1、周國興教授交流電動機及變頻調速技術交流電動機及變頻調速技術周國興教授第一章 交流電動機與電力拖動基礎知識第一節 交流電機的工作原理-異步電動機和同步電動機一 三相異步電動機 當 三相對稱繞組旋轉磁場m_三相交流電壓 旋轉速度為：圖1 異步電動機旋轉方向由A,B,C相序而變。表示為鼠籠，感應出電勢 e2=BLv,方向右手定則判斷。(左手)，產生力矩使轉子跟隨旋轉磁場方向，旋轉速度為，所以叫異步電機。若，就沒有力矩了。所以， = 轉差率：，如定子與異步電機一樣為三相對稱繞組。二 三相同步電機旋轉磁場m_ 轉子為直流勵磁的電磁鐵。如圖示：因此，轉子就跟隨定子旋轉磁場，以同樣的速度n1旋轉，所以叫同步

2、電動機。這種轉子勵磁的同步電機，目前主要用于發電機，及大功率的同步電動機。目前有一種轉子為永磁的同步電動機，稱為永磁同步電動機，在中小功率和伺服電機方面發展很有前途。圖2圖3這種電動機定子與異步電動機一樣，只是將轉子表面貼有（或嵌有）永磁鐵（銣鐵硼）。因此，轉子就沒有滑環和電刷了。見圖3。因為同步電動機的特性好，再加上永磁的磁場可以設計得較高，因此同步電動機的功率密度可以做得較大。也就是同容量的永磁同步電動機比異步電動機小很多。另外，可以做成多極，扁形，適宜制成低速大力矩的無齒輪系統，目前已廣泛用于電梯。如 通力電梯中 16極，P=8 ,.所以 （變頻器輸出）這樣的電梯曳引機就沒有齒輪箱了。第

3、二節 交流異步電機的參數和機械特性一等值電路圖4 等效電路圖所以，異步電機有定子，轉子和勵磁共6個參數。這些參數難以檢測，而且是非線性的，又可能隨時而變化，這就是異步電動機難以控制的原因。幾個公式：（轉子頻率）所以，當負載增加時，產生足夠力矩滿足負載需要。二異步電動機的功率關系1輸入功率 2去掉：定子損耗 勵磁損耗 剩下電磁功率 通過感應傳遞到轉子。3機械輸出功率 減掉轉子損耗。一個電動機名牌上標明10KW，即是軸上能輸出額定功率10KW。其效率 = 4幾個力學公式： 功率： 9550÷975=9.8 式中：TNm，n=轉/分經驗 或 GD2= GD2d+ GD2f 力矩平衡：，電動

4、機力矩，負載力矩負載折算到電動機軸上的GD2 f一般情況下不知道，可以認為GD2 f GD2d當 加速 恒速 減速 根據上式,可以計算電動機的起、制動時間和加速、減速時間。注意： 負載力矩的或 與負載性質和工作狀態有關。三、異步電動機的機械特性（的關系曲線）1機械特性曲線上4個點的說明：S點同步轉速點（即理想空載轉速點）；點額定工作點或工作點；點最大力矩工作點（極限）；點起動點，這時的力矩即為起動力矩；一般運行在點直線為 能穩定運行2 ，因此定子電壓下降會造成力矩以平方關系的下降13起動點，電流很大，但并不大。圖5：異步機機械特性4為最大力矩點，超過這一力矩電機就堵轉四異步電動機調速方法：調極

5、對數雙速，多速電動機調頻率 平滑調速調速方法調轉差率（包括定子調壓，轉子調電阻），很少用了圖6 變頻調速五、電氣制動方法 電源反接制動（起重機上有用，制動電流很大，必須采取技術措施） 回饋制動：，減速過程，車輛下坡，重物下放 。如電梯上從6極繞組切換到24極繞組時， 回饋制動。轉子轉速（24極），發電狀態圖7：回饋制動過程右手判定電勢方向，左手判定力矩方向。說明：轉子感應電流產生的力矩是阻止轉子的慣性速度的，所以很快制動減速，直到轉子轉速。（24極） 能耗制動：定子繞組某兩相突然送入直流電，形成電磁鐵，轉子的慣性使轉子繞組中產生電流，產生制動力矩。見圖：用右手判斷轉子感應電勢（電流）方向。左手

6、判斷力矩為阻止電機轉子原有的慣性運行方向，所以很快制動，能量消耗在轉子電阻中。準確停車也叫直流制動防止倒溜圖8：能耗制動第三節 同步電動機轉子直流勵磁式和轉子永磁式兩類一勵磁式同步電動機（為圖2） 定子為三相對稱繞組，送入三相電流后產生旋轉磁場，其轉速為；轉子因為是電磁鐵，所以就跟隨著定子旋轉磁場轉動，且，所以稱同步電動機。圖9從矢量圖上的幾何關系，可知定子電流 及其分量 轉子勵磁電流 定子電流與軸夾角 ， 與的夾角即為功率因數角，且。因此我們可以在控制系統中，可以設定的勵磁分量，以調節角，即調節功率因數。如希望=0，即。這就是勵磁同步電動機至今在大型電力拖動系統中，還是有市場的原因之一，它一

7、方面可以作功，同時也能調節功率因數。同步電動機力矩。這就是同步電動機可用矢量變換的辦法進行力矩控制的原理。二永磁式同步電動機（圖3）目前常用的為銣鐵硼（Nd.Fe.B）永磁材料，1983年制成這種材料。全球85%的儲量在中國，因此我國有發展永磁同步電機的有利條件。圖10 我們要設法檢測轉子的位置。然后希望與d軸，即與M軸的夾角，這樣：，即定子電流沒有勵磁分量。，即定子電流完全為力矩分量。所以永磁同步電動機，必須有轉子位置檢測器。隨時檢測到轉子的位置。然后控制定子電流矢量： 以這樣的三相電流作為指令，組成一個電流跟蹤型變頻調速系統，如圖11：PI調節器直流控制圖11：電流跟蹤型正弦波永磁同步電機

8、調速系統從圖11可見：這種自控式電流跟蹤型正弦波永磁同步電機調速系統，有以下優點：1）、控制系統組成很簡單，不用普通的PWM形成器，而用電流跟蹤的辦法通過二位式調節器實現PWM控制。而且不需矢量控制這么復雜的坐標變換。2）、電機軸上裝轉子位置檢測器，檢測轉子永磁極的位置，然后指令變頻器工作，使定子電流矢量與轉子位置夾角既不容易失步，又能產生較大的力矩，使動態性能大大提高。3）、由于電機本身的特點，功率密度高，體積比同容量異步電機小30%左右，轉子沒有發熱損耗，效率高10%，無滑環、可靠性也好。4）、便于制成扁型多級結構，低速性能好，過載倍數大，宜于無齒輪直接轉動。5）、對電梯、起重類負荷，出現

9、停電或超速時，只要把定子三相繞組自行短接，就能實現低速“溜車”，不會產生重大事故。第二章 變頻調速基本知識第一節 變頻調速原理一、 什么叫變頻調速? ，改變電源頻率就能使電動機平滑調速，如6P電機 50Hz n1=1000rpm 25Hz n1=500 rpm 5Hz n1=100 rpm5Hz 1Hz n1=20 rpm圖12：變頻調速所以平滑調節電動機的供電頻率，就能平滑調節其速度。運行在轉差率s很小的條件下二、 為什么變頻調速能節能？從圖12可見，異步電動機的變頻調速機械特性平行下移。都工作在轉差率S很小的條件下，如6p電機，頻率從50Hz調節到5Hz轉速從960rpm下降到96rpm（

10、恒轉矩），他們的轉差率，都不大。如果采用其它調速方法改變S，如定子調壓，從960rpm調到96rpm時，這時的，因此轉子感應很大的電壓，形成很大的電流而發熱。三、怎樣實現變頻？工業用電頻率一般為50Hz，要得到一個頻率可以連續調節的變頻電源，過去曾使用變頻發電機組。隨著技術的進步，現在都用大功率半導體開關器件來實現電子式變頻，常用的是AC1DCAC2 模式，即交直交模式。如單相變頻電路，見圖13圖13：單相變頻原理圖開關管1、2和3、4，兩組輪流導通，就把直流變成交變的方波。這也就是交流了。如果控制工作周期，也即可以改變輸出頻率。圖14為典型的三相橋式180°變頻器（常用）R圖14

11、三相橋式180度變頻器Uab圖15 180°導通型變頻器工作原理說明： 180°導通型變頻器，每管工作180°，6個管子互差60°依次觸發導通。 同一時刻有三個管子同時導通，如t1時刻（60°范圍內），管1、5、6同時導通。從等效電路上看出三相的電壓分配。 ，如電容足夠大，則。 大電容（電解）C，是儲能電容，起到恒壓源的作用。不僅容量要大，而且耐壓要高，而且能經受大電流沖擊，不能稱它為濾波電容。電阻R為限制大容量充電電流過大的限流電阻，充電后短路掉。 IGBT模塊IPM新一代智能功率模塊 IGBT等效：場效應管（MOSFET）電壓觸發加GTR（

12、大功率三極管）的耐壓高，管壓降小。 T7 管為泵升電壓限制，驅動能耗制動電阻Rt，在減速過程中電動機轉速>n1（旋轉磁場轉速）電機的機械慣性使其發電通過6個續流二極管把發出的交流電整流為直流電向大電容充電充電到一定限值為700v時控制器發出信號觸發T7 管，使Rt接入，電容放電。這樣重復充放電，把能量在電阻上消耗掉一些，同時，對電機起到能耗制動作用。第二節 變頻調速基本問題一、為什么要用變頻調速？前述能平滑調速，且節能，這是基本點。另外： 異步電動機本身堅固、便宜、無維修。 已經解決了靜、動態性能問題可與直流調速系統媲美。 在特大、特小功率系統中有優勢，交流電機可以制成高壓，特大容量、小

13、電機可以用永磁同步電機。 實現超高速運行的可能性、如，。 防爆等特殊環境下運行。 實現軟起動，無觸點快速正反轉，快速制動等。 多電機同步運行二、恒磁通控制問題異步電動機力矩公式： 沒有獨立的勵磁繞組，如何維持恒定？ 和都與轉差率S有關，是一個時間變量所以異步機的力矩不像直流機那么容易控制。根據： 常數但是定子繞組的每相反電勢，無法直接測量，而極電壓V1與差。而且是矢量關系。所以在頻率較低時，電壓必須提升。為補償，以使常數是電壓提升，也即力矩提升，所以在調頻的時候，同時要調電壓。即常數。這是一種最簡單的維持恒定的控制方法。在開環運行低頻范圍內必須加“電壓提升”，20%否則起動力矩不夠。為了維持C

14、，所以在調頻的過程中，必須同時調壓，這就是VV、VF，即3VF的由來。三、脈寬調制問題：（S.P.W.M，正弦波脈寬調制）1、 什么叫脈寬調制？把變頻器輸出的交流方波，斬波成為不同寬度的小方波組合，得到等效的正弦波。并控制其脈寬周期，實現調頻。圖16為正弦脈寬調制波形等效正弦波圖16 SPWM波形2、 為什么要把方波變成SPWM波形？ 諧波小（高頻調制，調制頻率可達16KC），以使輸出電流基本為正弦波，使電機的脈動力矩（電流）小。 一個逆變器，同時實現常數的控制。 較高。 動態響應快（開關頻率高）。 低速性能好。3、 SPWM的實現把方波調制成等效正弦波是基于等面積的概念。圖17 SPWM等效

15、正弦波原理方法： 正弦波與波(三角波)相調制硬件專用芯片HEF4752、Siemens 4520等。被調制波 調制波SPWM電流跟蹤型單片機 80C196MC圖17：SPWM的形成第三節 異步電機的“矢量控制”（一）、基本思想尋找等效直流電機 圖 18 定子勵磁恒定前述異步電動機： 圖 19 異步電機模型 所以，調頻時一定要調壓VV . VF 3VF變壓.變頻雙輸入（U1，f1）,雙輸出（，）,是多變量系統，而且相互交叉耦合的 異步電機沒有獨立的勵磁繞組難U1，i1都是獨立的時間變量，其夾角也在變。磁通也是一個正弦分布的空間旋轉矢量。希望尋找：兩個獨立的變量 一個分量決定磁通 一個分量決定力矩

16、 并能直觀和測量，并分別進行控制，但又不失其交流電機的本質（等功率，等旋轉磁場）。Im (勵磁分量無功分量)方法：It (力矩分量有功分量) 把I1分解分別進行閉環控制還原成交流量來控制交流電動機。這就是交流電機的坐標變換控制法簡稱“矢量控制 ”。 1971年Blascheke發明。 圖20 異步電動機等效變換示意圖三相電動機 兩相電動機 直流電動機 等效條件： 產生同樣的旋轉磁場 功率不變1.等效直流機（虛擬），m,t 坐標 （旋轉）兩相異步機，, 坐標 （固定）三相異步機，a,b,c 坐標 （固定）（二）、坐標變換 3/2 變換 圖21三相變兩相投影圖 矩陣表達式：同理，電壓、磁通都可以3

17、2變換 矩陣系數：A=C3/2、2相3相變換 VRVD 矢量旋轉 或 圖22 矢量旋轉矩陣表達式：VA矢量分析 圖 23 矢量分析（三）、異步電動機坐標變換結構圖圖24 等效異步電機 內部是控制等效直流電機 閉環，維持恒定 閉環，實現間接力矩控制 實現速度的高動態響應 （四）、矢量控制原理框圖 圖 25矢量控制典型框圖 （六）、典型的矢量控制系統 轉速、力矩、磁通閉環的矢量控制系統圖 26轉子磁鏈矢量控制框圖 . . . 優點：得到了直流雙閉環的特性和效果， 補償了磁通閉環的不足。 缺點：受電機參數的影響， 等 電機轉子參數的變化和不可測性，影響系統的轉矩控制精度。 為此引進了許多方法，形成了

18、多種方案。第三章 典型生產機械及其變頻調速系統第一節 典型生產機械的負載轉矩特性一. 恒轉矩負載1. 反抗性（摩擦性）恒轉矩負載這種負載性質，其轉矩與轉速無關，而且總是反對運動的方向。如金屬壓延，機床臺面行走。圖27 反抗性恒轉矩負載圖28 位能性轉矩負載2. 位能性負載（電梯、起重機）電梯、起重機類負載為位能性負載，其特點是負載力矩總是由重力決定，因此其方向總是的，不隨轉速方向而改變。二.通風機、泵類負載其特點是 圖29 通風機負載特性三. 恒功率負載有些生產機械的工藝要求，如車床。粗切消小，大 精切消大，小 因此可以認為 圖30 恒功率負載特性由圖30可見，這種負載在額定頻率（轉速）以下為

19、恒磁通，恒轉矩性質。在50Hz以上，進入弱磁區，即恒功率區。第二節 電梯的變頻調速系統一、 位能性負載的四象限運行G1=較廂自重：1000kgG2=載重，如1000kg 平衡重為什么這樣配置，以便獲得較小的曳引功率如空較廂時：兩邊力差500k滿載時：兩邊力差也為500k如果不用平衡重，就變成卷揚機了，因此在滿載時要有2000kg的提升力，這樣電機的功率就要增加倍。圖31 電梯示意圖圖31電梯示意圖電梯要完成四種工作狀態：1、重載上升 ， 處于第一象限，電動運行狀態2、空（輕）載上升 ， ，較廂上升越來越快 ，到第二象限，電機再生制動，3、空載下降 ， 反轉電動狀態：第三象限4、重載下降 ， 重

20、物勻速下降，電機處于制動狀態圖32 電梯四象限運行二、 電梯電動機功率選擇對1000kg（15人）= 平衡系數 =0.55 蝸輪蝸桿0.75 斜齒輪0.85 無齒輪 代入上式選擇11.2kw的電梯專用電動機25A 6p（p=3）金茂大廈電梯， 無鑿=0.85實際選永磁同步電動機：130kw，270v，325A，157r.p.m，41.9Hz，32極以電梯為例，校驗計算機機械部分參數轉動比 繩輪直掛由圖31可見：電梯的運行線速度，即為繩輪的線速度三、 電梯的運行曲線電梯是垂直交通工具，因此有一個平穩和舒適的問題，當然可靠性是第一位的。控制起動段0t3制動段t4t7 的所謂S形曲線，就是為了限制其加速度和加加速度，以使人感到舒適。一般因此要求變頻器有S曲線功能，或電腦控制板有S曲線的速度指令曲線。要實現速度的S曲線，關鍵是電動機的力矩控制，特別是起動和制動這一階段電動機必須有適當的動態力矩，以控制。為此電梯需用“矢量控制”變頻器，并且要在現場適當地調整到“舒適”為止。圖33 電梯運行速度圖第三節 風機和水泵的節能調速風機水泵的電力消耗約占全國總發電量的30%，因此其節電調速的意義很重大。過去風機和泵常用恒速電機驅動，控制流量靠閥門或擋板，這樣浪費很多電能。風機和泵類負載的主要參數有：流量壓力H（Pa，mpa），軸功率電動機功率