電力拖動自動控制系統(tǒng)5

第2章交流調速系統(tǒng)電力拖動自動控制系統(tǒng)

-運動控制系統(tǒng)2023/12/271交流拖動控制系統(tǒng)取代直流拖動控制系統(tǒng)應用領域一般性能調速和節(jié)能調速高性能的交流調速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)特大容量、極高轉速的交流調速2023/12/272異步電動機的調速轉差功率消耗型轉差功率饋送型轉差功率不變型同步電動機的調速2023/12/273第5章基于穩(wěn)態(tài)模型的異步電動機調速系統(tǒng)電力拖動自動控制系統(tǒng)

-運動控制系統(tǒng)2023/12/274基于穩(wěn)態(tài)模型的異步電動機調速在基于穩(wěn)態(tài)模型的異步電動機調速系統(tǒng)中，采用穩(wěn)態(tài)等值電路來分析異步電動機在不同電壓和頻率供電條件下的轉矩與磁通的穩(wěn)態(tài)關系和機械特性，并在此根底上設計異步電動機調速系統(tǒng)。2023/12/275基于穩(wěn)態(tài)模型的調速方法常用的基于穩(wěn)態(tài)模型的異步電動機調速方法有調壓調速和變壓變頻調速兩類。2023/12/276內容提要異步電動機穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型和調速方法異步電動機調壓調速異步電動機變壓變頻調速電力電子變壓變頻器轉速開環(huán)變壓變頻調速系統(tǒng)轉速閉環(huán)轉差頻率控制的變壓變頻調速系統(tǒng)2023/12/2775.1異步電動機穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型和調速方法異步電動機穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型包括異步電動機穩(wěn)態(tài)等值電路和機械特性，兩者既有聯(lián)系，又有區(qū)別。穩(wěn)態(tài)等值電路描述了在一定的轉差率下電動機的穩(wěn)態(tài)電氣特性。機械特性那么表征了轉矩與轉差率〔或轉速〕的穩(wěn)態(tài)關系。2023/12/278異步電動機穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型轉差率與轉速的關系2023/12/279異步電動機穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型異步電動機T型等效電路2023/12/2710異步電動機穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型轉子相電流〔折合到定子側〕2023/12/2711異步電動機穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型忽略勵磁電流2023/12/2712異步電動機穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型簡化等效電路的相電流2023/12/2713異步電動機穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型異步電動機傳遞的電磁功率機械同步角速度2023/12/2714異步電動機穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型異步電動機的電磁轉矩〔機械特性方程式〕2023/12/2715異步電動機穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型對s求導，并令最大轉矩，又稱臨界轉矩2023/12/2716異步電動機穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型臨界轉差率：對應最大轉矩的轉差率2023/12/2717異步電動機穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型將機械特性方程式分母展開2023/12/2718異步電動機穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型當s很小時，忽略分母中含s各項轉矩近似與s成正比，機械特性近似為直線2023/12/2719異步電動機穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型當s較大時，忽略分母中s的一次項和零次項轉矩近似與s成反比，機械特性是一段雙曲線2023/12/2720異步電動機穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型異步電動機由額定電壓、額定頻率供電，且無外加電阻和電抗時的機械特性方程式，稱作固有特性或自然特性。2023/12/2721異步電動機的調速方法與氣隙磁通異步電動機的調速方法所謂調速，就是人為地改變機械特性的參數(shù)，使電動機的穩(wěn)定工作點偏離固有特性，工作在人為機械特性上，以到達調速的目的。2023/12/2722異步電動機的調速方法與氣隙磁通由異步電動機的機械特性方程式能夠改變的參數(shù)可分為3類：電動機參數(shù)、電源電壓和電源頻率〔或角頻率〕。2023/12/2723異步電動機的調速方法與氣隙磁通三相異步電動機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2023/12/2724異步電動機的調速方法與氣隙磁通氣隙磁通為了保持氣隙磁通恒定，應使2023/12/27255.2異步電動機調壓調速保持電源頻率為額定頻率，只改變定子電壓的調速方法稱作調壓調速。由于受電動機絕緣和磁路飽和的限制，定子電壓只能降低，不能升高，故又稱作降壓調速。2023/12/27265.2異步電動機調壓調速調壓調速的根本特征：電動機同步轉速保持額定值不變氣隙磁通隨定子電壓的降低而減小，屬于弱磁調速2023/12/27275.2異步電動機調壓調速TVC——雙向晶閘管交流調壓器a)不可逆電路b)可逆電路2023/12/27285.2異步電動機調壓調速調壓調速的機械特性表達式Us可調，電磁轉矩與定子電壓的平方成正比2023/12/27295.2異步電動機調壓調速理想空載轉速保持為同步轉速不變臨界轉差率保持不變2023/12/27305.2異步電動機調壓調速臨界轉矩隨定子電壓的減小而成平方比地下降2023/12/27315.2.2異步電動機調壓調速

的機械特性異步電動機調壓調速的機械特性2023/12/27325.2.2異步電動機調壓調速

的機械特性帶恒轉矩負載時，普通籠型異步電動機降壓調速時的穩(wěn)定工作范圍為調速范圍有限，圖中A、B、C為恒轉矩負載在不同電壓時的穩(wěn)定工作點。帶風機類負載運行，調速范圍可以稍大一些，圖中D、E、F為風機類負載在不同電壓時的穩(wěn)定工作點。2023/12/27335.2.2異步電動機調壓調速

的機械特性帶恒轉矩負載工作時，定子側輸入的電磁功率ω1，TL為常數(shù)故電磁功率恒定不變，與轉速無關。2023/12/27345.2.2異步電動機調壓調速

的機械特性轉差功率隨著轉差率的加大而增加。帶恒轉矩負載的降壓調速就是靠增大轉差功率、減小輸出功率來換取轉速的降低。增加的轉差功率全部消耗在轉子電阻上，這就是轉差功率消耗型的由來。2023/12/27355.2.2異步電動機調壓調速

的機械特性增加轉子電阻值，臨界轉差率加大，可以擴大恒轉矩負載下的調速范圍，這種高轉子電阻電動機又稱作交流力矩電動機。缺點是機械特性較軟高轉子電阻電動機〔交流力矩電動機〕在不同電壓下的機械特性2023/12/27365.2.2異步電動機調壓調速

的機械特性要求帶恒轉矩負載的調壓系統(tǒng)具有較大的調速范圍時，往往須采用帶轉速反響的閉環(huán)控制系統(tǒng)。帶轉速負反響閉環(huán)控制的交流調壓調速系統(tǒng)2023/12/27375.2.3閉環(huán)控制的調壓調速系統(tǒng)當系統(tǒng)帶負載穩(wěn)定時，如果負載增大或減小，引起轉速下降或上升，反響控制作用會自動調整定子電壓，使閉環(huán)系統(tǒng)工作在新的穩(wěn)定工作點。按照反響控制規(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。2023/12/27385.2.3閉環(huán)控制的調壓調速系統(tǒng)靜特性左右兩邊都有極限，它們是額定電壓下的機械特性和最小輸出電壓下的機械特性。2023/12/27395.2.4降壓控制應用三相異步電動機直接接電網起動時，起動電流比較大，而起動轉矩并不大。2023/12/27405.2.4降壓控制應用中、大容量電動機的起動電流大，會使電網壓降過大，影響其它用電設備的正常運行，甚至使該電動機本身根本起動不起來必須采取措施來降低其起動電流，常用的方法是降壓起動。2023/12/27415.2.4降壓控制應用當電壓降低時，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頂峰。起動轉矩與電壓的平方成正比，起動轉矩的減小將比起動電流的降低更多，降壓起動時又會出現(xiàn)起動轉矩不夠的問題。降壓起動只適用于中、大容量電動機空載〔或輕載〕起動的場合。2023/12/27425.2.4降壓控制應用三相異步電動機運行時的總損耗電機的運行效率2023/12/27435.2.4降壓控制應用輕載降壓運行為了減少輕載時的能量損耗，降低定子電壓可以降低氣隙磁通，這樣可以同時降低鐵損和勵磁電流。過分降低電壓和磁通，轉子電流必然增大，定子電流反而可能增加，鐵損的降低將被銅損的增加填補，效率反而更差了。當負載轉矩一定時，輕載降壓運行有一個最正確電壓值，此時效率最高。2023/12/27445.3異步電動機變壓變頻調速變壓變頻調速是改變異步電動機同步轉速的一種調速方法，同步轉速隨頻率而變化2023/12/27455.3.1變壓變頻調速的根本原理異步電動機的實際轉速穩(wěn)態(tài)速降隨負載大小變化2023/12/27465.3.1變壓變頻調速的根本原理只要控制便可控制氣隙磁通2023/12/27475.3.1變壓變頻調速的根本原理基頻以下調速當異步電動機在基頻〔額定頻率〕以下運行時，如果磁通太弱，沒有充分利用電機的鐵心，是一種浪費；如果磁通過大，又會使鐵心飽和，從而導致過大的勵磁電流，嚴重時還會因繞組過熱而損壞電機。最好是保持每極磁通量為額定值不變。2023/12/27485.3.1變壓變頻調速的根本原理基頻以下調速當頻率從額定值向下調節(jié)時，必須使基頻以下應采用電動勢頻率比為恒值的控制方式。2023/12/27495.3.1變壓變頻調速的根本原理恒壓頻比的控制方式當電動勢值較高時，忽略定子電阻和漏感壓降，低頻補償〔低頻轉矩提升〕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。人為地把定子電壓抬高一些，以補償定子阻抗壓降。負載大小不同，需要補償?shù)亩ㄗ与妷阂膊灰粯印?023/12/27505.3.1變壓變頻調速的根本原理通常在控制軟件中備有不同斜率的補償特性，以供用戶選擇。a——無補償b——帶定子電壓補償2023/12/27515.3.1變壓變頻調速的根本原理基頻以上調速在基頻以上調速時，頻率從向上升高，受到電機絕緣耐壓和磁路飽和的限制，定子電壓不能隨之升高，最多只能保持額定電壓不變。這將導致磁通與頻率成反比地降低，使得異步電動機工作在弱磁狀態(tài)。2023/12/27525.3.1變壓變頻調速的根本原理異步電動機變壓變頻調速的控制特性2023/12/27535.3.2變壓變頻調速時機械特性基頻以下采用恒壓頻比控制異步電動機機械特性方程式改寫為2023/12/27545.3.2變壓變頻調速時機械特性當s很小時，忽略上式分母中含s各項，2023/12/27555.3.2變壓變頻調速時機械特性對于同一轉矩，轉速降落根本不變在恒壓頻比的條件下把頻率向下調節(jié)時，機械特性根本上是平行下移的。2023/12/27565.3.2變壓變頻調速時機械特性臨界轉矩隨著頻率的降低而減小。當頻率較低時，電動機帶載能力減弱，采用低頻定子壓降補償，適當?shù)靥岣唠妷海梢栽鰪妿лd能力。2023/12/27575.3.2變壓變頻調速時機械特性轉差功率與轉速無關，故稱作轉差功率不變型。2023/12/27585.3.2變壓變頻調速時機械特性電壓不能從額定值再向上提高，只能保持不變，機械特性方程式可寫成臨界轉矩表達式2023/12/27595.3.2變壓變頻調速時機械特性臨界轉差當s很小時，忽略上式分母中含s各項2023/12/27605.3.2變壓變頻調速時機械特性帶負載時的轉速降落對于相同的電磁轉矩，角頻率越大，轉速降落越大，機械特性越軟，與直流電動機弱磁調速相似。2023/12/27615.3.2變壓變頻調速時機械特性轉差功率帶恒功率負載運行時轉差功率根本不變。2023/12/27625.3.2變壓變頻調速時機械特性變壓變頻調速時的機械特性2023/12/27635.3.3基頻以下電壓補償控制在基頻以下，由于磁通恒定，允許輸出轉矩也恒定，屬于“恒轉矩調速〞方式。在基頻以上，轉速升高時磁通減小，允許輸出轉矩也隨之降低，由于轉速上升，允許輸出功率根本恒定，屬于“近似的恒功率調速〞方式。2023/12/27645.3.3基頻以下電壓補償控制在基頻以下運行時，采用恒壓頻比的控制方法具有控制簡便的優(yōu)點。但負載的變化時定子壓降不同，將導致磁通改變，須采用定子電壓補償控制。根據定子電流的大小改變定子電壓，以保持磁通恒定。2023/12/27655.3.3基頻以下電壓補償控制為了使參考極性與電動狀態(tài)下的實際極性相吻合，感應電動勢采用電壓降的表示方法，由高電位指向低電位。2023/12/27665.3.3基頻以下電壓補償控制氣隙磁通在定子每相繞組中的感應電動勢定子全磁通在定子每相繞組中的感應電動勢2023/12/27675.3.3基頻以下電壓補償控制轉子全磁通在定子每相繞組中的感應電動勢2023/12/27685.3.3基頻以下電壓補償控制保持定子磁通恒定：常值定子電動勢不好直接控制，能夠直接控制的只有定子電壓，按補償定子電阻壓降，就能夠得到恒定子磁通。2023/12/27695.3.3基頻以下電壓補償控制忽略勵磁電流，轉子電流電磁轉矩2023/12/27705.3.3基頻以下電壓補償控制恒壓頻比控制時的轉矩式兩式相比可知，恒定子磁通控制時轉矩表達式的分母小于恒壓頻比控制特性中的同類項。當轉差率s相同時，采用恒定子磁通控制方式的電磁轉矩大于恒壓頻比控制方式。2023/12/27715.3.3基頻以下電壓補償控制臨界轉差率臨界轉矩頻率變化時，恒定子磁通控制的臨界轉矩恒定不變。2023/12/27725.3.3基頻以下電壓補償控制恒定子磁通控制恒定子磁通控制的臨界轉差率大于恒壓頻比控制方式。恒定子磁通控制的臨界轉矩也大于恒壓頻比控制方式。

2023/12/27735.3.3基頻以下電壓補償控制保持氣隙磁通恒定：常值定子電壓除了補償定子電阻壓降外，還應補償定子漏抗壓降。2023/12/27745.3.3基頻以下電壓補償控制轉子電流電磁轉矩2023/12/27755.3.3基頻以下電壓補償控制臨界轉差率臨界轉矩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差率和臨界轉矩更大，機械特性更硬。2023/12/27765.3.3基頻以下電壓補償控制保持氣隙磁通恒定：常值定子電壓除了補償定子電阻壓降外，還應補償定子和轉子漏抗壓降。2023/12/27775.3.3基頻以下電壓補償控制轉子電流電磁轉矩2023/12/27785.3.3基頻以下電壓補償控制機械特性完全是一條直線，可以獲得和直流電動機一樣的線性機械特性，這正是高性能交流變頻調速所要求的穩(wěn)態(tài)性能。2023/12/27795.3.3基頻以下電壓補償控制a〕恒壓頻比b〕恒定子磁通c〕恒氣隙磁通d〕恒轉子磁通2023/12/27805.3.3基頻以下電壓補償控制恒壓頻比控制最容易實現(xiàn)，它的變頻機械特性根本上是平行下移，硬度也較好，能夠滿足一般的調速要求，低速時需適當提高定子電壓，以近似補償定子阻抗壓降。2023/12/27815.3.3基頻以下電壓補償控制恒定子磁通、恒氣隙磁通和恒轉子磁通的控制方式均需要定子電壓補償，控制要復雜一些。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。但機械特性還是非線性的，仍受到臨界轉矩的限制恒轉子磁通控制方式可以獲得和直流他勵電動機一樣的線性機械特性，性能最正確。2023/12/27825.4電力電子變壓變頻器異步電動機變頻調速需要電壓與頻率均可調的交流電源，常用的交流可調電源是由電力電子器件構成的靜止式功率變換器，一般稱為變頻器。2023/12/27835.4電力電子變壓變頻器交-直-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均為可調的交流，稱作間接變頻。交-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的交流電，無需中間直流環(huán)節(jié)，稱作直接變頻。2023/12/27845.4電力電子變壓變頻器變頻器結構示意圖a〕交-直-交變頻器b〕交-交變頻器2023/12/2785脈沖寬度調制技術現(xiàn)代變頻器中用得最多的控制技術是脈沖寬度調制〔PulseWidthModulation〕，簡稱PWM。根本思想是控制逆變器中電力電子器件的開通或關斷，輸出電壓為幅值相等、寬度按一定規(guī)律變化的脈沖序列，用這樣的高頻脈沖序列代替期望的輸出電壓。2023/12/27865.4.1PWM變頻器主回路交-直-交變頻器主回路結構圖2023/12/27875.4.1PWM變頻器主回路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。右邊是逆變器，將直流電壓變換為頻率與電壓均可調的交流電。中間的濾波環(huán)節(jié)是為了減小直流電壓脈動而設置的。2023/12/27885.4.1PWM變頻器主回路主回路只有一套可控功率級，具有結構、控制方便的優(yōu)點，采用脈寬調制的方法，輸出諧波分量小。缺點是當電動機工作在回饋制動狀態(tài)時能量不能回饋至電網，造成直流側電壓上升，稱作泵升電壓。2023/12/2789直流母線供電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，提高整流裝置的工作效率。當某個電動機工作在回饋制動狀態(tài)時，直流母線能將回饋的能量送至其他負載，實現(xiàn)能量交換，有效地抑制泵升電壓。2023/12/2790直流母線供電直流母線方式的變頻器主回路結構圖2023/12/27915.4.2正弦波脈寬調制技術以頻率與期望的輸出電壓波相同的正弦波作為調制波，以頻率比期望波高得多的等腰三角波作為載波。由它們的交點確定逆變器開關器件的通斷時刻，從而獲得幅值相等、寬度按正弦規(guī)律變化的脈沖序列，這種調制方法稱作正弦波脈寬調制〔SinusoidalpulseWidthModulation，簡稱SPWM〕。2023/12/27925.4.2正弦波脈寬調制技術a)三相正弦調制波與雙極性三角載波b〕、c〕、d〕三相電壓e〕輸出線電壓f〕電動機相電壓三相PWM逆變器雙極性SPWM波形2023/12/27935.4.3消除指定諧波PWM普通的SPWM變頻器輸出電壓帶有一定的諧波分量，為降低諧波分量，減少電動機轉矩脈動，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。在SPWM的根底上衍生出的“消除指定次數(shù)諧波PWM〞〔SHEPWM，SelectedHarmonicsEliminationPWM〕控制技術。2023/12/27945.4.3消除指定諧波PWM變壓變頻器輸出的相電壓PWM波形2023/12/27955.4.3消除指定諧波PWM要消除第k次諧波分量，只須令基波幅值為所要求的電壓值2023/12/27965.4.4電流跟蹤PWM〔CFPWM〕控制技術電流跟蹤PWM〔CFPWM，CurrentFollowPWM〕的控制方法是：在原來主回路的根底上，采用電流閉環(huán)控制，使實際電流快速跟隨給定值。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SPWM獲得更好的性能。2023/12/27975.4.4電流跟蹤PWM〔CFPWM〕控制技術電流滯環(huán)跟蹤控制的A相原理圖2023/12/27985.4.4電流跟蹤PWM〔CFPWM〕控制技術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行比較，電流偏差超過±h時，經滯環(huán)控制器HBC控制逆變器上〔或下〕橋臂的功率器件動作。2023/12/27995.4.4電流跟蹤PWM〔CFPWM〕控制技術電流滯環(huán)跟蹤控制方法的精度高、響應快，且易于實現(xiàn)。但功率開關器件的開關頻率不定。電流滯環(huán)跟蹤控制時的三相電流波形與相電壓PWM波形2023/12/271005.4.4電流跟蹤PWM〔CFPWM〕控制技術電流跟蹤控制的精度與滯環(huán)的寬度有關，同時還受到功率開關器件允許開關頻率的制約。當環(huán)寬選得較大時，開關頻率低，但電流波形失真較多，諧波分量高；如果環(huán)寬小，電流跟蹤性能好，但開關頻率卻增大了。實際使用中，應在器件開關頻率允許的前提下，盡可能選擇小的環(huán)寬。2023/12/271015.4.5電壓空間矢量PWM〔SVPWM〕控制技術把逆變器和交流電動機視為一體，以圓形旋轉磁場為目標來控制逆變器的工作，這種控制方法稱作“磁鏈跟蹤控制〞，磁鏈軌跡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“電壓空間矢量PWM〔SVPWM，SpaceVectorPWM〕控制〞。2023/12/271025.4.5電壓空間矢量PWM〔SVPWM〕控制技術把逆變器和交流電動機視為一體，以圓形旋轉磁場為目標來控制逆變器的工作，這種控制方法稱作“磁鏈跟蹤控制〞，磁鏈軌跡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“電壓空間矢量PWM〔SVPWM，SpaceVectorPWM〕控制〞。2023/12/27103空間矢量的定義交流電動機繞組的電壓、電流、磁鏈等物理量都是隨時間變化的，如果考慮到它們所在繞組的空間位置，可以定義為空間矢量。定義三相定子電壓空間矢量，k為待定系數(shù)

2023/12/27104空間矢量的合成三相合成矢量電壓空間矢量2023/12/27105空間矢量的定義定子電流空間矢量定子磁鏈空間矢量

2023/12/27106空間矢量表達式空間矢量功率表達式

2023/12/27107空間矢量表達式考慮到三相瞬時功率按空間矢量功率與三相瞬時功率相等的原那么2023/12/27108空間矢量表達式2023/12/27109空間矢量表達式當定子相電壓為三相平衡正弦電壓時，三相合成矢量2023/12/27110空間矢量表達式以電源角頻率為角速度作恒速旋轉的空間矢量，幅值在三相平衡正弦電壓供電時，假設電動機轉速已穩(wěn)定，那么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在空間作恒速旋轉。2023/12/27111電壓與磁鏈空間矢量的關系合成空間矢量表示的定子電壓方程式忽略定子電阻壓降，定子合成電壓與合成磁鏈空間矢量的近似關系為2023/12/27112電壓與磁鏈空間矢量的關系當電動機由三相平衡正弦電壓供電時，電動機定子磁鏈幅值恒定，其空間矢量以恒速旋轉，磁鏈矢量頂端的運動軌跡呈圓形〔簡稱為磁鏈圓〕。定子磁鏈矢量定子電壓矢量2023/12/27113電壓與磁鏈空間矢量的關系旋轉磁場與電壓空間矢量的運動軌跡電壓矢量圓軌跡2023/12/27114電壓空間矢量旋轉磁場與電壓空間矢量的運動軌跡直流電源中點O’和交流電動機中點O的電位不等，但合成電壓矢量的表達式相等。因此，三相合成電壓空間矢量與參考點無關。2023/12/271158個根本空間矢量PWM逆變器共有8種工作狀態(tài)2023/12/271168個根本空間矢量依此類推，可得8個根本空間矢量。2023/12/271178個根本空間矢量6個有效工作矢量幅值為空間互差2個零矢量2023/12/27118根本電壓空間矢量圖2023/12/27119正六邊形空間旋轉磁場6個有效工作矢量順序分別作用△t時間，并使每個有效工作矢量作用

6個有效工作矢量完成一個周期，輸出基波電壓角頻率2023/12/27120正六邊形空間旋轉磁場定子磁鏈矢量的增量k=1,2,3,4,5,6

定子磁鏈矢量運動方向與電壓矢量相同，增量的幅值等于2023/12/27121正六邊形空間旋轉磁場定子磁鏈矢量的運動軌跡為定子磁鏈矢量增量2023/12/27122正六邊形空間旋轉磁場在一個周期內，6個有效工作矢量順序作用一次，定子磁鏈矢量是一個封閉的正六邊形。正六邊形定子磁鏈軌跡2023/12/27123正六邊形空間旋轉磁場正六邊形定子磁鏈的大小與直流側電壓成正比，而與電源角頻率成反比。2023/12/27124正六邊形空間旋轉磁場在基頻以下調速時，應保持正六邊形定子磁鏈的最大值恒定。假設直流側電壓恒定，那么ω1越小時，△t越大，勢必導致增大2023/12/27125正六邊形空間旋轉磁場要保持正六邊形定子磁鏈不變，必須使在變頻的同時必須調節(jié)直流電壓，造成了控制的復雜性。2023/12/27126正六邊形空間旋轉磁場有效的方法是插入零矢量當零矢量作用時，定子磁鏈矢量的增量說明定子磁鏈矢量停留不動。2023/12/27127正六邊形空間旋轉磁場有效工作矢量作用時間定子磁鏈矢量的增量為2023/12/27128正六邊形空間旋轉磁場在時間△t1段內，定子磁鏈矢量軌跡沿著有效工作電壓矢量方向運行。在時間△t0段內，零矢量起作用，定子磁鏈矢量軌跡停留在原地，等待下一個有效工作矢量的到來。正六邊形定子磁鏈的最大值2023/12/27129正六邊形空間旋轉磁場在直流電壓不變的條件下，要保持恒定，只要使△t1為常數(shù)即可。輸出頻率越低，△t越大，零矢量作用時間△t0也越大，定子磁鏈矢量軌跡停留的時間越長。由此可知，零矢量的插入有效地解決了定子磁鏈矢量幅值與旋轉速度的矛盾。2023/12/27130期望電壓空間矢量的合成六邊形旋轉磁場帶有較大的諧波分量，這將導致轉矩與轉速的脈動。要獲得更多邊形或接近圓形的旋轉磁場，就必須有更多的空間位置不同的電壓空間矢量以供選擇。PWM逆變器只有8個根本電壓矢量，能否用這8個根本矢量合成出其他多種不同的矢量呢？2023/12/27131期望電壓空間矢量的合成按空間矢量的平行四邊形合成法那么，用相鄰的兩個有效工作矢量合成期望的輸出矢量，這就是電壓空間矢量PWM〔SVPWM〕的根本思想。按6個有效工作矢量將電壓矢量空間分為對稱的六個扇區(qū)，當期望輸出電壓矢量落在某個扇區(qū)內時，就用與期望輸出電壓矢量相鄰的2個有效工作矢量等效地合成期望輸出矢量。2023/12/27132期望電壓空間矢量的合成按6個有效工作矢量將電壓矢量空間分為對稱的六個扇區(qū)，每個扇區(qū)對應π/3電壓空間矢量的6個扇區(qū)2023/12/27133期望電壓空間矢量的合成根本電壓空間矢量的線性組合構成期望的電壓矢量期望輸出電壓矢量與扇區(qū)起始邊的夾角期望輸出電壓矢量的合成2023/12/27134期望電壓空間矢量的合成在一個開關周期T0u1的作用是將t1，u2的作用時間t2合成電壓矢量期望輸出電壓矢量的合成2023/12/27135期望電壓空間矢量的合成由正弦定理可得零矢量的作用時間2023/12/27136期望電壓空間矢量的合成兩個根本矢量作用時間之和應滿足輸出電壓矢量最大幅值2023/12/27137期望電壓空間矢量的合成當定子相電壓為三相平衡正弦電壓時，三相合成矢量幅值基波相電壓最大幅值基波線電壓最大幅值2023/12/27138期望電壓空間矢量的合成SPWM的基波線電壓最大幅值為SVPWM方式的逆變器輸出線電壓基波最大值為直流側電壓，比SPWM逆變器輸出電壓最多提高了約15%。2023/12/27139SVPWM的實現(xiàn)通常以開關損耗和諧波分量都較小為原那么，來安排根本矢量和零矢量的作用順序，一般在減少開關次數(shù)的同時，盡量使PWM輸出波型對稱，以減少諧波分量。2023/12/27140零矢量集中的實現(xiàn)方法按照對稱原那么，將兩個根本電壓矢量的作用時間平分為二后，安放在開關周期的首端和末端。零矢量的作用時間放在開關周期的中間，并按開關次數(shù)最少的原那么選擇零矢量。在一個開關周期內，有一相的狀態(tài)保持不變，從一個矢量切換到另一個矢量時，只有一相狀態(tài)發(fā)生變化，因而開關次數(shù)少，開關損耗小。2023/12/27141零矢量集中的實現(xiàn)方法零矢量集中的SVPWM實現(xiàn)2023/12/27142零矢量分散的實現(xiàn)方法將零矢量平均分為4份，在開關周期的首、尾各放1份，在中間放兩份。將兩個根本電壓矢量的作用時間平分為二后，插在零矢量間。按開關次數(shù)最少的原那么選擇矢量。2023/12/27143零矢量分散的實現(xiàn)方法零矢量分布的SVPWM實現(xiàn)2023/12/27144零矢量分散的實現(xiàn)方法每個周期均以零矢量開始，并以零矢量結束。從一個矢量切換到另一個矢量時，只有一相狀態(tài)發(fā)生變化。在一個開關周期內，三相狀態(tài)均各變化一次，開關損耗略大于零矢量集中的方法。2023/12/27145SVPWM控制的定子磁鏈將占據π/3的定子磁鏈矢量軌跡等分為N個小區(qū)間，每個小區(qū)間所占的時間定子磁鏈矢量軌跡為正6N邊形，軌跡更接近于圓，諧波分量小，能有效減小轉矩脈動。2023/12/27146SVPWM控制的定子磁鏈在每個小區(qū)間內，定子磁鏈矢量的增量為非根本電壓矢量，必須用兩個根本矢量合成。期望的定子磁鏈矢量軌跡2023/12/27147SVPWM控制的定子磁鏈為了產生定子磁鏈矢量的增量為

2023/12/27148SVPWM控制的定子磁鏈

定子磁鏈矢量的運動的7步軌跡2023/12/27149SVPWM控制的定子磁鏈定子磁鏈矢量軌跡π/3弧度內實際的定子磁鏈矢量軌跡N=4時，實際的定子磁鏈矢量軌跡2023/12/27150SVPWM控制的定子磁鏈定子磁鏈矢量軌跡0~2π弧度的定子磁鏈矢量軌跡定子旋轉磁鏈矢量軌跡2023/12/27151SVPWM控制的定子磁鏈實際的定子磁鏈矢量軌跡在期望的磁鏈圓周圍波動。N越大，磁鏈軌跡越接近于圓，但開關頻率隨之增大。由于N是有限的，所以磁鏈軌跡只能接近于圓，而不可能等于圓。2023/12/27152SVPWM控制的特點8個根本輸出矢量，6個有效工作矢量和2個零矢量，在一個旋轉周期內，每個有效工作矢量只作用1次的方式，生成正6邊形的旋轉磁鏈，諧波分量大，導致轉矩脈動。用相鄰的2個有效工作矢量，合成任意的期望輸出電壓矢量，使磁鏈軌跡接近于圓。開關周期越小，旋轉磁場越接近于圓，但功率器件的開關頻率將提高。2023/12/27153SVPWM控制的特點用電壓空間矢量直接生成三相PWM波，計算簡便。與一般的SPWM相比較，SVPWM控制方式的輸出電壓最多可提高15%。2023/12/271545.4.6交流PWM變頻器-異步電動機系統(tǒng)的特殊問題PWM變頻器的輸出電壓為等幅不等寬的脈沖序列，該脈沖序列可分解為基波和一系列諧波分量?；óa生恒定的電磁轉矩，而諧波分量那么帶來一些負面效應。2023/12/27155轉矩脈動一般使PWM波正負半波鏡對稱和1/4周期對稱，那么三相對稱的電壓PWM波可用傅氏級數(shù)表示2023/12/27156轉矩脈動當諧波次數(shù)k是3的整數(shù)倍時，諧波電壓為零序分量，不產生該次諧波電流。因此，三相電流可表示為2023/12/27157轉矩脈動三相感應電動勢近似為正弦波單相等效電路2023/12/27158轉矩脈動基波感應電動勢與k次諧波電流傳輸?shù)乃矔r功率2023/12/27159轉矩脈動k次諧波電流產生的電磁轉矩2023/12/27160轉矩脈動

k次諧波電流產生的電磁轉矩2023/12/27161轉矩脈動5次和7次諧波電流產生6次的脈動轉矩，11次和13次諧波電流產生12次的脈動轉矩。在PWM控制時，應抑制這些諧波分量。當k繼續(xù)增大時，諧波電流較小，脈動轉矩不大，可忽略不計。2023/12/27162電壓變化率當電動機由三相平衡電壓供電時，線電壓的變化率2023/12/27163電壓變化率采用PWM方式供電時，線電壓的跳變在瞬間完成，幅值為

很大在電動機繞組的匝間和軸間產生較大的漏電流，不利于電動機的正常運行。采用多重化技術，可有效降低電壓變化率，但變頻器主回路和控制將復雜得多。2023/12/27164能量回饋與泵升電壓采用不可控整流的交-直-交變頻器，能量不能從直流側回饋至電網，交流電動機工作在發(fā)電制動狀態(tài)時，能量從電動機側回饋至直流側，導致直流電壓上升，稱為泵升電壓。電動機儲存的動能較大、制動時間較短或電動機長時間工作在發(fā)電制動狀態(tài)時，泵升電壓很高，嚴重時將損壞變頻器。2023/12/27165能量回饋與泵升電壓在直流側并入一個制動電阻，當泵升電壓到達一定值時，開通與制動電阻相串聯(lián)的功率器件，通過制動電阻釋放電能，以降低泵升電壓。在直流側并入一組晶閘管有源逆變器或采用PWM可控整流，當泵升電壓升高時，將能量回饋至電網，以限制泵升電壓。2023/12/27166泵升電壓的限制帶制動電阻的交-直-交變頻器主回路2023/12/27167泵升電壓的限制直流側并晶閘管有源逆變器的交-直-交變頻器主回路2023/12/27168泵升電壓的限制PWM可控整流的交-直-交變頻器主回路2023/12/27169對電網的污染由于直流側存在較大的濾波電容，只有當輸入交流線電壓幅值大于電容電壓時，才有充電電流流通，交流電壓低于電容電壓時，電流便終止。電流波形具有較大的諧波分量，使電源受到污染。2023/12/27170對電網的污染電網側輸入電流波形2023/12/271715.5轉速開環(huán)變壓變頻調速系統(tǒng)對于風機、水泵等調速性能要求不高的負載，可以根據電動機的穩(wěn)態(tài)模型，采用轉速開環(huán)電壓頻率協(xié)調控制的方案。通用變頻器控制系統(tǒng)可以和通用的籠型異步電動機配套使用。具有多種可供選擇的功能，適用于各種不同性質的負載。2023/12/271725.5.1轉速開環(huán)變壓變頻調速系統(tǒng)結構由于系統(tǒng)本身沒有自動限制起制動電流的作用，頻率設定必須通過給定積分算法產生平緩的升速或降速信號，2023/12/27173電壓--頻率特性電壓/頻率特性當實際頻率大于或等于額定頻率時，只能保持額定電壓不變。而當實際頻率小于額定頻率時，一般是帶低頻補償?shù)暮銐侯l比控制。2023/12/27174系統(tǒng)結構轉速開環(huán)變壓變頻調速系統(tǒng)2023/12/271755.5.2系統(tǒng)實現(xiàn)系統(tǒng)硬件包括：主電路、驅動電路、微機控制電路、信號采集與故障綜合電路。數(shù)字控制通用變頻器-異步電動機調速系統(tǒng)硬件原理圖2023/12/271765.6轉速閉環(huán)轉差頻率控制的變壓變頻調速系統(tǒng)轉速開環(huán)變頻調速系統(tǒng)可以滿足平滑調速的要求，但靜、動態(tài)性能不夠理想。采用轉速閉環(huán)控制可提高靜、動態(tài)性能，實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無靜差。需增加轉速傳感器、相應的檢測電路和測速軟件等。轉速閉環(huán)轉差頻率控制的變壓變頻調速是基于異步電動機穩(wěn)態(tài)模型的轉速閉環(huán)控制系統(tǒng)。2023/12/271775.6.1轉差頻率控制的根本概念及特點異步電動機恒氣隙磁通的電磁轉矩公式2023/12/27178轉差頻率控制的根本概念及特點代入電磁轉矩公式，得電機結構常數(shù)2023/12/27179轉差頻率控制的根本概念及特點定義轉差角頻率電磁轉矩轉差率s較小，轉矩可近似表示2023/12/27180轉差頻率控制的根本思想保持氣隙磁通不變，在s值較小的穩(wěn)態(tài)運行范圍內，異步電動機的轉矩就近似與轉差角頻率成正比。在保持氣隙磁通不變的前提下，可以通過控制轉差角頻率來控制轉矩，這就是轉差頻率控制的根本思想。2023/12/27181轉差頻率控制的根本思想臨界轉差最大轉矩〔臨界轉矩〕2023/12/27182轉差頻率控制的根本思想要保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行，必須使在轉差頻率控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)允許的最大轉差頻率小于臨界轉差頻率2023/12/27183轉差頻率控制的根本規(guī)律用轉差頻率來控制轉矩，是轉差頻率控制的根本規(guī)律之一。恒氣隙磁通控制的機械特性2023/12/27184轉差頻率控制的根本思想如何保持氣隙磁通恒定，是轉差頻率控制系統(tǒng)要解決的第二個問題。保持氣隙磁通恒定，異步電動機定子電壓必須采用定子電壓補償控制，以抵消定子電阻和漏抗的壓降。

2023/12/27185轉差頻率控制的根本思想定子電壓補償應該是幅值和相位的補償，但控制系統(tǒng)復雜。忽略電流相量相位變化的影響，僅采用幅值補償，那么電壓–頻率特性為2023/12/27186轉差頻率控制的根本思想高頻時，定子漏抗壓降占主導地位，可忽略定子電阻，簡化為電壓—頻率特性近似呈線性；低頻時，定子電阻的影響不可忽略，曲線呈現(xiàn)非線性性質。2023/12/27187轉差頻率控制的根本思想高頻時，近似呈線性；低頻時，呈非線性。定子電壓補償控制的電壓–頻率特性2023/12/27188轉差頻率控制的規(guī)律轉矩根本上與轉差頻率成正比，條件是氣隙磁通不變，且在不同的定子電流值時，按定子電壓補償控制的電壓–頻率特性關系控制定子電壓和頻率，就能保持氣隙磁通恒定。2023/12/271895.6.2轉差頻率控制系統(tǒng)結構及性能分析轉差頻率控制的轉速閉環(huán)變壓變頻調速系統(tǒng)結構原理圖2023/12/27190系統(tǒng)結構兩個轉速反響:轉速外環(huán)為負反響，ASR為轉