運(yùn)動控制學(xué)理論第5章

第5章交流調(diào)速系統(tǒng)基礎(chǔ)

5.1概述5.2交流異步電機(jī)基礎(chǔ)5.3交流調(diào)速的基本方法5.4逆變器的分類及指標(biāo)習(xí)題與思考題5.1概述直流傳動和交流傳動在19世紀(jì)中期先后誕生，其后的大部分時(shí)間，交流傳動主要應(yīng)用于不變速傳動系統(tǒng)。不變速傳動占整個(gè)電氣傳動的80%，其余約20%的調(diào)速傳動一般采用直流調(diào)速系統(tǒng)。之所以形成這樣的格局，是由于直流電機(jī)比交流電機(jī)更容易控制。從第1章可以看出，通過調(diào)節(jié)直流電機(jī)的主磁通和電樞電流調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，既可以通過調(diào)節(jié)電樞電壓調(diào)節(jié)電樞電流，又可以通過調(diào)節(jié)勵磁電壓調(diào)節(jié)主磁通，兩者相互獨(dú)立，互不影響，可以分別控制，容易得到滿意的控制效果。與此相反，交流電機(jī)雖然結(jié)構(gòu)較直流電機(jī)簡單得多，但調(diào)速控制復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)高精度調(diào)速控制較為困難。

20世紀(jì)70年代的能源危機(jī)標(biāo)志著廉價(jià)能源時(shí)代的結(jié)束，迫使人們用更多的精力考慮節(jié)約能源的問題。此時(shí)交流電機(jī)成了重要的研究對象。這時(shí)由于交流電機(jī)主要應(yīng)用于拖動風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)等風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載，當(dāng)需要調(diào)節(jié)流量時(shí)，只能采用擋板、閘閥、回流、放空等措施，造成了大量的能源浪費(fèi)，而這類交流電機(jī)應(yīng)用所占比重又非常大。與此同時(shí)，計(jì)算機(jī)技術(shù)和電力電子技術(shù)取得了日新月異的發(fā)展，現(xiàn)代控制理論和智能控制方法也日益成熟，為研究交流調(diào)速系統(tǒng)提供了技術(shù)支持。矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制及智能控制等先進(jìn)控制方法的應(yīng)用，使交流電機(jī)調(diào)速控制逐步實(shí)現(xiàn)了可在調(diào)速范圍、穩(wěn)態(tài)誤差、響應(yīng)時(shí)間等方面與直流電機(jī)調(diào)速相媲美的調(diào)速結(jié)果。目前交流調(diào)速系統(tǒng)已從當(dāng)初只用于風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)等的軟啟動和開環(huán)控制，擴(kuò)展到各類高精度的調(diào)速應(yīng)用領(lǐng)域，而且交流調(diào)速的性價(jià)比已優(yōu)于直流調(diào)速，交流調(diào)速系統(tǒng)取代直流調(diào)速系統(tǒng)已成為不可逆轉(zhuǎn)的趨勢，傳動系統(tǒng)的新格局已經(jīng)形成。5.1.1交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展歷史

1.電力電子器件的發(fā)展

1956年美國貝爾（BELL）電話公司發(fā)明了PNPN可觸發(fā)晶體管，1957年美國通用電器公司（GE）對其進(jìn)行了商業(yè)化開發(fā)，并命名為晶體閘流管，簡稱為晶閘管（Thyristor）或可控硅（SiliconControlledRectifier，SCR）。經(jīng)過60年代的完善和發(fā)展，晶閘管已經(jīng)形成了從低壓小電流到高壓大電流的系列產(chǎn)品。在這一期間，其他科學(xué)家同時(shí)還研制了一系列晶閘管派生器件，如不對稱晶閘管（AsymmetricalThyristor，AST）、逆導(dǎo)晶閘管（ReverseConductingThyristor，RCT）等。80年代又研制開發(fā)了可關(guān)斷晶閘管（GateTurnOffThyristor，GTOT）。由于晶閘管類器件基本上是換流型器件，其工作頻率比較低，因而由其組成的頻率變換裝置在電網(wǎng)側(cè)諧波成分高，功率因數(shù)低。

20世紀(jì)70年代，大功率晶體管（三極管）已進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用階段，它被廣泛應(yīng)用于數(shù)百千瓦以下的功率電路中。大功率晶體管的工作頻率比晶閘管高，達(dá)林頓功率晶體管的工作頻率可達(dá)10kHz,非達(dá)林頓功率晶體管的工作頻率可達(dá)20kHz。大功率晶體管的缺點(diǎn)在于存在二次擊穿、不易并聯(lián)以及開關(guān)頻率仍然偏低等問題，使其使用受到了限制。

20世紀(jì)70年代后期，功率場效應(yīng)管（PowerOSFET）開始進(jìn)入實(shí)用階段，這標(biāo)志著電力半導(dǎo)體器件進(jìn)入高頻化階段。在80年代又研制了電流垂直流動結(jié)構(gòu)器件（VDMOS），它具有工作頻率高（可達(dá)MHz），開關(guān)損耗小，安全工作區(qū)寬，幾乎不存在二次擊穿，輸入阻抗高，易并聯(lián)（漏源電阻為正溫度特性）等特點(diǎn)，是目前高頻化的主要器件。盡管VDMOS器件的開關(guān)頻率高，但導(dǎo)通電阻大這一缺點(diǎn)限制了它在高頻大中功率領(lǐng)域的應(yīng)用。

20世紀(jì)80年代電力電子器件較為引人注目的成就之一就是開發(fā)了雙極型復(fù)合器件。研制復(fù)合器件的主要目的就是實(shí)現(xiàn)器件在高電壓、大電流及開關(guān)頻率之間的合理折中。由于MOS器件為電壓驅(qū)動型器件，且開關(guān)頻率高，而雙極型器件又具有電流容量大、耐高壓的特點(diǎn)，故將上述兩種器件復(fù)合從而產(chǎn)生出高頻、高壓、大電流器件。目前最有發(fā)展前途的復(fù)合器件有絕緣柵雙極型晶體管IGBT（InsulatedGateBipolarTransistor）和MOS柵控晶閘管（MCT）（MOSControlledThyristor）。

IGBT于1982年在美國研制成功并于1985年投入市場，MCT于80年代后期投入市場，這兩種器件均為場控器件，其工作頻率都超過20kHz。同期發(fā)展的另一種器件是靜電感應(yīng)晶體管SIT（StaticInductionTransistor）和靜電感應(yīng)晶閘管SITH（StaticInductionThyristor）,兩者都是利用門極電場改變空間電荷區(qū)寬度來開關(guān)電流通道原理制成的器件。80年代另一重要的發(fā)明是功率集成電路(HVIC)和智能化功率集成電路(SmartPowerIC)的研制成功，它們是在制造過程中，將功率電子電路和信息電子電路一起集成在一個(gè)芯片上或是封裝在一個(gè)模塊內(nèi)產(chǎn)生的。前者較后者簡單，后者具有信號測試及處理、系統(tǒng)保護(hù)及故障診斷等功能，實(shí)際上是一種微型化的功率變換裝置。

2.模擬控制到數(shù)字控制的發(fā)展交流電機(jī)控制經(jīng)歷了從模擬控制到數(shù)字控制的發(fā)展。數(shù)字控制器與模擬控制器相比較，具有可靠性高、參數(shù)調(diào)整方便、更改控制策略靈活、控制精度高、對環(huán)境因素不敏感等優(yōu)點(diǎn)。由于功率器件工作在開關(guān)方式，所以特別適合于數(shù)字控制和數(shù)字驅(qū)動。用專用集成電路模塊(ApplicationSpecificIntegratedCircuit，ASIC)、單片機(jī)、高性能的數(shù)字信號處理器（DigitalSignalProcessor，DSP）來解決電機(jī)控制器不斷增加的計(jì)算量和速度需求是目前最為普遍的做法。將一系列外圍設(shè)備如模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）、脈寬調(diào)制發(fā)生器（PWM）和數(shù)字信號處理器（DSP）集成在一起，就獲得一個(gè)功能強(qiáng)大又非常經(jīng)濟(jì)的電機(jī)控制專用的DSP芯片。近年來，各種集成化的單片DSP的性能得到很大的提高，軟件和開發(fā)工具越來越多、越來越好，價(jià)格卻大幅度降低，低端產(chǎn)品的價(jià)格已接近單片機(jī)的價(jià)格水平，但卻比單片機(jī)具有更高的性能價(jià)格比。越來越多的單片機(jī)用戶開始選用DSP器件來提高產(chǎn)品性能，DSP器件取代高檔單片機(jī)的時(shí)機(jī)已成熟。

3.電機(jī)控制理論的發(fā)展

1964年A.Schonung和H.Stemmler提出把通信系統(tǒng)調(diào)制技術(shù)應(yīng)用到逆變技術(shù)中，1975年Bristol大學(xué)的S.R.Bowes將其應(yīng)用于逆變器之中，使交流調(diào)速技術(shù)達(dá)到了一個(gè)新的高度。此后，不同的調(diào)制方法如三次諧波PWM調(diào)制、隨機(jī)PWM、空間向量SVPWM、電流環(huán)PWM等相繼問世，成為高速逆變器的主要控制方式。

20世紀(jì)70年代，德國學(xué)者提出了矢量控制原理，針對交流電機(jī)強(qiáng)耦合的特點(diǎn)，采用現(xiàn)代控制理論解耦，進(jìn)行矢量變換，仿照直流調(diào)速原理，使調(diào)速系統(tǒng)的靜、動態(tài)特性達(dá)到了直流調(diào)速水平。80年代中期，針對矢量調(diào)速的不足，德國學(xué)者又提出了直接轉(zhuǎn)矩控制原理，對交流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩直接進(jìn)行控制，它避免了矢量控制繁雜的坐標(biāo)變換。利用電壓型逆變器的工作過程，通過控制磁鏈的走走停停，調(diào)整了定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈的夾角，從而實(shí)現(xiàn)了對電機(jī)轉(zhuǎn)矩的直接控制。近年來，智能控制，如自適應(yīng)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等也逐漸應(yīng)用于交流調(diào)速中。從20世紀(jì)70年代的調(diào)壓調(diào)速、串極調(diào)速等，到20世紀(jì)80年代的變頻調(diào)速，各種技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到成熟階段。特別是矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、智能控制的應(yīng)用，使交流調(diào)速系統(tǒng)可以與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美，可靠性和價(jià)格也越來越被人們所接受，交流傳動取代直流傳動的趨勢已經(jīng)形成。交流調(diào)速的主要難點(diǎn)來自于交流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。由于其強(qiáng)耦合特性，也造成了轉(zhuǎn)矩控制困難。5.1.2交流調(diào)速與直流調(diào)速的比較在實(shí)際應(yīng)用中，交流調(diào)速在以下系統(tǒng)應(yīng)用方面優(yōu)于直流調(diào)速：

(1)大功率應(yīng)用；

(2)高速應(yīng)用；

(3)易燃、易爆、多塵環(huán)境；

(4)高壓（6~10kV）環(huán)境。目前交流調(diào)速技術(shù)改造中的應(yīng)用主要可分為三大類：

(1）節(jié)能，改恒速為交流調(diào)速；

(2）減少維護(hù)，改直流調(diào)速為交流調(diào)速；

(3）在直流調(diào)速實(shí)現(xiàn)困難的場合應(yīng)用，如用于大容量、高速電動機(jī)車等。5.2交流異步電機(jī)基礎(chǔ)5.2.1交流異步電機(jī)工作原理如圖5-1所示，在恒定磁場內(nèi)，安放一個(gè)能夠自由轉(zhuǎn)動的圓柱形鐵芯轉(zhuǎn)子，在轉(zhuǎn)子上鑲有若干導(dǎo)條，導(dǎo)條兩端用導(dǎo)電環(huán)短接，形成電氣回路，這種轉(zhuǎn)子稱為鼠籠轉(zhuǎn)子。用外力旋轉(zhuǎn)磁鐵可以看到，和恒定磁場沒有機(jī)械連接的鼠籠轉(zhuǎn)子也一起轉(zhuǎn)動。圖5-1異步電動機(jī)作用原理我們知道，當(dāng)導(dǎo)體和磁場之間有相對運(yùn)動時(shí)，在導(dǎo)體中就產(chǎn)生電動勢。鼠籠轉(zhuǎn)子導(dǎo)條兩端用導(dǎo)電環(huán)短接，形成了電氣回路，導(dǎo)體中產(chǎn)生了電流，感應(yīng)電勢和感應(yīng)電流的方向按右手定則確定。流過電流的導(dǎo)條在磁場中將受到電磁力的作用，其受力方向按左手定則確定。因此，在圖5-1中，N極和S極下的導(dǎo)條都受到同一方向的電磁力作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子隨外力旋轉(zhuǎn)方向轉(zhuǎn)動，即轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向與磁場的旋轉(zhuǎn)方向相同。

轉(zhuǎn)子導(dǎo)體在旋轉(zhuǎn)磁場中產(chǎn)生感應(yīng)電流，而流過電流的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體在磁場中又受到電磁力的作用，從而使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動起來，這就是異步電機(jī)的工作原理。

當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等于旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速時(shí)，由于導(dǎo)體和磁場之間沒有相對運(yùn)動，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中無電流流動，導(dǎo)條在磁場中沒有受到電磁力的作用，所以轉(zhuǎn)子不會受力而運(yùn)動；當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速小于旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速時(shí)，由于導(dǎo)體和磁場之間有相對運(yùn)動，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中有電流流動，導(dǎo)條在磁場中受到電磁力的作用，所以轉(zhuǎn)子受力而運(yùn)動。顯然，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速低于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，這就是異步電動機(jī)“異步”名稱的由來。轉(zhuǎn)速差Δn=n0－n是表示異步電機(jī)工作狀態(tài)的重要參數(shù)，常用轉(zhuǎn)差率s表示異步的程度：式中,n0為旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速，n為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。由異步電機(jī)工作原理可知，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的工作范圍是0<n<n0，即0<s<1。

由于轉(zhuǎn)子不需要外接電源，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中的電勢和電流均是由旋轉(zhuǎn)磁場感應(yīng)產(chǎn)生的，因此又稱異步電機(jī)為感應(yīng)電機(jī)。（5-1）5.2.2交流異步電機(jī)組成異步電機(jī)主要由兩部分組成：靜止的定子組件和轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子組件。三相異步電機(jī)的種類很多，但各類三相異步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)是相同的，它們都由定子和轉(zhuǎn)子這兩大基本部分組成，在定子和轉(zhuǎn)子之間具有一定的氣隙，此外，還有端蓋、軸承、接線盒、吊環(huán)等其他附件，如圖5-2所示。圖5-2封閉式三相鼠籠型異步電動機(jī)結(jié)構(gòu)圖三相電動機(jī)外殼包括機(jī)座、端蓋、軸承、接線盒及吊環(huán)等部件。機(jī)座的作用是保護(hù)和固定三相電機(jī)的定子繞組。中、小型三相電動機(jī)的機(jī)座還有兩個(gè)端蓋支承著轉(zhuǎn)子，它是三相電機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的重要組成部分。通常，機(jī)座的外表要求散熱性能好，所以一般都鑄有散熱片。端蓋的作用是把轉(zhuǎn)子固定在定子內(nèi)腔中心，使轉(zhuǎn)子能夠在定子中均勻地旋轉(zhuǎn)。軸承蓋的作用是固定轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子不能軸向移動，另外起存放潤滑油和保護(hù)軸承的作用。接線盒的作用是保護(hù)和固定繞組的引出線端子。吊環(huán)安裝在機(jī)座的上端，用來起吊、搬抬三相電機(jī)。異步電機(jī)定子鐵芯是電動機(jī)磁路的一部分，由0.35～0.5mm厚、表面涂有絕緣漆的薄硅鋼片疊壓而成，如圖5-3所示。由于硅鋼片較薄而且片與片之間是絕緣的，所以減少了由于交變磁通通過而引起的鐵芯渦流損耗。鐵芯內(nèi)圓有均勻分布的槽口，用來嵌放定子繞組。圖5-3定子鐵芯及沖片示意圖（a）定子鐵芯；（b）定子沖片定子繞組是三相電機(jī)的電路部分。三相電機(jī)有三相繞組，三相繞組由三個(gè)彼此獨(dú)立的繞組組成，且每個(gè)繞組又由若干線圈連接而成。每個(gè)繞組即為一相，每個(gè)繞組在空間相差120°電角度。線圈由絕緣銅導(dǎo)線或絕緣鋁導(dǎo)線繞制。中、小型三相電機(jī)多采用圓漆包線；大、中型三相電動機(jī)的定子線圈則用較大截面的絕緣扁銅線或扁鋁線繞制后，再按一定規(guī)律嵌入定子鐵芯槽內(nèi)。定子三相繞組的六個(gè)出線端都引至接線盒上，首端分別標(biāo)為U1、V1、W1，末端分別標(biāo)為U2、V2、W2。這六個(gè)出線端在接線盒里的排列如圖5-4所示，可以接成星形或三角形。圖5-4定子繞組的連接(a）星形連接；（b）三角形連接轉(zhuǎn)子鐵芯是用0.5mm厚的硅鋼片疊壓而成的，套在轉(zhuǎn)軸上。轉(zhuǎn)子鐵芯的作用和定子鐵芯相同，一方面作為電動機(jī)磁路的一部分，一方面用來安放轉(zhuǎn)子繞組。異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組分為繞線型與籠型兩種，由此分為繞線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)與籠型異步電機(jī)。繞線型繞組也是三相繞組(u,v,w)，一般接成星形，三相引出線分別接到轉(zhuǎn)軸上三個(gè)與轉(zhuǎn)軸絕緣的集電環(huán)上，通過電刷裝置與外電路相連，這就有可能在轉(zhuǎn)子電路中串接電阻或電動勢以改善電機(jī)的運(yùn)行性能，見圖5-5。圖5-5繞線形轉(zhuǎn)子與外加變阻器的連接籠形繞組在轉(zhuǎn)子鐵芯的每一個(gè)槽中插入一根銅條，在銅條兩端各用一個(gè)銅環(huán)（稱為端環(huán)）把導(dǎo)條連接起來，稱為銅排轉(zhuǎn)子，如圖5-6（a）所示。也可用鑄鋁的方法，把轉(zhuǎn)子導(dǎo)條和端環(huán)風(fēng)扇葉片用鋁液一次澆鑄而成，稱為鑄鋁轉(zhuǎn)子，如圖5-6（b）所示。100kW以下的異步電機(jī)一般采用鑄鋁轉(zhuǎn)子。圖5-6籠形轉(zhuǎn)子繞組（a）銅排轉(zhuǎn)子；（b）鑄鋁轉(zhuǎn)子風(fēng)扇則用來通風(fēng)冷卻電機(jī)。三相異步電機(jī)的定子與轉(zhuǎn)子之間的空氣隙一般僅為0.2～1.5mm。氣隙太大，電機(jī)運(yùn)行時(shí)的功率因數(shù)降低；氣隙太小，使裝配困難，運(yùn)行不可靠，高次諧波磁場增強(qiáng)，從而使附加損耗增加，使啟動性能變差。5.2.3旋轉(zhuǎn)磁場三相異步電機(jī)轉(zhuǎn)子之所以會旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，是因?yàn)檗D(zhuǎn)子氣隙內(nèi)有一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場。下面來討論旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生。U1、U2、V1、V2、W1、W2為三相定子繞組，在空間彼此相隔120°，接成Y形。三相繞組的首端U1、V1、W1接在三相對稱電源上，有三相對稱電流通過三相繞組，三相電流如圖5-7所示。圖5-7三相電流波形設(shè)為了分析方便，假設(shè)電流為正值時(shí)，從繞組的始端流向末端；電流為負(fù)值時(shí)，從繞組的末端流向首端。根據(jù)右手定則，可畫出三相繞組的合成磁勢，參見圖5-8。（5-2）圖5-8旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生

(a)ωt=0;(b)ωt=π/2;(c)ωt=π;(d)當(dāng)ωt=0時(shí)，若每相繞組的匝數(shù)為W，則各相繞組的磁勢大小為各相繞組磁勢的方向根據(jù)右手螺旋定則確定，由圖5-8中所示的幾何關(guān)系可知，ωt=0時(shí)合成磁勢的方向是向下的，合成磁勢的大小為合成磁勢的方向如圖5-8（a）所示。（5-3）當(dāng)ωt=π/2時(shí),各相繞組的磁勢大小為合成磁勢的方向指向左方，示于圖5-8（b）中，其合成磁勢的大小為此時(shí)較前一個(gè)瞬時(shí)順逆時(shí)針轉(zhuǎn)過了π/2角度，但合成磁勢不變。（5-4）當(dāng)ωt=π時(shí)，,各相繞組的磁勢大小為合成磁勢的方向垂直向上，示于圖5-8（c）中。合成磁勢的大小為（5-5）此時(shí)又較前一個(gè)瞬時(shí)沿順時(shí)針轉(zhuǎn)過π/2角度，合成磁勢仍不變。當(dāng)ωt=3π/2時(shí)，可以用同樣的方法得到合成磁勢的大小仍為，方向較前一個(gè)瞬時(shí)沿順時(shí)針又轉(zhuǎn)過π/2角度。當(dāng)ωt=2π時(shí)，合成磁勢與ωt=0時(shí)相同。用數(shù)學(xué)表達(dá)式可以寫出在任意時(shí)刻的合成磁勢式中θ為定子繞組U與轉(zhuǎn)子繞組u的夾角。（5-6）根據(jù)上述分析可得如下結(jié)論：

(1)對稱三相電流分別通入對稱三相繞組，所形成的合成磁勢大小不變，都是一相磁勢的1.5倍，其矢端的軌跡是一個(gè)隨時(shí)間變化的圓，稱之為圓旋轉(zhuǎn)磁場。

(2)由圖5-8可以看出，當(dāng)對稱的三相電流按iU→iV→iW的順序加在對應(yīng)的三相繞組上時(shí)，旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向?yàn)轫槙r(shí)針方向，即旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向總是由通入超前電流的相繞組順次轉(zhuǎn)向通入滯后電流的相繞組。因此，如果三相繞組（U,W，V）通入電流的相序?yàn)閕U→iW→iV,則旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向就變?yōu)閁→W→V的逆時(shí)針方向了。因此，要想改變電機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向，只要改變?nèi)鄬ΨQ電流的相序就可以了。以上分析的是電機(jī)產(chǎn)生一對磁極時(shí)的情況。當(dāng)定子繞組連接形成的是兩對磁極時(shí)，運(yùn)用相同的方法可以分析出此時(shí)電流變化一個(gè)周期，磁場只轉(zhuǎn)動了半圈，即轉(zhuǎn)速減慢了一半。依此類推，當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁場具有np對磁極時(shí)（即磁極數(shù)為2np），交流電每變化一個(gè)周期，其旋轉(zhuǎn)磁場就在空間轉(zhuǎn)動1/np轉(zhuǎn)。因此，三相電動機(jī)定子旋轉(zhuǎn)磁場每分鐘的轉(zhuǎn)速n1、定子電流頻率f1及磁極對數(shù)np之間的關(guān)系是（5-7）5.2.4旋轉(zhuǎn)磁場對定子繞組的作用異步電機(jī)定子繞組是靜止不動的，定子繞組產(chǎn)生的磁勢以n1=60f/np的速度相對定子繞組旋轉(zhuǎn)，其中穿過氣隙與轉(zhuǎn)子繞組交鏈的叫主磁通Φ，只與定子繞組交鏈的叫定子漏磁通Φls。定子繞組的磁通如圖5-9所示。圖5-9主磁通Φ和定子漏磁通Φ1s由于旋轉(zhuǎn)磁場和定子繞組之間有相對運(yùn)動，旋轉(zhuǎn)磁場在定子的每相繞組中產(chǎn)生反電勢。由于，即旋轉(zhuǎn)磁場沿空間正弦分布，因而穿過定子繞組的磁通也隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化，即Φ=Φm

sinωt。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，這個(gè)交變的磁通在定子每相繞組中所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為定子每相繞組中所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢有效值為（5-8）由于在異步電機(jī)中，定子繞組的線圈是沿定子圓周均勻分布的，因此任意瞬間與不同線圈交鏈的磁通并不相等，這樣在每相繞組中所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢（等于各個(gè)線圈中感應(yīng)電勢之和）小于集中繞組的感應(yīng)電勢，因此要乘以小于1的系數(shù)Kw1，即Eg=4.44Kw1f1W1Φm式中:Kw1為定子繞組電勢基波的繞組系數(shù)，取決于定子繞組的結(jié)構(gòu),Kw1<1；f1為定子繞組感應(yīng)電勢的頻率，等于電源頻率；W1為定子每相繞組串聯(lián)的線圈匝數(shù)；Φm為主磁通的最大值。設(shè)Rm為一相定子繞組鐵損的等效電阻，Lm為一相定子繞組對主磁通的感抗，則定子繞組感應(yīng)電勢Eg可以復(fù)變量表示為

Eg(s)=Is(s)(Rm+sLm)（5-9）式中:s為復(fù)變量,令s=jω;Is為定子電流?，F(xiàn)在再來看看定子漏磁通Φls的作用。定子漏磁通和主磁通一樣也是交變的，其交變頻率就是電源頻率f1，由于Φls只交鏈定子繞組，因此它只在定子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電勢Elsg，把定子漏磁通Φls等效為定子漏電抗Xls，其值為Xls=ωLls=2πf1Lls

（5-10）式中,Lls為定子一相繞組的漏電感。圖5-10一相定子繞組的等效電路設(shè)定子繞組的導(dǎo)線電阻為Rs，則定子繞組的電壓降為定子電流與定子電阻乘積uls=IsRs，根據(jù)上述分析可得異步電動機(jī)定子一相繞組的等效電路，如圖5-10所示。可以寫出電壓平衡方程

Us(s)=Is(s)(Rs+sLls+Rm+sLm)（5-11）由于定子一相繞組的導(dǎo)線電阻Rs和漏電抗Lls都是較小的值，這兩部分的電壓和定子繞組感應(yīng)電勢Eg相比可以略去不計(jì)，所以異步電動機(jī)定子一相繞組的電壓平衡方程可寫為Us(s)=Is(s)(Rm+sLm)=Eg(s)在數(shù)值上

Us≈Eg=4.44Kw1f1W1Φm（5-12）即在U1恒定的情況下，感應(yīng)電勢E1和產(chǎn)生感應(yīng)電勢的磁通Φm是基本不變的，即磁通Φm的大小取決于外加電壓。5.2.5旋轉(zhuǎn)磁場對轉(zhuǎn)子繞組的作用異步電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組和旋轉(zhuǎn)磁場之間的相對轉(zhuǎn)速是Δn=n0－n

（5-13）式中,n0為旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，也稱為同步轉(zhuǎn)速；n為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，也稱為電機(jī)轉(zhuǎn)速，它小于n0，并且和n0轉(zhuǎn)向相同。旋轉(zhuǎn)磁場切割轉(zhuǎn)子繞組的速度為Δn=n0－n=60f2/np，轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電勢的頻率為

（5-14）式中,s為轉(zhuǎn)差率，異步電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子的速度與旋轉(zhuǎn)磁場的速度十分接近，即轉(zhuǎn)差率s很小。轉(zhuǎn)子繞組所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢有效值為

Er=4.44f2W2Kw2Φm=4.44sf1W2Kw2Φm（5-15）式中,W2為轉(zhuǎn)子一相繞組匝數(shù);Kw2為轉(zhuǎn)子繞組電勢的繞組系數(shù)，Kw2<1。圖5-11一相轉(zhuǎn)子繞組的等效電路從式(5-15)中可以看出，當(dāng)電源頻率和電壓不變時(shí)，轉(zhuǎn)子的相電勢隨轉(zhuǎn)差率s而變化。設(shè)Rr為一相轉(zhuǎn)子繞組的等效電阻，Llr為一相轉(zhuǎn)子繞組的漏感抗，則轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電勢Er可以復(fù)變量表示為

Er(s)=Is(s)(Rr+sLlr)（5-16）式中,s為復(fù)變量,s=jω。異步電動機(jī)一相轉(zhuǎn)子繞組的等效電路如圖5-11所示。5.2.6轉(zhuǎn)子和定子電路之間的關(guān)系在定子繞組中通入對稱的三相交流電，就在空間產(chǎn)生了定子旋轉(zhuǎn)磁場。定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向由定子電流的相序決定，轉(zhuǎn)子電流的相序由定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向決定，即轉(zhuǎn)子電流與定子電流的相序一致。定子旋轉(zhuǎn)磁場對定子的轉(zhuǎn)速由f1決定:n0=60f1/np。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場對轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速取決于f2，Δn=60f2/np=60f1s/np=sn0，轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速n在空間旋轉(zhuǎn)，所以轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場對定子的轉(zhuǎn)速Δn+n=n0

（5-17）即轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場對定子的轉(zhuǎn)速也是同步轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)子電流頻率f2的大小僅影響轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場相對轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，而轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場相對定子的轉(zhuǎn)速永遠(yuǎn)是同步轉(zhuǎn)速n0，與f2的大小無關(guān)。也就是說，在電機(jī)中，定子繞組產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子繞組也產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場，這兩個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場都相對定子以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，因此，異步電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子氣隙中的旋轉(zhuǎn)磁場是這兩個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場的疊加。把電機(jī)作為次級繞組短路的變壓器，把變壓器次級繞組折合到原邊，首先必須把轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電勢Er的頻率f2折合為頻率f1:

（5-18）由式（5-8）和式（5-15）可得有效值之比（假定定子繞組電勢基波的繞組系數(shù)和轉(zhuǎn)子繞組電勢基波的繞組系數(shù)相等）:式中,N為變壓器副邊與原邊匝數(shù)之比。電機(jī)的等效電路如圖5-12所示。圖中Is為定子電流，I0為鐵損電流，為折算后的轉(zhuǎn)子電流。圖5-12異步電機(jī)一相繞組等效電路考慮到鐵損Rm較小，可忽略不計(jì)。令，可得圖5-13異步電機(jī)一相繞組等效電路的等值電路。

Eg——?dú)庀?或互感)磁通在定子每相繞組中的感應(yīng)電動勢；

Es——定子全磁通在定子每相繞組中的感應(yīng)電動勢；

Er——轉(zhuǎn)子全磁通在轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電動勢(折合到定子邊)圖5-13異步電機(jī)一相繞組等效電路的等值電路5.2.7異步電機(jī)的功率及轉(zhuǎn)矩表達(dá)式異步電機(jī)的輸入功率為

P1=m1U1I1cosφ1

（5-19）式中,m1為相數(shù)；U1為相電壓的有效值；I1為相電流的有效值；φ1為相電壓和相電流的相位角。定子銅耗（定子繞組的銅損）為定子鐵芯中由于磁滯和渦流而產(chǎn)生的發(fā)熱損耗統(tǒng)稱為鐵損，其大小為轉(zhuǎn)子的電磁功率式中,為折算后的轉(zhuǎn)子電流有效值；φ2為Eg與之間的相位角。（5-20）（5-21）（5-22）轉(zhuǎn)子的電磁功率還可以用下式表達(dá)（設(shè)N=1）:

電磁轉(zhuǎn)矩（5-23）（5-24）

式中:為轉(zhuǎn)子繞組的功率因數(shù)。由式（5-24）可知，電磁轉(zhuǎn)矩的大小與主磁通Φm及轉(zhuǎn)子電流的有功分量成正比。這個(gè)表達(dá)式使用非常不便，這是由于計(jì)算時(shí)不僅需要知道主磁通Φm，而且要知道轉(zhuǎn)子電流的有功分量。由式（5-23）的電磁功率表達(dá)式得

由圖5-12可以得到轉(zhuǎn)子電流（5-25）（5-26）代入式(5-25)，得電磁轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式式中,m1為交流電源相數(shù)。從式（5-27）可以看出，當(dāng)電源一定時(shí)，即外加電壓us和電源頻率不變時(shí)，電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩是轉(zhuǎn)差率s的函數(shù)。（5-27）（5-28）5.3交流調(diào)速的基本方法由式（5-1）和式（5-7）可得三相異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速公式為式中：f1為定子供電頻率；s為轉(zhuǎn)差率；n0為同步轉(zhuǎn)速，n0=60f1/np。從式（5-28）可知，異步電機(jī)的調(diào)速方法有：改變供電頻率f1,改變電動機(jī)的極對數(shù)p及改變轉(zhuǎn)差率S。從調(diào)速的本質(zhì)來看，不同的調(diào)速方式無非是改變交流電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速或不改變同步轉(zhuǎn)速兩種。在生產(chǎn)機(jī)械中廣泛使用的不改變同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法有：繞線式電機(jī)的轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，斬波調(diào)速，串級調(diào)速，以及應(yīng)用電磁轉(zhuǎn)差離合器、液力耦合器、油膜離合器等調(diào)速。改變同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法有：應(yīng)用改變定子極對數(shù)的多速電機(jī)，改變定子電壓、頻率的變頻調(diào)速等。從調(diào)速時(shí)的能耗觀點(diǎn)來看，有高效調(diào)速方法與低效調(diào)速方法兩種。高效調(diào)速時(shí)轉(zhuǎn)差率不變，因此無轉(zhuǎn)差損耗，多速電機(jī)調(diào)速、變頻調(diào)速以及能將轉(zhuǎn)差損耗回收的調(diào)速方法等均屬高效調(diào)速。有轉(zhuǎn)差損耗的調(diào)速方法屬低效調(diào)速，如轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方法，能量就損耗在轉(zhuǎn)子回路中；電磁離合器的調(diào)速方法，能量損耗在離合器線圈中；液力耦合器調(diào)速，能量損耗在液力耦合器的油中。一般來說，轉(zhuǎn)差損耗隨調(diào)速范圍擴(kuò)大而增加，如果調(diào)速范圍不大，則能量損耗是很小的。5.3.1變極對數(shù)調(diào)速方法變極對數(shù)調(diào)速方法用改變定子繞組的接線方式來改變籠形電動機(jī)定子極對數(shù)，以達(dá)到調(diào)速目的。這種調(diào)速方法的特點(diǎn)如下：

(1)具有較硬的機(jī)械特性，穩(wěn)定性良好。

(2)無轉(zhuǎn)差損耗，效率高。

(3)接線簡單，控制方便，價(jià)格低。

(4)有級調(diào)速，級差較大，不能獲得平滑調(diào)速。

(5)可以與調(diào)壓調(diào)速、電磁轉(zhuǎn)差離合器配合使用，獲得較高效率的平滑調(diào)速特性。此方法適用于不需要無級調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械，如金屬切削機(jī)床、升降機(jī)、起重設(shè)備、風(fēng)機(jī)、水泵等。5.3.2變頻調(diào)速方法變頻調(diào)速是改變電動機(jī)定子電源的頻率，從而改變其同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法。變頻調(diào)速系統(tǒng)的主要設(shè)備是提供變頻電源的變頻器。變頻器可分成交流－直流－交流變頻器和交流－交流變頻器兩大類，目前國內(nèi)大都使用交流—直流—交流變頻器，其控制方法可分為標(biāo)量控制、矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制。變頻調(diào)速的特點(diǎn)如下：

(1)效率高，調(diào)速過程中沒有附加損耗。

(2)應(yīng)用范圍廣，可用于籠形異步電動機(jī)。

(3)調(diào)速范圍大，機(jī)械特性硬，精度高。

(4)技術(shù)復(fù)雜，造價(jià)高，維護(hù)檢修困難。變頻調(diào)速方法適用于要求精度高、調(diào)速性能較好的場合。變頻調(diào)速是目前應(yīng)用較為廣泛的調(diào)速方法，詳見后面相關(guān)章節(jié)的介紹。5.3.3變轉(zhuǎn)差率調(diào)速的主要方法變轉(zhuǎn)差率調(diào)速的主要方法有串級調(diào)速、繞線式電動機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速和定子調(diào)壓調(diào)速。

1.串級調(diào)速串級調(diào)速是指在繞線式電動機(jī)轉(zhuǎn)子回路中串入可調(diào)節(jié)的附加電勢來改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)差，達(dá)到調(diào)速的目的。大部分轉(zhuǎn)差功率被串入的附加電勢所吸收，也可以把吸收的轉(zhuǎn)差功率返回電網(wǎng)或轉(zhuǎn)換成能量加以利用。根據(jù)轉(zhuǎn)差功率吸收利用方式，串級調(diào)速可分為電機(jī)串級調(diào)速、機(jī)械串級調(diào)速及晶閘管串級調(diào)速。串級調(diào)速方法適合于風(fēng)機(jī)、水泵及軋鋼機(jī)、礦井提升機(jī)、擠壓機(jī)等機(jī)械。串級調(diào)速在第9章將詳細(xì)講述。

2.繞線式電動機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速繞線式異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子串入附加電阻，使電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率加大，電動機(jī)在較低的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。串入的電阻越大，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速越低。此方法設(shè)備簡單，控制方便，但轉(zhuǎn)差功率以發(fā)熱的形式消耗在電阻上，屬有級調(diào)速，機(jī)械特性較軟。

3.定子調(diào)壓調(diào)速當(dāng)改變電動機(jī)的定子電壓時(shí)，可以得到一組不同的機(jī)械特性曲線，從而獲得不同轉(zhuǎn)速。由于電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩與電壓平方成正比，因此低速時(shí)最大轉(zhuǎn)矩下降很多。定子調(diào)壓調(diào)速的調(diào)速范圍較小，使一般籠形電動機(jī)難以應(yīng)用。為了擴(kuò)大調(diào)速范圍，調(diào)壓調(diào)速應(yīng)采用轉(zhuǎn)子電阻值較大的籠形電動機(jī)，如專供調(diào)壓調(diào)速用的力矩電動機(jī)，或者在繞線式電動機(jī)上串聯(lián)頻敏電阻。為了擴(kuò)大穩(wěn)定運(yùn)行范圍，調(diào)速范圍在2∶1以上的場合應(yīng)采用反饋控制以達(dá)到自動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的目的。調(diào)壓調(diào)速的主要裝置是一個(gè)能提供電壓變化的電源，目前常用的調(diào)壓裝置有串聯(lián)飽和電抗器、自耦變壓器以及晶閘管調(diào)壓等。晶閘管調(diào)壓方式最佳。調(diào)壓調(diào)速的特點(diǎn)是：

(1)調(diào)壓調(diào)速線路簡單，易實(shí)現(xiàn)自動控制。

(2)調(diào)壓過程中轉(zhuǎn)差功率以發(fā)熱形式消耗在轉(zhuǎn)子電阻中，效率較低。

(3)調(diào)壓調(diào)速一般適用于100kW以下的生產(chǎn)機(jī)械。變壓調(diào)速是異步電動機(jī)調(diào)速方法中比較簡便的一種。由式（5-27）可知，電磁轉(zhuǎn)矩Tem與定子電壓Us的平方成正比，因此，改變定子外加電壓就可以改變機(jī)械特性的函數(shù)關(guān)系，從而改變電動機(jī)在一定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下的轉(zhuǎn)速。目前，交流調(diào)壓器一般有兩種方法。其一是用三對晶閘管反并聯(lián)或三個(gè)雙向晶閘管分別串接在三相電路中，主電路接法有多種方案，用相位控制改變輸出電壓；其二是周期控制，即在電壓零點(diǎn)時(shí)控制電源導(dǎo)通和關(guān)斷，用不同的電源周期調(diào)節(jié)平均電壓。兩種調(diào)壓方法的波形示于圖5-14?？刂凭чl管相位角調(diào)整電壓的方法應(yīng)用較為廣泛。圖5-14晶閘管交流調(diào)壓器變壓調(diào)速(TVC)及其控制方式圖5-15為采用晶閘管反并聯(lián)的異步電機(jī)調(diào)壓控制。其中，晶閘管1~6控制電動機(jī)正轉(zhuǎn)運(yùn)行；反轉(zhuǎn)時(shí)，可由晶閘管1、4和7~10提供逆相序電源，同時(shí)也可用于反接制動。當(dāng)需要能耗制動時(shí)，可以根據(jù)制動電路的要求選擇某幾個(gè)晶閘管不對稱地工作，例如讓1、2、6三個(gè)器件導(dǎo)通，其余均關(guān)斷，就可使定子繞組中流過半波直流電流，對旋轉(zhuǎn)的電機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生制動作用。必要時(shí)，還可以在制動電路中串入電阻以限制制動電流。圖5-15調(diào)壓控制電路再次寫出電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式（5-27），令m1=3,則這就是異步電動機(jī)的機(jī)械特性方程式。它表明，當(dāng)轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)差率一定時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩與定子電壓的平方成正比。這樣，不同電壓下的機(jī)械特性如圖5-16所示，圖中，UsN表示額定定子電壓。（5-29）圖5-16不同電壓下的機(jī)械特性將式（5-29）對s求導(dǎo)，并令dTem/ds=0，可求出對應(yīng)于最大轉(zhuǎn)矩時(shí)的靜差率和最大轉(zhuǎn)矩（5-30）（5-31）根據(jù)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行條件可知,在圖5-16中，帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載TL工作時(shí)，普通籠形異步電動機(jī)變電壓時(shí)的穩(wěn)定工作點(diǎn)為A、B、C，轉(zhuǎn)差率s的變化范圍不超過0~Sm，調(diào)速范圍有限。如果帶風(fēng)機(jī)類負(fù)載運(yùn)行，則穩(wěn)定工作點(diǎn)為D、E、F，調(diào)速范圍可以稍大一些。采用普通異步電動機(jī)的變電壓調(diào)速時(shí)，調(diào)速范圍很窄。除了調(diào)壓調(diào)速外，異步電動機(jī)的變壓控制在軟啟動器和輕載降壓節(jié)能運(yùn)行中也得到了廣泛的應(yīng)用。常用的三相異步電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格便宜，而且性能良好，運(yùn)行可靠。對于小容量電動機(jī)，只要供電網(wǎng)絡(luò)和變壓器的容量足夠大（一般要求比電機(jī)容量大4倍以上），而供電線路并不太長（啟動電流造成的瞬時(shí)電壓降低于10%~15%），可以直接通電啟動，操作也很簡便。對于容量大一些的電動機(jī)，問題就不這么簡單了。在式（5-26）和式（5-29）中已導(dǎo)出異步電動機(jī)的電流和轉(zhuǎn)矩方程式，啟動時(shí)，s=1，因此啟動電流和啟動轉(zhuǎn)矩分別為(5-32)(5-33)由以上兩式不難看出，在一般情況下，三相異步電動機(jī)的啟動電流比較大，而啟動轉(zhuǎn)矩并不大。中、大容量電動機(jī)的啟動電流大，會使電網(wǎng)壓降過大，影響其他用電設(shè)備的正常運(yùn)行，甚至使該電動機(jī)本身根本啟動不起來。這時(shí)，必須采取措施來降低其啟動電流，常用的辦法是降壓啟動。由式（5-32）可知，當(dāng)電壓降低時(shí)，啟動電流將隨電壓成正比地降低，從而可以避開啟動電流的沖擊。但是，式（5-33）又表明，啟動轉(zhuǎn)矩與電壓的平方成正比，啟動轉(zhuǎn)矩的減小將比啟動電流的降低更快，降壓啟動時(shí)又會出現(xiàn)啟動轉(zhuǎn)矩不夠的問題。為了避免出現(xiàn)此問題，降壓啟動只適用于中、大容量電動機(jī)空載（或輕載）啟動的場合。傳統(tǒng)的降壓啟動方法有：星-三角（Y-△）啟動、定子串電阻或電抗啟動、自耦變壓器（又稱啟動補(bǔ)償器）降壓啟動等。它們都是一級降壓啟動，啟動過程中電流有兩次沖擊，其幅值都比直接啟動電流低，而啟動過程時(shí)間略長，如圖5-17所示，縱坐標(biāo)I1/I1N

為最大電流和額定電流之比。圖5-17異步電動機(jī)的啟動過程與電流沖擊帶電流閉環(huán)的電子控制軟啟動器可以限制啟動電流并保持恒值，直到轉(zhuǎn)速升高后電流自動衰減下來,啟動時(shí)間也比一級降壓啟動時(shí)間短。主電路采用晶閘管交流調(diào)壓器，連續(xù)改變其輸出電壓來保證恒流啟動，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)可用接觸器使晶閘管旁路，以免晶閘管長期工作。根據(jù)啟動時(shí)所帶負(fù)載的大小，可以調(diào)整啟動電流以獲得最佳的啟動效果，但無論如何調(diào)整，都不宜于滿載啟動。負(fù)載略重或靜摩擦轉(zhuǎn)矩較大時(shí)，可在啟動時(shí)突加短時(shí)的脈沖電流，以縮短啟動時(shí)間。軟啟動的功能同樣也可以用于制動，以實(shí)現(xiàn)軟停車。5.4逆變器的分類及指標(biāo)5.4.1直接變換所謂直接變換，就是交流輸入通過開關(guān)器件與輸出連接，通過開關(guān)器件的通斷控制，得到同頻率或不同頻率的輸出交流波形。不改變輸出頻率的直接變換器稱為交流控制器；改變輸出頻率的直接變換器稱為周波變換器（Cycloconverter），又稱為交/交變換（或AC-AC變換）。周波變換器的輸出頻率遠(yuǎn)低于輸入頻率，一般取輸入交流頻率的1/n，n一般取整數(shù)。周波變換器一般采用晶閘管反并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，或采用雙向晶閘管，通過自然換相關(guān)斷晶閘管。直接變換通常應(yīng)用于大功率（大于100kW）工業(yè)設(shè)備。常用的交/交變壓變頻器輸出的每一相都是一個(gè)正、反兩組晶閘管可控整流裝置反并聯(lián)的可逆線路。也就是說，每一相都相當(dāng)于一套直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的反并聯(lián)可逆線路，如圖5-18(a)所示。圖5-18交/交變壓變頻器每一相的可逆線路及正反組工作順序正、反兩組晶閘管按一定周期相互切換，在負(fù)載上就獲得交變的輸出電壓u0。u0的幅值取決于各組可控整流裝置的控制角α，u0的頻率取決于正、反兩組整流裝置的切換頻率。如果控制角一直不變，則輸出平均電壓是方波，如圖5-18(b)所示。要獲得正弦波輸出，就必須在每一組整流裝置導(dǎo)通期間不斷改變其控制角。例如，在正向組導(dǎo)通的半個(gè)周期中，使控制角α由π/2（對應(yīng)于平均電壓u0=0）逐漸減小到0（對應(yīng)于u0最大），然后再逐漸增加到π/2（u0再變?yōu)?），如圖5-19所示。當(dāng)α角按正弦規(guī)律變化時(shí)，半周中的平均輸出電壓即為圖中虛線所示的正弦波。對反向組負(fù)半周的控制類同。圖5-20是單相交/交變頻電路輸出電壓和電流的波形圖。圖5-19單相正弦波輸出電壓波形圖5-20單相交/交變頻電路輸出電壓和電流波形交/交變頻電路主要應(yīng)用于大功率交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，使用的是三相交/交變頻電路,由三組輸出電壓相位各差120°的單相交/交變頻電路組成，因此前面的許多分析和結(jié)論對三相交/交變頻電路也適用。三相交/交變頻電路可以由三個(gè)單相交/交變頻電路組成，如果每組可控整流裝置都用橋式電路，含6個(gè)晶閘管（當(dāng)每一橋臂都是單管時(shí)），則三相可逆線路共需36個(gè)晶閘管，即使采用零式電路也需18個(gè)晶閘管。因此，這樣的交/交變壓變頻器雖然在結(jié)構(gòu)上只有一個(gè)變換環(huán)節(jié)，省去了中間直流環(huán)節(jié)，看似簡單，但所用的器件數(shù)量卻很多，總體設(shè)備相當(dāng)龐大。不過這些設(shè)備都是直流調(diào)速系統(tǒng)中常用的可逆整流裝置，其技術(shù)和制造工藝都很成熟。這類交/交變頻器的缺點(diǎn)是輸入功率因數(shù)較低，諧波電流含量大，頻譜復(fù)雜，因此須配置諧波濾波和無功補(bǔ)償設(shè)備。交/交變頻器的最高輸出頻率不超過電網(wǎng)頻率的1/3~1/2，一般主要用于軋機(jī)主傳動、球磨機(jī)、水泥回轉(zhuǎn)窯等大容量、低轉(zhuǎn)速的調(diào)速系統(tǒng)，供電給低速電機(jī)直接傳動時(shí)可以省去龐大的齒輪減速箱。近年來又出現(xiàn)了一種采用全控型開關(guān)器件的矩陣式交/交變壓變頻器，其控制方式類似于PWM控制方式，輸出電壓和輸入電流的低次諧波都較小，輸入功率因數(shù)可調(diào)，能量可雙向流動，以獲得四象限運(yùn)行。但當(dāng)輸出電壓必須為正弦波時(shí)，矩陣式交/交變壓變頻器的最大輸出輸入電壓比只有0.866。