及分類是一種用半導(dǎo)體開關(guān)器件控制的變頻調(diào)速同步電動(dòng)機(jī)；也可認(rèn)為是一種用半導(dǎo)體電子開關(guān)線路代替換向器和電刷作用的直流電動(dòng)機(jī)。 根據(jù)所采用的控制元件分：晶體管電動(dòng)機(jī)，晶閘管電動(dòng)機(jī) 。根據(jù)所采用的控制方式不同可以分為直流無換向器電動(dòng)機(jī)和交流無換向器電動(dòng)機(jī)。 2、無換向器電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)和適用范圍無換

56、向器電動(dòng)機(jī)的特性和普遍直流電動(dòng)機(jī)十分相近，可在四個(gè)象限運(yùn)行，效率和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)也相近。但它沒有電刷和換向器，因而比直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，容易做到低轉(zhuǎn)速大容量、高轉(zhuǎn)速大容量，調(diào)速方便，不失步，因而適用范圍廣泛。在易燃、易爆、高氣壓等環(huán)境比較惡劣的場(chǎng)合，如水泥廠、化工廠、礦山、油田及潛艇上都能適應(yīng)；也適于安裝在人不可及的裝備上，如原子能設(shè)備、高空飛行器及偏僻海島等地方。6.2 無換向器電動(dòng)機(jī)的基本原理圖6-1 無換向器電動(dòng)機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)對(duì)比電路a） 直流電動(dòng)機(jī)；b）無換向器電動(dòng)機(jī)圖6-2 從直流電動(dòng)機(jī)到無換向器電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)化a）電樞旋轉(zhuǎn)；b）磁極旋轉(zhuǎn)；c）無換向器電動(dòng)機(jī)晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間是12

57、0電角度，關(guān)斷時(shí)間是60電角度，而每轉(zhuǎn)過60電角度就有一只晶閘管換相。為此要求隨轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，周期性觸發(fā)或關(guān)斷相應(yīng)的晶閘管，使得電樞磁場(chǎng)和勵(lì)磁磁場(chǎng)保持同步。此任務(wù)由位置檢測(cè)器來完成。 圖6-3 無換向器電動(dòng)機(jī)原理圖6.2.2 電磁轉(zhuǎn)矩半波接法時(shí)，各相繞組中電流只沿著一個(gè)方向輪流通電三分之一周期，電動(dòng)機(jī)繞組的利用率較差；而在橋式接法時(shí)，由于繞組中正反兩個(gè)方向均通電120電角度，電動(dòng)機(jī)的利用率較高，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩也較大。圖6-4 無換向器電動(dòng)機(jī)接法a）橋式接法；b）半波接法（1）橋式接法轉(zhuǎn)矩較大，脈動(dòng)較?。唬?）橋式接法時(shí)0角增大到60時(shí)轉(zhuǎn)矩曲線才過零點(diǎn)，而三相半波接法0=30時(shí)轉(zhuǎn)矩曲線已過零點(diǎn)。 圖6

58、-5 三相電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩a）半波接法時(shí)；b）橋式接法時(shí)從電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的角度來看，以采用三相橋式接法，0=0比較有利，這時(shí)轉(zhuǎn)矩平均值最大，脈動(dòng)最小。但在利用電動(dòng)機(jī)反電勢(shì)自然換相的無換向器電動(dòng)機(jī)中，0=0時(shí)電動(dòng)機(jī)是不可能運(yùn)行的。通常0必須有一定的超前角度。目前最常選用的是0=60，或者0按負(fù)載自動(dòng)調(diào)節(jié)。此時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)一般是比較大的。6.2.3 無換向器電動(dòng)機(jī)的換相各種無換向器電動(dòng)機(jī)的換相方式及其特點(diǎn)示于表6-3中。采用各種全控型器件可以制成各種容量的無換向器電動(dòng)機(jī)，由于器件本身具有自關(guān)斷能力，利用器件換相可使逆變器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且控制靈活。采用晶閘管制成的無換向器電動(dòng)機(jī)，由于普通晶閘管不具備自關(guān)斷

59、能力，必須借助外部條件或設(shè)置專門的換相電路才能完成換相。 （1）反電勢(shì)換相 即利用電動(dòng)機(jī)本身產(chǎn)生的反電勢(shì)進(jìn)行自然換相。 圖6-6 反電勢(shì)換相原理圖 圖6-7 反電勢(shì)換相晶閘管上電壓電流波形電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)或低速運(yùn)行時(shí)反電勢(shì)很小，甚至沒有反電勢(shì)，不可能利用反電勢(shì)進(jìn)行自然換相。此時(shí)需利用下述方法進(jìn)行換相：斷續(xù)換相法或者電網(wǎng)換相法。圖6-8 、隨負(fù)載電流變化關(guān)系 （2）斷續(xù)換相 當(dāng)晶閘管需要換相時(shí)，先設(shè)法使逆變器的輸入電流下降到零，使逆變器的所有晶閘管均暫時(shí)關(guān)斷；然后再給換相后應(yīng)該導(dǎo)通的晶閘管加上觸發(fā)脈沖，則在斷流后重新通電時(shí)，電流將根據(jù)所加的觸發(fā)信號(hào)流經(jīng)該導(dǎo)通的晶閘管，從而實(shí)現(xiàn)從一相換到另一相。圖6-

60、9 直交系統(tǒng)無換向器電動(dòng)機(jī) 圖6-10 交-直-交系統(tǒng)無換向器電動(dòng)機(jī) 當(dāng)電動(dòng)機(jī)采用電流斷續(xù)換相法時(shí)，電動(dòng)機(jī)側(cè)逆變器的觸發(fā)相位 對(duì)換相不起作用。為了增大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，一般取 。當(dāng)電動(dòng)機(jī)進(jìn)入高速階段；采用反電勢(shì)換相時(shí)，則 改為 或隨負(fù)載變化進(jìn)行控制。（3）電網(wǎng)換相 圖6-11 電網(wǎng)換相原理圖（4）強(qiáng)迫換相 即采用專門的換相電路實(shí)現(xiàn)換相，已有多種方案，但由于電路復(fù)雜，元件數(shù)量多，經(jīng)濟(jì)性差而在無換向器電動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行中少有采用。6.3 無換向器電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)無換向器電動(dòng)機(jī)是典型的機(jī)電一體化的新型調(diào)速系統(tǒng)，見圖6-12。除門極觸發(fā)電路外，還有變頻器、同步電動(dòng)機(jī)和位置檢測(cè)器三大部分。1. 變