電力拖動控制線路與技能訓(xùn)練課件-概要

第2篇電力拖動自動控制系統(tǒng)交流拖動控制系統(tǒng)1第2篇電力拖動自動控制系統(tǒng)交流拖動控制系統(tǒng)1內(nèi)容提要概述直流與交流調(diào)速系統(tǒng)對比交流調(diào)速系統(tǒng)分類對比按異步電動機的能量轉(zhuǎn)換類型分類2內(nèi)容提要概述2概述

直流電力拖動和交流電力拖動在19世紀(jì)先后誕生。在20世紀(jì)上半葉的年代里，鑒于直流拖動具有優(yōu)越的調(diào)速性能，高性能可調(diào)速拖動都采用直流電機，而約占電力拖動總?cè)萘?0%以上的不變速拖動系統(tǒng)則采用交流電機，這種分工在一段時期內(nèi)已成為一種舉世公認(rèn)的格局。交流調(diào)速系統(tǒng)的多種方案雖然早已問世，并已獲得實際應(yīng)用，但其性能卻始終無法與直流調(diào)速系統(tǒng)相匹敵。3概述直流電力拖動和交

直到20世紀(jì)60~70年代，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，使得采用電力電子變換器的交流拖動系統(tǒng)得以實現(xiàn)，特別是大規(guī)模集成電路和計算機控制的出現(xiàn)，高性能交流調(diào)速系統(tǒng)便應(yīng)運而生，一直被認(rèn)為是天經(jīng)地義的交直流拖動按調(diào)速性能分工的格局終于被打破了。4直到20世紀(jì)60~70年代，這時，直流電機具有電刷和換相器因而必須經(jīng)常檢查維修、換向火花使直流電機的應(yīng)用環(huán)境受到限制、以及換向能力限制了直流電機的容量和速度等缺點日益突出起來，用交流可調(diào)拖動取代直流可調(diào)拖動的呼聲越來越強烈，交流拖動控制系統(tǒng)已經(jīng)成為當(dāng)前電力拖動控制的主要發(fā)展方向。5這時，直流電機具有電刷和換相器因而必交流拖動控制系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域主要有三個方面：一般性能的節(jié)能調(diào)速

高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)

特大容量、極高轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速

6交流拖動控制系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域主要有三個方面：61.一般性能的節(jié)能調(diào)速

在過去大量的所謂“不變速交流拖動”中，風(fēng)機、水泵等通用機械的容量幾乎占工業(yè)電力拖動總?cè)萘康囊话胍陨?，其中有不少場合并不是不需要調(diào)速，只是因為過去的交流拖動本身不能調(diào)速，不得不依賴擋板和閥門來調(diào)節(jié)送風(fēng)和供水的流量，因而把許多電能白白地浪費了。71.一般性能的節(jié)能調(diào)速在一般性能的節(jié)能調(diào)速（續(xù)）如果換成交流調(diào)速系統(tǒng)，把消耗在擋板和閥門上的能量節(jié)省下來，每臺風(fēng)機、水泵平均都可以節(jié)約20~30%以上的電能，效果是很可觀的。但風(fēng)機、水泵的調(diào)速范圍和對動態(tài)快速性的要求都不高，只需要一般的調(diào)速性能。8一般性能的節(jié)能調(diào)速（續(xù)）如果換成交流2.高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)許多在工藝上需要調(diào)速的生產(chǎn)機械過去多用直流拖動，鑒于交流電機比直流電機結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、工作可靠、維護(hù)方便、慣量小、效率高，如果改成交流拖動，顯然能夠帶來不少的效益。但是，由于交流電機原理上的原因，其電磁轉(zhuǎn)矩難以像直流電機那樣通過電樞電流施行靈活的實時控制。92.高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)20世紀(jì)70年代初發(fā)明了矢量控制技術(shù)，或稱磁場定向控制技術(shù)，通過坐標(biāo)變換，把交流電機的定子電流分解成轉(zhuǎn)矩分量和勵磁分量，用來分別控制電機的轉(zhuǎn)矩和磁通，就可以獲得和直流電機相仿的高動態(tài)性能，從而使交流電機的調(diào)速技術(shù)取得了突破性的進(jìn)展。高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)（續(xù)）1020世紀(jì)70年代初發(fā)明了矢量控制技術(shù)高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)（續(xù)）其后，又陸續(xù)提出了直接轉(zhuǎn)矩控制、解耦控制等方法，形成了一系列可以和直流調(diào)速系統(tǒng)媲美的高性能交流調(diào)速系統(tǒng)和交流伺服系統(tǒng)。11高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)（續(xù)）其后，又陸3.特大容量、極高轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速直流電機的換向能力限制了它的容量轉(zhuǎn)速積不超過106kW

·r/min，超過這一數(shù)值時，其設(shè)計與制造就非常困難了。交流電機沒有換向器，不受這種限制，因此，特大容量的電力拖動設(shè)備，如厚板軋機、礦井卷揚機等，以及極高轉(zhuǎn)速的拖動，如高速磨頭、離心機等，都以采用交流調(diào)速為宜。123.特大容量、極高轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速直

交流調(diào)速系統(tǒng)的主要類型

交流電機主要分為異步電機（即感應(yīng)電機）和同步電機兩大類，每類電機又有不同類型的調(diào)速系統(tǒng)。

現(xiàn)有文獻(xiàn)中介紹的異步電機調(diào)速系統(tǒng)種類繁多，可按照不同的角度進(jìn)行分類。13交流調(diào)速系統(tǒng)的主要類型交流電機主要分為直流與交流調(diào)速系統(tǒng)對比14直流與交流調(diào)速系統(tǒng)對比14式中，氣隙磁通Φm由定子電流和轉(zhuǎn)子電流共同產(chǎn)生；轉(zhuǎn)子電流Ir與Φm相互耦合，且很難測量；轉(zhuǎn)子回路功率因數(shù)cosφr與負(fù)載有關(guān)，這是一個多變量的非線性系統(tǒng)，動態(tài)中很難施加控制。直流電動機與交流電動機的比較（1）調(diào)速性能它勵直流電動機的轉(zhuǎn)矩公式可以看出，如果Φm恒定（只要勵磁電流If恒定），轉(zhuǎn)矩與電樞電流成正比，這是一個線性的單輸入單輸出系統(tǒng)，容易控制。既適用于穩(wěn)態(tài)，也適用于動態(tài)。異步電動機的轉(zhuǎn)矩公式以上簡短分析表明，就調(diào)速動態(tài)性能而論，直流電動機優(yōu)于交流電動機。15式中，氣隙磁通Φm由定子電流和轉(zhuǎn)子電流共同產(chǎn)生；轉(zhuǎn)子電流Ir

表1直流電動機的缺點比較內(nèi)容直流電動機交流電動機結(jié)構(gòu)與制造有電刷，制造復(fù)雜無電刷，結(jié)構(gòu)簡單重量/功率≈2

<1體積/功率≈21最大容量12~14MW（雙電樞）幾十MW最大轉(zhuǎn)速<10000r/min數(shù)萬r/min最高電樞電壓1kV

6~10kV使用環(huán)境非易燃易爆要求低維護(hù)較多較少制造成本高低（2）其它性能調(diào)速性能之外則是交流異步電動機全面優(yōu)于直流電動機16表1直流電動機的缺點（2）其它性基于動態(tài)數(shù)學(xué)模型的矢量控制技術(shù)。2．交流電動機調(diào)速的技術(shù)突破交流電機調(diào)速技術(shù)上的突破從上一世紀(jì)70年代開始,主要表現(xiàn)在以下幾個方面：全控型電力電子器件問世及其技術(shù)日趨成熟；大規(guī)模集成電路的應(yīng)用;脈沖調(diào)寬（PWM）技術(shù)應(yīng)用到交流調(diào)速;172．交流電動機調(diào)速的技術(shù)突破全控型電力電子器件問世及其技術(shù)按電動機的調(diào)速方法分類常見的交流調(diào)速方法有：①降電壓調(diào)速；②轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速；③轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速；④繞線電機串級調(diào)速或雙饋電機調(diào)速；⑤變極對數(shù)調(diào)速；⑥變壓變頻調(diào)速等等。18按電動機的調(diào)速方法分類常見的交流調(diào)速方法有：183．交流電動機調(diào)速的方法（1）異步電動機的調(diào)速方法異步電機的轉(zhuǎn)速表達(dá)式

（r/min）

（r/min）

調(diào)轉(zhuǎn)差率s

—效率最差的調(diào)速方法，但是技術(shù)簡單。可見，異步電機有三種調(diào)速方法：調(diào)定子頻率f1

—可以在寬廣的范圍內(nèi)連續(xù)、平滑、高效率地調(diào)速，是最有效的調(diào)速方法。調(diào)極對數(shù)np

—可以在二種或三種速度之間切換,調(diào)速不平滑，但高效率。193．交流電動機調(diào)速的方法（r/min）調(diào)轉(zhuǎn)差率s—效率最

（2）同步電動機的調(diào)速方法同步電動機的轉(zhuǎn)速公式

（r/min）

同步電動機有二種調(diào)速方法：調(diào)頻率f1—主要的調(diào)速方法調(diào)極對數(shù)np—很少采用20（2）同步電動機的調(diào)速方法同步電動機有二種調(diào)速方法：20在研究開發(fā)階段，人們從多方面探索調(diào)速的途徑，因而種類繁多是很自然的?，F(xiàn)在交流調(diào)速的發(fā)展已經(jīng)比較成熟，為了深入掌握其基本原理，就不能滿足于這種表面上的羅列，而要進(jìn)一步探討其本質(zhì)，認(rèn)識交流調(diào)速的基本規(guī)律。21在研究開發(fā)階段，人們從多方面探索調(diào)速的途~按異步電動機的能量轉(zhuǎn)換類型分類

按照交流異步電機的原理，從定子傳入轉(zhuǎn)子的電磁功率可分成兩部分：一部分是拖動負(fù)載的有效功率，稱作機械功率；另一部分是傳輸給轉(zhuǎn)子電路的轉(zhuǎn)差功率，與轉(zhuǎn)差率s成正比。PmechPmPs22~按異步電動機的能量轉(zhuǎn)換類型分類按照交即Pm=Pmech+Ps

Pmech=(1–s)Pm

Ps=sPm從能量轉(zhuǎn)換的角度上看，轉(zhuǎn)差功率是否增大，是消耗掉還是得到回收，是評價調(diào)速系統(tǒng)效率高低的標(biāo)志。從這點出發(fā)，可以把異步電機的調(diào)速系統(tǒng)分成三類。23即Pm=Pmech+1.轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速系統(tǒng)

這種類型的全部轉(zhuǎn)差功率都轉(zhuǎn)換成熱能消耗在轉(zhuǎn)子回路中，上述的第①、②、③三種調(diào)速方法都屬于這一類。在三類異步電機調(diào)速系統(tǒng)中，這類系統(tǒng)的效率最低，而且越到低速時效率越低，它是以增加轉(zhuǎn)差功率的消耗來換取轉(zhuǎn)速的降低的（恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時）。可是這類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)備成本最低，所以還有一定的應(yīng)用價值。241.轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速系統(tǒng)這種2.轉(zhuǎn)差功率饋送型調(diào)速系統(tǒng)在這類系統(tǒng)中，除轉(zhuǎn)子銅損外，大部分轉(zhuǎn)差功率在轉(zhuǎn)子側(cè)通過變流裝置饋出或饋入，轉(zhuǎn)速越低，能饋送的功率越多，上述第④種調(diào)速方法屬于這一類。無論是饋出還是饋入的轉(zhuǎn)差功率，扣除變流裝置本身的損耗后，最終都轉(zhuǎn)化成有用的功率，因此這類系統(tǒng)的效率較高，但要增加一些設(shè)備。252.轉(zhuǎn)差功率饋送型調(diào)速系統(tǒng)在這類3.轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速系統(tǒng)在這類系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)差功率只有轉(zhuǎn)子銅損，而且無論轉(zhuǎn)速高低，轉(zhuǎn)差功率基本不變，因此效率更高，上述的第⑤、⑥兩種調(diào)速方法屬于此類。其中變極對數(shù)調(diào)速是有級的，應(yīng)用場合有限。只有變壓變頻調(diào)速應(yīng)用最廣，可以構(gòu)成高動態(tài)性能的交流調(diào)速系統(tǒng)，取代直流調(diào)速；但在定子電路中須配備與電動機容量相當(dāng)?shù)淖儔鹤冾l器，相比之下，設(shè)備成本最高。

263.轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速系統(tǒng)在這類系統(tǒng)同步電機的調(diào)速

同步電機沒有轉(zhuǎn)差，也就沒有轉(zhuǎn)差功率，所以同步電機調(diào)速系統(tǒng)只能是轉(zhuǎn)差功率不變型（恒等于0）的，而同步電機轉(zhuǎn)子極對數(shù)又是固定的，因此只能靠變壓變頻調(diào)速，沒有像異步電機那樣的多種調(diào)速方法。在同步電機的變壓變頻調(diào)速方法中，從頻率控制的方式來看，可分為他控變頻調(diào)速和自控變頻調(diào)速兩類。27同步電機的調(diào)速同步電機沒有轉(zhuǎn)差，也籠型異步電機變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)（VVVF系統(tǒng)）——轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速系統(tǒng)電力拖動自動控制系統(tǒng)第5章28籠型異步電機變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)（VVVF系統(tǒng)）——轉(zhuǎn)差功率不變

概述異步電機的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)一般簡稱為變頻調(diào)速系統(tǒng)。由于在調(diào)速時轉(zhuǎn)差功率不隨轉(zhuǎn)速而變化，調(diào)速范圍寬，無論是高速還是低速時效率都較高，在采取一定的技術(shù)措施后能實現(xiàn)高動態(tài)性能，可與直流調(diào)速系統(tǒng)媲美。因此現(xiàn)在應(yīng)用面很廣，是本篇的重點。29概述異步電機的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)一般簡稱為變本章提要變壓變頻調(diào)速的基本控制方式異步電動機電壓－頻率協(xié)調(diào)控制時的機械特性變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)中的脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)30本章提要變壓變頻調(diào)速的基本控制方式306.1變壓變頻調(diào)速的基本控制方式

在進(jìn)行電機調(diào)速時，常須考慮的一個重要因素是：希望保持電機中每極磁通量m為額定值不變。如果磁通太弱，沒有充分利用電機的鐵心，是一種浪費；如果過分增大磁通，又會使鐵心飽和，從而導(dǎo)致過大的勵磁電流，嚴(yán)重時會因繞組過熱而損壞電機。316.1變壓變頻調(diào)速的基本控制方式對于直流電機，勵磁系統(tǒng)是獨立的，只要對電樞反應(yīng)有恰當(dāng)?shù)难a償，m保持不變是很容易做到的。在交流異步電機中，磁通m由定子和轉(zhuǎn)子磁勢合成產(chǎn)生，要保持磁通恒定就需要費一些周折了。

32對于直流電機，勵磁系統(tǒng)是獨立的，只要對電樞反應(yīng)有恰當(dāng)?shù)难a償，定子每相電動勢（6-1）

式中：Eg

—氣隙磁通在定子每相中感應(yīng)電動勢的有效值，單位為V；—定子頻率，單位為Hz；

—定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)；

—基波繞組系數(shù)；

—每極氣隙磁通量，單位為Wb。

f1NskNsm33定子每相電動勢（6-1）式中：Eg—氣隙磁通在定子每相

由式（6-1）可知，只要控制好Eg和f1，便可達(dá)到控制磁通m的目的，對此，需要考慮基頻（額定頻率）以下和基頻以上兩種情況。

34由式（6-1）可知，只要控制好Eg1.基頻以下調(diào)速

由式（6-1）可知，要保持m不變，當(dāng)頻率f1從額定值f1N向下調(diào)節(jié)時，必須同時降低Eg，使常值

（6-2）

即采用恒值電動勢頻率比的控制方式。

351.基頻以下調(diào)速由式（6-1）可知，要恒壓頻比的控制方式

然而，繞組中的感應(yīng)電動勢是難以直接控制的，當(dāng)電動勢值較高時，可以忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降，而認(rèn)為定子相電壓Us

≈

Eg，則得（6-3）

這是恒壓頻比的控制方式。36恒壓頻比的控制方式然而，繞組中的感應(yīng)

但是，在低頻時Us和Eg

都較小，定子阻抗壓降所占的份量就比較顯著，不再能忽略。這時，需要人為地把電壓Us抬高一些，以便近似地補償定子壓降。帶定子壓降補償?shù)暮銐侯l比控制特性示于下圖中的b線，無補償?shù)目刂铺匦詣t為a線。

37但是，在低頻時Us和Eg都較小，定OUsf1圖6-1

恒壓頻比控制特性帶壓降補償?shù)暮銐侯l比控制特性UsNf1Na

—無補償

b

—帶定子壓降補償

38OUsf1圖6-1恒壓頻比控制特性帶壓降補償?shù)暮銐侯l比2.基頻以上調(diào)速

在基頻以上調(diào)速時，頻率應(yīng)該從f1N向上升高，但定子電壓Us卻不可能超過額定電壓UsN，最多只能保持Us

=UsN，這將迫使磁通與頻率成反比地降低，相當(dāng)于直流電機弱磁升速的情況。把基頻以下和基頻以上兩種情況的控制特性畫在一起，如下圖所示。

392.基頻以上調(diào)速在基頻以上調(diào)速時，頻f1N變壓變頻控制特性圖6-2異步電機變壓變頻調(diào)速的控制特性

恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速UsUsNΦmNΦm恒功率調(diào)速ΦmUsf1O40f1N變壓變頻控制特性圖6-2異步電機變壓變頻調(diào)速的控制如果電機在不同轉(zhuǎn)速時所帶的負(fù)載都能使電流達(dá)到額定值，即都能在允許溫升下長期運行，則轉(zhuǎn)矩基本上隨磁通變化，按照電力拖動原理，在基頻以下，磁通恒定時轉(zhuǎn)矩也恒定，屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”性質(zhì)，而在基頻以上，轉(zhuǎn)速升高時轉(zhuǎn)矩降低，基本上屬于“恒功率調(diào)速”。返回目錄41如果電機在不同轉(zhuǎn)速時所帶的負(fù)載都能使電6.2異步電動機電壓－頻率協(xié)調(diào)控制時

的機械特性本節(jié)提要恒壓恒頻正弦波供電時異步電動機的機械特性基頻以下電壓-頻率協(xié)調(diào)控制時的機械特性基頻以上恒壓變頻時的機械特性426.2異步電動機電壓－頻率協(xié)調(diào)控制時

6.2.1恒壓恒頻正弦波供電時異步電動機的

機械特性

第5章式（5-3）已給出異步電機在恒壓恒頻正弦波供電時的機械特性方程式Te=f(s)。當(dāng)定子電壓Us和電源角頻率1恒定時，可以改寫成如下形式：

（6-4）

436.2.1恒壓恒頻正弦波供電時異步電動機的

特性分析當(dāng)s很小時，可忽略上式分母中含s各項，則（6-5）

也就是說，當(dāng)s很小時，轉(zhuǎn)矩近似與s成正比，機械特性Te=f（s）是一段直線，見圖6-3。44特性分析當(dāng)s很小時，可忽略上式分母中含s各項，則44特性分析（續(xù)）當(dāng)s接近于1時，可忽略式（6-4）分母中的Rr'

，則（6-6）即s接近于1時轉(zhuǎn)矩近似與s成反比，這時，Te=f（s）是對稱于原點的一段雙曲線。45特性分析（續(xù)）當(dāng)s接近于1時，可忽略式（6-4機械特性

當(dāng)s為以上兩段的中間數(shù)值時，機械特性從直線段逐漸過渡到雙曲線段，如圖所示。smnn0sTe010TeTemaxTemax圖6-3恒壓恒頻時異步電機的機械特性46機械特性當(dāng)s為以上兩段的中間數(shù)值時，機械特性6.2.2基頻以下電壓-頻率協(xié)調(diào)控制時的

機械特性

由式（6-4）機械特性方程式可以看出，對于同一組轉(zhuǎn)矩Te

和轉(zhuǎn)速n（或轉(zhuǎn)差率s）的要求，電壓Us和頻率1

可以有多種配合。在Us

和1的不同配合下機械特性也是不一樣的，因此可以有不同方式的電壓－頻率協(xié)調(diào)控制。

476.2.2基頻以下電壓-頻率協(xié)調(diào)控制時的

1.恒壓頻比控制（Us/1）

在第6-1節(jié)中已經(jīng)指出，為了近似地保持氣隙磁通不變，以便充分利用電機鐵心，發(fā)揮電機產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的能力，在基頻以下須采用恒壓頻比控制。這時，同步轉(zhuǎn)速自然要隨頻率變化。

（6-7）

481.恒壓頻比控制（Us/1）在

在式（6-5）所表示的機械特性近似直線段上，可以導(dǎo)出

（6-9）

帶負(fù)載時的轉(zhuǎn)速降落為

（6-8）

49在式（6-5）所表示的機械特性近似直線段上，可以導(dǎo)出

由此可見，當(dāng)Us/1為恒值時，對于同一轉(zhuǎn)矩Te，s1是基本不變的，因而n也是基本不變的。這就是說，在恒壓頻比的條件下改變頻率1時，機械特性基本上是平行下移，如圖6-4所示。它們和直流他勵電機變壓調(diào)速時的情況基本相似。50由此可見，當(dāng)Us/1為恒值時，對于同一轉(zhuǎn)矩所不同的是，當(dāng)轉(zhuǎn)矩增大到最大值以后，轉(zhuǎn)速再降低，特性就折回來了。而且頻率越低時最大轉(zhuǎn)矩值越小，可參看第5章式（5-5），對式（5-5）稍加整理后可得

（6-10）51所不同的是，當(dāng)轉(zhuǎn)矩增大到最大值以后，轉(zhuǎn)速再降

最大轉(zhuǎn)矩Temax是隨著的1降低而減小的。頻率很低時，Temax太小將限制電機的帶載能力，采用定子壓降補償，適當(dāng)?shù)靥岣唠妷篣s，可以增強帶載能力，見圖6-4。52最大轉(zhuǎn)矩Temax是隨著的1降機械特性曲線On圖6-4恒壓頻比控制時變頻調(diào)速的機械特性補償定子壓降后的特性53機械特性曲線On圖6-4恒壓頻比控制時變頻調(diào)速的機械特2.恒

Eg/1

控制

下圖再次繪出異步電機的穩(wěn)態(tài)等效電路，圖中幾處感應(yīng)電動勢的意義如下：

Eg

—氣隙（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）。

542.恒Eg/1控制下圖再次繪出異圖6-5異步電動機穩(wěn)態(tài)等效電路和感應(yīng)電動勢

Us1RsLlsL’lrLmR’r/sIsI0I’r異步電動機等效電路EgEsEr55圖6-5異步電動機穩(wěn)態(tài)等效電路和感應(yīng)電動勢Us1RsL特性分析

如果在電壓－頻率協(xié)調(diào)控制中，恰當(dāng)?shù)靥岣唠妷篣s的數(shù)值，使它在克服定子阻抗壓降以后，能維持Eg/1為恒值（基頻以下），則由式（6-1）可知，無論頻率高低，每極磁通m均為常值。56特性分析如果在電壓－頻率協(xié)調(diào)控制中，恰當(dāng)?shù)靥岣唠娞匦苑治觯ɡm(xù)）由等效電路可以看出

（6-11）代入電磁轉(zhuǎn)矩關(guān)系式，得（6-12）

57特性分析（續(xù)）由等效電路可以看出（6-11）代入電磁轉(zhuǎn)矩特性分析（續(xù)）

利用與前相似的分析方法，當(dāng)s很小時，可忽略式（6-12）分母中含s項，則

（6-13）

這表明機械特性的這一段近似為一條直線。58特性分析（續(xù)）利用與前相似的分析方法，當(dāng)s很特性分析（續(xù)）當(dāng)s接近于1時，可忽略式（6-12）分母中的Rr'2項，則

（6-14）

s值為上述兩段的中間值時，機械特性在直線和雙曲線之間逐漸過渡，整條特性與恒壓頻比特性相似。59特性分析（續(xù)）當(dāng)s接近于1時，可忽略式（6-12）性能比較（續(xù)）

將式（6-12）對s求導(dǎo)，并令dTe/ds=0，可得恒Eg/1控制特性在最大轉(zhuǎn)矩時的轉(zhuǎn)差率

（6-15）

和最大轉(zhuǎn)矩（6-16）60性能比較（續(xù)）將式（6-12）對s求導(dǎo)，并令性能比較（續(xù)）

值得注意的是，在式（6-16）中，當(dāng)Eg/1為恒值時，Temax恒定不變，如下圖所示，其穩(wěn)態(tài)性能優(yōu)于恒Us/1控制的性能。這正是恒Eg/1控制中補償定子壓降所追求的目標(biāo)。

61性能比較（續(xù)）值得注意的是，在式（6-16）中，機械特性曲線OnTemax恒Eg/1控制時變頻調(diào)速的機械特性62機械特性曲線OnTemax恒Eg/1控制時變頻調(diào)速3.恒

Er/1

控制

如果把電壓－頻率協(xié)調(diào)控制中的電壓再進(jìn)一步提高，把轉(zhuǎn)子漏抗上的壓降也抵消掉，得到恒Er/1控制，那么，機械特性會怎樣呢？由此可寫出（6-17）

633.恒Er/1控制如果把電壓－頻率協(xié)調(diào)代入電磁轉(zhuǎn)矩基本關(guān)系式，得

（6-18）

現(xiàn)在，不必再作任何近似就可知道，這時的機械特性完全是一條直線，見圖6-6。64代入電磁轉(zhuǎn)矩基本關(guān)系式，得（6-18）現(xiàn)在，不必0s10Te幾種電壓－頻率協(xié)調(diào)控制方式的特性比較圖6-6不同電壓－頻率協(xié)調(diào)控制方式時的機械特性恒Er/1控制恒Eg/1控制恒Us/1控制ab

c650s10Te幾種電壓－頻率協(xié)調(diào)控制方式的特性比較圖6-6顯然，恒Er/1控制的穩(wěn)態(tài)性能最好，可以獲得和直流電機一樣的線性機械特性。這正是高性能交流變頻調(diào)速所要求的性能?，F(xiàn)在的問題是，怎樣控制變頻裝置的電壓和頻率才能獲得恒定的Er/1呢？

66顯然，恒Er/1控制的穩(wěn)態(tài)性能最好，

按照式（6-1）電動勢和磁通的關(guān)系，可以看出，當(dāng)頻率恒定時，電動勢與磁通成正比。在式（6-1）中，氣隙磁通的感應(yīng)電動勢Eg對應(yīng)于氣隙磁通幅值m，那么，轉(zhuǎn)子全磁通的感應(yīng)電動勢Er就應(yīng)該對應(yīng)于轉(zhuǎn)子全磁通幅值rm：（6-19）

67按照式（6-1）電動勢和磁通的關(guān)系，可以看出，當(dāng)頻

由此可見，只要能夠按照轉(zhuǎn)子全磁通幅值rm=Constant進(jìn)行控制，就可以獲得恒Er/1了。這正是矢量控制系統(tǒng)所遵循的原則。

68由此可見，只要能夠按照轉(zhuǎn)子全磁通幅值rm=4．幾種協(xié)調(diào)控制方式的比較

綜上所述，在正弦波供電時，按不同規(guī)律實現(xiàn)電壓－頻率協(xié)調(diào)控制可得不同類型的機械特性。

（1）恒壓頻比（Us/1=Constant）控制最容易實現(xiàn)，它的變頻機械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，但低速帶載能力有些差強人意，須對定子壓降實行補償。

694．幾種協(xié)調(diào)控制方式的比較綜上所述，在（2）恒Eg/1控制是通常對恒壓頻比控制實行電壓補償?shù)臉?biāo)準(zhǔn)，可以在穩(wěn)態(tài)時達(dá)到rm=Constant，從而改善了低速性能。但機械特性還是非線性的，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的能力仍受到限制。

70（2）恒Eg/1控制是通常對恒壓頻比控制實行電壓補

（3）恒Er/1控制可以得到和直流他勵電機一樣的線性機械特性，按照轉(zhuǎn)子全磁通rm

恒定進(jìn)行控制，即得

Er/1=Constant而且，在動態(tài)中也盡可能保持rm恒定是矢量控制系統(tǒng)的目標(biāo)，當(dāng)然實現(xiàn)起來是比較復(fù)雜的。71（3）恒Er/1控制可以得到和直流他勵電機一樣6.2.3基頻以上恒壓變頻時的機械特性

性能分析

在基頻以上變頻調(diào)速時，由于定子電壓Us=UsN不變，式（6-4）的機械特性方程式可寫成

（6-20）

726.2.3基頻以上恒壓變頻時的機械特性性能分析（6-性能分析（續(xù)）而式（6-10）的最大轉(zhuǎn)矩表達(dá)式可改寫成（6-21）

同步轉(zhuǎn)速的表達(dá)式仍和式（6-7）一樣。73性能分析（續(xù)）而式（6-10）的最大轉(zhuǎn)矩表達(dá)式可改寫成機械特性曲線恒功率調(diào)速O<<<

由此可見，當(dāng)角頻率提高時，同步轉(zhuǎn)速隨之提高，最大轉(zhuǎn)矩減小，機械特性上移，而形狀基本不變，如圖所示。圖6-7基頻以上恒壓變頻調(diào)速的機械特性74機械特性曲線恒功率調(diào)速O<<<由此可見，當(dāng)角頻率提6.4變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)中的脈寬調(diào)制

(PWM)技術(shù)本節(jié)提要問題的提出正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)技術(shù)756.4變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)中的脈寬調(diào)制

問題的提出

早期的交-直-交變壓變頻器所輸出的交流波形都是六拍階梯波（對于電壓型逆變器）或矩形波（對于電流型逆變器），這是因為當(dāng)時逆變器只能采用半控式的晶閘管，其關(guān)斷的不可控性和較低的開關(guān)頻率導(dǎo)致逆變器的輸出波形不可能近似按正弦波變化，從而會有較大的低次諧波，使電機輸出轉(zhuǎn)矩存在脈動分量，影響其穩(wěn)態(tài)工作性能，在低速運行時更為明顯。76問題的提出早期的交-直-交變壓變頻器六拍逆變器主電路結(jié)構(gòu)VT1~VT6――主電路開關(guān)器件

VD1~VD6――續(xù)流二極管VT3VT5VT4VT6VT2VT177六拍逆變器主電路結(jié)構(gòu)VT1~VT6――主電路開關(guān)器件V為了改善交流電動機變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的性能，在出現(xiàn)了全控式電力電子開關(guān)器件之后，科技工作者在20世紀(jì)80年代開發(fā)了應(yīng)用PWM技術(shù)的逆變器。由于它的優(yōu)良技術(shù)性能，當(dāng)今國內(nèi)外各廠商生產(chǎn)的變壓變頻器都已采用這種技術(shù)，只有在全控器件尚未能及的特大容量時才屬例外。78為了改善交流電動機變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的性能，在出6.4.1正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)技術(shù)1.PWM調(diào)制原理

以正弦波作為逆變器輸出的期望波形，以頻率比期望波高得多的等腰三角波作為載波（Carrierwave），并用頻率和期望波相同的正弦波作為調(diào)制波（Modulationwave），當(dāng)調(diào)制波與載波相交時，由它們的交點確定逆變器開關(guān)器件的通斷時刻，從而獲得在正弦調(diào)制波的半個周期內(nèi)呈兩邊窄中間寬的一系列等幅不等寬的矩形波。796.4.1正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)技術(shù)1.PWM調(diào)制圖6-18PWM調(diào)制原理80圖6-18PWM調(diào)制原理80按照波形面積相等的原則，每一個矩形波的面積與相應(yīng)位置的正弦波面積相等，因而這個序列的矩形波與期望的正弦波等效。這種調(diào)制方法稱作正弦波脈寬調(diào)制（Sinusoidalpulsewidthmodulation，簡稱SPWM），這種序列的矩形波稱作SPWM波。81按照波形面積相等的原則，每一個矩形波2.SPWM控制方式如果在正弦調(diào)制波的半個周期內(nèi)，三角載波只在正或負(fù)的一種極性范圍內(nèi)變化，所得到的SPWM波也只處于一個極性的范圍內(nèi)，叫做單極性控制方式。如果在正弦調(diào)制波半個周期內(nèi)，三角載波在正負(fù)極性之間連續(xù)變化，則SPWM波也是在正負(fù)之間變化，叫做雙極性控制方式。822.SPWM控制方式如果在正弦調(diào)制波的半個周期內(nèi)，三角載波單相橋式PWM逆變電路

單相橋式PWM逆變電路

VT1VT2VT3VT483單相橋式PWM逆變電路單相橋式PWM逆變電路VT1VT（1）單極性PWM控制方式84（1）單極性PWM控制方式84（2）雙極性PWM控制方式85（2）雙極性PWM控制方式853.PWM控制電路模擬電子電路采用正弦波發(fā)生器、三角波發(fā)生器和比較器來實現(xiàn)上述的SPWM控制；數(shù)字控制電路硬件電路；軟件實現(xiàn)。863.PWM控制電路模擬電子電路865.PWM逆變器主電路及輸出波形圖6-19三相橋式PWM逆變器主電路原理圖調(diào)制電路V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4ucV6VD6V5VD5VUWNN'C+C+urUurVurW2Ud2UdVT1VT4VT3VT6VT5VT2875.PWM逆變器主電路及輸出波形圖6-19三相橋式P圖6-20三相橋式PWM逆變器的雙極性SPWM波形

uuUN’OwtOOOOUd2-Ud2uVN’uWN’uUVuUNwtwtwtwtOwturUurVurWucUd23Ud288圖6-20三相橋式PWM逆變器的雙極性SPWM波形uu圖6-20為三相PWM波形，其中urU

、urV

、urW為U，V，W三相的正弦調(diào)制波，

uc為雙極性三角載波；uUN’、uVN’、uWN’

為U，V，W三相輸出與電源中性點N’之間的相電壓矩形波形；

uUV為輸出線電壓矩形波形，其脈沖幅值為+Ud和-Ud；uUN為三相輸出與電機中點N之間的相電壓。89圖6-20為三相PWM波形，其中896.7基于動態(tài)模型按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的

矢量控制系統(tǒng)本節(jié)提要矢量控制系統(tǒng)的基本思路906.7基于動態(tài)模型按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的

矢概述上一節(jié)中表明，異步電機的動態(tài)數(shù)學(xué)模型是一個高階、非線性、強耦合的多變量系統(tǒng)，通過坐標(biāo)變換，可以使之降階并化簡，但并沒有改變其非線性、多變量的本質(zhì)。需要高動態(tài)性能的異步電機調(diào)速系統(tǒng)必須在其動態(tài)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析和設(shè)計，但要完成這一任務(wù)并非易事。經(jīng)過多年的潛心研究和實踐，有幾種控制方案已經(jīng)獲得了成功的應(yīng)用，目前應(yīng)用最廣的就是按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)。91概述上一節(jié)中表明，異步電機的動態(tài)數(shù)學(xué)模6.7.1矢量控制系統(tǒng)的基本思路

在第6