第六章

基于穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型的異步電動機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)

交流調(diào)速部分內(nèi)容概要基于穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型的異步電機(jī)調(diào)壓調(diào)速控制系統(tǒng)；基于穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型的異步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)。本章講述：*交流電動機(jī)分為異步電動機(jī)和同步電動機(jī)兩大類，在交流電動機(jī)的應(yīng)用過程中，為了滿足生產(chǎn)工藝的要求，人們發(fā)明了多種調(diào)速方法。*目前，電力拖動交流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域主要有下述三個方面：1）節(jié)能調(diào)速和要求一般的工藝調(diào)速。2）高性能交流調(diào)速系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用。3）特大容量、極高轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速。

*現(xiàn)代交流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)類型及控制方式1.異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（1）轉(zhuǎn)差功率饋送型調(diào)速系統(tǒng)（2）轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速系統(tǒng)①電壓-頻率協(xié)調(diào)控制方式；②轉(zhuǎn)差頻率控制方式；③矢量控制方式；④直接轉(zhuǎn)矩控制方式；⑤定子磁鏈軌跡控制方式。2.同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)*本章介紹恒壓頻比控制的異步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)和轉(zhuǎn)差頻率控制的異步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，主要講述控制方式、機(jī)械特性、系統(tǒng)的基本組成，以及系統(tǒng)分析。*6.1.1異步電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速控制原理調(diào)壓調(diào)速是異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中比較簡便的一種。由電機(jī)原理可知，當(dāng)轉(zhuǎn)差率基本不變時，電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與定子電壓的平方成正比，即，因此，改變定子電壓就可以得到不同的人為機(jī)械特性，從而達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。*6.1基于穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型的異步電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速控制系統(tǒng)交流調(diào)壓調(diào)速的主電路已由晶閘管構(gòu)成的交流調(diào)壓器取代了傳統(tǒng)的自耦變壓器和帶直流磁化繞組的飽和電抗器，裝置的體積得到了減小，調(diào)速性能也得到了提高。晶閘管交流調(diào)壓器的主電路接法有以下幾種方式電機(jī)繞組Y聯(lián)接時的三相分支雙向電路電機(jī)繞組△聯(lián)接時的三相△形雙向電路6.1.2異步電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速的機(jī)械特性根據(jù)電機(jī)學(xué)原理可知，異步電動機(jī)的機(jī)械特性方程式為對上式求導(dǎo)，并令，可以計算出產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩時的臨界轉(zhuǎn)差率和最大轉(zhuǎn)矩，分別為改變定子供電電壓，可以得到不同的人為異步電動機(jī)機(jī)械特性曲線，如下圖所示異步電動機(jī)在不同定子供電電壓下的機(jī)械特性曲線對于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載要擴(kuò)大調(diào)壓調(diào)速范圍，采用高阻轉(zhuǎn)子電動機(jī)，使電動機(jī)機(jī)械特性變軟，高轉(zhuǎn)子電阻電動機(jī)的調(diào)壓調(diào)速機(jī)械特性如下圖高轉(zhuǎn)子電阻異步電動機(jī)的調(diào)壓調(diào)速機(jī)械特性6.1.3異步電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速的機(jī)械特性異步電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速屬于轉(zhuǎn)差功率消耗型的調(diào)速系統(tǒng)，調(diào)速過程中的轉(zhuǎn)差功率消耗在轉(zhuǎn)子電阻和其外接電阻上，消耗功率的多少與系統(tǒng)的調(diào)速范圍和所帶負(fù)載的性質(zhì)有著密切的關(guān)系。根據(jù)電機(jī)學(xué)原理，異步電動機(jī)的電磁功率為電機(jī)的轉(zhuǎn)差功率為不同性質(zhì)負(fù)載的轉(zhuǎn)矩可用右式表示式中為常數(shù)，分別代表恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載、與轉(zhuǎn)速成比例的負(fù)載和與轉(zhuǎn)速的平方成比例的負(fù)載（風(fēng)機(jī)、泵類等）。當(dāng)時，轉(zhuǎn)差功率為輸出的機(jī)械功率為當(dāng)s=0時，電動機(jī)的輸出功率最大，為以為基準(zhǔn)值，轉(zhuǎn)差功率損耗系數(shù)為（6-1）不同類型負(fù)載所對應(yīng)的轉(zhuǎn)差功率損耗系數(shù)與轉(zhuǎn)差率的關(guān)系曲線如圖不同類型負(fù)載所對應(yīng)的轉(zhuǎn)差功率消耗系數(shù)與轉(zhuǎn)差率的關(guān)系為了求得最大轉(zhuǎn)差功率消耗系數(shù)及其對應(yīng)的轉(zhuǎn)差率，由式（6-1）對s求導(dǎo)，并令此導(dǎo)數(shù)等于零。對應(yīng)的轉(zhuǎn)差率為最大轉(zhuǎn)差功率消耗系數(shù)為對于不同類型負(fù)載，則有不同類型負(fù)載時和的值，計算結(jié)果列于下表6.1.4異步電動機(jī)PWM調(diào)壓調(diào)速控制系統(tǒng)根據(jù)采用的控制方式不同，交流-交流調(diào)壓器可分為相控式和斬控式。傳統(tǒng)方案多采用相控式，結(jié)構(gòu)簡單，可以采用電源換相方式，即使是采用半控型器件也無需附加換相電路，但存在輸出電壓諧波含量大，深控時網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)低等缺點；相反斬控式電路則沒有上述缺點，因此傳統(tǒng)的相控式SCR電路正逐漸被PWM-IGBT電路所取代，因為PWM-SCR電路由于無法采用電源換相，必須附加換相電路，此外由于SCR的器件開關(guān)頻率較低，對于SCR電路而言不宜采用PWM方式，為此本節(jié)介紹斬控式電路。PWM交流調(diào)壓電路三相結(jié)構(gòu)，如圖所示三相IGBT-PWM交流調(diào)壓主電路6.1.5閉環(huán)控制的異步電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速控制系統(tǒng)分析為了擴(kuò)大調(diào)壓調(diào)速的調(diào)速范圍，增加了轉(zhuǎn)子電阻，使得機(jī)械特性變軟。這樣的特性，當(dāng)電機(jī)低速運行時，負(fù)載或電壓稍有波動，就會引起轉(zhuǎn)速的很大變化，運行不穩(wěn)定。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，常采用閉環(huán)控制系統(tǒng)如下圖，以提高調(diào)壓調(diào)速特性的硬度。a)b)

轉(zhuǎn)速閉環(huán)的交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)

a）系統(tǒng)原理圖b）閉環(huán)控制靜特性當(dāng)系統(tǒng)要求不高時，也可以采用定子電壓反饋控制方式如下圖定子電壓反饋的交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)6.1.5.1閉環(huán)控制的異步電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速控制系統(tǒng)靜態(tài)分析采用閉環(huán)控制后，負(fù)載轉(zhuǎn)矩的增加，使得轉(zhuǎn)速下降，由于系統(tǒng)引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，輸入偏差增大，使得輸出到定子的電壓升高，轉(zhuǎn)速提高，由于負(fù)載轉(zhuǎn)矩增大而引起的轉(zhuǎn)速下降得到一定程度的補償，由于負(fù)載變化引起的轉(zhuǎn)速變化很小，于是擴(kuò)大了調(diào)速范圍?？梢缘玫较到y(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖如下異步電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖6.1.5.2閉環(huán)控制的異步電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速控制系統(tǒng)動態(tài)分析為了對系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)分析和設(shè)計，繪制系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖是必須的。由上圖（異步電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖）可以得到系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，如下圖所示。異步電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖中各個環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)如下（1）速度調(diào)節(jié)器ASR（2）晶閘管交流調(diào)壓器和觸發(fā)裝置（3）測速反饋環(huán)節(jié)（4）異步電動機(jī)環(huán)節(jié)6.2.1基于異步電動機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)控制方式異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速公式為*6.2基于穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型的異步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)由式上式可知，如果均勻地改變異步電動機(jī)的定子供電頻率fs，就可以平滑地調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)速

。然而，在實際應(yīng)用中，不僅要求調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，同時還要求調(diào)速系統(tǒng)具有優(yōu)良的調(diào)速性能。因此，在調(diào)速過程中不僅要改變定子供電頻率fs，而且還要保持（控制）磁通恒定。*6.2.1.1電壓-頻率協(xié)調(diào)控制方式1. 恒壓頻比（Us/fs=Const）控制方式及其機(jī)械特性（1）基頻以下Us/fs=Const的電壓、頻率協(xié)調(diào)控制方式

氣隙磁通在定子每相繞組中感應(yīng)電動勢有效值Es(V)為：，寫成*該式表示了感應(yīng)電動勢有效值

與頻率

之比為常數(shù)的控制方式，通常稱為恒Es/fs控制?？梢钥闯?，在這種控制方式下，當(dāng)

由基頻降至低頻的變速過程中都能保持磁通

，可以獲得

的控制效果。*異步電動機(jī)的等值電路圖穩(wěn)態(tài)情況下，依據(jù)上圖所示的異步電動機(jī)等值電路圖，則異步電動機(jī)定子每相電壓與每相感應(yīng)電動勢的關(guān)系為：*當(dāng)定子頻率

較高時，感應(yīng)電動勢的有效值

也較大，這時可以忽略定子繞組的阻抗壓降，可認(rèn)為定子相電壓有效值不變

，為此在實際工程中是以

代替，而獲得電壓與頻率之比為常數(shù)的恒壓頻比控制方程式，即為：*恒壓頻比控制特性由于恒壓頻比控制方式成立的前提條件是忽略了定子阻抗壓降，在

較低時，由式（6-4）可知，定子感應(yīng)電動勢

變小了，其中惟有

項并不減小，與

相比，

比重加大，

不再成立，也就是說

較低時定子阻抗壓降不能再忽略了。***（2）

控制方式的機(jī)械特性三相異步電動機(jī)在工頻供電時的機(jī)械特性方程式為：**電網(wǎng)直接供電時異步電動機(jī)的機(jī)械特性變壓變頻時，以上特性方程式可以改為：**以上兩組公式相比，二者只是形式的變化，并無實質(zhì)性的改變，可想而知，變壓變頻情況下的機(jī)械特性曲線形狀與正弦波恒壓恒頻供電時的機(jī)械特性曲線形狀必定相似。其基本特點如下：1）同步轉(zhuǎn)速

隨著頻率（

或

）的變化而改變。2）對于同一轉(zhuǎn)矩

而言，帶載時的轉(zhuǎn)速降落

隨著頻率的變化而基本不變。3）當(dāng)

時，

隨著

的降低而減?。ㄈ缦聢D中實線所示），這將限制調(diào)速系統(tǒng)的帶載能力。*基頻以下機(jī)械特性基頻以下的恒壓頻比控制方式基本滿足了氣隙磁通

的要求，可以實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速運行。*

2.基頻以上恒壓變頻控制方式及其機(jī)械特性

（1）基頻以上恒壓變頻控制方式

*把基頻以下和基頻以上兩種情況結(jié)合起來，得到下圖所示的異步電動機(jī)變頻調(diào)速控制特性。異步電動機(jī)變頻調(diào)速控制特性*（2）基頻以上恒壓變頻控制方式的機(jī)械特性最大轉(zhuǎn)矩表達(dá)式可改寫為*基頻

以上恒壓變頻調(diào)速的機(jī)械特性*由于頻率提高而電壓不變，氣隙磁通勢必減少，導(dǎo)致最大轉(zhuǎn)矩的減小，但轉(zhuǎn)速卻提高了，可以認(rèn)為輸出功率基本不變，所以基頻以上變頻調(diào)速屬于弱磁恒功率調(diào)速方式。

需要指出，以上所分析的機(jī)械特性都是在正弦波供電下的理想情況，然而變壓變頻調(diào)速時對于電機(jī)定子為近似正弦波供電，因此其機(jī)械特性的形狀與理想情況下相比有一定的區(qū)別。

*3.弱磁倍數(shù)**6.2.1.2轉(zhuǎn)差頻率控制方式*1.轉(zhuǎn)差頻率控制的基本思想異步電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩也可以寫成：可以看出，氣隙磁通、轉(zhuǎn)子電流、轉(zhuǎn)子功率因數(shù)都影響電磁轉(zhuǎn)矩。*根據(jù)異步電動機(jī)的等值電路圖，可以求出異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子電流有效值：正常運行時，因

很小，所以，可以將分母中

忽略，則得到：*進(jìn)而得到：**2.轉(zhuǎn)差頻率控制規(guī)律異步電動機(jī)的電磁功率及同步機(jī)械角速度為：*則電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式可表示為：****所以*****6.2.2電力電子變頻調(diào)速裝置及其電源特性

現(xiàn)代交流電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)主要由交流電動機(jī)、電力電子變頻器兩大部分組成。

為交流電動機(jī)所配備的靜止式電力電子變壓變頻（VariableVoltageVariableFrequency,VVVF）調(diào)速裝置通常稱為變頻器（圖中框線部分），可分為主電路（也稱作電力電子變換電路或稱作電力電子變流電路）、控制器，以及電量檢測器三個主要部分。*變頻器及變頻調(diào)速系統(tǒng)*電力電子變換電路（主電路）的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為兩種，一種是交-直-交（AC-DC-AC）結(jié)構(gòu)形式，也稱間接變頻，如下圖a所示；另一種是交-交(AC-AC)結(jié)構(gòu)形式，也稱直接變頻，如下圖b所示。a)交－直－交變壓變頻裝置主電路結(jié)構(gòu)

b)交－交變壓變頻裝置主電路結(jié)構(gòu)*對于主電路為交-直-交結(jié)構(gòu)形式的變頻器，因其整流電路輸出的直流電壓或直流電流中含有頻率為電源頻率6倍的電壓或電流紋波，所以，必須對整流電路的輸出進(jìn)行濾波，以減少直流電壓或電流的波動，為此在整流電路與逆變電路之間設(shè)置中間直流濾波環(huán)節(jié)。*根據(jù)帶有中間直流環(huán)節(jié)的直流電源性質(zhì)不同，交-直-交型變頻器可以分為電壓源型和電流源型兩類。兩種類型的實際區(qū)別在于主電路中間直流環(huán)節(jié)所采用的濾波器不同。交-直-交型變頻器中的整流電路和逆變電路一般接成兩電平三相橋式電路。*近幾年來為適應(yīng)中壓變頻器的發(fā)展需要，交-直-交型電壓源型變頻器中的整流電路和逆變電路接成了多電平電路和級聯(lián)式單元串聯(lián)式電路；交-直-交電流源型變頻器中的整流器和逆變器多接成為多重化的形式。對于交-交結(jié)構(gòu)形式的變頻器雖然沒有中間直流環(huán)節(jié)，但是，根據(jù)供電電源的性質(zhì)不同也可以分為電壓源型和電流源型兩種類型。*1.電壓源型變頻器

交-直-交電壓源型變頻器的主電路結(jié)構(gòu)如下圖所示。這類變頻器主電路中的中間直流環(huán)節(jié)是采用大電容濾波，可以使直流電壓波形比較平直，對于負(fù)載來說，是一個內(nèi)阻抗為零的恒壓源，所以，把這類變頻器稱作電壓源型變頻器。對于交-交變頻裝置雖然沒有濾波電容器，但供電電源的低阻抗使其具有電壓源的性質(zhì)，也屬于電壓源型變頻器。*a)電壓源型變頻器主電路及PWM控制b)電壓源型變頻器主電路(UCR為相控方式)c)雙PWM電壓源型變頻器主電路a)所示的交-直-交電壓源型PWM(SPWM或SVPWM)變頻器主電路，其整流側(cè)采用二極管組成的不可控整流器；其逆變側(cè)采用自關(guān)斷器件（IGBT、IGCT或IEGT等）組成的PWM逆變器。*b)所示的交-直-交電壓源型PWM變頻器主電路，其整流器采用了相控方式，優(yōu)點是輸出直流電壓可以控制，缺點是增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。c)所示的交-直-交電壓源型PWM變頻器主電路，其整流器采用了PWM控制方式，稱為PWM整流器，這種具有PWM整流器、PWM逆變器的電力電子變頻調(diào)速裝置稱作雙PWM變頻器。*電壓源型變頻器的特性如下：（1）無功能量的緩沖對于變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)來說，變頻器的負(fù)載是異步電動機(jī)，屬感性負(fù)載，在中間直流環(huán)節(jié)與電動機(jī)之間，除了有功功率的傳送外，還存在無功功率的交換。由于逆變器中的電力電子開關(guān)器件不能儲能，所以無功能量只能靠直流環(huán)節(jié)中作為濾波器的儲能元件來緩沖，使它不致于影響到交流電網(wǎng)。電壓源型變頻器的儲能元件為大電容濾波器，用它來作為無功能量的緩沖。*（2）回饋制動電壓源型變頻器的調(diào)速系統(tǒng)要實現(xiàn)回饋制動和四象限運行是比較困難的，因為其中間直流環(huán)節(jié)有大電容鉗制著電壓的極性，使其無法反向，因而電流也不能反向，所以無法實現(xiàn)回饋制動。需要制動時，對于小容量的變頻器，采用在直流環(huán)節(jié)中并聯(lián)電阻的能耗制動。

*能耗制動*對于中、大容量的變頻器，可在整流器的輸出端反并聯(lián)另外一組有源逆變器，制動時使其工作在有源逆變狀態(tài)，以通過反向的制動電流，實現(xiàn)回饋制動?；仞佒苿?2.電流源型變頻器交-直-交電流源型變頻器的主電路結(jié)構(gòu)下圖所示。這類變頻器主電路中的中間直流環(huán)節(jié)采用大電感濾波，可以使直流電流波形比較平直，因而電源內(nèi)阻抗很大，對負(fù)載來說基本上是一個恒流源，所以，把這類變頻器稱作電流源型變頻器。有的交-交變頻器的主電路中串入電抗器，使其具有電流源的性質(zhì)，因此，這類交－交變頻器屬于電流源型變頻器。*電流源型變頻器的主電路結(jié)構(gòu)如上所示的交-直-交電流源型變頻器的逆變電路也采用PWM控制方式，這對改善低頻時的電流波形（使其接近于正弦波）有明顯效果。*電流源型變頻器的特性：1）無功能量的緩沖電流源型變頻器的儲能元件為大電感濾波器，用它來作為無功能量緩沖。2）回饋制動電流源型變頻器的顯著特點是容易實現(xiàn)回饋制動。*當(dāng)可控整流器UCR工作在整流狀態(tài)（α<90°）、逆變器工作在逆變狀態(tài)時，如下圖a)所示，直流回路電壓Ud的極性為上正下負(fù)，電流由Ud的正端流入逆變器，電能由交流電網(wǎng)經(jīng)主電路傳送給電動機(jī)，變頻器的輸出頻率ωs>ω，電動機(jī)處于電動狀態(tài)。電流源型變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的兩種運行狀態(tài)a)電動運行；b)回饋制動當(dāng)電動機(jī)減速制動時??s<??，可控整流器的控制角α大于90°，異步電動機(jī)進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)，直流回路電壓Ud立即反向，但電流Id方向不變（見上圖b)），于是，逆變器變成整流器，可控整流器UCR轉(zhuǎn)入有源逆變狀態(tài)，電能由電動機(jī)回饋到交流電網(wǎng)。

由此可見，雖然電力電子器件具有單向?qū)щ娦?，電流Id不能反向，但是可控整流器的輸出電壓Ud是可以迅速反向的，因此，具有電流源型變頻器的調(diào)速系統(tǒng)容易實現(xiàn)回饋制動。*3.電壓源型變頻器和電流源型變頻器的比較電壓源型變頻器屬于恒壓源，對于具有可控整流器的電壓源型變頻器，其電壓控制的響應(yīng)較慢，所以適合作為多臺電動機(jī)同步運行時的變頻電源。

對于電流源型變頻器來說，由于電流源型變頻器屬于恒流源，系統(tǒng)對負(fù)載電流變化的反應(yīng)遲緩，因而適用于單臺電動機(jī)傳動，可以滿足快速起、制動和可逆運行的要求。*電流源型變頻器本身具有四象限運行能力而不需要任何額外的電力電子器件；然而，一個電壓源型變頻器在電網(wǎng)側(cè)必須附加一個有源逆變器。由于交-直-交電流源型變頻器調(diào)速系統(tǒng)的直流電壓極性可以迅速改變，因此動態(tài)響應(yīng)比電壓源型調(diào)速系統(tǒng)快。電流源型變頻器需要連接一個最小負(fù)載才能正常運行。這種缺陷限制了它在很多領(lǐng)域中的應(yīng)用。反之，電壓源型變頻器很容易在空載情況下運行。*應(yīng)用實踐表明，從總的成本、效率和暫態(tài)響應(yīng)上來看，電壓源型PWM變頻器更具有優(yōu)勢。目前工業(yè)生產(chǎn)中普遍應(yīng)用的變頻器是交-直-交電壓源型PWM(SPWM或SVPWM)變頻器。其中整流器采用二極管組成的電壓源型變頻器應(yīng)用最多、最廣泛。*由于電壓源型變頻器在多種場合下均可采用，通用性比較好，目前，電壓等級在690V以下的中小容量電壓源型變頻器稱為通用變頻器。20世紀(jì)90年代末以來，變頻器制造廠家對這類變頻器增添了矢量控制功能，使恒壓頻比控制方式和矢量控制方式以軟件形式集成于裝置中，成為功能更多更強(qiáng)的變頻器，用戶可根據(jù)生產(chǎn)工藝要求通過設(shè)置選擇控制方式。*6.2.3電壓源型轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制的異步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)電壓源型變頻調(diào)速系統(tǒng)由于采用了PWM控制技術(shù)，可以使其輸出電壓波形接近正弦波形。逆變器輸出的電流波形由輸出電壓和電動機(jī)反電勢之差形成，也接近正弦波。下面以一個來源于實際的電壓源型變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)為例來說明這類系統(tǒng)的基本組成及各控制單元的作用。*1.系統(tǒng)的組成及工作簡況分析一種電壓源型轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制的異步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)如下圖所示，其主電路由兩個功率變換環(huán)節(jié)組成，即整流橋和逆變橋，整流橋是由二極管組成的三相橋式電路，其直流輸出電壓為Ud=2.34UX（為電網(wǎng)的X相相電壓有效值）。調(diào)壓和調(diào)頻控制通過逆變器來完成，其給定值來自于同一個給定環(huán)節(jié)。*電壓源型轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制的異步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)*該系統(tǒng)采用電壓正弦PWM（SPWM）控制技術(shù)實現(xiàn)變壓變頻控制，通過改變PWM波形的占空比（脈沖寬度）來控制逆變器輸出交流電壓的大小，而輸出頻率通過控制逆變橋的工作周期就可以實現(xiàn)。由前述可知，為了使異步電動機(jī)能合理、正常、穩(wěn)定工作，必須使逆變器輸出到異步電動機(jī)定子的電壓Us與頻率fs通過SPWM控制來保持嚴(yán)格的比例協(xié)調(diào)關(guān)系。*2.控制單元說明（1）轉(zhuǎn)速給定積分環(huán)節(jié)（GI）設(shè)置目的：將階躍給定信號轉(zhuǎn)變?yōu)樾逼滦盘?，以消除階躍給定對系統(tǒng)產(chǎn)生的過大沖擊，使系統(tǒng)中的電壓、電流、頻率和電機(jī)轉(zhuǎn)速都能穩(wěn)步上升或下降，以提高系統(tǒng)的可靠性及滿足一些生產(chǎn)機(jī)械的工藝要求。*（2）絕對值器(GAB)設(shè)置目的：將送來的正負(fù)變化的信號變?yōu)閱我粯O性的信號，信號值大小不變。（3）函數(shù)發(fā)生器（U/f特性）設(shè)置目的：實現(xiàn)Us/fs=C的控制方式。前面討論過，在變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)中，Us=f(fs)，即電機(jī)定子電壓是定子頻率的函數(shù)。函數(shù)發(fā)生器就是根據(jù)給定頻率信號fsg產(chǎn)生一個對應(yīng)于定子電壓的給定信號Usg，以實現(xiàn)電壓、頻率的協(xié)調(diào)控制。*變頻器中以下幾項內(nèi)容與函數(shù)發(fā)生器有關(guān)：1）按照不同負(fù)載要求設(shè)定不同的Us/fs=C特性曲線。2）當(dāng)變頻器高于基頻工作時，采用恒功率調(diào)速方式，這就要求變頻器輸出電壓不能高于電機(jī)的額定輸入電壓，可通過函數(shù)發(fā)生器的輸出限幅來保證。3）節(jié)能控制：電動機(jī)處于輕載工作時，適當(dāng)降低電壓，可以使輸出電流下降，減小損耗，可通過改變Us/fs=C曲線的斜率來實現(xiàn)。***（5）I*R補償環(huán)節(jié)在低頻時，為了保證磁通恒定，變頻器引入了I*R補償環(huán)節(jié)，根據(jù)負(fù)載性質(zhì)及負(fù)載電流值適當(dāng)提高Usg，修正Us/fs=C特性曲線，達(dá)到使Us/fs=C。（6）轉(zhuǎn)差補償環(huán)節(jié)由于是開環(huán)頻率控制，調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性較軟，為了提高機(jī)械特性硬度，在系統(tǒng)中設(shè)置了轉(zhuǎn)差補償環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)差補償機(jī)理可以按下圖來解釋。*轉(zhuǎn)差補償圖解當(dāng)負(fù)載由TL1增大到TL2時，電機(jī)轉(zhuǎn)速由n1降到n2，轉(zhuǎn)差由Δn1增加到Δn2，其差值為Δn2－Δn1=Δn。按Δn值相應(yīng)提高同步轉(zhuǎn)速ns（由ns1提高到ns2），使其機(jī)械特性曲線ns1平行上移得到機(jī)械特性曲線ns2，與n1（直線）相交于A2點，從而使n1保持不變，達(dá)到補償轉(zhuǎn)差的目的，這樣在電動機(jī)運行中，當(dāng)負(fù)載增加時，也能做到維持轉(zhuǎn)速基本不變。*（7）Ud校正環(huán)節(jié)觀察電壓源型轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制的異步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)可知，變頻器沒有輸出電壓反饋控制，當(dāng)直流電壓Ud發(fā)生波動時，將引起Us/fs=C關(guān)系失調(diào)。檢測Ud變化，在Ud校正環(huán)節(jié)中，根據(jù)Ud的變化來修正電壓控制信號Usg*，再通過SPWM調(diào)整輸出電壓脈沖的寬度，以保證Us/fs=C的協(xié)調(diào)關(guān)系。*（8）SPWM生成SPWM生成環(huán)節(jié)及光耦驅(qū)動電路框圖*（9）極性鑒別器(DPI)當(dāng)DPI輸入端得到一個信號，經(jīng)極性鑒別器判斷信號的極性，根據(jù)信號的極性決定逆變橋開關(guān)器件的導(dǎo)通順序，從而使電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。*（10）主電路交-直-交電壓源型IGBT功率變換器電路如下圖所示。圖中，整流橋UR是由二極管組成的三相橋式不控整流電路，逆變橋UI是由IGBT（或IGCT、IEGT）組成的三相橋式電路。*電壓源型IGBT-SPWM交-直-交變頻器主電路*（11）電流實際值檢測電流實際值檢測主要用于輸出電壓的修正和過流、過載保護(hù)。通過檢測變頻器輸出電流，進(jìn)行過流、過載計算，當(dāng)判斷為過流、過載后，發(fā)出觸發(fā)脈沖封鎖信號封鎖觸發(fā)器，停止變頻器運行，確保變頻器和電動機(jī)的安全。*6.2.4電流源型轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制的異步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)電流源型轉(zhuǎn)速開環(huán)的異步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)上圖表示出了一個典型的電流源型轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制的異步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)。由圖可知，變頻器有兩個功率變換環(huán)節(jié)，即整流橋與逆變橋，它們分別有相應(yīng)的控制回路，為了操作方便，采用一個給定來控制，并通過函數(shù)發(fā)生器，使兩個回路協(xié)調(diào)地工作。*在電流源型變頻器轉(zhuǎn)速開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，除了設(shè)置電流調(diào)節(jié)環(huán)外，仍需設(shè)置電壓閉環(huán)，以保證調(diào)壓調(diào)頻過程中對逆變器輸出電壓的穩(wěn)定性要求，實現(xiàn)恒壓頻比的控制方式。*（1）電流源型變頻器主回路電流源型變頻器主電路由兩個功率變換環(huán)節(jié)構(gòu)成，即三相橋式整流器和逆變器，中間環(huán)節(jié)采用電抗器濾波。整流