1、 變變 頻頻 器器 原原 理理 希望森蘭科技股份有限公司希望森蘭科技股份有限公司 一一.變頻器的原理與組成變頻器的原理與組成 (一一)概述概述: 1.定義：轉(zhuǎn)換電能并能改變頻率的電能轉(zhuǎn)換裝置。定義：轉(zhuǎn)換電能并能改變頻率的電能轉(zhuǎn)換裝置。 2.交流調(diào)速技術(shù)發(fā)展的概況與趨勢(shì)：交流調(diào)速技術(shù)發(fā)展的概況與趨勢(shì)： 交流電機(jī)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)低，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、維護(hù)方便，但調(diào)速困難。交流電機(jī)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)低，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、維護(hù)方便，但調(diào)速困難。 直流電機(jī)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、故障多、維護(hù)困難且工作量大；機(jī)械換向直流電機(jī)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、故障多、維護(hù)困難且工作量大；機(jī)械換向器的換向能力限制了電動(dòng)機(jī)的容量（單機(jī)容量器的換向

2、能力限制了電動(dòng)機(jī)的容量（單機(jī)容量12000kW14000kW）、電壓和）、電壓和速度（最高電壓速度（最高電壓1000多伏、最高轉(zhuǎn)速多伏、最高轉(zhuǎn)速3000r/min）。接觸式的電流傳輸又限制）。接觸式的電流傳輸又限制了其使用場(chǎng)合；電樞在轉(zhuǎn)子上，電動(dòng)機(jī)的效率低，散熱條件差。為改善換向了其使用場(chǎng)合；電樞在轉(zhuǎn)子上，電動(dòng)機(jī)的效率低，散熱條件差。為改善換向能力，減小電樞漏感，轉(zhuǎn)子變得粗短慣性增大，影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。能力，減小電樞漏感，轉(zhuǎn)子變得粗短慣性增大，影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。 交流調(diào)速飛速技術(shù)發(fā)展的原因：交流調(diào)速飛速技術(shù)發(fā)展的原因： 電力電子器件制造技術(shù)；電力電子電路的變換技術(shù)；電力電子器件制造技術(shù)；電

3、力電子電路的變換技術(shù)；PWM技術(shù)，矢量控制技術(shù)，矢量控制技術(shù)，直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)；微機(jī)和大規(guī)模集成電路基礎(chǔ)的數(shù)字控制技術(shù)。技術(shù)，直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)；微機(jī)和大規(guī)模集成電路基礎(chǔ)的數(shù)字控制技術(shù)。 (二二)發(fā)展趨勢(shì)與動(dòng)向發(fā)展趨勢(shì)與動(dòng)向: IGBT的應(yīng)用，載波頻率可達(dá)的應(yīng)用，載波頻率可達(dá)16KHz，抑制噪聲和機(jī)械共震，電機(jī)電流，抑制噪聲和機(jī)械共震，電機(jī)電流在低速時(shí)波形接近正弦，減少轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)；電壓驅(qū)動(dòng)，簡(jiǎn)化了電路；網(wǎng)側(cè)變流在低速時(shí)波形接近正弦，減少轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)；電壓驅(qū)動(dòng)，簡(jiǎn)化了電路；網(wǎng)側(cè)變流器的器的PWM控制；矢量控制變頻器技術(shù)的通用化，無(wú)速度傳感器矢量控制系控制；矢量控制變頻器技術(shù)的通用化，無(wú)速度傳感器矢量控制

4、系統(tǒng)代表另一新技術(shù)動(dòng)向。統(tǒng)代表另一新技術(shù)動(dòng)向。 無(wú)速度傳感器矢量控制的速度觀測(cè)模型，建模方法大體上有：動(dòng)態(tài)速度無(wú)速度傳感器矢量控制的速度觀測(cè)模型，建模方法大體上有：動(dòng)態(tài)速度估計(jì)器；模型參考自適應(yīng)方法、基于估計(jì)器；模型參考自適應(yīng)方法、基于PI調(diào)節(jié)器法、自適應(yīng)轉(zhuǎn)速觀測(cè)器法、轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)器法、自適應(yīng)轉(zhuǎn)速觀測(cè)器法、轉(zhuǎn)子齒諧波法、滑模觀測(cè)法等。子齒諧波法、滑模觀測(cè)法等。 感應(yīng)電機(jī)是一多變量，強(qiáng)耦合及時(shí)變參數(shù)系統(tǒng)，圍繞它有若干研究課題感應(yīng)電機(jī)是一多變量，強(qiáng)耦合及時(shí)變參數(shù)系統(tǒng)，圍繞它有若干研究課題: 電機(jī)參數(shù)模型的離散化、電機(jī)參數(shù)的自測(cè)定、電機(jī)定子電流的控制、電電機(jī)參數(shù)模型的離散化、電機(jī)參數(shù)的自測(cè)定、電機(jī)定子電流

5、的控制、電機(jī)參數(shù)的辯識(shí)、電機(jī)狀態(tài)估計(jì)、系統(tǒng)穩(wěn)定性分析。機(jī)參數(shù)的辯識(shí)、電機(jī)狀態(tài)估計(jì)、系統(tǒng)穩(wěn)定性分析。 l 主控一體化主控一體化 日本三菱公司將功率芯片和控制電路集成在一快芯片上日本三菱公司將功率芯片和控制電路集成在一快芯片上的的DIPIPM（即雙列直插式封裝）的研制已經(jīng)完成并推向市場(chǎng)。一種使逆變（即雙列直插式封裝）的研制已經(jīng)完成并推向市場(chǎng)。一種使逆變功率和控制電路達(dá)到一體化，智能化和高性能化的功率和控制電路達(dá)到一體化，智能化和高性能化的HVIC（高耐壓（高耐壓IC）SOC（System on Chip）的概念已被用戶接受，首先滿足了家電市場(chǎng)低成本、小）的概念已被用戶接受，首先滿足了家電市場(chǎng)低成本

6、、小型化、高可靠性和易使用等的要求。因此葉以展望，隨著功率做大，此產(chǎn)品型化、高可靠性和易使用等的要求。因此葉以展望，隨著功率做大，此產(chǎn)品在市場(chǎng)上極具競(jìng)爭(zhēng)力。在市場(chǎng)上極具競(jìng)爭(zhēng)力。 2 小型化小型化 用日本富士（用日本富士（FUJI）電機(jī)的三添勝先生的話說(shuō)，變頻器的?。╇姍C(jī)的三添勝先生的話說(shuō)，變頻器的小型化就是向發(fā)熱挑戰(zhàn)。這就是說(shuō)變頻器的小型化除了出自支撐部件的實(shí)裝技型化就是向發(fā)熱挑戰(zhàn)。這就是說(shuō)變頻器的小型化除了出自支撐部件的實(shí)裝技術(shù)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的大規(guī)模集成化，功率器件發(fā)熱的改善和冷卻技術(shù)的發(fā)展已成術(shù)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的大規(guī)模集成化，功率器件發(fā)熱的改善和冷卻技術(shù)的發(fā)展已成為小型化的重要原因。為小型化的重要原

7、因。ABB公司將小型變頻器定型為公司將小型變頻器定型為CompACTM，他向，他向全球發(fā)布的全新概念是，小功率變頻器應(yīng)當(dāng)象接觸器、軟起動(dòng)器等電器元件全球發(fā)布的全新概念是，小功率變頻器應(yīng)當(dāng)象接觸器、軟起動(dòng)器等電器元件一樣使用簡(jiǎn)單，安裝方便，安全可靠。一樣使用簡(jiǎn)單，安裝方便，安全可靠。 3 低電磁噪音化低電磁噪音化 今后的變頻器都要求在抗干擾和抑制高次諧波方面符合今后的變頻器都要求在抗干擾和抑制高次諧波方面符合EMC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),主要做法是在變頻器輸入側(cè)加交流電抗器或有源功率因數(shù)校正主要做法是在變頻器輸入側(cè)加交流電抗器或有源功率因數(shù)校正（Active Power Factor Correcti

8、on APFC）電路，改善輸入電流波形降低）電路，改善輸入電流波形降低電網(wǎng)諧波以及逆變橋采取電流過(guò)零的開(kāi)關(guān)技術(shù)。而控制電源用的開(kāi)關(guān)電源將電網(wǎng)諧波以及逆變橋采取電流過(guò)零的開(kāi)關(guān)技術(shù)。而控制電源用的開(kāi)關(guān)電源將推崇半諧振方式，這種開(kāi)關(guān)控制方式在推崇半諧振方式，這種開(kāi)關(guān)控制方式在3050M時(shí)的噪聲可降低時(shí)的噪聲可降低1520dB。 4 專(zhuān)用化通用變頻器中出現(xiàn)專(zhuān)用型家族是近年來(lái)的事。其目的是更好專(zhuān)用化通用變頻器中出現(xiàn)專(zhuān)用型家族是近年來(lái)的事。其目的是更好發(fā)揮變頻器的獨(dú)特功能并盡可能地方便用戶。如用于起重機(jī)負(fù)載的發(fā)揮變頻器的獨(dú)特功能并盡可能地方便用戶。如用于起重機(jī)負(fù)載的ACC系列，系列，用于交流電梯的用于交流

9、電梯的 Siemens MICO340系列和系列和FUJI FRN5000G11UD系列，其他系列，其他還有用于恒壓供水、機(jī)械主軸傳動(dòng)、電源再生、紡織、機(jī)車(chē)牽引等專(zhuān)用系列。還有用于恒壓供水、機(jī)械主軸傳動(dòng)、電源再生、紡織、機(jī)車(chē)牽引等專(zhuān)用系列。 5 系統(tǒng)化系統(tǒng)化 作為發(fā)展趨勢(shì)，通用變頻器從模擬式、數(shù)字式、智能化、多作為發(fā)展趨勢(shì)，通用變頻器從模擬式、數(shù)字式、智能化、多功能向集中型發(fā)展。最近，日本安川提出了以變頻器，伺服裝置，控制器及功能向集中型發(fā)展。最近，日本安川提出了以變頻器，伺服裝置，控制器及通訊裝置為中心的通訊裝置為中心的”D&M&C”概念，并制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。目的是為用戶概念，并制定了相應(yīng)的

10、標(biāo)準(zhǔn)。目的是為用戶提供最佳的系統(tǒng)。因此可以預(yù)見(jiàn)在今后變頻器的高速響應(yīng)器件和高性能控提供最佳的系統(tǒng)。因此可以預(yù)見(jiàn)在今后變頻器的高速響應(yīng)器件和高性能控制將是基本條件。制將是基本條件。 若希望把轉(zhuǎn)矩誤差控制在若希望把轉(zhuǎn)矩誤差控制在3%以內(nèi)，需要對(duì)磁通變化作修正以內(nèi)，需要對(duì)磁通變化作修正(補(bǔ)償勵(lì)磁電補(bǔ)償勵(lì)磁電抗引起的飽和及定子鐵損的變化抗引起的飽和及定子鐵損的變化)；若希望把轉(zhuǎn)矩誤差控制在；若希望把轉(zhuǎn)矩誤差控制在1%以內(nèi)，需要以內(nèi)，需要對(duì)定子和轉(zhuǎn)子的鐵損進(jìn)行補(bǔ)償對(duì)定子和轉(zhuǎn)子的鐵損進(jìn)行補(bǔ)償. 矩陣式變頻器、直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)（高精度：電機(jī)和負(fù)載間剛性耦合，高矩陣式變頻器、直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)（高精度：電機(jī)和負(fù)載間剛性

11、耦合，高速和高加速度、高動(dòng)態(tài)響應(yīng)、高機(jī)械剛度和可靠性、低噪聲和零保養(yǎng)，部件速和高加速度、高動(dòng)態(tài)響應(yīng)、高機(jī)械剛度和可靠性、低噪聲和零保養(yǎng)，部件減少可降低噪聲，磨損部件只有旋轉(zhuǎn)或直線軸承，做到永久性潤(rùn)滑和無(wú)需維減少可降低噪聲，磨損部件只有旋轉(zhuǎn)或直線軸承，做到永久性潤(rùn)滑和無(wú)需維修的一次性裝配，可實(shí)現(xiàn)零保養(yǎng)。修的一次性裝配，可實(shí)現(xiàn)零保養(yǎng)。 (三三)交流電機(jī)的調(diào)速方法交流電機(jī)的調(diào)速方法: 調(diào)壓調(diào)速、電磁調(diào)速、繞線式電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、串級(jí)調(diào)速、變極調(diào)調(diào)壓調(diào)速、電磁調(diào)速、繞線式電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、串級(jí)調(diào)速、變極調(diào)速、變頻調(diào)速等速、變頻調(diào)速等 (四四)變頻器的構(gòu)成變頻器的構(gòu)成:主回路（整流器、中間直流環(huán)節(jié)、

12、逆變器）主回路（整流器、中間直流環(huán)節(jié)、逆變器）控制回路控制回路保護(hù)回路保護(hù)回路(五五)變頻器的分類(lèi)變頻器的分類(lèi):1、按直流電源性質(zhì)分、按直流電源性質(zhì)分: 電流型、電壓型電流型、電壓型(1)電流型電流型 Id趨于平穩(wěn)；四象限運(yùn)行趨于平穩(wěn)；四象限運(yùn)行 (2)電壓型電壓型 Ed趨于平穩(wěn)；不選擇負(fù)載的通用性趨于平穩(wěn)；不選擇負(fù)載的通用性(3)電流源供電時(shí)交流電機(jī)工作特性電流源供電時(shí)交流電機(jī)工作特性:多功能控制板多功能控制板主回路主回路圖圖(五五) 交交-直直-交變頻器結(jié)構(gòu)圖交變頻器結(jié)構(gòu)圖 圖圖(六六) 電壓型與電流型交一直一交變頻器電壓型與電流型交一直一交變頻器a）電壓型變頻器 b）電流型變頻器變頻器輸

13、出電壓方波經(jīng)變頻器輸出電壓方波經(jīng)L/R積分為電流波形近似為正弦波積分為電流波形近似為正弦波特點(diǎn)名稱特點(diǎn)名稱電壓型變頻器電壓型變頻器電流型變頻器電流型變頻器儲(chǔ)能元件儲(chǔ)能元件電容器電容器電抗器電抗器波形的特點(diǎn)波形的特點(diǎn)電壓波形為矩形波電壓波形為矩形波電流波形近似正弦波電流波形近似正弦波電流波形為矩形波電流波形為矩形波電壓波形為近似正弦波電壓波形為近似正弦波回路構(gòu)成上回路構(gòu)成上的特點(diǎn)的特點(diǎn) 有反饋二極管有反饋二極管直流電源并聯(lián)大容量直流電源并聯(lián)大容量電容（低阻抗電壓源）電容（低阻抗電壓源）電動(dòng)機(jī)四象限運(yùn)轉(zhuǎn)需要再生用變流器電動(dòng)機(jī)四象限運(yùn)轉(zhuǎn)需要再生用變流器無(wú)反饋二極管無(wú)反饋二極管直流電源串聯(lián)大電感直流電

14、源串聯(lián)大電感（高阻抗電流源）（高阻抗電流源）電動(dòng)機(jī)四象限運(yùn)轉(zhuǎn)容易電動(dòng)機(jī)四象限運(yùn)轉(zhuǎn)容易特性上的特特性上的特點(diǎn)點(diǎn)負(fù)載短路時(shí)產(chǎn)生過(guò)電流負(fù)載短路時(shí)產(chǎn)生過(guò)電流轉(zhuǎn)距響應(yīng)較慢轉(zhuǎn)距響應(yīng)較慢輸入功率因數(shù)高輸入功率因數(shù)高負(fù)載短路時(shí)能抑制過(guò)電流負(fù)載短路時(shí)能抑制過(guò)電流轉(zhuǎn)距響應(yīng)快轉(zhuǎn)距響應(yīng)快輸入因素低輸入因素低電壓型變頻器和電流型變頻起對(duì)比電壓型變頻器和電流型變頻起對(duì)比 a、電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩??；、電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩?。?b、能夠穩(wěn)定運(yùn)行范圍窄，在大部分的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)是電機(jī)運(yùn)、能夠穩(wěn)定運(yùn)行范圍窄，在大部分的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)是電機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定區(qū)。行不穩(wěn)定區(qū)。 原因：恒流源供電時(shí)，定子磁勢(shì)是恒定的?？蛰d時(shí)，全部定原因：恒流源供電時(shí)，定子磁勢(shì)是恒定

15、的?？蛰d時(shí)，全部定子磁勢(shì)用于勵(lì)磁，氣隙中產(chǎn)生很強(qiáng)的磁場(chǎng)，鐵心高度飽和。負(fù)子磁勢(shì)用于勵(lì)磁，氣隙中產(chǎn)生很強(qiáng)的磁場(chǎng)，鐵心高度飽和。負(fù)載增加時(shí)，轉(zhuǎn)子減速而轉(zhuǎn)差率增大，轉(zhuǎn)子電流增加。由于轉(zhuǎn)子載增加時(shí)，轉(zhuǎn)子減速而轉(zhuǎn)差率增大，轉(zhuǎn)子電流增加。由于轉(zhuǎn)子電流的去磁作用，氣隙合成磁場(chǎng)減小，磁場(chǎng)變?nèi)?，先退出飽和電流的去磁作用，氣隙合成磁?chǎng)減小，磁場(chǎng)變?nèi)?，先退出飽和磁?chǎng)變化緩慢，而未隨轉(zhuǎn)子電流的增加磁場(chǎng)很快變?nèi)?，?dǎo)致端磁場(chǎng)變化緩慢，而未隨轉(zhuǎn)子電流的增加磁場(chǎng)很快變?nèi)?，?dǎo)致端電壓急劇下降，單位轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩減小，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子電流電壓急劇下降，單位轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩減小，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子電流進(jìn)一步增大，形成惡性循環(huán)，使轉(zhuǎn)矩很快下降到

16、較小數(shù)值進(jìn)一步增大，形成惡性循環(huán)，使轉(zhuǎn)矩很快下降到較小數(shù)值. 實(shí)際上，電流源不是真正的恒流源，等效為電壓源驅(qū)動(dòng)下的實(shí)際上，電流源不是真正的恒流源，等效為電壓源驅(qū)動(dòng)下的恒流源。恒流源。 R1X1X2R2/SxmIIII121m圖圖(七七) 異步電機(jī)在恒流源供電時(shí)異步電機(jī)在恒流源供電時(shí)的等值電路的等值電路 由戴維南定理，開(kāi)路電勢(shì)和由戴維南定理，開(kāi)路電勢(shì)和 等效內(nèi)阻：等效內(nèi)阻：m1thXIE2mgXXX22m22m12)XX()SR(XII由此求出由此求出I2:電磁轉(zhuǎn)矩：電磁轉(zhuǎn)矩：)XX()SR(f2XIn3SRI3npnPT22m2212m21p2221pm1p1m（1）nT電壓源供電轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)電壓源

17、供電轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)-速特性速特性電流源供電轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)電流源供電轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)-速特性速特性圖圖(八八) 電流源供電機(jī)轉(zhuǎn)矩電流源供電機(jī)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性轉(zhuǎn)速特性 由（由（1）式畫(huà)出其轉(zhuǎn)矩）式畫(huà)出其轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速特性如圖特性如圖7。并求出最大轉(zhuǎn)矩和。并求出最大轉(zhuǎn)矩和臨界轉(zhuǎn)差率：臨界轉(zhuǎn)差率：)xx(f4XInT2m12m21pmax2m2mxaXXRS 電壓源供電的情況下，最大電壓源供電的情況下，最大轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)在轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)在 的的)XX(RS212mxa地方。由于地方。由于 ，所以在恒流源供電時(shí)，最大轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)在轉(zhuǎn)，所以在恒流源供電時(shí)，最大轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)在轉(zhuǎn)差率小得多的地方。電機(jī)轉(zhuǎn)矩差率小得多的地方。電機(jī)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性成尖峰狀，起動(dòng)轉(zhuǎn)

18、矩很轉(zhuǎn)速特性成尖峰狀，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩很小，小， 穩(wěn)定運(yùn)行的范圍很窄。穩(wěn)定運(yùn)行的范圍很窄。 1mXX 2、按輸出電壓的調(diào)節(jié)方式分類(lèi)、按輸出電壓的調(diào)節(jié)方式分類(lèi): (1)PAM方式方式 脈幅調(diào)節(jié)，改變直流電壓幅值的調(diào)壓方式。脈幅調(diào)節(jié)，改變直流電壓幅值的調(diào)壓方式。 相控整流器；直流斬波器。相控整流器；直流斬波器。 (2)PWM方式方式: 整流器為二極管，變頻器的輸出電壓由逆變器按整流器為二極管，變頻器的輸出電壓由逆變器按PWM方式完成。方式完成。 SPWM-輸出電壓平均值為正弦波的輸出電壓平均值為正弦波的PWM方式。方式。 3、按控制方式、按控制方式: (1)V/F控制控制 逆變器的控制脈沖發(fā)生器同時(shí)受控于

19、逆變器的控制脈沖發(fā)生器同時(shí)受控于f和和v，而，而v與與f的關(guān)系的關(guān)系由由v/f決定。決定。 開(kāi)環(huán)控制，無(wú)開(kāi)環(huán)控制，無(wú)PG控制電路簡(jiǎn)單，通用性強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)性好，用于速度精度控制電路簡(jiǎn)單，通用性強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)性好，用于速度精度要求不十分嚴(yán)格或負(fù)載變動(dòng)較小的場(chǎng)合。要求不十分嚴(yán)格或負(fù)載變動(dòng)較小的場(chǎng)合。 (2)轉(zhuǎn)差頻率控制轉(zhuǎn)差頻率控制 轉(zhuǎn)差補(bǔ)償?shù)拈]環(huán)控制方式，可達(dá)到直流雙閉環(huán)的水轉(zhuǎn)差補(bǔ)償?shù)拈]環(huán)控制方式，可達(dá)到直流雙閉環(huán)的水平。平。 (3)矢量控制矢量控制: 基于電機(jī)動(dòng)態(tài)模型的控制方式，既控制量的大小，又控制方基于電機(jī)動(dòng)態(tài)模型的控制方式，既控制量的大小，又控制方向向. 要求動(dòng)態(tài)性能較高的場(chǎng)合使用。要求動(dòng)態(tài)性能較高的

20、場(chǎng)合使用。4、按主電路使用的器件、按主電路使用的器件IGBT GTR GTO SCR IGCT MOSFET IPM5、按使用的電壓、按使用的電壓高壓變頻器高壓變頻器(210KV) 低壓變頻器低壓變頻器(380V 660V) 正弦脈寬調(diào)制技術(shù)圖解正弦脈寬調(diào)制技術(shù)圖解二、二、PWM技術(shù)技術(shù)n 1、定義：利用半導(dǎo)體器件的開(kāi)通和關(guān)斷，把直流電壓變成一定形狀的、定義：利用半導(dǎo)體器件的開(kāi)通和關(guān)斷，把直流電壓變成一定形狀的電壓脈沖序列，以實(shí)現(xiàn)變頻、變壓及控制和消除諧波為目標(biāo)的一門(mén)技術(shù)。電壓脈沖序列，以實(shí)現(xiàn)變頻、變壓及控制和消除諧波為目標(biāo)的一門(mén)技術(shù)。 2、數(shù)學(xué)分析：、數(shù)學(xué)分析： f(t) t 2212212

21、21100000000)()()()sincos()(ttttttntdtfbtdtfatdtfatnbtnaatfnnnn(1)圖圖(九九) 脈沖波形圖脈沖波形圖 f(t)為奇函數(shù)，由付立葉級(jí)數(shù)的性質(zhì)為奇函數(shù)，由付立葉級(jí)數(shù)的性質(zhì):f(t)=-f(t),則則a0=a0=020002221sin)(sin)(ttdntfttdntfbttn設(shè)設(shè)f(t)幅度為幅度為1，則，則2011)(tttf(2)在方波的半波內(nèi)斬為在方波的半波內(nèi)斬為m個(gè)脈沖，斬角分別為個(gè)脈沖，斬角分別為m21則對(duì)于奇數(shù)則對(duì)于奇數(shù)n和奇數(shù)和奇數(shù)m有有 :mkknkmnnnnnnttdnttdnttdnb11222cos) 1(c

22、oscoscossinsinsin22124321(3)對(duì)于奇數(shù)對(duì)于奇數(shù)n和偶數(shù)和偶數(shù)m 有有:mkknkmmnnnnnnttdnttdnttdnb11222cos) 1(coscoscossinsinsin22114321(4)于是，由于是，由(3)和和(4)式對(duì)于式對(duì)于奇數(shù)奇數(shù)n和任意的和任意的m均有均有:211210:cos)1(mknmkknb式中(5) 對(duì)于奇函數(shù)，偶次諧波為零，僅有奇次諧波，即：對(duì)于奇函數(shù)，偶次諧波為零，僅有奇次諧波，即：tntfnnsin)(127 . 5 . 3 . 1n各次諧波的幅值為各次諧波的幅值為:52322531FFF則相隔和與設(shè),6321tntfnns

23、incos)(612(6)各次諧波的幅值為各次諧波的幅值為:5335031FFF 討論：討論：(1)利用利用PWM技術(shù)可控制逆變器的輸出波形，使諧波技術(shù)可控制逆變器的輸出波形，使諧波 含量減少。含量減少。 (2)諧波的減少是以減少基波幅度為代價(jià)。諧波的減少是以減少基波幅度為代價(jià)。 3、SPWM (1)自然采樣法自然采樣法 (2)規(guī)則采樣法規(guī)則采樣法圖圖(十十) 三相三相SPWM變變頻器輸出波形頻器輸出波形 三、異步電機(jī)變頻調(diào)速控制策略三、異步電機(jī)變頻調(diào)速控制策略 變頻器控制的對(duì)象是電機(jī)，首先研究電機(jī)等效圖變頻器控制的對(duì)象是電機(jī)，首先研究電機(jī)等效圖 (一一)等效圖等效圖: 1、轉(zhuǎn)子電勢(shì)、轉(zhuǎn)子電勢(shì)

24、: 轉(zhuǎn)子電勢(shì)的頻率為轉(zhuǎn)子電勢(shì)的頻率為f2 ，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)后，由于轉(zhuǎn)子導(dǎo)體與磁，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)后，由于轉(zhuǎn)子導(dǎo)體與磁場(chǎng)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度減小，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢(shì)的頻率也隨之減小，此時(shí)場(chǎng)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度減小，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢(shì)的頻率也隨之減小，此時(shí): f2=f1S (1) 轉(zhuǎn)子不動(dòng)時(shí)，一相的電勢(shì)為轉(zhuǎn)子不動(dòng)時(shí)，一相的電勢(shì)為: E2=4.44f1w2 kw2 (2) 式中式中: W2-轉(zhuǎn)子一相繞組匝數(shù)轉(zhuǎn)子一相繞組匝數(shù) KW2-轉(zhuǎn)子繞組系數(shù)轉(zhuǎn)子繞組系數(shù) 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)后一相的電勢(shì)為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)后一相的電勢(shì)為: E2 S =4.44f2W2Kw2 =4.44f1SW2KW2 =E2S (3) 2、轉(zhuǎn)子電勢(shì)平衡方程、轉(zhuǎn)子電勢(shì)平衡方程: 當(dāng)

25、轉(zhuǎn)子無(wú)外加電阻，自成短路時(shí)，其一相等值電路如圖當(dāng)轉(zhuǎn)子無(wú)外加電阻，自成短路時(shí)，其一相等值電路如圖: = (R2+ X2S) (4) 式中式中: R2- 轉(zhuǎn)子一相電阻值轉(zhuǎn)子一相電阻值 X2S-轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)后一相的漏抗轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)后一相的漏抗 X2S= 其中其中: X2-轉(zhuǎn)子不動(dòng)時(shí)一相的漏抗轉(zhuǎn)子不動(dòng)時(shí)一相的漏抗 X2=L2 L2-轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)后一相的漏電感轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)后一相的漏電感 圖圖(1) 轉(zhuǎn)子等值電路圖轉(zhuǎn)子等值電路圖S2E2IRX222IjSE2SXLSfLf2212222 且且: E1=4.44f1W1KW1 由于由于E1I1ZI,于是于是:. 3、定子電勢(shì)平衡方程、定子電勢(shì)平衡方程: 式中式中: Z1=R

26、1+I1X1 U1定子相電壓定子相電壓 E1定子一相繞組的感應(yīng)電勢(shì)定子一相繞組的感應(yīng)電勢(shì) I1定子相電流定子相電流 R1定子一相繞組的電阻定子一相繞組的電阻 X1定子一相繞組的漏抗定子一相繞組的漏抗 X1=L1R1 x1圖圖(2) 定子等值電路圖定子等值電路圖1U1I1E1E1U1I=-+Z1 (5)11EU或者或者 U1 E1=4.44f1W1KW1(4)折合算法折合算法:即即 (6)222R)SS1(RSRR2 X22E2I2S)S1(R圖圖(3) 轉(zhuǎn)子電路值圖轉(zhuǎn)子電路值圖 (7)(2222SsjXRIE)(2222SjXRISE)(2222jXSRIE等式兩端除以等式兩端除以S又又222

27、222)1()(RSSIjXRIE2S)S1(R上消耗的電功率代表旋轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸上輸出的機(jī)械功率上消耗的電功率代表旋轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸上輸出的機(jī)械功率.折合關(guān)系折合關(guān)系:2W221W111122KWmKWmK:KII :電流變比式中電流2W21W1ee22KWKWK:KEE:電勢(shì)變比式中電勢(shì)(8) (9)m1,m2分別為定子相數(shù)和轉(zhuǎn)子相數(shù)分別為定子相數(shù)和轉(zhuǎn)子相數(shù)電阻電阻: (10)式中式中:K=Ke K1KRR222KXX:電抗 (11)折算后折算后(6)式為式為: (12) (7)式為式為: (13)2E2I2R2I2RSS1圖圖(4) 異步電機(jī)折算后轉(zhuǎn)子異步電機(jī)折算后轉(zhuǎn)子一相等值電路圖一相等值電

28、路圖 (5)等值電路等值電路:實(shí)用上，為簡(jiǎn)化問(wèn)題，常用實(shí)用上，為簡(jiǎn)化問(wèn)題，常用一個(gè)和異步電機(jī)等效，數(shù)值一個(gè)和異步電機(jī)等效，數(shù)值上相等的電路表示異步電機(jī)上相等的電路表示異步電機(jī),稱為等值電路。稱為等值電路。 于是于是:)XjSR(IE2222222222R)SS1(I)XjR(IE 1-SSR1X110UIXm1-SSR1X110UIXm1-SSR1X110UIXm或R1X110UIXm1-SSR1X110UIXm或R1X110UIXm-E11-SSR1X110UIXm或R1X110UIXm-E11-SSR1X110UIXm或R1X110UIXm-E21-SSR1X110UIXm或R1X110U

29、IXm2E1-SSR1X110UIXm或R1X110UIXm-E1圖圖(5) 異步電機(jī)等值電路圖異步電機(jī)等值電路圖2R2R2X2I1IXm= LmLm勵(lì)磁電感勵(lì)磁電感 (二二)機(jī)械特性機(jī)械特性: 假設(shè)：忽略鐵心磁飽假設(shè)：忽略鐵心磁飽和，忽略鐵損，忽略空和，忽略鐵損，忽略空間和時(shí)間諧波。由異步間和時(shí)間諧波。由異步電機(jī)等值電路圖電機(jī)等值電路圖2R1I2I2XS )()()()(112222222122122ELRLSREI (14)式中式中:1221S轉(zhuǎn)子角頻率定子角頻率由于：由于：Pm= T1SRI3npnPT2221pm1p1m (15) (16)fE()L(R2111222222221221

30、21121122222222)()(3)()(143:)15()14(2LSRRSEnfERLRnTpp式式代入式中式中:np極對(duì)數(shù)；極對(duì)數(shù)； -同步角速度，同步角速度，(16)式為異步電機(jī)的機(jī)械特性方程式。式為異步電機(jī)的機(jī)械特性方程式。討論討論:1TnS0n0UUU0.70.51N1N1NABCSmTnS0n0UUU0.70.51N1N1NABCm(1)當(dāng)當(dāng)S一定時(shí)，一定時(shí)，T與與U1平方成正比平方成正比.由由(16)式可畫(huà)出不同電壓的機(jī)式可畫(huà)出不同電壓的機(jī)械特性曲線械特性曲線:對(duì)對(duì)(16)式求導(dǎo)：式求導(dǎo)：dT/dS =0得臨界轉(zhuǎn)差率得臨界轉(zhuǎn)差率: (17)臨界轉(zhuǎn)矩為臨界轉(zhuǎn)矩為:圖圖(6)

31、異步電機(jī)不同電壓下的機(jī)械特性異步電機(jī)不同電壓下的機(jī)械特性S212mLRS211222pmax)fE(L21R4n3TPn1TnABC (2)帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí)，普通籠型電機(jī)變電壓時(shí)的穩(wěn)定工作點(diǎn)為帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí)，普通籠型電機(jī)變電壓時(shí)的穩(wěn)定工作點(diǎn)為A、B、C轉(zhuǎn)差率的變化范圍不超過(guò)轉(zhuǎn)差率的變化范圍不超過(guò)0-Sm ，調(diào)速范圍小。，調(diào)速范圍小。 (3)為了能在恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載下擴(kuò)大變電壓調(diào)速范圍，應(yīng)增大轉(zhuǎn)子電阻，這為了能在恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載下擴(kuò)大變電壓調(diào)速范圍，應(yīng)增大轉(zhuǎn)子電阻，這就要求電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組有較高的電阻值，此時(shí)電機(jī)機(jī)械特性曲線如圖示，由就要求電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組有較高的電阻值，此時(shí)電機(jī)機(jī)械特性曲線如圖示，由圖可見(jiàn)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載

32、下調(diào)速范圍擴(kuò)大了，而且堵轉(zhuǎn)時(shí)也不會(huì)燒壞電機(jī)，但機(jī)圖可見(jiàn)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載下調(diào)速范圍擴(kuò)大了，而且堵轉(zhuǎn)時(shí)也不會(huì)燒壞電機(jī)，但機(jī)械特性很軟，一般采用閉環(huán)工作，這種電機(jī)叫力矩電機(jī)。械特性很軟，一般采用閉環(huán)工作，這種電機(jī)叫力矩電機(jī)。 (三三)電壓頻率協(xié)調(diào)控制下的機(jī)械特性電壓頻率協(xié)調(diào)控制下的機(jī)械特性: 由由(16)式表明，電機(jī)帶負(fù)載穩(wěn)定運(yùn)式表明，電機(jī)帶負(fù)載穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，對(duì)于同一種負(fù)載要求，即以一行時(shí)，對(duì)于同一種負(fù)載要求，即以一定的轉(zhuǎn)速定的轉(zhuǎn)速(或轉(zhuǎn)差率或轉(zhuǎn)差率)，在一定的負(fù)載轉(zhuǎn)，在一定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩下運(yùn)行，電壓矩下運(yùn)行，電壓U1與頻率與頻率f1有多種配合有多種配合,圖圖(7) 力矩電機(jī)機(jī)械特性曲線力矩電機(jī)機(jī)械特性曲線電壓

33、電壓U1與頻率與頻率f1的不同配合，機(jī)械特性也不相同的不同配合，機(jī)械特性也不相同,因此有不同的電壓因此有不同的電壓頻率頻率協(xié)調(diào)控制協(xié)調(diào)控制. 1.恒壓頻比控制恒壓頻比控制(U1/f1=常數(shù)常數(shù)): 為充分利用鐵心為充分利用鐵心,近似地保持近似地保持 為常數(shù)為常數(shù),發(fā)揮電機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的能力，由發(fā)揮電機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的能力，由: U1 E1=4.44f1w1kw1 U1/f1=4.44w1kw1 1.恒壓頻比控制恒壓頻比控制(U1/f1=常數(shù)常數(shù)):mmmmin)/ r (Sn260snnmin)/ r (n260n1pp100帶負(fù)載時(shí)的速降由由(16)式式: 當(dāng)當(dāng)S極小時(shí)極小時(shí),忽略分母中的含忽略分母中

34、的含S各項(xiàng)得各項(xiàng)得: (18) 結(jié)論結(jié)論: （1）當(dāng)）當(dāng)U1/ 恒值時(shí)，對(duì)于同一轉(zhuǎn)矩，恒值時(shí)，對(duì)于同一轉(zhuǎn)矩， 基本不變，即在基本不變，即在U1/ =恒值時(shí)，機(jī)械特性是一族平行曲線。恒值時(shí)，機(jī)械特性是一族平行曲線。21S112112)(31UnRTSp21221222222112222222)(3)()()(13)()(143111112ERSnERLSSRnfERLRnTpppnT11223344 圖圖(8) 恒壓頻比控制時(shí)變恒壓頻比控制時(shí)變頻調(diào)速機(jī)械特性頻調(diào)速機(jī)械特性 由圖可見(jiàn)：當(dāng)轉(zhuǎn)矩增大到最大值以由圖可見(jiàn)：當(dāng)轉(zhuǎn)矩增大到最大值以后再降低，特性曲線又折回來(lái)后再降低，特性曲線又折回來(lái).頻率越低頻

35、率越低時(shí)最大轉(zhuǎn)矩越小，對(duì)于時(shí)最大轉(zhuǎn)矩越小，對(duì)于T表達(dá)式有表達(dá)式有： 當(dāng)當(dāng)U1/ =恒值時(shí)，恒值時(shí)，T隨隨 的降低而減小，當(dāng)很低，的降低而減小，當(dāng)很低，T太小太小,調(diào)速系統(tǒng)帶載能力差，采用補(bǔ)償定子的壓降，可提升轉(zhuǎn)矩調(diào)速系統(tǒng)帶載能力差，采用補(bǔ)償定子的壓降，可提升轉(zhuǎn)矩. (19)21122122222)(3)()()(131111ERSnERLSSRnTpp111 2.恒功率控制恒功率控制: 若保持若保持 正比于正比于1/f1，即即Tf1=1則電磁功率為則電磁功率為:TCfE121則Cnf60TTfPp11m 隨隨f1的升高的升高,轉(zhuǎn)矩特性曲線變軟，轉(zhuǎn)矩特性曲線變軟，Tmax也隨也隨f1的提高而減小

36、，的提高而減小，由于受定子電壓地限制，通常保持由于受定子電壓地限制，通常保持U1=U1N近似恒功率運(yùn)行方式近似恒功率運(yùn)行方式.3.恒恒Er/ 控制控制: 若把電壓若把電壓/頻率協(xié)調(diào)控制中的電壓頻率協(xié)調(diào)控制中的電壓U1相對(duì)地再提高一點(diǎn)，把相對(duì)地再提高一點(diǎn)，把轉(zhuǎn)子漏抗上的壓降也抵消掉轉(zhuǎn)子漏抗上的壓降也抵消掉,就得到恒就得到恒Er/ 控制，其機(jī)械特性控制，其機(jī)械特性如下如下:11nTab圖圖(10) 不同電壓不同電壓頻率協(xié)頻率協(xié)調(diào)控制下的機(jī)械特性調(diào)控制下的機(jī)械特性a-Er/ bU1/R1X110UIXm-E1ErRS2圖圖(9) 異步電機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路和異步電機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)2X2

37、I1IEr轉(zhuǎn)子全磁通感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)子全磁通感應(yīng)電動(dòng)勢(shì).由圖可見(jiàn)由圖可見(jiàn):S/REI2r2帶入轉(zhuǎn)矩公式(20)11222222111)(3)/(3RSEnSRSREnTrprp 不作任何近似就得出不作任何近似就得出,機(jī)械特性機(jī)械特性T=f(s)完全是一條直線，這與直流電機(jī)完全是一條直線，這與直流電機(jī)特性相同特性相同. 又又(21) 保持保持 =C,則則T與與 成線性關(guān)系，這種關(guān)系不因定子頻率的改變而改成線性關(guān)系，這種關(guān)系不因定子頻率的改變而改變，與變，與f1無(wú)關(guān)。無(wú)關(guān)。 小結(jié)：小結(jié)： 采用采用U1/f1=C控制的變頻器屬于第一代產(chǎn)品，大多采用控制的變頻器屬于第一代產(chǎn)品，大多采用16位位CPU，是，

38、是恒氣隙磁通控制方式，即用若干條曲線來(lái)協(xié)調(diào)恒氣隙磁通控制方式，即用若干條曲線來(lái)協(xié)調(diào)U1與與f1的關(guān)系。機(jī)械特性基的關(guān)系。機(jī)械特性基本平行下移，機(jī)械硬度尚可，能滿足一般調(diào)速要求，但低速轉(zhuǎn)矩差，須補(bǔ)本平行下移，機(jī)械硬度尚可，能滿足一般調(diào)速要求，但低速轉(zhuǎn)矩差，須補(bǔ)償。恒壓頻比控制變頻器是一種轉(zhuǎn)速，開(kāi)環(huán)的控制系統(tǒng)動(dòng)、靜態(tài)要求不高償。恒壓頻比控制變頻器是一種轉(zhuǎn)速，開(kāi)環(huán)的控制系統(tǒng)動(dòng)、靜態(tài)要求不高222222222221222213)(3:RnSRInTRISRIEppr則因此的生產(chǎn)機(jī)械經(jīng)常使用。的生產(chǎn)機(jī)械經(jīng)常使用。 (1)利用人為選定利用人為選定V/f曲線的模式，很難根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化恰當(dāng)?shù)卣{(diào)整電機(jī)曲線的模

39、式，很難根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化恰當(dāng)?shù)卣{(diào)整電機(jī)矩轉(zhuǎn)，負(fù)載沖擊或起動(dòng)過(guò)快，有時(shí)會(huì)引起過(guò)流跳閘。所以根據(jù)定子電流調(diào)節(jié)矩轉(zhuǎn)，負(fù)載沖擊或起動(dòng)過(guò)快，有時(shí)會(huì)引起過(guò)流跳閘。所以根據(jù)定子電流調(diào)節(jié)變頻器電壓的方法，并不反映負(fù)載矩轉(zhuǎn)，因此，定子電壓也不能根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)變頻器電壓的方法，并不反映負(fù)載矩轉(zhuǎn)，因此，定子電壓也不能根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化恰當(dāng)?shù)馗淖冸姶啪剞D(zhuǎn)，特別在低速下，定子電壓的設(shè)定值相對(duì)較小，矩變化恰當(dāng)?shù)馗淖冸姶啪剞D(zhuǎn)，特別在低速下，定子電壓的設(shè)定值相對(duì)較小，采用人為選定采用人為選定V/f曲線或自動(dòng)補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的補(bǔ)償是困難的。由于定子電曲線或自動(dòng)補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的補(bǔ)償是困難的。由于定子電阻的壓降隨負(fù)載改變，當(dāng)負(fù)載較重時(shí)，可

40、能補(bǔ)償不足；負(fù)載較輕時(shí)可能產(chǎn)生阻的壓降隨負(fù)載改變，當(dāng)負(fù)載較重時(shí)，可能補(bǔ)償不足；負(fù)載較輕時(shí)可能產(chǎn)生過(guò)補(bǔ)償，磁路飽和過(guò)補(bǔ)償，磁路飽和. (2)采用采用V/f控制方式，無(wú)法準(zhǔn)確的控制電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速。電機(jī)的轉(zhuǎn)速，不全控制方式，無(wú)法準(zhǔn)確的控制電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速。電機(jī)的轉(zhuǎn)速，不全取決于定子頻率，而由轉(zhuǎn)差率取決于定子頻率，而由轉(zhuǎn)差率(負(fù)載負(fù)載)決定。因此決定。因此V/f控制方式靜態(tài)穩(wěn)定度不高?？刂品绞届o態(tài)穩(wěn)定度不高。 （3）轉(zhuǎn)速極低的時(shí)轉(zhuǎn)矩不夠）轉(zhuǎn)速極低的時(shí)轉(zhuǎn)矩不夠. （4）這類(lèi)變頻器采用硬件中斷過(guò)流跳閘，當(dāng)保護(hù)電路的時(shí)間常數(shù)選擇不當(dāng)）這類(lèi)變頻器采用硬件中斷過(guò)流跳閘，當(dāng)保護(hù)電路的時(shí)間常數(shù)選擇不當(dāng)時(shí)，保護(hù)電路的可靠性

41、令人懷疑。事實(shí)上時(shí)間常數(shù)選擇頗費(fèi)腦筋時(shí)，保護(hù)電路的可靠性令人懷疑。事實(shí)上時(shí)間常數(shù)選擇頗費(fèi)腦筋, 大保護(hù)靈大保護(hù)靈敏度不夠敏度不夠; 小抗干擾能力差，不得不折衷考慮。小抗干擾能力差，不得不折衷考慮。 圖中提供了一組圖中提供了一組U/f曲線，可以適應(yīng)低曲線，可以適應(yīng)低頻時(shí)不同負(fù)載對(duì)頻時(shí)不同負(fù)載對(duì)U/f曲線的不同要求。曲線的不同要求。 曲線曲線0稱為基本稱為基本U/f曲線，它不含定子曲線，它不含定子壓降補(bǔ)償。壓降補(bǔ)償。 曲線曲線15為低頻段不同程度地提高定為低頻段不同程度地提高定子電壓的子電壓的U/f曲線，稱為曲線，稱為“電壓補(bǔ)償電壓補(bǔ)償”，也稱為也稱為“轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償”或或“轉(zhuǎn)矩提升轉(zhuǎn)矩提升”。

42、適用于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。適用于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。圖圖(11) 不同負(fù)載對(duì)不同負(fù)載對(duì)U/f曲線曲線曲線曲線0102為低頻段不同程度地減少定子電壓的為低頻段不同程度地減少定子電壓的U/f曲線，稱為曲線，稱為“負(fù)補(bǔ)負(fù)補(bǔ)償償”。適用于風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)負(fù)載。適用于風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)負(fù)載。設(shè)定設(shè)定U/f曲線的原則是：以最低工作頻率時(shí)能帶動(dòng)負(fù)載為前提，盡量減少曲線的原則是：以最低工作頻率時(shí)能帶動(dòng)負(fù)載為前提，盡量減少補(bǔ)償程度，以免補(bǔ)償程度，以免“補(bǔ)償過(guò)分補(bǔ)償過(guò)分”，導(dǎo)致磁路飽和而跳閘。，導(dǎo)致磁路飽和而跳閘。4、高功能型高功能型U/f控制控制采用這種控制方式，可以采用這種控制方式，可以使極低速度下的轉(zhuǎn)矩過(guò)載能使極低速度下的轉(zhuǎn)矩過(guò)載能力達(dá)

43、到或超過(guò)力達(dá)到或超過(guò)150%，頻率設(shè)，頻率設(shè)定范圍達(dá)到定范圍達(dá)到1：30，靜態(tài)機(jī)械，靜態(tài)機(jī)械特性硬度高，具有挖土機(jī)特特性硬度高，具有挖土機(jī)特性和性和“無(wú)跳閘無(wú)跳閘”能力。能力。圖圖(12) 高功能型高功能型U/f控制框圖控制框圖 (三三)轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)速閉環(huán),轉(zhuǎn)差頻率控制轉(zhuǎn)差頻率控制: 1.轉(zhuǎn)差頻率控制的基本概念轉(zhuǎn)差頻率控制的基本概念: 轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)變頻器系統(tǒng)可滿足一般平滑調(diào)速的要求，但動(dòng)、靜轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)變頻器系統(tǒng)可滿足一般平滑調(diào)速的要求，但動(dòng)、靜態(tài)性能有限。要提高動(dòng)、靜態(tài)性能，首先用轉(zhuǎn)速反饋的閉環(huán)控態(tài)性能有限。要提高動(dòng)、靜態(tài)性能，首先用轉(zhuǎn)速反饋的閉環(huán)控制。任何一個(gè)機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)有：制。任何一個(gè)機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)

44、有：dtdnJTTpL(22) 轉(zhuǎn)矩的控制部分包括有功、無(wú)功電流檢測(cè)器、磁通補(bǔ)償器、轉(zhuǎn)矩的控制部分包括有功、無(wú)功電流檢測(cè)器、磁通補(bǔ)償器、轉(zhuǎn)差補(bǔ)償器轉(zhuǎn)差補(bǔ)償器 和電流限制控制器。后三者的作用是根據(jù)電動(dòng)機(jī)定和電流限制控制器。后三者的作用是根據(jù)電動(dòng)機(jī)定子電流的有功分量子電流的有功分量It和無(wú)功分量和無(wú)功分量Iw去計(jì)算變頻器的頻率和電壓參去計(jì)算變頻器的頻率和電壓參考值，即圖中的考值，即圖中的 ，以保證轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的恒定，并在負(fù)載出，以保證轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的恒定，并在負(fù)載出現(xiàn)沖擊的情況下，適當(dāng)?shù)匮a(bǔ)償現(xiàn)沖擊的情況下，適當(dāng)?shù)匮a(bǔ)償 ，防止過(guò)流跳閘。，防止過(guò)流跳閘。11fU 和2 由由(22)式可知：提高系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)性能

45、，主要控制轉(zhuǎn)速的式可知：提高系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)性能，主要控制轉(zhuǎn)速的變化率變化率 ，顯然控制轉(zhuǎn)矩就能控制，顯然控制轉(zhuǎn)矩就能控制 。 直流控制與電流成正比，控制電流就能控制轉(zhuǎn)矩。交流調(diào)速直流控制與電流成正比，控制電流就能控制轉(zhuǎn)矩。交流調(diào)速中，需控制的是電壓中，需控制的是電壓(電流電流)和頻率，如何通過(guò)控制電壓和頻率，如何通過(guò)控制電壓(電流電流)和和頻率來(lái)控制轉(zhuǎn)矩？交流異步電機(jī)中，影響轉(zhuǎn)矩的因素較多，轉(zhuǎn)頻率來(lái)控制轉(zhuǎn)矩？交流異步電機(jī)中，影響轉(zhuǎn)矩的因素較多，轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為矩表達(dá)式為:dtddtd1W1pm22mmKWn23C:cosICT式中 (23)由由(14)式式: 2222122222)()()()(1

46、11LSRSELSREI2222222222)()()(121LSRRLSRSRCOS (24) 考慮到電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)考慮到電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)Cm與其他各量的關(guān)系，對(duì)比與其他各量的關(guān)系，對(duì)比(24)式與式與(16)式式: (16)222222111111111122222)(21:21244. 444. 4)(:111111LSRRSkWCTkWkWkwfELSRRSECTmwmmwmwmwmm于是又代入轉(zhuǎn)矩表達(dá)式2222221)()()(3111LSRRSEnTp 當(dāng)電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，當(dāng)電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，S很小，因而很小，因而 也很小，一般為也很小，一般為 的的2%5%，因此近似認(rèn)為：，因此近似認(rèn)為：

47、則得到：則得到：21222mmRKT (25) 上式說(shuō)明：在上式說(shuō)明：在S很小的范圍內(nèi)很小的范圍內(nèi), 只要維持只要維持 不變不變, T就近似與就近似與 成正比成正比(負(fù)載轉(zhuǎn)矩增大，則負(fù)載轉(zhuǎn)矩增大，則 增大，輸出轉(zhuǎn)矩增大增大，輸出轉(zhuǎn)矩增大)。這與直流。這與直流電機(jī)一樣，達(dá)到間接控制轉(zhuǎn)矩的目的，控制電機(jī)一樣，達(dá)到間接控制轉(zhuǎn)矩的目的，控制 就代表控制轉(zhuǎn)矩就代表控制轉(zhuǎn)矩. 2.轉(zhuǎn)差頻率控制的規(guī)律轉(zhuǎn)差頻率控制的規(guī)律:上面只是找到轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差頻率近似正比的關(guān)系，可以表明轉(zhuǎn)上面只是找到轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差頻率近似正比的關(guān)系，可以表明轉(zhuǎn)m22 (26) 2.轉(zhuǎn)差頻率控制的規(guī)律轉(zhuǎn)差頻率控制的規(guī)律:2222RL1122222

48、21:)(:222WmmmmKWCKLRRKT式中則差頻率控制的基本概念，現(xiàn)推導(dǎo)具體的控制規(guī)律差頻率控制的基本概念，現(xiàn)推導(dǎo)具體的控制規(guī)律: (1).控制規(guī)律控制規(guī)律1 -控制轉(zhuǎn)差頻率代表控制轉(zhuǎn)矩控制轉(zhuǎn)差頻率代表控制轉(zhuǎn)矩由圖由圖(13)：當(dāng)：當(dāng) 較小時(shí)，較小時(shí)，T與與TmaxTmmaxTmmax圖圖(13) 恒定控制時(shí)恒定控制時(shí)T=f( )曲線曲線2m 成正比：當(dāng)成正比：當(dāng) = 時(shí)，時(shí)，T=Tmax ，取，取dT/dS=0則則因此，轉(zhuǎn)差頻率控制的系統(tǒng)因此，轉(zhuǎn)差頻率控制的系統(tǒng)中，只要給中，只要給 限幅，使其限限幅，使其限幅值為幅值為: (27)22mmmaxL2KT22maxLR22maxmLR2

49、2222就可以保持就可以保持T與與 的關(guān)系，也就可以用轉(zhuǎn)差頻率控制來(lái)代表轉(zhuǎn)的關(guān)系，也就可以用轉(zhuǎn)差頻率控制來(lái)代表轉(zhuǎn)矩控制。矩控制。 （2）控制規(guī)律）控制規(guī)律2-保持保持 恒定恒定 忽略鐵心磁飽和，鐵損時(shí)忽略鐵心磁飽和，鐵損時(shí) 與與I0成正比成正比mR1LLLUIIES111m220I12R圖圖(14) 異步電機(jī)等值電路圖異步電機(jī)等值電路圖m021III(28)m11021212LjEILjSREI2 代入代入(28)式式:取等式兩端相量的幅值取等式兩端相量的幅值 (29)21222022220222212121)()()()(1111111111LjRLLjRILjSRLLjSRILjSRLjL

50、LjSRELjLjSREImmmmm22222222012121)(LRLLRIImI1I02022mILLL圖圖(15) 保持保持 恒定時(shí)恒定時(shí) 函數(shù)曲線函數(shù)曲線m)(fI21討論：當(dāng)討論：當(dāng) 不變不變(I0不變不變)，I1與與 函數(shù)關(guān)系如圖函數(shù)關(guān)系如圖(15)m2 (1)當(dāng)當(dāng) =0時(shí)，時(shí)，I1=I0，在理，在理想空載時(shí)定子電流等于勵(lì)磁電想空載時(shí)定子電流等于勵(lì)磁電流。流。 (2)若若 增大，增大，(29)式中分式中分子中含子中含 項(xiàng)的系數(shù)大于分母項(xiàng)的系數(shù)大于分母中含中含 項(xiàng)的系數(shù)項(xiàng)的系數(shù),因此因此I1增大增大. (3)當(dāng)當(dāng) 時(shí)時(shí)022m2ILLL)inf(L (4) 為正、負(fù)值時(shí)，為正、負(fù)值

51、時(shí)，I1對(duì)應(yīng)不變，曲線軸對(duì)稱。按對(duì)應(yīng)不變，曲線軸對(duì)稱。按(29)式的式的關(guān)系控制定子電流就能保持關(guān)系控制定子電流就能保持 恒定。恒定。 m2222222 優(yōu)點(diǎn)與不足優(yōu)點(diǎn)與不足: (1)頻率控制環(huán)節(jié)輸入轉(zhuǎn)差信號(hào)，而頻率信號(hào)是由轉(zhuǎn)差信號(hào)與頻率控制環(huán)節(jié)輸入轉(zhuǎn)差信號(hào)，而頻率信號(hào)是由轉(zhuǎn)差信號(hào)與實(shí)際轉(zhuǎn)速信號(hào)相加后得到的，因此在轉(zhuǎn)速變化過(guò)程中，實(shí)際頻實(shí)際轉(zhuǎn)速信號(hào)相加后得到的，因此在轉(zhuǎn)速變化過(guò)程中，實(shí)際頻率率 隨實(shí)際轉(zhuǎn)速隨實(shí)際轉(zhuǎn)速 同步地上升或下降，與轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)系統(tǒng)頻率的同步地上升或下降，與轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)系統(tǒng)頻率的給定信號(hào)與電壓成正比的情況相比，加、減速更平滑，且容易給定信號(hào)與電壓成正比的情況相比，加、減速更平滑，且

52、容易穩(wěn)定穩(wěn)定. (2)由于在動(dòng)態(tài)過(guò)程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和，系統(tǒng)能以對(duì)應(yīng)于由于在動(dòng)態(tài)過(guò)程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和，系統(tǒng)能以對(duì)應(yīng)于 的限幅轉(zhuǎn)矩的限幅轉(zhuǎn)矩Tm進(jìn)行控制，保證了允許條件下快速性。因此，轉(zhuǎn)進(jìn)行控制，保證了允許條件下快速性。因此，轉(zhuǎn)差頻率閉環(huán)系統(tǒng)具備了直流電機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，是一差頻率閉環(huán)系統(tǒng)具備了直流電機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，是一比較優(yōu)越的控制策略，結(jié)構(gòu)也不復(fù)雜，有廣泛的應(yīng)用價(jià)值，但比較優(yōu)越的控制策略，結(jié)構(gòu)也不復(fù)雜，有廣泛的應(yīng)用價(jià)值，但是：如果認(rèn)真考查其靜、動(dòng)態(tài)性能就會(huì)發(fā)現(xiàn)，基本型轉(zhuǎn)差頻率是：如果認(rèn)真考查其靜、動(dòng)態(tài)性能就會(huì)發(fā)現(xiàn)，基本型轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)還不能達(dá)到直流雙閉環(huán)的水平，其原因是控制系統(tǒng)

53、還不能達(dá)到直流雙閉環(huán)的水平，其原因是: mr1 )(fI21 （1）分析轉(zhuǎn)差頻率控制規(guī)律時(shí)，是從電機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路和轉(zhuǎn)）分析轉(zhuǎn)差頻率控制規(guī)律時(shí)，是從電機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路和轉(zhuǎn)矩公式出發(fā)的。矩公式出發(fā)的。 只在穩(wěn)態(tài)時(shí)成立，動(dòng)態(tài)過(guò)程中只在穩(wěn)態(tài)時(shí)成立，動(dòng)態(tài)過(guò)程中 的的變化未研究，但肯定不恒定，變化未研究，但肯定不恒定， 勢(shì)必影響動(dòng)態(tài)性能。勢(shì)必影響動(dòng)態(tài)性能。 （2）電流調(diào)節(jié)器只控制電流的幅值，并未控制電流的相位，）電流調(diào)節(jié)器只控制電流的幅值，并未控制電流的相位，而在動(dòng)態(tài)過(guò)程中電流的相位若不及時(shí)趕上去，將延緩轉(zhuǎn)矩的而在動(dòng)態(tài)過(guò)程中電流的相位若不及時(shí)趕上去，將延緩轉(zhuǎn)矩的變化變化. （3） 是非線性的，無(wú)論采用何種方

54、式產(chǎn)生，都是近是非線性的，無(wú)論采用何種方式產(chǎn)生，都是近似的，存在一定誤差。似的，存在一定誤差。 （4）在頻率控制環(huán)節(jié)中）在頻率控制環(huán)節(jié)中 ，使實(shí)際頻率，使實(shí)際頻率 隨實(shí)際轉(zhuǎn)隨實(shí)際轉(zhuǎn)速速 上升或下降，這本是轉(zhuǎn)差頻率控制的優(yōu)點(diǎn)，但是若測(cè)上升或下降，這本是轉(zhuǎn)差頻率控制的優(yōu)點(diǎn)，但是若測(cè)速信號(hào)不準(zhǔn)確和有干擾，也會(huì)造成誤差速信號(hào)不準(zhǔn)確和有干擾，也會(huì)造成誤差.mCmrr211（四）電壓空間矢量控制：（四）電壓空間矢量控制：(磁鏈跟蹤控制磁鏈跟蹤控制）UUUUAOBOCOABC圖（圖（16）電壓空間矢量）電壓空間矢量 按照電壓所加繞組的空間位置來(lái)定按照電壓所加繞組的空間位置來(lái)定義，如圖（義，如圖（16）A,B

55、,C分別表示在空間分別表示在空間靜止不動(dòng)的電機(jī)定子三相繞組的軸線，靜止不動(dòng)的電機(jī)定子三相繞組的軸線，三相定子相電壓三相定子相電壓UAO,UBO,UCO分別加在分別加在三相繞組上，可定義三個(gè)電壓空間矢量三相繞組上，可定義三個(gè)電壓空間矢量uAO,uBO和和uCO,，它們的方向始終在各相，它們的方向始終在各相的軸線上，而大小隨時(shí)間按正弦規(guī)律作的軸線上，而大小隨時(shí)間按正弦規(guī)律作脈動(dòng)方式，相位互差脈動(dòng)方式，相位互差120度。三相電壓度。三相電壓空間矢量相加的合成矢量空間矢量相加的合成矢量u1是一個(gè)旋轉(zhuǎn)的，空間矢量，它的幅是一個(gè)旋轉(zhuǎn)的，空間矢量，它的幅值不變，是每相電壓值的值不變，是每相電壓值的3/2倍；

56、當(dāng)頻率不變時(shí)，它以電源角倍；當(dāng)頻率不變時(shí)，它以電源角頻頻 率率 為電氣角速度作同步旋轉(zhuǎn)。為電氣角速度作同步旋轉(zhuǎn)。11COBOAO1uuuu同理，可定義電流和磁鏈的空間矢量同理，可定義電流和磁鏈的空間矢量I和和 。1111dtdIRu111,I ,u分別為三相電壓，電流，磁鏈的合成空間矢量。分別為三相電壓，電流，磁鏈的合成空間矢量。當(dāng)轉(zhuǎn)速不是很低時(shí)，定子電阻壓降較小，可忽略不計(jì)，則：當(dāng)轉(zhuǎn)速不是很低時(shí)，定子電阻壓降較小，可忽略不計(jì)，則：dtudtdu1111（30）（31）（32）（33） 式（式（32）表明，）表明，u1的大小等于的大小等于 的變化率，而方向則與的變化率，而方向則與 的的運(yùn)動(dòng)方向

57、一致。運(yùn)動(dòng)方向一致。11uuu11111圖（圖（17）旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與電壓）旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與電壓空間矢量運(yùn)動(dòng)軌跡的關(guān)系空間矢量運(yùn)動(dòng)軌跡的關(guān)系tjm11e)2t( jm1tjm1tjm1111eej)e(dtdu（34） 由（由（34）式可知，當(dāng)磁鏈幅值）式可知，當(dāng)磁鏈幅值 一一定時(shí)，定時(shí)，u1的大小與的大小與 成正比，方向?yàn)榇懦烧?，方向?yàn)榇沛湀A形軌跡的切線方向。如圖（鏈圓形軌跡的切線方向。如圖（17）m1這樣，電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的形狀問(wèn)題就可這樣，電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的形狀問(wèn)題就可轉(zhuǎn)化為電壓空間矢量運(yùn)動(dòng)軌跡的形狀轉(zhuǎn)化為電壓空間矢量運(yùn)動(dòng)軌跡的形狀問(wèn)題。問(wèn)題。 ABCV1V2V3V4V5V6U/2U/2M 上橋臂器件導(dǎo)通

58、用上橋臂器件導(dǎo)通用“1”表示，下橋表示，下橋臂器件導(dǎo)通用臂器件導(dǎo)通用“0”表示。表示。圖（圖（18）逆變器原理圖）逆變器原理圖 8種工作狀態(tài)種工作狀態(tài)100，110，010，011，001，101與與111，000。uuuuuu1234560121圖（圖（17）電機(jī)空間矢量）電機(jī)空間矢量與磁鏈?zhǔn)噶康年P(guān)系與磁鏈?zhǔn)噶康年P(guān)系電壓空間矢量依次為電壓空間矢量依次為u1,u2u61tu 一個(gè)周期中只有一個(gè)周期中只有6次開(kāi)關(guān)切換，只次開(kāi)關(guān)切換，只產(chǎn)生正六邊形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，而不是圓形產(chǎn)生正六邊形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，而不是圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。利用電壓空間矢量的線性旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。利用電壓空間矢量的線性組合，以獲得更多的與組合，以獲得更多

59、的與u1.u8相位不相位不同的電壓空間矢量，最終構(gòu)成一組等同的電壓空間矢量，最終構(gòu)成一組等幅不同相位的電壓空間矢量，從而形幅不同相位的電壓空間矢量，從而形成盡量逼近圓形的磁場(chǎng)。這樣，在一成盡量逼近圓形的磁場(chǎng)。這樣，在一個(gè)周期內(nèi)逆變器的開(kāi)關(guān)次數(shù)就要超過(guò)個(gè)周期內(nèi)逆變器的開(kāi)關(guān)次數(shù)就要超過(guò)6次，其輸出電壓將不再是次，其輸出電壓將不再是6拍階梯波，而是一系列等幅不等寬的脈沖波。拍階梯波，而是一系列等幅不等寬的脈沖波。圖（圖（19）電壓空間矢量線性組合）電壓空間矢量線性組合 設(shè)在設(shè)在u1狀態(tài)終了后，期望在狀態(tài)終了后，期望在TZ時(shí)間內(nèi)（時(shí)間內(nèi)（ 電角度表示），其作電角度表示），其作用的是用的是ur1，其相位

60、與，其相位與u1、u2不同不同，但幅值相等。但幅值相等。zuuuuu12r112Z2TtZ1Tt60z四四.異步電機(jī)的多變量數(shù)學(xué)模型和坐標(biāo)變換異步電機(jī)的多變量數(shù)學(xué)模型和坐標(biāo)變換n (一一)概述概述:n 現(xiàn)代自動(dòng)控制普遍要求動(dòng)作靈活、行動(dòng)快速、定位準(zhǔn)確、對(duì)傳動(dòng)和伺服現(xiàn)代自動(dòng)控制普遍要求動(dòng)作靈活、行動(dòng)快速、定位準(zhǔn)確、對(duì)傳動(dòng)和伺服系統(tǒng)有很高的要求。系統(tǒng)有很高的要求。n V/f=C只控制磁通，不控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩。只控制磁通，不控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩。n 轉(zhuǎn)差頻率控制：可在一定程度上控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩，但是轉(zhuǎn)差頻率控制是由轉(zhuǎn)差頻率控制：可在一定程度上控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩，但是轉(zhuǎn)差頻率控制是由電機(jī)靜態(tài)方程上導(dǎo)出的，電機(jī)動(dòng)態(tài)性能較差。