1、1籠型異步電機變頻調速籠型異步電機變頻調速 交流伺服電機特點交流伺服電機特點 交流伺服電機采用了全封閉無刷結構，以適應實際生產環境，不需要定期檢查和維修。其定子省去了鑄件殼體，結構緊湊、外形小、重量輕(只有同類直流電機的7590)。定子鐵芯較一般電機開槽多且深，繞組繞在定子鐵芯上，絕緣可靠，磁場均勻?？蓪Χㄗ予F芯直接冷卻，散熱效果好，因而傳給機械部分的熱量小，提高了整個系統的可靠性。2 交流伺服電機特點交流伺服電機特點 直流伺服電機具有電刷和整流子，尺寸較大且必須經常維修，使用環境也受到一定影響，特別是其容量較小，受換向器限制，很多特性參數隨速度而變化，因而限制了直流伺服電機向高轉速、大容量發

2、展。 轉子采用具有精密磁極形狀的永久磁鐵，因而可實現高轉矩慣量比，動態響應好，運行平穩。因此交流伺服電機以其高性能、大容量日益受到廣泛的重視和應用。4 但是交流電機的控制性能沒有直流電機的好，也正是由于這一點，交流伺服系統的發展歷史沒有直流伺服系統早，在過去較長的一段時間遠沒有直流伺服系統應用廣泛。 隨著電子學和電子技術的發展，特別是集成電路和計算機控制技術的發展，交流伺服的發展極為迅速，已進入與直流伺服相媲美、相競爭的時代，并有取而代之的趨勢。 交流電機的轉速公式：)1(60spfn00nnns 式中，f定子電源頻率，s轉差率；p極對數，n0同步轉速。 根據上式，可得到不同的交流電機調速的方

3、法： (1)轉子繞組串聯電阻改變轉差率，這種方法調速機械特性很軟，低速運行時電阻損耗很大。 (2)改變定子電壓來改變轉差率，這種方法損耗也很大。7 (3)改變極對數來改變轉速，這種方法調速是有級的，而且調速范圍窄。 (4)改變定子供電頻率，可以平滑地改變電機的同步轉速，這種方法最為理想，稱又交流變頻調速交流變頻調速，其裝置叫變頻器調速裝置變頻器調速裝置(VFD)。 目前高性能的交流調速系統大都采用變頻調速方法來改變電機轉速。為了保持在調速時電機的最大轉矩不變，需要維持磁通恒定，這時就需要定子供電電壓做相應調節。因此，對交流電機供電的變頻器一般都要求兼有調頻調壓兩種功能。910 異步電機的變壓變

4、頻調速系統一般簡稱為變頻調速系統。由于在調速時轉差功率不隨轉速而變化，調速范圍寬，無論是高速還是低速時效率都較高，在采取一定的技術措施后能實現高動態性能，可與直流調速系統媲美。因此現在應用很廣，是本篇的重點。11變壓變頻調速的基本控制方式變壓變頻調速的基本控制方式 電機調速時，常須考慮的一個重要因素是：希望保持電機中每極磁通量 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，從而導致過大的勵磁電流，嚴重時會因繞組過熱而損壞電機。12對于直流電機，勵磁系統是獨立的，只要對電樞反應有恰當的補償， m 保持不變是很容易做到的。在交流異步電機中，磁

5、通 m 由定子和轉子磁勢合成產生，要保持磁通恒定就需要費一些周折了。 13 定子每相電動勢mNs1gS44. 4kNfE （7-1） 式中 Eg 氣隙磁通在定子每相中感應電動勢的 有效值（V）； 定子頻率（Hz）； 定子每相繞組串聯匝數； 基波繞組系數； 每極氣隙磁通量（Wb）。 f1NskNsm14 由式（7-1）可知，只要控制好 Eg 和 f1 ，便可達到控制磁通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。 151. 基頻以下調速 由式（7-1）可知，要保持 m 不變，當頻率 f1 從額定值 f1N 向下調節時，必須同時降低 Eg ，使 1gfE常值 （7-2） 即采

6、用采用恒值電動勢頻率比的控制方式恒值電動勢頻率比的控制方式。 16 恒壓頻比的控制方式 然而，繞組中的感應電動勢是難以直接控制的，當電動勢值較高時，可以忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降，而認為定子相電壓 Us Eg，則得（7-3） 這是恒壓頻比的控制方式恒壓頻比的控制方式。常值1fUs17 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，以便近似地補償定子壓降近似地補償定子壓降。 帶定子壓降補償的恒壓頻比控制特性示于下圖中的 b 線，無補償的控制特性則為a 線。 18OUsf 1圖7-1 恒壓頻比控制特性 帶壓降補償的恒壓

7、頻比控制特性UsNf 1Na 無補償無補償 b 帶定子壓降補償帶定子壓降補償 192. 基頻以上調速 在基頻以上調速時，頻率應該從 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，相當于直流電機弱磁升速的情況。 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。 20f1N 變壓變頻控制特性圖7-2 異步電機變壓變頻調速的控制特性 恒轉矩調速恒轉矩調速UsUsNmNm恒功率調速恒功率調速mUsf1O21 如果電機在不同轉速時所帶的負載都能使電流達到額定值，則轉矩基本上隨磁通變化，按照電力拖動原理，在基頻以

8、下，磁通恒定時轉矩也恒定，屬于“恒轉矩調速”性質，而在基頻以上，轉速升高時轉矩降低，基本上屬于“恒功率調速”。返回目錄返回目錄222 電力電子變頻器的主要類型電力電子變頻器的主要類型本節提要本節提要n交交-直直-交和交交和交-交變頻器交變頻器n電壓源型和電流源型逆變器電壓源型和電流源型逆變器237.3.1 交交-直直-交和交交和交-交變頻器交變頻器 從整體結構上看，電力電子變頻器可分為交-直-交和交-交兩大類。 1.交交-直直-交變頻器交變頻器 交-直-交變頻器先將工頻交流電源通過整流器變換成直流，再通過逆變器變換成可控頻率和電壓的交流，如下圖所示。24 交-直-交變頻器基本結構圖7-9 交-

9、直-交（間接）變頻器 變壓變頻變壓變頻(VVVF)中間直流環節中間直流環節恒壓恒頻恒壓恒頻(CVCF)逆變逆變DCACAC 50Hz整流整流25 由于這類變頻器在恒頻交流電源和變頻交流輸出之間有一個“中間直流環節”，所以又稱間接式的變頻器。 具體的整流和逆變電路種類很多，當前應用最廣的是由二極管組成不控整流器和由功率開關器件（P-MOSFET，IGBT等）組成的脈寬調制（PWM）逆變器，簡稱PWM變頻器，如下圖所示。26 交-直-交PWM變頻器基本結構圖7-10 交-直-交PWM變頻器變壓變頻變壓變頻(VVVF)中間直流環節中間直流環節恒壓恒頻恒壓恒頻(CVCF)PWM逆變器逆變器DCACAC

10、 50Hz調壓調頻調壓調頻C27 PWM變頻器的應用如此廣泛，是由于它具有如下的一系列優點：1）在主電路整流和逆變兩個單元中，只有逆變單元可控，結構簡單。采用全控型的功率開關器件，只通過驅動電壓脈沖進行控制，電路也簡單，效率高。 282）采用PWM控制技術，基波比重大，諧波受到很大抑制，因而轉矩脈動小，調速范圍和穩態性能高。3）逆變器同時實現調壓和調頻，動態響應不受中間直流環節濾波器參數的影響，系統的動態性能也得以提高。294）采用不可控的二極管整流器，電源側功率因素較高，且不受逆變輸出電壓大小的影響。5）PWM變頻器常用功率開關器件有：P-MOSFET，IGBT，GTO和替代GTO的電壓控制

11、器件如IGCT、IEGT等。302. 交-交變頻器 交-交變頻器它只有一個變換環節，把恒壓恒頻（CVCF）的交流電源直接變換成VVVF輸出，因此又稱直接式變頻器。 有時為了突出其變頻功能，也稱作周波變換器（Cycloconveter）。 31 圖7-12 交-交（直接）變頻器交交變頻交交變頻AC50HzACCVCFVVVF32 三相交交變頻器的基本結構33 輸出星形聯結方式三相交交變頻電路34三相橋式交交變頻電路35特點1、 結構上只有一個變換環節，省去了中間直流環節，看似簡單，但所用的器件數量卻很多，總體設備相當龐大。在技術上很成熟。2、 輸出頻率低。當采用三相橋時，輸出頻率不能大于電網頻率

12、的1/31/2。36 3、 輸入功率因數較低，諧波電流含量大，頻譜復雜，因此須配置諧波濾波和無功補償設備。4、 一般主要用于軋機主傳動、球磨機、水泥回轉窯等大容量、低轉速的調速系統，可以省去龐大的齒輪減速箱。37 電壓源型和電流源型逆變器電壓源型和電流源型逆變器 在交-直-交變頻器中，按照中間直流環節直流電源性質的不同，逆變器可以分成電壓源型電壓源型和電流源型電流源型兩類，兩種類型的實際區別在于直流環節采用怎樣的濾波器實際區別在于直流環節采用怎樣的濾波器。下圖繪出了電壓源型和電流源型逆變器的示意圖。 38 兩種類型逆變器結構逆變器逆變器LdIdCdUdUd+-a) 電壓源逆變器b) 電流源逆變

13、器圖7-15 電壓源型和電流源型逆變器示意圖39電壓源型逆變器電壓源型逆變器（Voltage Source InverterVSI ），直流環節采用大電容濾波儲能，因而直流電壓波形比較平直，在理想情況下是一個內阻為零的恒壓源，輸出交流電壓是矩形波或階梯波，有時簡稱電壓型逆變器。40電流源型逆變器電流源型逆變器（Current Source Inverter CSI），直流環節采用大電感濾波儲能，直流電流波形比較平直，相當于一個內阻很大的恒流源，輸出交流電流是矩形波或階梯波，或簡稱電流型逆變器。 41 性能比較 兩類逆變器在主電路上雖然只是濾波環節的不同，在性能上卻帶來了明顯的差異，主要表現如下

14、： （1）無功能量的緩沖）無功能量的緩沖 異步電機屬感性負載，在中間直流環節與負載電機之間，除了有功功率的傳送外，還存在無功功率的交換。濾波器除濾波外還起著對無功功率的緩沖作用。因此，還表現在儲能元件（電容器或電感器）的區別。42 （2）能量的回饋）能量的回饋 電流源型逆變器有一個顯著特征，就是容易實現能量回饋，從而便于四象限運行，適用于需要回饋制動和經常正、反轉的生產機械。 電壓源型逆變器卻很困難。 下面以由晶閘管可控整流器和電流源型串聯二極管式晶閘管逆變器構成的交-直-交變壓變頻調速系統為例，說明電動運行和回饋制動兩種狀態。43電動運行狀態P圖7-16 電流源型交-直-交變壓變頻調速系統的

15、兩種運行狀態M3+-UdIdLdCSI 電動Te 逆變UCRa）電動運行圖7-16 電流源型交-直-交變壓變頻調速系統的兩種運行狀態M3+-UdIdLdCSI 90o整流 電動Te 逆變UCRa）電動運行44 當電動運行時，UCR的控制角 90o有源逆變發電Te整流UCRb）逆變運行46如果異步電動機處于發電制動狀態，則逆變器轉入整流狀態，而可控整流器轉入有源逆變狀態，此時直流電壓Ud 立即反向，而電流 Id 方向不變，電能由電機回饋給交流電網（圖b）。 47 與此相反，采用電壓源型的交-直-交變壓變頻調速系統要實現回饋制動和四象限運行卻很困難，因為其中間直流環節有大電容鉗制著電壓的極性，直流

16、電壓不可能迅速反向，而電流受到器件單向導電性的制約也不能反向，所以在原裝置上無法實現回饋制動。48 必須制動時，只得在直流環節中并聯電阻實現能耗制動，或者與UCR反并聯一組反向的可控整流器，用以通過反向的制動電流，而保持電壓極性不變，實現回饋制動。這樣做，設備要復雜多了。 49性能比較（續） （3）動態響應）動態響應 正由于交-直-交電流源型變頻調速系統的直流電壓可以迅速改變，所以動態響應比較快，而電壓源型變壓變頻調速系統的動態響應就慢得多。 （4）輸出波形）輸出波形 電壓源型逆變器輸出的電壓波形為方波，電流源型逆變器輸出的電流波形為方波（見下表）。 50性能比較（續）表7-1 兩種逆變器輸出

17、波形比較51性能比較（續） （4）應用場合）應用場合 電壓源型逆變器，電壓控制響應慢，不易波動，所以適于做多臺電機同步運行時的供電電源，或單臺電機調速但不要求快速起制動和快速減速的場合。電流源型逆變器的系統則相反，不適用于多電機傳動，但可以滿足快速起制動和可逆運行的要求。523 變頻調速系統中的變頻調速系統中的 脈寬調制脈寬調制 (PWM)技術技術本節提要本節提要問題的提出問題的提出正弦波脈寬調制正弦波脈寬調制(SPWM)技術技術消除指定次數諧波的消除指定次數諧波的PWM(SHEPWM)控制技術控制技術電流滯環跟蹤電流滯環跟蹤PWM(CHBPWM)控制技術控制技術電壓空間矢量電壓空間矢量PWM

18、(SVPWM)控制技術（或稱控制技術（或稱磁鏈跟蹤控制技術）磁鏈跟蹤控制技術）53 問題的提出 早期的交-直-交變頻器所輸出的交流波形都是六拍階梯波（對于電壓型逆變器）或矩形波（對于電流型逆變器），這是因為當時逆變器只能采用半控式的晶閘管，其關斷的不可控性和較低的開關頻率導致逆變器的輸出波形不可能近似按正弦波變化，從而會有較大的低次諧波，使電機輸出轉矩存在脈動分量，影響其穩態工作性能，在低速運行時更為明顯。54 六拍逆變器主電路結構NN+-UVW圖5-9V1V2V3V4V5V6VD1VD2VD3VD4VD5VD6Ud2Ud2VT1VT6主電路開關器件 VD1VD6續流二極管55 為了改善交流電

19、動機變壓變頻調速系統的性能，在出現了全控式電力電子開關器件之后，科技工作者在20世紀80年代開發了應用PWM技術的逆變器。 由于它的優良技術性能，當今國內外各廠商生產的變頻器都已采用這種技術，只有在全控器件尚未能及的特大容量時才屬例外。561. PWM調制原理調制原理用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波正弦半波N等分等分，寬度相等，幅值不等用矩形脈沖代替，等幅，不等寬，中點重合，面積相等SPWM波形波形脈沖寬度按正弦規律變化而和正弦波等效的PWM波形要改變等效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可7.4.1 正弦波脈寬調制正弦波脈寬調制(S

20、PWM)技術技術57圖6-5urucuOtOtuouofuoUd-Ud（1）單極性PWM控制方式58（2）雙極性PWM控制方式圖6-6urucuOtOtuouofuoUd-Ud595. PWM逆變器主電路及輸出波形圖7-19 三相橋式PWM逆變器主電路原理圖調制電路V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4ucV6VD6V5VD5VUWNNC+C+urUurVurW2Ud2UdVT1VT4VT3VT6VT5VT260 轉速開環恒壓頻比控制調速系統轉速開環恒壓頻比控制調速系統 通用變頻器通用變頻器-異步電動機調速系統異步電動機調速系統概述概述 現代通用變頻器大都是采用二極管整流和由快速全控開關器件

21、 IGBT 或功率模塊IPM 組成的PWM逆變器，構成交-直-交電壓源型變頻器，已經占領了全世界0.5500kVA 中、小容量變頻調速裝置的絕大部分市場。61 所謂“通用”，包含著兩方面的含義：（1）可以和通用的籠型異步電機配套使用；（2）具有多種可供選擇的功能，適用于各種不同性質的負載。系統介紹系統介紹 圖7-37繪出了一種典型的數字控制通用數字控制通用變頻器變頻器-異步電動機調速系統異步電動機調速系統原理圖。62 1. 系統組成M3電壓檢測泵升限制電流檢測溫度檢測電流檢測單片機顯示設定接口PWM發生器驅動電路URUIR0R1R2RbVTbKR0R1RbR263 2. 電路分析l主電路主電路

22、由二極管整流器UR、PWM逆變器UI和中間直流電路三部分組成，一般都是電壓源型的，采用大電容C濾波，同時兼有無功功率交換的作用。64主電路（續）u限流電阻限流電阻 為了避免大電容C在通電瞬間產生過大的充電電流，在整流器和濾波電容間的直流回路上串入限流電阻（或電抗），通上電源時，先限制充電電流，再延時用開關K將短路，以免長期接入時影響變頻器的正常工作，并產生附加損耗。65主電路（續）u泵升限制電路泵升限制電路由于二極管整流器不能為異步電機的再生制動提供反向電流的通路，所以除特殊情況外，通用變頻器一般都用電阻吸收制動能量。減速制動時，異步電機進入發電狀態，首先通過逆變器的續流二極管向電容C充電，當

23、中間直流回路的電壓（通稱泵升電壓）升高到一定的限制值時，通過泵升限制電路使開關器件導通，將電機釋放的動能消耗在制動電阻上。為了便于散熱，制動電阻器常作為附件單獨裝在變頻器機箱外邊。66圖7-38 三相二極管整流電路的輸入電流波形主電路（續）u進線電抗器進線電抗器 二極管整流器雖然是全波整流裝置，但由于其輸出端有濾波電容存在，因此輸入電流呈脈沖波形，如圖7-38所示。67 a)+abcTiaRCudidiCiRVD4VD6VD1VD3VD5VD2b)Oiaudiduduabuac0t3ta)b)ttttiaidiaidOOOO68 這樣的電流波形具有較大的諧波分量，使電源受到污染。 為了抑制諧波

24、電流，對于容量較大的PWM變頻器，都應在輸入端設有進線電抗器，有時也可以在整流器和電容器之間串接直流電抗器。還可用來抑制電源電壓不平衡對變頻器的影響。69電路分析（續）l控制電路控制電路現代PWM變頻器的控制電路大都是以微處理器為核心的數字電路，其功能主要是接受各種設定信息和指令，再根據它們的要求形成驅動逆變器工作的PWM信號，再根據它們的要求形成驅動逆變器工作的PWM信號。微機芯片主要采用8位或16位的單片機，或用32位的DSP，現在已有應用RISC的產品出現。70控制電路（續）uPWM信號產生信號產生可以由微機本身的軟件產生，由PWM端口輸出，也可采用專用的PWM生成電路芯片。u檢測與保護

25、電路檢測與保護電路各種故障的保護由電壓、電流、溫度等檢測信號經信號處理電路進行分壓、光電隔離、濾波、放大等綜合處理，再進入A/D轉換器，輸入給CPU作為控制算法的依據，或者作為開關電平產生保護信號和顯示信號。71控制電路（續）u信號設定信號設定需要設定的控制信息主要有：U/f 特性、工作頻率、頻率升高時間、頻率下降時間等，還可以有一系列特殊功能的設定。由于通用變頻器-異步電動機系統是轉速或頻率開環、恒壓頻比控制系統，低頻時，或負載的性質和大小不同時，都得靠改變 U / f 函數發生器的特性來補償，使系統達到恒定，甚至恒定的功能（見7.2.2中內容），在通用產品中稱作“電壓補償”或“轉矩補償”。

26、72控制電路（續）tff *ufu斜坡函數U / f 曲線脈沖發生器驅動電路工作頻率設定升降速時間設定電壓補償設定PWM產生圖7-39 PWM變頻器的基本控制作用 737.5.2 轉速閉環轉速閉環轉差頻率控制轉差頻率控制的變頻速系統的變頻速系統 0. 問題的提出問題的提出 前節所述的轉速開環變頻調速系統可以滿足平滑調速的要求，但靜、動態性能都有限，要提高靜、動態性能，首先要用轉速反饋閉環控制。轉速閉環系統的靜特性比開環系統強，這是很明顯的，但是，是否能夠提高系統的動態性能呢？還得進一步探討一下。 74 電力傳動的基本控制規律 歸根結底，調速系統的動態性能就是控制調速系統的動態性能就是控制轉矩的能力轉矩的能力。75 在異步電機變壓變頻調速系統中，需要控制的是電壓（或電流）和頻率，怎樣能夠通過控制電壓（電流）和頻率來控制電磁轉矩，這是尋求提高動態性能時需要解決的問題。 761. 轉差頻率控制的基本概念 直流電機的轉矩與電樞電流成正比，控制電流就能控制轉矩，因此，把直流雙閉環調速系統轉速調節器的輸出信號當作電流給定信號，也就是轉矩給定信號。在交流異步電機中，影響轉矩的因素較多，控制異步電機轉矩的問題也比較復