5.2.1感應(yīng)電動機(jī)調(diào)速原理交流感應(yīng)電動機(jī)轉(zhuǎn)速控制的基本方程為：改變s、p和f可以調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)速，因此可以將交流感應(yīng)電動機(jī)的基本調(diào)速方式相應(yīng)分為三種：調(diào)壓調(diào)速、變極調(diào)速和變頻調(diào)速。5.2.1感應(yīng)電動機(jī)調(diào)速原理改變感應(yīng)電動機(jī)輸入電源的電壓進(jìn)行調(diào)速的方式稱為調(diào)壓調(diào)速，是一種變轉(zhuǎn)差率調(diào)速方式；改變感應(yīng)電動機(jī)的磁極對數(shù)，從而改變同步旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)速的方式稱為變極調(diào)速，其轉(zhuǎn)速階躍變化；改變感應(yīng)電動機(jī)輸入電源頻率，從而改變同步磁場轉(zhuǎn)速的調(diào)速方式稱為變頻調(diào)速，其轉(zhuǎn)速可以均勻變化。5.2.2變壓變頻控制

異步電機(jī)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。5.2.2變壓變頻控制

在進(jìn)行電機(jī)調(diào)速時，常須考慮的一個重要因素是：希望保持電機(jī)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(jī)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(jī)。對于直流電機(jī)，勵磁系統(tǒng)是獨立的，只要對電樞反應(yīng)有恰當(dāng)?shù)难a(bǔ)償，

m保持不變是很容易做到的。在交流異步電機(jī)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。

5.2.2變壓變頻控制

定子每相電動勢（6-2）

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。

f1N1kN1

m65.2.2變壓變頻控制5.2.2變壓變頻控制

由上式可知，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。

5.2.2變壓變頻控制1.基頻以下調(diào)速

由式（5-5）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

（6-3）

即采用恒值電動勢頻率比的控制方式。

85.2.2變壓變頻控制

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(bǔ)償定子壓降。帶定子壓降補(bǔ)償?shù)暮銐侯l比控制特性示于下圖中的b線，無補(bǔ)償?shù)目刂铺匦詣t為a線。

5.2.2變壓變頻控制OUsf1恒壓頻比控制特性

帶壓降補(bǔ)償?shù)暮銐侯l比控制特性UsNf1Na

—無補(bǔ)償

b

—帶定子壓降補(bǔ)償

105.2.2變壓變頻控制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(jī)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。

11f1N

變壓變頻控制特性圖6-1異步電機(jī)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ΦmUsf1O125.2.2變壓變頻控制5.2.3矢量控制技術(shù)

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直流電動機(jī)內(nèi)靜止的主磁場由定子勵磁繞組產(chǎn)生，在圖中為水平方向。電樞繞組中流過的交變的電樞電流，但在電刷和換向器的作用下，電樞反應(yīng)磁場成為靜止磁場，并且方向與主磁場保持垂直，所以直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩公式才會如此簡單。5.2.3矢量控制技術(shù)

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一個穩(wěn)定的正弦變化量可以等效為某個恒定旋轉(zhuǎn)矢量在靜止坐標(biāo)軸上的投影，并且矢量旋轉(zhuǎn)的速度等于正弦變化量的角速度。所以穩(wěn)態(tài)下感應(yīng)電動機(jī)正弦變化的定子電流可以與某個恒定的電流旋轉(zhuǎn)矢量對應(yīng)起來，如果感應(yīng)電動機(jī)控制系統(tǒng)立足于選擇電流矢量的位置上，并始終與其保持同步運(yùn)行，那么看到的將是一個恒定的直流電流。即使在動態(tài)過程中，看到的也是一個直流電流，只不過直流電流的大小在變化。5.2.3矢量控制技術(shù)

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一個穩(wěn)定的正弦變化量可以等效為某個恒定旋轉(zhuǎn)矢量在靜止坐標(biāo)軸上的投影，并且矢量旋轉(zhuǎn)的速度等于正弦變化量的角速度。所以穩(wěn)態(tài)下感應(yīng)電動機(jī)正弦變化的定子電流可以與某個恒定的電流旋轉(zhuǎn)矢量對應(yīng)起來，如果感應(yīng)電動機(jī)控制系統(tǒng)立足于選擇電流矢量的位置上，并始終與其保持同步運(yùn)行，那么看到的將是一個恒定的直流電流。即使在動態(tài)過程中，看到的也是一個直流電流，只不過直流電流的大小在變化。5.2.3矢量控制技術(shù)

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2、矢量控制基本思路對于交流電機(jī)三相對稱的靜止繞組A，B，C，通過三相平衡的正弦電流、、時，所產(chǎn)生的合成磁動勢是旋轉(zhuǎn)磁動勢F，它在空間呈正弦分布，以同步轉(zhuǎn)速ω順著A-B-C的相序旋轉(zhuǎn)。由電機(jī)學(xué)可知，在兩相、三相、四相等多相對稱繞組中通以多相對稱電流時，都能夠產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動勢，其中以兩相最為簡單，兩相靜止繞組α和β，它們在空間互差90度，通以時間上互差90度的兩相平衡交流電流、，也可以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動勢F，該磁動勢與三相對稱的靜止繞組A，B，C所產(chǎn)生的磁動勢的大小和轉(zhuǎn)速都相等時，即認(rèn)為二者是等效的。5.2.3矢量控制技術(shù)

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通過把交流感應(yīng)電動機(jī)與直流電動機(jī)對比分析，可以看出矢量控制的基本思路是：模擬直流電動機(jī)的控制方法對感應(yīng)電動機(jī)進(jìn)行控制，根據(jù)線性變換以及變換前后的磁動勢和功率不變的原則，通過正交變換將三相坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型變換成二相靜止坐標(biāo)系的模型，然后通過旋轉(zhuǎn)變換將二相靜止坐的模型變換成二相的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的模型。在/變換下將定子電流矢量分解成按轉(zhuǎn)子磁場定向的兩個直流分量、（為勵磁電流分量，為轉(zhuǎn)矩電流分量），并對其分別加以控制，控制相當(dāng)于控制磁通，控制相當(dāng)于控制轉(zhuǎn)矩。5.2.3矢量控制技術(shù)

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由三相靜止坐標(biāo)系變換為二相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系變換轉(zhuǎn)矩為：5.2.3矢量控制技術(shù)

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隨著磁場定向控制技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了許多實現(xiàn)磁場定向控制的方法，根據(jù)轉(zhuǎn)子磁場測量方式的不同，這些方法可以分為兩類：直接磁場定向控制和間接磁場定向控制。直接磁場定向控制需直接測量轉(zhuǎn)子磁場，這增加了控制的復(fù)雜性和低速運(yùn)行時測量的不可靠性。因此，直接磁場定向控制很少應(yīng)用于交流感應(yīng)電機(jī)控制系統(tǒng)。與直接磁場定向控制不同，間接磁場定向控制通過計算確定轉(zhuǎn)子磁場，而不是直接測量，這種方法相對于直接磁場定向控制更易于實現(xiàn)。因此，間接磁場定向控制在高性能的新能源汽車驅(qū)動系統(tǒng)中具有很好的應(yīng)用前景。5.2.3矢量控制技術(shù)

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3、典型的感應(yīng)電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)5.2.3矢量控制技術(shù)

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矩形框1部分的延時可以忽略，那么感應(yīng)電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)就轉(zhuǎn)換成為直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，這就是矢量控制技術(shù)的思路。矩形框2是將外部給定信號轉(zhuǎn)換成電動機(jī)電流指令信號的單元，它比直流電動機(jī)的控制器多兩個變換單元，是控制系統(tǒng)的軟件主要部分。矩形框4內(nèi)是調(diào)速系統(tǒng)中的硬件部分，也是調(diào)速系統(tǒng)電能變換的部分。矩形框3表示被控對象感應(yīng)電動機(jī)和與其等效的直流電動機(jī)之間的關(guān)系。5.2.3矢量控制技術(shù)

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4、間接磁場定向控制系統(tǒng)5.2.4直接轉(zhuǎn)矩控制

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20世紀(jì)80年代中期，德國魯爾大學(xué)depenbrock教授和日本學(xué)者takahashi相相繼提出了直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）技術(shù)，它是繼矢量控制技術(shù)之后發(fā)展起來的一種高動態(tài)性能的感應(yīng)電動機(jī)變壓變頻調(diào)速技術(shù)。DTC技術(shù)首先應(yīng)用于感應(yīng)電動機(jī)的控制，后來逐漸推廣到弱磁控制和同步電機(jī)的控制中。5.2.4直接轉(zhuǎn)矩控制

24

1、直接轉(zhuǎn)矩控制基本概念交流感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是基于定子兩相靜止參考坐標(biāo)系，一方面維持轉(zhuǎn)矩在給定值附近，另一方面維持定子磁鏈沿著給定軌跡(預(yù)先設(shè)定的軌跡，如六邊形或圓形等)運(yùn)動，對交流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與定子磁鏈直接進(jìn)行閉環(huán)控制。2、直接轉(zhuǎn)矩控制方案分析

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（1）德國depenbrock教授的直接自控制(DSC)方案2、直接轉(zhuǎn)矩控制方案分析

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