第6章-电力拖动自动控制系统--运动控制系统(第5版.pptx

电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统 运动控制系统运动控制系统第第6章章基于稳态模型的异基于稳态模型的异步电动机调速系统步电动机调速系统 基于稳态模型的异步电动机调速基于稳态模型的异步电动机调速l在在基基于于稳稳态态模模型型的的异异步步电电动动机机调调速速系系统统中中，采采用用稳稳态态等等值值电电路路来来分分析析异异步步电电动动机机在在不不同同电电压压和和频频率率供供电电条条件件下下的的转转矩矩与与磁磁通通的的稳稳态态关关系系和和机机械械特特性性，并并在在此此基基础础上上设设计计异异步步电动机调速系统。电动机调速系统。基于稳态模型的调速方法基于稳态模型的调速方法l常常用用的的基基于于稳稳态态模模型型的的异异步步电电动动机机调调速速方方法法有有调调压压调调速速和和变变压压变变频频调调速两类。速两类。内内 容容 提提 要要n异步电动机稳态数学模型和调速方法异步电动机稳态数学模型和调速方法n异步电动机调压调速异步电动机调压调速n异步电动机变压变频调速异步电动机变压变频调速n电力电子变压变频器电力电子变压变频器n转速开环变压变频调速系统转速开环变压变频调速系统n转转速速闭闭环环转转差差频频率率控控制制的的变变压压变变频频调调速速系统系统6.1 异步电动机稳态数学模异步电动机稳态数学模型和调速方法型和调速方法l异步电动机稳态数学模型包括异步电动机异步电动机稳态数学模型包括异步电动机稳态等值电路和机械特性，两者既有联系，稳态等值电路和机械特性，两者既有联系，又有区别。又有区别。稳态等值电路描述了在一定的转差率稳态等值电路描述了在一定的转差率下电动机的稳态电气特性。下电动机的稳态电气特性。机械特性则表征了转矩与转差率（或机械特性则表征了转矩与转差率（或转速）的稳态关系。转速）的稳态关系。6.1.1异步电动机稳态数学模型异步电动机稳态数学模型l转差率与转速的关系转差率与转速的关系或或 电动机极对数电动机极对数 供电电源频率供电电源频率 l同步转速同步转速 异步电动机稳态等值电路异步电动机稳态等值电路图图6-1 异步电动机异步电动机T型等值电路型等值电路假定条件：假定条件：忽略空间和时间谐波，忽略空间和时间谐波，忽略磁饱和，忽略磁饱和，忽略铁损忽略铁损异步电动机稳态等值电路异步电动机稳态等值电路式中式中 l转子相电流（折合到定子侧）转子相电流（折合到定子侧）异步电动机稳态等值电路异步电动机稳态等值电路图图6-2 异步电动机简化等值电路异步电动机简化等值电路忽略励磁电流忽略励磁电流异步电动机稳态等值电路异步电动机稳态等值电路l简化等值电路的相电流简化等值电路的相电流异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性l异步电动机传递的电磁功率异步电动机传递的电磁功率 l机械同步角速度机械同步角速度 异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性l异步电动机的电磁转矩（机械特性方程式异步电动机的电磁转矩（机械特性方程式）异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性对对s求导，并令求导，并令 l最大转矩，又称临界转矩最大转矩，又称临界转矩 异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性l临界转差率：对应最大转矩的转差率临界转差率：对应最大转矩的转差率异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性将机械特性方程式分母展开将机械特性方程式分母展开异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性当当s很小时，忽略分母中含很小时，忽略分母中含s各项各项l转矩近似与转矩近似与s成正比，机械特性近似为直成正比，机械特性近似为直线线 异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性当当s较大时，忽略分母中较大时，忽略分母中s的一次项和零次项的一次项和零次项l转矩近似与转矩近似与s成反比，机械特性是一段双曲成反比，机械特性是一段双曲线线异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性l异步电动机由额异步电动机由额定电压、额定频定电压、额定频率供电，且无外率供电，且无外加电阻和电抗时加电阻和电抗时的机械特性方程的机械特性方程式，称作固有特式，称作固有特性或自然特性。性或自然特性。图图6-3 异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性6.1.2异步电动机的调速方异步电动机的调速方法与气隙磁通法与气隙磁通l异步电动机的调速方法异步电动机的调速方法所谓调速，就是人为地改变机械特性所谓调速，就是人为地改变机械特性的参数，使电动机的稳定工作点偏离固有的参数，使电动机的稳定工作点偏离固有特性，工作在人为机械特性上，以达到调特性，工作在人为机械特性上，以达到调速的目的。速的目的。异步电动机的调速方法异步电动机的调速方法由异步电动机的机械特性方程式由异步电动机的机械特性方程式可知，能够改变的参数可分为可知，能够改变的参数可分为3类：类：电电动动机机参参数数、电电源源电电压压和和电电源源频频率率（或或角角频频率）。率）。异步电动机的气隙磁通异步电动机的气隙磁通l三相异步电动机定子每相电动势的有效值三相异步电动机定子每相电动势的有效值忽略定子绕组电阻和漏磁感抗压降忽略定子绕组电阻和漏磁感抗压降异步电动机的气隙磁通异步电动机的气隙磁通l气隙磁通气隙磁通 l为了保持气隙磁通恒定，应使为了保持气隙磁通恒定，应使 或近似为或近似为 6.2 异步电动机调压调速异步电动机调压调速l保保持持电电源源频频率率为为额额定定频频率率，只只改改变变定定子电压的调速方法称作调压调速。子电压的调速方法称作调压调速。l由由于于受受电电动动机机绝绝缘缘和和磁磁路路饱饱和和的的限限制制，定定子子电电压压只只能能降降低低，不不能能升升高高，故故又又称作降压调速。称作降压调速。异步电动机调压调速异步电动机调压调速l调调压压调调速速的的基基本本特特征征：电电动动机机同同步步转转速速保保持额定值不变持额定值不变 l气隙磁通气隙磁通 随定子电压的降低而减小，属于弱磁调速。随定子电压的降低而减小，属于弱磁调速。6.2.1 异步电动机调压调速异步电动机调压调速主电路主电路图图6-4 晶闸管交流调压器调速晶闸管交流调压器调速TVC双双向晶闸管向晶闸管交流调压交流调压器器a)不可逆不可逆电路电路b)可逆电可逆电路路6.2.2 异步电动机调压调速异步电动机调压调速的机械特性的机械特性可调可调 l调压调速的机械特性表达式调压调速的机械特性表达式l电磁转矩与定子电压的平方成正比电磁转矩与定子电压的平方成正比 6.2.2 异步电动机调压调速异步电动机调压调速的机械特性的机械特性l临界转差率保持不变临界转差率保持不变 l理想空载转速保持为同步转速不变理想空载转速保持为同步转速不变 6.2.2 异步电动机调压调速异步电动机调压调速的机械特性的机械特性l临界转矩临界转矩 l 随定子电压的减小而成平方比地下随定子电压的减小而成平方比地下降降6.2.2 异步电动机调压调速异步电动机调压调速的机械特性的机械特性图图6-5 异步电动机调压调速的机械特性异步电动机调压调速的机械特性6.2.2 异步电动机调压调速异步电动机调压调速的机械特性的机械特性l带恒转矩负载时，普通笼型异步电动机降带恒转矩负载时，普通笼型异步电动机降压调速时的稳定工作范围为压调速时的稳定工作范围为 调速范围有限，图中调速范围有限，图中A、B、C为恒转矩负载为恒转矩负载在不同电压时的稳定工作点。在不同电压时的稳定工作点。l带风机类负载运行，调速范围可以稍大一带风机类负载运行，调速范围可以稍大一些，图中些，图中D、E、F为风机类负载在不同电压为风机类负载在不同电压时的稳定工作点。时的稳定工作点。6.2.2 异步电动机调压调速异步电动机调压调速的机械特性的机械特性带恒转矩负载工作时，定子侧输入的电带恒转矩负载工作时，定子侧输入的电磁功率磁功率故电磁功率恒定不变，与转速无关。故电磁功率恒定不变，与转速无关。均为常数均为常数 6.2.2 异步电动机调压调速异步电动机调压调速的机械特性的机械特性l转差功率转差功率 随着转差率的加大而增加。随着转差率的加大而增加。l带恒转矩负载的降压调速就是靠增大转带恒转矩负载的降压调速就是靠增大转差功率、减小输出功率来换取转速的降低。差功率、减小输出功率来换取转速的降低。l增加的转差功率全部消耗在转子电阻上，增加的转差功率全部消耗在转子电阻上，这就是转差功率消耗型的由来。这就是转差功率消耗型的由来。6.2.2 异步电动机调压调速异步电动机调压调速的机械特性的机械特性l增加转子电阻值，增加转子电阻值，临界转差率加大，临界转差率加大，可以扩大恒转矩负可以扩大恒转矩负载下的调速范围，载下的调速范围，这种高转子电阻电这种高转子电阻电动机又称作交流力动机又称作交流力矩电动机。矩电动机。l缺点是机械特性缺点是机械特性较软。较软。图图6-6 高转子电阻电动机（交流力矩高转子电阻电动机（交流力矩电动机）在不同电压下的机械特性电动机）在不同电压下的机械特性6.2.3 闭环控制的调压调速系统闭环控制的调压调速系统l要求带恒转要求带恒转矩负载的调矩负载的调压系统具有压系统具有较大的调速较大的调速范围时，往范围时，往往须采用带往须采用带转速反馈的转速反馈的闭环控制系闭环控制系统统。图图6-7 带转速负反馈闭环控带转速负反馈闭环控制的交流调压调速系统制的交流调压调速系统 6.2.3 闭环控制的调压调速系统闭环控制的调压调速系统l当系统带负载稳定时，如果负载增大或减当系统带负载稳定时，如果负载增大或减小，引起转速下降或上升，反馈控制作用小，引起转速下降或上升，反馈控制作用会自动调整定子电压，使闭环系统工作在会自动调整定子电压，使闭环系统工作在新的稳定工作点。新的稳定工作点。l按照反馈控制规律，将稳定工作点连接起按照反馈控制规律，将稳定工作点连接起来便是闭环系统的静特性。来便是闭环系统的静特性。6.2.3 闭环控制的调压调速系统闭环控制的调压调速系统l静特性左右静特性左右两边都有极两边都有极限，它们是限，它们是额定电压下额定电压下的机械特性的机械特性和最小输出和最小输出电压下的机电压下的机械特性。械特性。图图6-8 转速闭环控制的交流转速闭环控制的交流调压调速系统静特性调压调速系统静特性*6.2.4降压控制应用降压控制应用l三相异步电动机直接接电网起动时，起动三相异步电动机直接接电网起动时，起动电流比较大，而起动转矩并不大。电流比较大，而起动转矩并不大。*6.2.4降压控制应用降压控制应用l中、大容量电动机的起动电流大，会使电中、大容量电动机的起动电流大，会使电网压降过大，影响其它用电设备的正常运网压降过大，影响其它用电设备的正常运行，甚至使该电动机本身根本起动不起来。行，甚至使该电动机本身根本起动不起来。l必须采取措施来降低其起动电流，常用的必须采取措施来降低其起动电流，常用的办法是降压起动。办法是降压起动。*软起动器软起动器l当电压降低时，起动电流将随电压成正比当电压降低时，起动电流将随电压成正比地降低，从而可以避开起动电流冲击的高地降低，从而可以避开起动电流冲击的高峰。峰。l起动转矩与电压的平方成正比，起动转矩起动转矩与电压的平方成正比，起动转矩的减小将比起动电流的降低更多，降压起的减小将比起动电流的降低更多，降压起动时又会出现起动转矩不够的问题。动时又会出现起动转矩不够的问题。l降压起动只适用于中、大容量电动机空载降压起动只适用于中、大容量电动机空载（或轻载）起动的场合。（或轻载）起动的场合。*6.2.4降压控制应用降压控制应用l三相异步电动机运行时的总损耗三相异步电动机运行时的总损耗 l电机的运行效率电机的运行效率*轻载降压运行轻载降压运行l为为了了减减少少轻轻载载时时的的能能量量损损耗耗，降降低低定定子子电电压压可可以以降降低低气气隙隙磁磁通通，这这样样可可以以同同时时降降低低铁损和励磁电流。铁损和励磁电流。l过过分分降降低低电电压压和和磁磁通通，转转子子电电流流必必然然增增大大，定定子子电电流流反反而而可可能能增增加加，铁铁损损的的降降低低将将被被铜损的增加填补，效率反而更差了。铜损的增加填补，效率反而更差了。l当当负负载载转转矩矩一一定定时时，轻轻载载降降压压运运行行有有一一个个最佳电压值，此时效率最高。最佳电压值，此时效率最高。6.3 异步电动机变压变频调速异步电动机变压变频调速l变压变频调速是改变异步电动机同步转速变压变频调速是改变异步电动机同步转速的一种调速方法，同步转速随频率而变化的一种调速方法，同步转速随频率而变化6.3.1 变压变频调速的基本原理变压变频调速的基本原理l异步电动机的实际转速异步电动机的实际转速 l稳态速降稳态速降 随负载大小变化随负载大小变化 气隙磁通气隙磁通控制控制l只要控制只要控制便可控制气隙磁通便可控制气隙磁通 基频以下调速基频以下调速 l当异步电动机在基频（额定频率）以下运当异步电动机在基频（额定频率）以下运行时，如果磁通太弱，没有充分利用电机行时，如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；如果磁通过大，又的铁心，是一种浪费；如果磁通过大，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时还会因绕组过热而损坏电机。严重时还会因绕组过热而损坏电机。l最好是保持每极磁通量为额定值不变。最好是保持每极磁通量为额定值不变。基频以下调速基频以下调速 l当频率从额定值向下调节时，必须使当频率从额定值向下调节时，必须使 l基频以下应采用电动势频率比为恒值的基频以下应采用电动势频率比为恒值的控制方式。控制方式。基频以下调速基频以下调速 l恒压频比的控制方式恒压频比的控制方式 当电动势值较高时，忽略定子电阻和漏感当电动势值较高时，忽略定子电阻和漏感压降，压降，基频以下调速基频以下调速 l低频补偿（低频转矩提升）低频补偿（低频转矩提升）低频时，定子电阻和漏感压降所占的份低频时，定子电阻和漏感压降所占的份量比较显著，不能再忽略。量比较显著，不能再忽略。人为地把定子电压抬高一些，以补偿定人为地把定子电压抬高一些，以补偿定子阻抗压降。子阻抗压降。负载大小不同，需要补偿的定子电压也负载大小不同，需要补偿的定子电压也不一样。不一样。基频以下调速基频以下调速 l通常在控制软通常在控制软件中备有不同件中备有不同斜率的补偿特斜率的补偿特性，以供用户性，以供用户选择。选择。a无补偿无补偿 b带定子带定子电压补偿电压补偿图图6-9 恒压频比控制特性恒压频比控制特性基频以上调速基频以上调速 l在基频以上调速时，频率从向上升高，在基频以上调速时，频率从向上升高，受到电机绝缘耐压和磁路饱和的限制，受到电机绝缘耐压和磁路饱和的限制，定子电压不能随之升高，最多只能保定子电压不能随之升高，最多只能保持额定电压不变。持额定电压不变。l这将导致磁通与频率成反比地降低，这将导致磁通与频率成反比地降低，使得异步电动机工作在弱磁状态。使得异步电动机工作在弱磁状态。变压变频调速变压变频调速 图图6-10 异步电动机变压变频调速的控制特性异步电动机变压变频调速的控制特性6.3.2 变压变频调速时的机械变压变频调速时的机械特性特性l基频以下采用恒压频比控制基频以下采用恒压频比控制 异步电动机机械特性方程式改写为异步电动机机械特性方程式改写为基频以下调速基频以下调速l当当s很小时，忽略上式分母中含很小时，忽略上式分母中含s各项，各项，或或 基频以下调速基频以下调速l对于同一转矩，转速降落基本不变对于同一转矩，转速降落基本不变在恒压频比的条件下把频率向下调节时，机械特性基本上是平行下移的。基频以下调速基频以下调速l临界转矩临界转矩 随着频率的降低而减小。随着频率的降低而减小。l当频率较低时，电动机带载能力减弱，采当频率较低时，电动机带载能力减弱，采用低频定子压降补偿，适当地提高电压，可用低频定子压降补偿，适当地提高电压，可以增强带载能力。以增强带载能力。基频以下调速基频以下调速l转差功率转差功率 与转速无关，故称作转差功率不变型。基频以上调速基频以上调速l电电压压不不能能从从额额定定值值再再向向上上提提高高，只只能能保持不变，机械特性方程式可写成保持不变，机械特性方程式可写成l临界转矩表达式临界转矩表达式 基频以上调速基频以上调速l临界转差临界转差 l当当s很小时，忽略上式分母中含很小时，忽略上式分母中含s各项各项 或或基频以上调速基频以上调速l带负载时的转速降落带负载时的转速降落 l对对于于相相同同的的电电磁磁转转矩矩，角角频频率率越越大大，转转速速降降落落越越大大，机机械械特特性性越越软软，与与直直流流电电动动机机弱弱磁调速相似。磁调速相似。基频以上调速基频以上调速l转差功率转差功率 l带恒功率负载运行时带恒功率负载运行时转差功率基本不变。转差功率基本不变。变压变频调速时的机械特性变压变频调速时的机械特性图图6-11 异步电动机变压变频调速机械特性异步电动机变压变频调速机械特性变压变频调速变压变频调速l在基频以下，由于磁通恒定，允许输在基频以下，由于磁通恒定，允许输出转矩也恒定，属于出转矩也恒定，属于“恒转矩调速恒转矩调速”方式。方式。l在基频以上，转速升高时磁通减小，在基频以上，转速升高时磁通减小，允许输出转矩也随之降低，由于转速允许输出转矩也随之降低，由于转速上升，允许输出功率基本恒定，属于上升，允许输出功率基本恒定，属于“近似的恒功率调速近似的恒功率调速”方式。方式。6.3.3 基频以下电压补偿控制基频以下电压补偿控制 l在在基基频频以以下下运运行行时时，采采用用恒恒压压频频比比的的控控制方法具有控制简便的优点。制方法具有控制简便的优点。l但但负负载载的的变变化化时时定定子子压压降降不不同同，将将导导致致磁通改变，须采用定子电压补偿控制。磁通改变，须采用定子电压补偿控制。l根根据据定定子子电电流流的的大大小小改改变变定定子子电电压压，以以保持磁通恒定。保持磁通恒定。6.3.3 基频以下电压补偿控制基频以下电压补偿控制 l为为了了使使参参考考极极性性与与电电动动状状态态下下的的实实际际极极性性相相吻吻合合，感感应应电电动动势势采采用用电电压压降降的的表表示示方方法法，由由高高电电位位指向低电位。指向低电位。图图6-12 异步电动机等值电路和感应电动势异步电动机等值电路和感应电动势三种磁通三种磁通l气隙磁通在定子每相绕组中的感应电动势气隙磁通在定子每相绕组中的感应电动势 l定子全磁通在定子每相绕组中的感应电动势定子全磁通在定子每相绕组中的感应电动势 l转子全磁通在定子每相绕组中的感应电动势转子全磁通在定子每相绕组中的感应电动势 恒定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：定定子子电电动动势势不不好好直直接接控控制制，能能够够直直接接控控制制的只有定子电压，按的只有定子电压，按l补补偿偿定定子子电电阻阻压压降降，就就能能够够得得到到恒恒定定子子磁磁通。通。常值常值恒定子磁通控制恒定子磁通控制 l忽略励磁电流，转子电流忽略励磁电流，转子电流l电磁转矩电磁转矩 恒定子磁通控制恒定子磁通控制 恒压频比控制时的转矩式恒压频比控制时的转矩式 两两式式相相比比可可知知，恒恒定定子子磁磁通通控控制制时时转转矩矩表表达达式式的的分母小于恒压频比控制特性中的同类项。分母小于恒压频比控制特性中的同类项。l当当转转差差率率s相相同同时时，采采用用恒恒定定子子磁磁通通控控制制方方式式的电磁转矩大于恒压频比控制方式。的电磁转矩大于恒压频比控制方式。恒定子磁通控制恒定子磁通控制 l临界转差率临界转差率 l临界转矩临界转矩 频率变化时，恒定子磁通控制的临界转矩恒定频率变化时，恒定子磁通控制的临界转矩恒定不变不变。恒定子磁通控制恒定子磁通控制 比较可知比较可知l恒定子磁通控制的临界转差率大恒定子磁通控制的临界转差率大于恒压频比控制方式。于恒压频比控制方式。l恒定子磁通控制的临界转矩也大恒定子磁通控制的临界转矩也大于恒压频比控制方式。于恒压频比控制方式。恒气隙磁通控制恒气隙磁通控制 l保持气隙磁通恒定：保持气隙磁通恒定：l定子电压定子电压l除除了了补补偿偿定定子子电电阻阻压压降降外外，还还应应补补偿偿定定子子漏抗压降。漏抗压降。常值常值恒气隙磁通控制恒气隙磁通控制 l转子电流转子电流l电磁转矩电磁转矩 恒气隙磁通控制恒气隙磁通控制 l临界转差率临界转差率 l临界转矩临界转矩 l与恒定子磁通控制方式相比较，恒气隙磁通与恒定子磁通控制方式相比较，恒气隙磁通控制方式的临界转差率和临界转矩更大，机械控制方式的临界转差率和临界转矩更大，机械特性更硬。特性更硬。恒转子磁通控制恒转子磁通控制 l保持转子磁通恒定：保持转子磁通恒定：l定子电压定子电压l除除了了补补偿偿定定子子电电阻阻压压降降外外，还还应应补补偿偿定定子子和转子漏抗压降。和转子漏抗压降。常值常值恒转子磁通控制恒转子磁通控制 l转子电流转子电流l电磁转矩电磁转矩 恒转子磁通控制恒转子磁通控制 l机机械械特特性性完完全全是是一一条条直直线线，可可以以获获得得和和直直流流电电动动机机一一样样的的线线性性机机械械特特性性，这这正正是是高高性性能能交交流流变变频频调调速速所所要求的稳态性能。要求的稳态性能。不同控制方式下的机械特性不同控制方式下的机械特性 图图6-13 异步电动机在不同控制方式下的机械特性异步电动机在不同控制方式下的机械特性a）恒压频比控制）恒压频比控制b）恒定子磁通控）恒定子磁通控制制c）恒气隙磁通控）恒气隙磁通控制制 d）恒转子磁通控）恒转子磁通控制制不同控制方式的比较不同控制方式的比较 l恒压频比控制最容易实现，它的变频机械恒压频比控制最容易实现，它的变频机械特性基本上是平行下移，硬度也较好，能特性基本上是平行下移，硬度也较好，能够满足一般的调速要求，低速时需适当提够满足一般的调速要求，低速时需适当提高定子电压，以近似补偿定子阻抗压降。高定子电压，以近似补偿定子阻抗压降。不同控制方式下的比较不同控制方式下的比较l恒定子磁通、恒气隙磁通和恒转子磁通的恒定子磁通、恒气隙磁通和恒转子磁通的控制方式均需要定子电压补偿，控制要复控制方式均需要定子电压补偿，控制要复杂一些。杂一些。l恒定子磁通和恒气隙磁通的控制方式虽然恒定子磁通和恒气隙磁通的控制方式虽然改善了低速性能。但机械特性还是非线性改善了低速性能。但机械特性还是非线性的，仍受到临界转矩的限制。的，仍受到临界转矩的限制。l恒转子磁通控制方式可以获得和直流他励恒转子磁通控制方式可以获得和直流他励电动机一样的线性机械特性，性能最佳。电动机一样的线性机械特性，性能最佳。6.4 电力电子变压变频器电力电子变压变频器l异异步步电电动动机机变变频频调调速速需需要要电电压压与与频频率率均均可可调调的的交交流流电电源源，常常用用的的交交流流可可调调电电源源是是由由电电力力电电子子器器件件构构成成的的静静止止式式功功率率变变换换器器，一般称为变频器。一般称为变频器。6.4 电力电子变压变频器电力电子变压变频器l交交-直直-交交变变频频器器：先先将将恒恒压压恒恒频频的的交交流流电电整整成成直直流流，再再将将直直流流电电逆逆变变成成电电压压与与频频率率均为可调的交流，称作间接变频。均为可调的交流，称作间接变频。l交交-交交变变频频器器：将将恒恒压压恒恒频频的的交交流流电电直直接接变变换换为为电电压压与与频频率率均均为为可可调调的的交交流流电电，无无需需中间直流环节，称作直接变频。中间直流环节，称作直接变频。6.4 电力电子变压变频器电力电子变压变频器图图6-14 变频器结构示意图变频器结构示意图a）交）交-直直-交变频器交变频器b）交）交-交交变频器变频器 脉冲宽度调制技术脉冲宽度调制技术l现现代代变变频频器器中中用用得得最最多多的的控控制制技技术术是是脉脉冲冲宽宽度度调调制制（Pulse Width Modulation），简简称称PWM。l基基本本思思想想是是控控制制逆逆变变器器中中电电力力电电子子器器件件的的开开通通或或关关断断，输输出出电电压压为为幅幅值值相相等等、宽宽度度按按一一定定规规律律变变化化的的脉脉冲冲序序列列，用用这这样样的的高高频频脉脉冲序列代替期望的输出电压。冲序列代替期望的输出电压。6.4.1 PWM变频器主回路变频器主回路图图6-15 交交-直直-交变频器主回路结构图交变频器主回路结构图6.4.1 PWM变频器主回路变频器主回路l左边是不可控整流桥，将三相交流电左边是不可控整流桥，将三相交流电整流成电压恒定的直流电压。整流成电压恒定的直流电压。l右边是逆变器，将直流电压变换为频右边是逆变器，将直流电压变换为频率与电压均可调的交流电。率与电压均可调的交流电。l中间的滤波环节是为了减小直流电压中间的滤波环节是为了减小直流电压脉动而设置的。脉动而设置的。6.4.1 PWM变频器主回路变频器主回路l主回路只有一套可控功率级，具有结主回路只有一套可控功率级，具有结构、控制方便的优点，采用脉宽调制的构、控制方便的优点，采用脉宽调制的方法，输出谐波分量小。方法，输出谐波分量小。l缺点是当电动机工作在回馈制动状态缺点是当电动机工作在回馈制动状态时能量不能回馈至电网，造成直流侧电时能量不能回馈至电网，造成直流侧电压上升，称作泵升电压。压上升，称作泵升电压。直流母线供电直流母线供电l采采用用直直流流母母线线供供电电给给多多台台逆逆变变器器，可可以以减减少少整整流流装装置置的的电电力力电电子子器器件件，逆逆变变器器从从直直流流母母线线上上汲汲取取能能量量，还还可可以以通通过过直直流流母母线线来来实实现现能能量量平平衡衡，提提高高整整流流装装置的工作效率。置的工作效率。l当当某某个个电电动动机机工工作作在在回回馈馈制制动动状状态态时时，直直流流母母线线能能将将回回馈馈的的能能量量送送至至其其他他负负载载，实现能量交换，有效地抑制泵升电压。实现能量交换，有效地抑制泵升电压。直流母线供电直流母线供电图图6-16 直流母线方式的变频器主回路结构图直流母线方式的变频器主回路结构图6.4.2正弦波脉宽调制技术正弦波脉宽调制技术l以以频频率率与与期期望望的的输输出出电电压压波波相相同同的的正正弦弦波波作作为为调调制制波波，以以频频率率比比期期望望波波高高得得多的等腰三角波作为载波。多的等腰三角波作为载波。l由由它它们们的的交交点点确确定定逆逆变变器器开开关关器器件件的的通通断断时时刻刻，从从而而获获得得幅幅值值相相等等、宽宽度度按按正正弦弦规规律律变变化化的的脉脉冲冲序序列列，这这种种调调制制方方法法称称作作正正弦弦波波脉脉宽宽调调制制（Sinusoidal pulse Width Modulation，简简 称称SPWM）。）。6.4.2 正弦波脉宽调制技术正弦波脉宽调制技术图图6-17 三相三相PWM逆变器双极逆变器双极性性SPWM波形波形a)三相正弦调制波与三相正弦调制波与双极性三角载波双极性三角载波b）、）、c）、）、d）三相）三相电压电压e）输出线电压）输出线电压f）电动机相电压）电动机相电压*6.4.3 消除指定谐波消除指定谐波PWMl普普通通的的SPWM变变频频器器输输出出电电压压带带有有一一定定的的谐谐波波分分量量，为为降降低低谐谐波波分分量量，减减少少电电动动机机转转矩矩脉脉动动，可可以以采采用用直直接接计计算算各各脉脉冲冲起起始始与与终终了相位的方法，以消除指定次数的谐波。了相位的方法，以消除指定次数的谐波。l在在SPWM的的基基础础上上衍衍生生出出的的“消消除除指指定定次次数数 谐谐 波波 PWM”（SHEPWM，Selected Harmonics Elimination PWM）控制技术。）控制技术。*6.4.3 消除指定谐波消除指定谐波PWM图图6-18 变压变频器输出的相电压变压变频器输出的相电压PWM波形波形*6.4.3 消除指定谐波消除指定谐波PWMl要消除第要消除第k次谐波分量，只须令次谐波分量，只须令l基波幅值为所要求的电压值基波幅值为所要求的电压值6.4.4 电流跟踪电流跟踪PWM（CFPWM）控制技）控制技术术l电流跟踪电流跟踪PWM（CFPWM，Current Follow PWM）的控制方法是：在原来主回）的控制方法是：在原来主回路的基础上，采用电流闭环控制，使实际电路的基础上，采用电流闭环控制，使实际电流快速跟随给定值。流快速跟随给定值。l在稳态时，尽可能使实际电流接近正弦波在稳态时，尽可能使实际电流接近正弦波形，这就能比电压控制的形，这就能比电压控制的SPWM获得更好的获得更好的性能。性能。6.4.4 电流跟踪电流跟踪PWM（CFPWM）控制技）控制技术术图图6-19 电流滞环跟踪控制的电流滞环跟踪控制的A相原理图相原理图6.4.4 电流跟踪电流跟踪PWM（CFPWM）控制技）控制技术术l电电流流控控制制器器是是带带滞滞环环的的比比较较器器，环环宽宽为为2h。将将给给定定电电流流与与输输出出电电流流进进行行比比较较，电电流流偏偏差差超超过过h时时，经经滞滞环环控控制制器器HBC控控制制逆逆变变器上（或下）桥臂的功率器件动作。器上（或下）桥臂的功率器件动作。6.4.4 电流跟踪电流跟踪PWM（CFPWM）控制技）控制技术术图图6-20 电流滞环跟踪控制时的三相电流电流滞环跟踪控制时的三相电流波形与相电压波形与相电压PWM波形波形l电电流流滞滞环环跟跟踪踪控控制制方方法法的的精精度度高高、响响应应快快，且且易易于于实实现现。但但功功率率开开关器件的开关频率不定。关器件的开关频率不定。6.4.4 电流跟踪电流跟踪PWM（CFPWM）控制技）控制技术术l电电流流跟跟踪踪控控制制的的精精度度与与滞滞环环的的宽宽度度有有关关，同同时时还还受受到到功功率率开开关关器器件件允允许许开开关关频频率率的的制制约。约。l当当环环宽宽选选得得较较大大时时，开开关关频频率率低低，但但电电流流波形失真较多，谐波分量高；波形失真较多，谐波分量高；l如如果果环环宽宽小小，电电流流跟跟踪踪性性能能好好，但但开开关关频频率却增大了。率却增大了。l实实际际使使用用中中，应应在在器器件件开开关关频频率率允允许许的的前前提下，尽可能选择小的环宽。提下，尽可能选择小的环宽。6.4.5 电压空间矢量电压空间矢量PWM（SVPWM）控制技）控制技术术l把把逆逆变变器器和和交交流流电电动动机机视视为为一一体体，以以圆圆形形旋旋转转磁磁场场为为目目标标来来控控制制逆逆变变器器的的工工作作，这这种种控控制制方方法法称称作作“磁磁链链跟跟踪踪控控制制”，磁磁链链轨轨迹迹的的控控制制是是通通过过交交替替使使用用不不同同的的电电压压空空间间矢矢量量实实 现现 的的，所所 以以 又又 称称“电电 压压 空空 间间 矢矢 量量PWM（SVPWM，Space Vector PWM）控控制制”。空间矢量的定义空间矢量的定义l交交流流电电动动机机绕绕组组的的电电压压、电电流流、磁磁链链等等物物理理量量都都是是随随时时间间变变化化的的，如如果果考考虑虑到到它它们们所所在绕组的空间位置，可以定义为空间矢量。在绕组的空间位置，可以定义为空间矢量。l 定义三相定子电压空间矢量定义三相定子电压空间矢量 k为待定系数为待定系数 空间矢量的合成空间矢量的合成l三相合成矢量三相合成矢量图图6-21 电压空间矢量电压空间矢量的合成矢量的合成矢量 空间矢量的定义空间矢量的定义l定子电流空间矢量定子电流空间矢量 l定子磁链空间矢量定子磁链空间矢量 空间矢量表达式空间矢量表达式 l空间矢量功率表达式空间矢量功率表达式 共轭矢量共轭矢量 空间矢量表达式空间矢量表达式 考虑到考虑到 l三相瞬时功率三相瞬时功率 l按空间矢量功率与三相瞬时功率相等的原则按空间矢量功率与三相瞬时功率相等的原则 空间矢量表达式空间矢量表达式 空间矢量表达式空间矢量表达式 l当当定定子子相相电电压压为为三三相相平平衡衡正正弦弦电电压压时时，三三相合成矢量相合成矢量空间矢量表达式空间矢量表达式 l以以电电源源角角频频率率为为角角速速度度作作恒恒速速旋旋转转的的空空间矢量，幅值间矢量，幅值 l在三相平衡正弦电压供电时，若电动机转在三相平衡正弦电压供电时，若电动机转速已稳定，则定子电流和磁链的空间矢量速已稳定，则定子电流和磁链的空间矢量的幅值恒定，以电源角频率为电气角速度的幅值恒定，以电源角频率为电气角速度在空间作恒速旋转。在空间作恒速旋转。电压与磁链空间矢量的关系电压与磁链空间矢量的关系 l合成空间矢量表示的定子电压方程式合成空间矢量表示的定子电压方程式 l忽略定子电阻压降，定子合成电压与合成忽略定子电阻压降，定子合成电压与合成磁链空间矢量的近似关系为磁链空间矢量的近似关系为或或电压与磁链空间矢量的关系电压与磁链空间矢量的关系 l当当电电动动机机由由三三相相平平衡衡正正弦弦电电压压供供电电时时，电电动动机机定定子子磁磁链链幅幅值值恒恒定定，其其空空间间矢矢量量以以恒恒速速旋旋转转，磁磁链链矢矢量量顶顶端端的的运运动动轨轨迹迹呈呈圆圆形（简称为磁链圆）。形（简称为磁链圆）。l定子磁链矢量定子磁链矢量l定子电压矢量定子电压矢量电压与磁链空间矢量的关系电压与磁链空间矢量的关系 图图6-22 旋转磁场与电压空旋转磁场与电压空间矢量的运动轨迹间矢量的运动轨迹图图6-23 电压矢量圆轨迹电压矢量圆轨迹电压空间矢量电压空间矢量 l直流电源中点和交流电动机中点的电位不等，直流电源中点和交流电动机中点的电位不等，但合成电压矢量的表达式相等。但合成电压矢量的表达式相等。l因此，三相合成电压空间矢量与参考点无关。因此，三相合成电压空间矢量与参考点无关。8个基本空间矢量个基本空间矢量lPWM逆变器共有逆变器共有8种工作状态种工作状态 当当 8个基本空间矢量个基本空间矢量依此类推，可得依此类推，可得8个基本空间矢量个基本空间矢量。当当 8个基本空间矢量个基本空间矢量l2个零矢量个零矢量l6个有效工作矢量个有效工作矢量幅值为幅值为 空间互差空间互差 基本电压空间矢量图基本电压空间矢量图图图6-24 基本电压空间矢量图基本电压空间矢量图正六边形空间旋转磁场正六边形空间旋转磁场 l6个有效工作矢量完成一个周期，输出基波个有效工作矢量完成一个周期，输出基波电压角频率电压角频率 l6个有效工作矢量个有效工作矢量每个有效工作矢量作用每个有效工作矢量作用 顺序分别作用顺序分别作用t时间，并使时间，并使 正六边形空间旋转磁场正六边形空间旋转磁场 k=1,2,3,4,5,6 l定子磁链矢量的增量定子磁链矢量的增量 l定子磁链矢量运动方向与电压矢量相同，定子磁链矢量运动方向与电压矢量相同，增量的幅值等于增量的幅值等于正六边形空间旋转磁场正六边形空间旋转磁场 l定子磁链矢量的运动轨定子磁链矢量的运动轨迹为迹为 图图6-25 定子磁链矢量增量定子磁链矢量增量正六边形空间旋转磁场正六边形空间旋转磁场 图图6-26 正六边形定子磁链轨迹正六边形定子磁链轨迹l在一个周期内，在一个周期内，6个有效工作矢量个有效工作矢量顺序作用一次，顺序作用一次，定子磁链矢量是定子磁链矢量是一个封闭的正六一个封闭的正六边形。边形。正六边形空间旋转磁场正六边形空间旋转磁场 l正六边形定子磁链的大小与直流侧电压正六边形定子磁链的大小与直流侧电压成正比，而与电源角频率成反比。成正比，而与电源角频率成反比。正六边形空间旋转磁场正六边形空间旋转磁场 l在基频以下调速时，应保持正六边形定在基频以下调速时，应保持正六边形定子磁链的最大值恒定。子磁链的最大值恒定。l若直流侧电压恒定，则若直流侧电压恒定，则1越小时，越小时，t越越大，势必导致大，势必导致 增大。增大。正六边形空间旋转磁场正六边形空间旋转磁场 l要保持正六边形定子磁链不变，必须使要保持正六边形定子磁链不变，必须使 l在变频的同时必须调节直流电压，造成了控在变频的同时必须调节直流电压，造成了控制的复杂性。制的复杂性。正六边形空间旋转磁场正六边形空间旋转磁场 l有效的方法是插入零矢量有效的方法是插入零矢量l当零矢量作用时，定子磁链矢量的增量当零矢量作用时，定子磁链矢量的增量表明定子磁链矢量停留不动。表明定子磁链矢量停留不动。正六边形空间旋转磁场正六边形空间旋转磁场 l有效工作矢量作用时间有效工作矢量作用时间当 l零矢量作用时间零矢量作用时间l定子磁链矢量的增量为定子磁链矢量的增量为正六边形空间旋转磁场正六边形空间旋转磁场 l在时间在时间t1段内，定子磁链矢量轨