单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第 2 篇,电力拖动自动控制系统,交流拖动控制系统,1,第 2 篇电力拖动自动控制系统交流拖动控制系统1,内容提要,概述,直流与交流调速系统对比,交流调速系统分类对比,按异步电动机的能量转换类型分类,2,内容提要概述2,概 述,直流电力拖动和交流电力拖动在19世纪先后诞生。在20世纪上半叶的年代里，鉴于直流拖动具有优越的调速性能，高性能可调速拖动都采用直流电机，而约占电力拖动总容量80%以上的不变速拖动系统则采用交流电机，这种分工在一段时期内已成为一种举世公认的格局。交流调速系统的多种方案虽然早已问世，并已获得实际应用，但其性能却始终无法与直流调速系统相匹敌。,3,概 述 直流电力拖动和交,直到20世纪6070年代，随着电力电子技术的发展，使得采用电力电子变换器的交流拖动系统得以实现，特别是大规模集成电路和计算机控制的出现，高性能交流调速系统便应运而生，一直被认为是天经地义的交直流拖动按调速性能分工的格局终于被打破了。,4,直到20世纪6070年代，,这时，直流电机具有电刷和换相器因而必须经常检查维修、换向火花使直流电机的应用环境受到限制、以及换向能力限制了直流电机的容量和速度等缺点日益突出起来，用交流可调拖动取代直流可调拖动的呼声越来越强烈，,交流拖动控制系统已经成为当前电力拖动控制的主要发展方向,。,5,这时，直流电机具有电刷和换相器因而必,交流拖动控制系统的应用领域,主要有三个方面：,一般性能的节能调速,高性能的交流调速系统和伺服系统,特大容量、极高转速的交流调速,6,交流拖动控制系统的应用领域主要有三个方面：6,1. 一般性能的节能调速,在过去大量的所谓“不变速交流拖动”中，风机、水泵等通用机械的容量几乎占工业电力拖动总容量的一半以上，其中有不少场合并不是不需要调速，只是因为过去的交流拖动本身不能调速，不得不依赖挡板和阀门来调节送风和供水的流量，因而把许多电能白白地浪费了。,7,1. 一般性能的节能调速 在,一般性能的节能调速（续）,如果换成交流调速系统，把消耗在挡板和阀门上的能量节省下来，每台风机、水泵平均都可以节约 20 30% 以上的电能，效果是很可观的。,但风机、水泵的调速范围和对动态快速性的要求都不高，只需要一般的调速性能。,8,一般性能的节能调速（续） 如果换成交流,2. 高性能的交流调速系统和伺服系统,许多在工艺上需要调速的生产机械过去多用直流拖动，鉴于交流电机比直流电机结构简单、成本低廉、工作可靠、维护方便、惯量小、效率高，如果改成交流拖动，显然能够带来不少的效益。但是，由于交流电机原理上的原因，其电磁转矩难以像直流电机那样通过电枢电流施行灵活的实时控制。,9,2. 高性能的交流调速系统和伺服系统,20世纪70年代初发明了矢量控制技术，或称磁场定向控制技术，通过坐标变换，把交流电机的定子电流分解成转矩分量和励磁分量，用来分别控制电机的转矩和磁通，就可以获得和直流电机相仿的高动态性能，从而使交流电机的调速技术取得了突破性的进展。,高性能的交流调速系统和伺服系统（续）,10,20世纪70年代初发明了矢量控制技术,高性能的交流调速系统和伺服系统（续）,其后，又陆续提出了直接转矩控制、解耦控制等方法，形成了一系列可以和直流调速系统媲美的高性能交流调速系统和交流伺服系统。,11,高性能的交流调速系统和伺服系统（续） 其后，又陆,3. 特大容量、极高转速的交流调速,直流电机的换向能力限制了它的容量转速积不超过10,6,kW,r,/min，超过这一数值时，其设计与制造就非常困难了。,交流电机没有换向器，不受这种限制，因此，特大容量的电力拖动设备，如厚板轧机、矿井卷扬机等，以及极高转速的拖动，如高速磨头、离心机等，都以采用交流调速为宜。,12,3. 特大容量、极高转速的交流调速 直,交流调速系统的主要类型,交流电机主要分为,异步电机,（即感应电机）和,同步电机,两大类，每类电机又有不同类型的调速系统。,现有文献中介绍的异步电机调速系统种类繁多，可按照不同的角度进行分类。,13,交流调速系统的主要类型 交流电机主要分为,直流与交流调速系统对比,14,直流与交流调速系统对比14,式中，气隙磁通,m,由定子电流和转子电流共同产生；转子电流,I,r,与,m,相互耦合，且很难测量；转子回路功率因数,cos,r,与负载有关，这是一个多变量的非线性系统，动态中很难施加控制。,直流电动机与交流电动机的比较,（1）调速性能,它励直流电动机的转矩公式,可以看出，如果,m,恒定（只要励磁电流,I,f,恒定），转矩与电枢电流成正比，这是一个线性的单输入单输出系统，容易控制。既适用于稳态，也适用于动态。,异步电动机的转矩公式,以上简短分析表明，,就调速动态性能而论，直流电动机优于交流电动机。,15,式中，气隙磁通m由定子电流和转子电流共同产生；转子电流Ir,表1 直流电动机的缺点,比较内容 直流电动机 交流电动机,结构与制造 有电刷，制造复杂 无电刷，结构简单,重量/功率,2,1,体积/功率,2,1,最大容量,1214MW,（双电枢） 几十MW,最大转速,10000r/min,数万,r/min,最高电枢电压,1kV,610kV,使用环境 非易燃易爆 要求低,维护 较多 较少,制造成本 高 低,（,2）,其它性能,调速性能之外则是交流异步电动机全面优于直流电动机,16,表1 直流电动机的缺点（2）其它性,基于动态数学模型的矢量控制技术。,2交流电动机调速的技术突破,交流电机调速技术上的突破从上一世纪70年代开始,主要表现在以下几个方面,：,全控型电力电子器件问世及其技术日趋成熟；,大规模集成电路的应用;,脉冲调宽（PWM）技术应用到交流调速;,17,2交流电动机调速的技术突破 全控型电力电子器件问世及其技术,按电动机的调速方法分类,常见的交流调速方法有：,降电压调速；,转差离合器调速；,转子串电阻调速；,绕线电机串级调速或双馈电机调速；,变极对数调速；,变压变频调速等等。,18,按电动机的调速方法分类常见的交流调速方法有：18,3交流电动机调速的方法,（1）异步电动机的调速方法,异步电机的转速表达式,（r/min）,（r/min）,调转差率,s,效率最差的调速方法，但是技术简单。,可见，异步电机有三种调速方法：,调定子频率,f,1,可以在宽广的范围内连续、平滑、高效率地调速，是最有效的调速方法。,调极对数,n,p,可以在二种或三种速度之间切换,调速不平滑，但高效率。,19,3交流电动机调速的方法（r/min） 调转差率s 效率最,（2）同步电动机的调速方法,同步电动机的转速公式,（r/min）,同步电动机有二种调速方法：,调频率,f,1,主要的调速方法,调极对数,n,p,很少采用,20,（2）同步电动机的调速方法同步电动机有二种调速方法：20,在研究开发阶段，人们从多方面探索调速的途径，因而种类繁多是很自然的。现在交流调速的发展已经比较成熟，为了深入掌握其基本原理，就不能满足于这种表面上的罗列，而要进一步探讨其本质，认识交流调速的基本规律。,21,在研究开发阶段，人们从多方面探索调速的途,按异步电动机的能量转换类型分类,按照交流异步电机的原理，从定子传入转子的电磁功率可分成两部分：一部分是拖动负载的有效功率，称作机械功率；另一部分是传输给转子电路的转差功率，与转差率,s,成正比。,P,mech,P,m,P,s,22,按异步电动机的能量转换类型分类 按照交,即,P,m,=,P,mech,+,P,s,P,mech,= (1 ,s,),P,m,P,s,=,sP,m,从能量转换的角度上看，转差功率是否增大，是消耗掉还是得到回收，是评价调速系统效率高低的标志。从这点出发，可以把,异步电机的调速系统,分成三类 。,23,即 Pm = Pmech +,1. 转差功率消耗型调速系统,这种类型的全部转差功率都转换成热能消耗在转子回路中，上述的第、三种调速方法都属于这一类。在三类异步电机调速系统中，这类系统的效率最低，而且越到低速时效率越低，它是以增加转差功率的消耗来换取转速的降低的（恒转矩负载时）。可是这类系统结构简单，设备成本最低，所以还有一定的应用价值。,24,1. 转差功率消耗型调速系统 这种,2.转差功率馈送型调速系统,在这类系统中，除转子铜损外，大部分转差功率在转子侧通过变流装置馈出或馈入，转速越低，能馈送的功率越多，上述第种调速方法属于这一类。无论是馈出还是馈入的转差功率，扣除变流装置本身的损耗后，最终都转化成有用的功率，因此这类系统的效率较高，但要增加一些设备。,25,2.转差功率馈送型调速系统 在这类,3. 转差功率不变型调速系统,在这类系统中，转差功率只有转子铜损，而且无论转速高低，转差功率基本不变，因此效率更高，上述的第、两种调速方法属于此类。其中变极对数调速是有级的，应用场合有限。只有变压变频调速应用最广，可以构成高动态性能的交流调速系统，取代直流调速；但在定子电路中须配备与电动机容量相当的变压变频器，相比之下，设备成本最高。,26,3. 转差功率不变型调速系统 在这类系统,同步电机的调速,同步电机没有转差，也就没有转差功率，所以同步电机调速系统只能是转差功率不变型（恒等于 0 ）的，而同步电机转子极对数又是固定的，因此只能靠变压变频调速，没有像异步电机那样的多种调速方法。,在同步电机的变压变频调速方法中，从频率控制的方式来看，可分为,他控变频调速,和,自控变频调速,两类。,27,同步电机的调速 同步电机没有转差，也,笼型异步电机变压变频调速系统,（VVVF系统）,转差功率不变型调速系统,电力拖动自动控制系统,第 5 章,28,笼型异步电机变压变频调速系统（VVVF系统）转差功率不变,概 述,异步电机的变压变频调速系统一般简称为变频调速系统。由于在调速时转差功率不随转速而变化，调速范围宽，无论是高速还是低速时效率都较高，在采取一定的技术措施后能实现高动态性能，可与直流调速系统媲美。因此现在应用面很广，是本篇的重点。,29,概 述 异步电机的变压变频调速系统一般简称为变,本章提要,变压变频调速的基本控制方式,异步电动机,电压频率协调控制时的机械特性,变压变频调速系统中的脉宽调制,（PWM）,技术,30,本章提要变压变频调速的基本控制方式30,6.1 变压变频调速的基本控制方式,在进行电机调速时，常须考虑的一个重要因素是：希望保持电机中每极磁通量,m,为额定值不变。如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；如果过分增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。,31,6.1 变压变频调速的基本控制方式,对于直流电机，励磁系统是独立的，只要对电枢反应有恰当的补偿，,m,保持不变是很容易做到的。,在交流异步电机中，磁通,m,由定子和转子磁势合成产生，要保持磁通恒定就需要费一些周折了。,32,对于直流电机，励磁系统是独立的，只要对电枢反应有恰当的补偿，,定子每相电动势,（6-1）,式中：,E,g,气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值，单位为V；,定子频率，单位为Hz；,定子每相绕组串联匝数；,基波绕组系数；,每极气隙磁通量，单位为Wb。,f,1,N,s,k,Ns,m,33,定子每相电动势（6-1） 式中：Eg 气隙磁通在定子每相,由式（6-1）可知，只要控制好,E,g,和,f,1,，便可达到控制磁通,m,的目的，对此，需要考虑基频（额定频率）以下和基频以上两种情况。,34,由式（6-1）可知，只要控制好 Eg,1. 基频以下调速,由式（6-1）可知，要保持,m,不变，当频率,f,1,从额定值,f,1N,向下调节时，必须同时降低,E,g,，使,常值,（6-2）,即,采用恒值电动势频率比的控制方式,。,35,1. 基频以下调速 由式（6-1）可知，要,恒压频比的控制方式,然而，绕组中的感应电动势是难以直接控制的，当电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压,U,s,E,g,，则得,（6-3）,这是,恒压频比的控制方式,。,36,恒压频比的控制方式 然而，绕组中的感应,但是，在低频时,U,s,和,E,g,都较小，定子阻抗压降所占的份量就比较显著，不再能忽略。这时，需要人为地把电压,U,s,抬高一些，以便,近似地补偿定子压降,。,带定子压降补偿的恒压频比控制特性示于下图中的,b,线，无补偿的控制特性则为,a,线。,37,但是，在低频时 Us 和 Eg 都较小，定,O,U,s,f,1,图6-1,恒压频比控制特性,带压降补偿的恒压频比控制特性,U,sN,f,1N,a,无补偿,b,带定子压降补偿,38,OUsf 1图6-1 恒压频比控制特性 带压降补偿的恒压频比,2. 基频以上调速,在基频以上调速时，频率应该从,f,1N,向上升高，但定子电压,U,s,却不可能超过额定电压,U,sN,，最多只能保持,U,s,= U,sN,，这将迫使磁通与频率成反比地降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。,把基频以下和基频以上两种情况的控制特性画在一起，如下图所示。,39,2. 基频以上调速 在基频以上调速时，频,f,1N,变压变频控制特性,图6-2,异步电机变压变频调速的控制特性,恒转矩调速,U,s,U,sN,mN,m,恒功率调速,m,U,s,f,1,O,40,f1N 变压变频控制特性图6-2 异步电机变压变频调速的控制,如果电机在不同转速时所带的负载都能使电流达到额定值，即都能在允许温升下长期运行，则转矩基本上随磁通变化，按照电力拖动原理，在基频以下，磁通恒定时转矩也恒定，属于“,恒转矩调速,”性质，而在基频以上，转速升高时转矩降低，基本上属于“,恒功率调速,”。,返回目录,41,如果电机在不同转速时所带的负载都能使电,6.2 异步电动机电压频率协调控制时 的机械特性,本节提要,恒压恒频正弦波供电时异步电动机的机械特性,基频以下电压-频率协调控制时的机械特性,基频以上恒压变频时的机械特性,42,6.2 异步电动机电压频率协调控制时,6.2.1 恒压恒频正弦波供电时异步电动机的 机械特性,第5章式（5-3）已给出异步电机在恒压恒频正弦波供电时的机械特性方程式,T,e,=,f,(,s,)。 当定子电压,U,s,和电源角频率,1,恒定时，可以改写成如下形式：,（6-4）,43,6.2.1 恒压恒频正弦波供电时异步电动机的,特性分析,当,s,很小时，可忽略上式分母中含,s,各项，则,（6-5）,也就是说，当,s,很小时，转矩近似与,s,成正比，机械特性,T,e,=,f,（,s,）是一段直线，见图6-3。,44,特性分析当s很小时，可忽略上式分母中含s各项，则44,特性分析（续）,当,s,接近于1时，可忽略式（6-4）分母中的,R,r,，则,（6-6）,即,s,接近于1时转矩近似与,s,成反比，这时，,T,e,=,f,（,s,）是对称于原点的一段双曲线。,45,特性分析（续） 当 s 接近于1时，可忽略式（6-4,机械特性,当,s,为以上两段的中间数值时，机械特性从直线段逐渐过渡到双曲线段，如图所示。,s,m,n,n,0,s,T,e,0,1,0,T,e,T,emax,T,emax,图6-3 恒压恒频时异步电机的机械特性,46,机械特性 当 s 为以上两段的中间数值时，机械特性,6.2.2 基频以下电压-频率协调控制时的 机械特性,由式（6-4）机械特性方程式可以看出，对于同一组转矩,T,e,和转速,n,（或转差率,s,）的要求，电压,U,s,和频率,1,可以有多种配合。,在,U,s,和,1,的不同配合下机械特性也是不一样的，因此可以有不同方式的电压频率协调控制。,47,6.2.2 基频以下电压-频率协调控制时的,1. 恒压频比控制（,U,s,/,1,）,在第6-1节中已经指出，为了近似地保持气隙磁通不变，以便充分利用电机铁心，发挥电机产生转矩的能力，在基频以下须采用恒压频比控制。这时，同步转速自然要随频率变化。,（6-7）,48,1. 恒压频比控制（ Us /1 ） 在,在式（6-5）所表示的机械特性近似直线段上，可以导出,（6-9）,带负载时的转速降落为,（6-8）,49,在式（6-5）所表示的机械特性近似直线段上，可以导出,由此可见，当,U,s,/,1,为恒值时，对于同一转矩,T,e,，,s,1,是基本不变的，因而,n,也是基本不变的。这就是说，在恒压频比的条件下改变频率,1,时，机械特性基本上是平行下移，如图6-4所示。它们和直流他励电机变压调速时的情况基本相似。,50,由此可见，当 Us /1 为恒值时，对于同一转矩,所不同的是，当转矩增大到最大值以后，转速再降低，特性就折回来了。而且频率越低时最大转矩值越小，可参看第5章式（5-5），对式（5-5）稍加整理后可得,（6-10）,51,所不同的是，当转矩增大到最大值以后，转速再降,最大转矩,T,emax,是随着的,1,降低而减小的。频率很低时，,T,emax,太小将限制电机的带载能力，采用定子压降补偿，适当地提高电压,U,s,，可以增强带载能力，见图6-4。,52,最大转矩 Temax 是随着的 1 降,机械特性曲线,O,n,图6-4 恒压频比控制时变频调速的机械特性,补偿定子压降后的特性,53,机械特性曲线On图6-4 恒压频比控制时变频调速的机械特,2. 恒,E,g,/,1,控制,下图再次绘出异步电机的稳态等效电路，图中几处感应电动势的意义如下：,E,g,气隙（或互感）磁通在定子每相绕组中,的感应电动势；,E,s,定子全磁通在定子每相绕组中的感应电,动势；,E,r,转子全磁通在转子绕组中的感应电动势,（折合到定子边）。,54,2. 恒 Eg /1 控制 下图再次绘出异,图6-5,异步电动机稳态等效电路和感应电动势,U,s,1,R,s,L,l,s,L,l,r,L,m,R,r,/,s,I,s,I,0,I,r,异步电动机等效电路,E,g,E,s,E,r,55,图6-5 异步电动机稳态等效电路和感应电动势 Us1RsL,特性分析,如果在电压频率协调控制中，恰当地提高电压,U,s,的数值，使它在克服定子阻抗压降以后，能维持,E,g,/,1,为恒值（基频以下），则由式（6-1）可知，无论频率高低，每极磁通,m,均为常值。,56,特性分析 如果在电压频率协调控制中，恰当地提高电,特性分析（续）,由等效电路可以看出,（6-11）,代入电磁转矩关系式，得,（6-12）,57,特性分析（续）由等效电路可以看出 （6-11）代入电磁转矩,特性分析（续）,利用与前相似的分析方法，当,s,很小时，可忽略式（6-12）分母中含,s,项，则,（6-13）,这表明机械特性的这一段近似为一条直线。,58,特性分析（续） 利用与前相似的分析方法，当s很,特性分析（续）,当,s,接近于1时，可忽略式（6-12）分母中的,R,r,2,项，则,（6-14）,s,值为上述两段的中间值时，机械特性在直线和双曲线之间逐渐过渡，整条特性与恒压频比特性相似。,59,特性分析（续） 当 s 接近于1时，可忽略式（6-12）,性能比较（续）,将式（6-12）对,s,求导，并令 d,T,e,/ d,s,= 0，可得恒,E,g,/,1,控制特性在最大转矩时的转差率,（6-15）,和最大转矩,（6-16）,60,性能比较（续） 将式（6-12）对 s 求导，并令,性能比较（续）,值得注意的是，在式（6-16）中，当,E,g,/,1,为恒值时，,T,emax,恒定不变，如下图所示，其稳态性能优于恒,U,s,/,1,控制的性能。,这正是恒,E,g,/,1,控制中补偿定子压降所追求的目标。,61,性能比较（续） 值得注意的是，在式（6-16）中，,机械特性曲线,O,n,T,emax,恒,E,g,/,1,控制时变频调速的机械特性,62,机械特性曲线OnTemax恒 Eg /1 控制时变频调速,3. 恒,E,r,/,1,控制,如果把电压频率协调控制中的电压再进一步提高，把转子漏抗上的压降也抵消掉，得到恒,E,r,/,1,控制，那么，机械特性会怎样呢？由此可写出,（6-17）,63,3. 恒 Er /1 控制 如果把电压频率协调,代入电磁转矩基本关系式，得,（6-18）,现在，不必再作任何近似就可知道，这时的机械特性完全是一条直线，见图6-6。,64,代入电磁转矩基本关系式，得 （6-18） 现在，不必,0,s,1,0,T,e,几种电压频率协调控制方式的特性比较,图6-6 不同电压频率协调控制方式时的机械特性,恒,E,r,/,1,控制,恒,E,g,/,1,控制,恒,U,s,/,1,控制,a,b,c,65,0s10Te 几种电压频率协调控制方式的特性比较图6-6,显然，恒,E,r,/,1,控制的稳态性能最好，可以获得和直流电机一样的线性机械特性。这正是高性能交流变频调速所要求的性能。,现在的问题是，怎样控制变频装置的电压和频率才能获得恒定的,E,r,/,1,呢？,66,显然，恒 Er /1 控制的稳态性能最好，,按照式（6-1）电动势和磁通的关系，可以看出，当频率恒定时，电动势与磁通成正比。在式（6-1）中，气隙磁通的感应电动势,E,g,对应于气隙磁通幅值,m,，那么，转子全磁通的感应电动势,E,r,就应该对应于转子全磁通幅值,rm,：,（6-19）,67,按照式（6-1）电动势和磁通的关系，可以看出，当频,由此可见，只要能够按照转子全磁通幅值,rm,= Constant 进 行控制，就可以获得,恒,E,r,/,1,了。这正是矢量控制系统所遵循的原则。,68,由此可见，只要能够按照转子全磁通幅值 rm =,4几种协调控制方式的比较,综上所述，在正弦波供电时，按不同规律实现电压频率协调控制可得不同类型的机械特性。,（1）恒压频比（,U,s,/,1,= Constant ）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，能够满足一般的调速要求，但低速带载能力有些差强人意，须对定子压降实行补偿。,69,4几种协调控制方式的比较 综上所述，在,（2）恒,E,g,/,1,控制是通常对恒压频比控制实行电压补偿的标准，可以在稳态时达到,rm,= Constant，从而改善了低速性能。但机械特性还是非线性的，产生转矩的能力仍受到限制。,70,（2）恒Eg /1 控制是通常对恒压频比控制实行电压补,（3）恒,E,r,/,1,控制可以得到和直流他励电机一样的线性机械特性，按照转子全磁通,rm,恒定进行控制，即得,E,r,/,1,= Constant,而且，在动态中也尽可能保持,rm,恒定是矢量控制系统的目标，当然实现起来是比较复杂的。,71,（3）恒 Er /1 控制可以得到和直流他励电机一样,6.2.3 基频以上恒压变频时的机械特性,性能分析,在基频以上变频调速时，由于定子电压,U,s,= U,sN,不变，式（6-4）的机械特性方程式可写成,（6-20）,72,6.2.3 基频以上恒压变频时的机械特性 性能分析 （6-,性能分析（续）,而式（6-10）的最大转矩表达式可改写成,（6-21）,同步转速的表达式仍和式（6-7）一样。,73,性能分析（续） 而式（6-10）的最大转矩表达式可改写成,机械特性曲线,恒功率调速,O,由此可见，当角频率提高时，同步转速随之提高，最大转矩减小，机械特性上移，而形状基本不变，如图所示。,图6-7 基频以上恒压变频调速的机械特性,74,机械特性曲线恒功率调速O 由此可见，当角频率提,6.4 变压变频调速系统中的脉宽调制 (PWM)技术,本节提要,问题的提出,正弦波脉宽调制(SPWM)技术,75,6.4 变压变频调速系统中的脉宽调制,问题的提出,早期的交-直-交变压变频器所输出的交流波形都是六拍阶梯波（对于电压型逆变器）或矩形波（对于电流型逆变器），这是因为当时逆变器只能采用半控式的晶闸管，其关断的不可控性和较低的开关频率导致逆变器的输出波形不可能近似按正弦波变化，从而会有较大的低次谐波，使电机输出转矩存在脉动分量，影响其稳态工作性能，在低速运行时更为明显。,76, 问题的提出 早期的交-直-交变压变频器,六拍逆变器主电路结构,VT,1,VT,6,主电路开关器件,VD,1,VD,6,续流二极管,VT,3,VT,5,VT,4,VT,6,VT,2,VT,1,77,六拍逆变器主电路结构VT1VT6主电路开关器件 V,为了改善交流电动机变压变频调速系统的性能，在出现了全控式电力电子开关器件之后，科技工作者在20世纪80年代开发了应用PWM技术的逆变器。,由于它的优良技术性能，当今国内外各厂商生产的变压变频器都已采用这种技术，只有在全控器件尚未能及的特大容量时才属例外。,78,为了改善交流电动机变压变频调速系统的性能，在出,6.4.1 正弦波脉宽调制(SPWM)技术,1. PWM调制原理,以正弦波作为逆变器输出的期望波形，以频率比期望波高得多的等腰三角波作为载波（Carrier wave），并用频率和期望波相同的正弦波作为调制波（Modulation wave），当调制波与载波相交时，由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得在正弦调制波的半个周期内呈两边窄中间宽的一系列等幅不等宽的矩形波。,79,6.4.1 正弦波脉宽调制(SPWM)技术1. PWM调制,图6-18 PWM调制原理,80,图6-18 PWM调制原理80,按照波形面积相等的原则，每一个矩形波的面积与相应位置的正弦波面积相等，因而这个序列的矩形波与期望的正弦波等效。这种调制方法称作正弦波脉宽调制（Sinusoidal pulse width modulation，简称SPWM），这种序列的矩形波称作SPWM波。,81,按照波形面积相等的原则，每一个矩形波,2. SPWM控制方式,如果在正弦调制波的半个周期内，三角载波只在正或负的一种极性范围内变化，所得到的SPWM波也只处于一个极性的范围内，叫做单极性控制方式。,如果在正弦调制波半个周期内，三角载波在正负极性之间连续变化，则SPWM波也是在正负之间变化，叫做双极性控制方式。,82,2. SPWM控制方式如果在正弦调制波的半个周期内，三角载波,单相桥式PWM逆变电路,单相桥式PWM逆变电路,VT,1,VT2,VT,3,VT4,83,单相桥式PWM逆变电路 单相桥式PWM逆变电路 VT1VT,（1）单极性PWM控制方式,84,（1）单极性PWM控制方式84,（2）双极性PWM控制方式,85,（2）双极性PWM控制方式85,3. PWM,控制电路,模拟电子电路,采用正弦波发生器、三角波发生器和比较器来实现上述的SPWM控制；,数字控制电路,硬件电路；,软件实现。,86,3. PWM控制电路模拟电子电路86,5. PWM逆变器主电路及输出波形,图6-19 三相桥式,PWM,逆变器主电路原理图,调制,电路,V,1,V,2,V,3,V,4,VD,1,VD,2,VD,3,VD,4,u,c,V,6,VD,6,V,5,VD,5,V,U,W,N,N,C,+,C,+,u,rU,u,rV,u,rW,2,U,d,2,U,d,VT,1,VT,4,VT,3,VT,6,VT,5,VT,2,87,5. PWM逆变器主电路及输出波形图6-19 三相桥式P,图6-20 三相桥式PWM逆变器的双极性SPWM波形,u,u,UN,O,w,t,O,O,O,O,U,d,2,-U,d,2,u,VN,u,WN,u,UV,u,UN,w,t,w,t,w,t,w,t,O,w,t,u,rU,u,rV,u,rW,u,c,U,d,2,3,U,d,2,88,图6-20 三相桥式PWM逆变器的双极性SPWM波形 uu,图6-20为三相PWM波形，其中,u,rU,、,u,rV,、,u,rW,为U，V，W三相的正弦调制波，,u,c,为双极性三角载波；,u,UN,、,u,VN,、,u,WN,为U，V，W三相输出与电源中性点N之间的相电压矩形波形；,u,UV,为输出线电压矩形波形，其脉冲幅值为+,U,d,和-,U,d,；,u,UN,为三相输出与电机中点N之间的相电压。,89,图6-20为三相PWM波形，其中89,6.7 基于动态模型按转子磁链定向的 矢量控制系统,本节提要,矢量控制系统的基本思路,90,6.7 基于动态模型按转子磁链定向的 矢,概 述,上一节中表明，异步电机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，通过坐标变换，可以使之降阶并化简，但并没有改变其非线性、多变量的本质。需要高动态性能的异步电机调速系统必须在其动态模型的基础上进行分析和设计，但要完成这一任务并非易事。经过多年的潜心研究和实践，有几种控制方案已经获得了成功的应用，目前应用最广的就是按转子磁链定向的矢量控制系统。,91,概 述 上一节中表明，异步电机的动态数学模,6.7.1 矢量控制系统的基本思路,在第6.6.3节中已经阐明，以产生同样的旋转磁动势为准则，在三相坐标系上的定子交流电流,i,A,、,i,B,、,i,C,，通过三相/两相变换可以等效成两相静止坐标系上的交流电流,i,、,i,，再通过同步旋转变换，可以等效成同步旋转坐标系上的直流电流,i,m,和,i,t,。,92,6.7.1 矢量控制系统的基本思路 在第,如果观察者站到铁心上与坐标系一起旋转，他所看到的便是一台直流电机，可以控制使交流电机的转子总磁通,r,就是等效直流电机的磁通，则M绕组相当于直流电机的励磁绕组，,i,m,相当于励磁电流，T 绕组相当于伪静止的电枢绕组，,i,t,相当于与转矩成正比的电枢电流。,93,如果观察者站到铁心上与坐标系一起旋转，他所看到的便是一,把上述等效关系用结构图的形式画出来，便得到下图。从整体上看，输入为A，B，C三相电压，输出为转速,，是一台异步电机。从内部看，经过3/2变换和同步旋转变换，变成一台由,i,m,和,i,t,输入，由,输出的直流电机。,94,把上述等效关系用结构图的形式画出来，便得到下图。,图6-52 异步电动机的坐标变换结构图,3/2三相/两相变换; VR同步旋转变换;,M轴与,轴（A轴）的夹角,3/2,VR,等效直流,电机模型,A,B,C,i,A,i,B,i,C,i,t1,i,m1,i,i,异步电动机,异步电机的坐标变换结构图,95,图6-52 异步电动机的坐标变换结构图3/2VR等效直流A,既然异步电机经过坐标变换可以等效成直流电机，那么，模仿直流电机的控制策略，得到直流电机的控制量，经过相应的坐标反变换，就能够控制异步电机了。,由于进行坐标变换的是电流（代表磁动势）的空间矢量，所以这样通过坐标变换实现的控制系统就叫作矢量控制系统（Vector Control System），控制系统的原理结构如下图所示。,96,既然异步电机经过坐标变换可以等效成直流电机，那么，,矢量控制系统原理结构图,控制器,VR,-1,2/3,电流控制变频器,3/2,VR,等效直流电机模型,+,i,*,m1,i,*,t1,1,i,*,1,i,*,1,i,*,A,i,*,B,i,*,C,i,A,i,B,i,C,i,1,i,1,i,m1,i,t1,反馈信号,异步电动机,给定信号,图6-53 矢量控制系统原理结构图,97,矢量控制系统原理结构图 控制器VR-12/3电流控制变频,在设计矢量控制系统时，可以认为，在控制器后面引入的反旋转变换器VR,-1,与电机内部的旋转变换环节VR抵消，2/3变换器与电机内部的3/2变换环节抵消，如果再忽略变频器中可能产生的滞后，则图6-53中虚线框内的部分可以完全删去，剩下的就是直流调速系统了。,98,在设计矢量控制系统时，可以认为，在控制器后面,设计控制器时省略后的部分,控制器,VR,-1,2/3,电流控制变频器,3/2,VR,等效直流电机模型,+,i,*,m1,i,*,t1,1,i,*,1,i,*,1,i,*,A,i,*,B,i,*,C,i,A,i,B,i,C,i,1,i,1,i,m1,i,t1,反馈信号,异步电动机,给定信号,99,设计控制器时省略后的部分控制器VR-12/3电流控制变频器,可以想象，这样的矢量控制交流变压变频调速系统在静、动态性能上完全能够与直流调速系统相媲美。,100,可以想象，这样的矢量控制交流变压变频调速系统在,