第六章

基于穩態數學模型的異步電動機調速控制系統

交流調速部分內容概要基于穩態數學模型的異步電機調壓調速控制系統；基于穩態數學模型的異步電動機變壓變頻調速系統。本章講述：*交流電動機分為異步電動機和同步電動機兩大類，在交流電動機的應用過程中，為了滿足生產工藝的要求，人們發明了多種調速方法。*目前，電力拖動交流調速系統的應用領域主要有下述三個方面：1）節能調速和要求一般的工藝調速。2）高性能交流調速系統的廣泛應用。3）特大容量、極高轉速的交流調速。

*現代交流電動機調速系統類型及控制方式1.異步電動機調速系統（1）轉差功率饋送型調速系統（2）轉差功率不變型調速系統①電壓-頻率協調控制方式；②轉差頻率控制方式；③矢量控制方式；④直接轉矩控制方式；⑤定子磁鏈軌跡控制方式。2.同步電動機調速系統*本章介紹恒壓頻比控制的異步電動機變壓變頻調速系統和轉差頻率控制的異步電動機變壓變頻調速系統，主要講述控制方式、機械特性、系統的基本組成，以及系統分析。*6.1.1異步電動機調壓調速控制原理調壓調速是異步電動機調速系統中比較簡便的一種。由電機原理可知，當轉差率基本不變時，電動機的電磁轉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械特性，從而達到調節電機轉速的目的。*6.1基于穩態數學模型的異步電動機調壓調速控制系統交流調壓調速的主電路已由晶閘管構成的交流調壓器取代了傳統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，調速性能也得到了提高。晶閘管交流調壓器的主電路接法有以下幾種方式電機繞組Y聯接時的三相分支雙向電路電機繞組△聯接時的三相△形雙向電路6.1.2異步電動機調壓調速的機械特性根據電機學原理可知，異步電動機的機械特性方程式為對上式求導，并令，可以計算出產生最大轉矩時的臨界轉差率和最大轉矩，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機械特性曲線，如下圖所示異步電動機在不同定子供電電壓下的機械特性曲線對于恒轉矩負載要擴大調壓調速范圍，采用高阻轉子電動機，使電動機機械特性變軟，高轉子電阻電動機的調壓調速機械特性如下圖高轉子電阻異步電動機的調壓調速機械特性6.1.3異步電動機調壓調速的機械特性異步電動機調壓調速屬于轉差功率消耗型的調速系統，調速過程中的轉差功率消耗在轉子電阻和其外接電阻上，消耗功率的多少與系統的調速范圍和所帶負載的性質有著密切的關系。根據電機學原理，異步電動機的電磁功率為電機的轉差功率為不同性質負載的轉矩可用右式表示式中為常數，分別代表恒轉矩負載、與轉速成比例的負載和與轉速的平方成比例的負載（風機、泵類等）。當時，轉差功率為輸出的機械功率為當s=0時，電動機的輸出功率最大，為以為基準值，轉差功率損耗系數為（6-1）不同類型負載所對應的轉差功率損耗系數與轉差率的關系曲線如圖不同類型負載所對應的轉差功率消耗系數與轉差率的關系為了求得最大轉差功率消耗系數及其對應的轉差率，由式（6-1）對s求導，并令此導數等于零。對應的轉差率為最大轉差功率消耗系數為對于不同類型負載，則有不同類型負載時和的值，計算結果列于下表6.1.4異步電動機PWM調壓調速控制系統根據采用的控制方式不同，交流-交流調壓器可分為相控式和斬控式。傳統方案多采用相控式，結構簡單，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，深控時網側功率因數低等缺點；相反斬控式電路則沒有上述缺點，因此傳統的相控式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的器件開關頻率較低，對于SCR電路而言不宜采用PWM方式，為此本節介紹斬控式電路。PWM交流調壓電路三相結構，如圖所示三相IGBT-PWM交流調壓主電路6.1.5閉環控制的異步電動機調壓調速控制系統分析為了擴大調壓調速的調速范圍，增加了轉子電阻，使得機械特性變軟。這樣的特性，當電機低速運行時，負載或電壓稍有波動，就會引起轉速的很大變化，運行不穩定。為了提高系統的穩定性，常采用閉環控制系統如下圖，以提高調壓調速特性的硬度。a)b)

轉速閉環的交流調壓調速系統

a）系統原理圖b）閉環控制靜特性當系統要求不高時，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壓調速系統6.1.5.1閉環控制的異步電動機調壓調速控制系統靜態分析采用閉環控制后，負載轉矩的增加，使得轉速下降，由于系統引入轉速負反饋，輸入偏差增大，使得輸出到定子的電壓升高，轉速提高，由于負載轉矩增大而引起的轉速下降得到一定程度的補償，由于負載變化引起的轉速變化很小，于是擴大了調速范圍。可以得到系統的靜態結構圖如下異步電動機調壓調速系統靜態結構圖6.1.5.2閉環控制的異步電動機調壓調速控制系統動態分析為了對系統進行動態分析和設計，繪制系統的動態結構圖是必須的。由上圖（異步電動機調壓調速系統靜態結構圖）可以得到系統的動態結構框圖，如下圖所示。異步電動機調壓調速系統動態結構圖圖中各個環節的傳遞函數如下（1）速度調節器ASR（2）晶閘管交流調壓器和觸發裝置（3）測速反饋環節（4）異步電動機環節6.2.1基于異步電動機穩態數學模型的變壓變頻調速系統控制方式異步電動機轉速公式為*6.2基于穩態數學模型的異步電動機變壓變頻調速系統由式上式可知，如果均勻地改變異步電動機的定子供電頻率fs，就可以平滑地調節電動機轉速

。然而，在實際應用中，不僅要求調節轉速，同時還要求調速系統具有優良的調速性能。因此，在調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-頻率協調控制方式1. 恒壓頻比（Us/fs=Const）控制方式及其機械特性（1）基頻以下Us/fs=Const的電壓、頻率協調控制方式

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

與頻率

之比為常數的控制方式，通常稱為恒Es/fs控制。可以看出，在這種控制方式下，當

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。*異步電動機的等值電路圖穩態情況下，依據上圖所示的異步電動機等值電路圖，則異步電動機定子每相電壓與每相感應電動勢的關系為：*當定子頻率

較高時，感應電動勢的有效值

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）

控制方式的機械特性三相異步電動機在工頻供電時的機械特性方程式為：**電網直接供電時異步電動機的機械特性變壓變頻時，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，并無實質性的改變，可想而知，變壓變頻情況下的機械特性曲線形狀與正弦波恒壓恒頻供電時的機械特性曲線形狀必定相似。其基本特點如下：1）同步轉速

隨著頻率（

或

）的變化而改變。2）對于同一轉矩

而言，帶載時的轉速降落

隨著頻率的變化而基本不變。3）當

時，

隨著

的降低而減小（如下圖中實線所示），這將限制調速系統的帶載能力。*基頻以下機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，可以實現恒轉矩調速運行。*

2.基頻以上恒壓變頻控制方式及其機械特性

（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合起來，得到下圖所示的異步電動機變頻調速控制特性。異步電動機變頻調速控制特性*（2）基頻以上恒壓變頻控制方式的機械特性最大轉矩表達式可改寫為*基頻

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

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

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

很小，所以，可以將分母中

忽略，則得到：*進而得到：**2.轉差頻率控制規律異步電動機的電磁功率及同步機械角速度為：*則電磁轉矩表達式可表示為：****所以*****6.2.2電力電子變頻調速裝置及其電源特性

現代交流電動機變壓變頻調速系統主要由交流電動機、電力電子變頻器兩大部分組成。

為交流電動機所配備的靜止式電力電子變壓變頻（VariableVoltageVariableFrequency,VVVF）調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。*變頻器及變頻調速系統*電力電子變換電路（主電路）的拓撲結構分為兩種，一種是交-直-交（AC-DC-AC）結構形式，也稱間接變頻，如下圖a所示；另一種是交-交(AC-AC)結構形式，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構

b)交－交變壓變頻裝置主電路結構*對于主電路為交-直-交結構形式的變頻器，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置中間直流濾波環節。*根據帶有中間直流環節的直流電源性質不同，交-直-交型變頻器可以分為電壓源型和電流源型兩類。兩種類型的實際區別在于主電路中間直流環節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。*近幾年來為適應中壓變頻器的發展需要，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式單元串聯式電路；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-交結構形式的變頻器雖然沒有中間直流環節，但是，根據供電電源的性質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構如下圖所示。這類變頻器主電路中的中間直流環節是采用大電容濾波，可以使直流電壓波形比較平直，對于負載來說，是一個內阻抗為零的恒壓源，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，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，其整流側采用二極管組成的不可控整流器；其逆變側采用自關斷器件（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，優點是輸出直流電壓可以控制，缺點是增加了系統的復雜性。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速系統來說，變頻器的負載是異步電動機，屬感性負載，在中間直流環節與電動機之間，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器件不能儲能，所以無功能量只能靠直流環節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。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速系統要實現回饋制動和四象限運行是比較困難的，因為其中間直流環節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，所以無法實現回饋制動。需要制動時，對于小容量的變頻器，采用在直流環節中并聯電阻的能耗制動。

*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另外一組有源逆變器，制動時使其工作在有源逆變狀態，以通過反向的制動電流，實現回饋制動。回饋制動*2.電流源型變頻器交-直-交電流源型變頻器的主電路結構下圖所示。這類變頻器主電路中的中間直流環節采用大電感濾波，可以使直流電流波形比較平直，因而電源內阻抗很大，對負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，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構如上所示的交-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回饋制動。*當可控整流器UCR工作在整流狀態（α<90°）、逆變器工作在逆變狀態時，如下圖a)所示，直流回路電壓Ud的極性為上正下負，電流由Ud的正端流入逆變器，電能由交流電網經主電路傳送給電動機，變頻器的輸出頻率ωs>ω，電動機處于電動狀態。電流源型變壓變頻調速系統的兩種運行狀態a)電動運行；b)回饋制動當電動機減速制動時??s<??，可控整流器的控制角α大于90°，異步電動機進入發電狀態，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轉入有源逆變狀態，電能由電動機回饋到交流電網。

由此可見，雖然電力電子器件具有單向導電性，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速系統容易實現回饋制動。*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，其電壓控制的響應較慢，所以適合作為多臺電動機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，系統對負載電流變化的反應遲緩，因而適用于單臺電動機傳動，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側必須附加一個有源逆變器。由于交-直-交電流源型變頻器調速系統的直流電壓極性可以迅速改變，因此動態響應比電壓源型調速系統快。電流源型變頻器需要連接一個最小負載才能正常運行。這種缺陷限制了它在很多領域中的應用。反之，電壓源型變頻器很容易在空載情況下運行。*應用實踐表明，從總的成本、效率和暫態響應上來看，電壓源型PWM變頻器更具有優勢。目前工業生產中普遍應用的變頻器是交-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，成為功能更多更強的變頻器，用戶可根據生產工藝要求通過設置選擇控制方式。*6.2.3電壓源型轉速開環恒壓頻比控制的異步電動機變壓變頻調速系統電壓源型變頻調速系統由于采用了PWM控制技術，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速系統為例來說明這類系統的基本組成及各控制單元的作用。*1.系統的組成及工作簡況分析一種電壓源型轉速開環恒壓頻比控制的異步電動機變壓變頻調速系統如下圖所示，其主電路由兩個功率變換環節組成，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（為電網的X相相電壓有效值）。調壓和調頻控制通過逆變器來完成，其給定值來自于同一個給定環節。*電壓源型轉速開環恒壓頻比控制的異步電動機變壓變頻調速系統*該系統采用電壓正弦PWM（SPWM）控制技術實現變壓變頻控制，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。由前述可知，為了使異步電動機能合理、正常、穩定工作，必須使逆變器輸出到異步電動機定子的電壓Us與頻率fs通過SPWM控制來保持嚴格的比例協調關系。*2.控制單元說明（1）轉速給定積分環節（GI）設置目的：將階躍給定信號轉變為斜坡信號，以消除階躍給定對系統產生的過大沖擊，使系統中的電壓、電流、頻率和電機轉速都能穩步上升或下降，以提高系統的可靠性及滿足一些生產機械的工藝要求。*（2）絕對值器(GAB)設置目的：將送來的正負變化的信號變為單一極性的信號，信號值大小不變。（3）函數發生器（U/f特性）設置目的：實現Us/fs=C的控制方式。前面討論過，在變壓變頻調速系統中，Us=f(fs)，即電機定子電壓是定子頻率的函數。函數發生器就是根據給定頻率信號fsg產生一個對應于定子電壓的給定信號Usg，以實現電壓、頻率的協調控制。*變頻器中以下幾項內容與函數發生器有關：1）按照不同負載要求設定不同的Us/fs=C特性曲線。2）當變頻器高于基頻工作時，采用恒功率調速方式，這就要求變頻器輸出電壓不能高于電機的額定輸入電壓，可通過函數發生器的輸出限幅來保證。3）節能控制：電動機處于輕載工作時，適當降低電壓，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。***（5）I*R補償環節在低頻時，為了保證磁通恒定，變頻器引入了I*R補償環節，根據負載性質及負載電流值適當提高Usg，修正Us/fs=C特性曲線，達到使Us/fs=C。（6）轉差補償環節由于是開環頻率控制，調速系統的機械特性較軟，為了提高機械特性硬度，在系統中設置了轉差補償環節，轉差補償機理可以按下圖來解釋。*轉差補償圖解當負載由TL1增大到TL2時，電機轉速由n1降到n2，轉差由Δn1增加到Δn2，其差值為Δn2－Δn1=Δn。按Δn值相應提高同步轉速ns（由ns1提高到ns2），使其機械特性曲線ns1平行上移得到機械特性曲線ns2，與n1（直線）相交于A2點，從而使n1保持不變，達到補償轉差的目的，這樣在電動機運行中，當負載增加時，也能做到維持轉速基本不變。*（7）Ud校正環節觀察電壓源型轉速開環恒壓頻比控制的異步電動機變壓變頻調速系統可知，變頻器沒有輸出電壓反饋控制，當直流電壓Ud發生波動時，將引起Us/fs=C關系失調。檢測Ud變化，在Ud校正環節中，根據Ud的變化來修正電壓控制信號Usg*，再通過SPWM調整輸出電壓脈沖的寬度，以保證Us/fs=C的協調關系。*（8）SPWM生成SPWM生成環節及光耦驅動電路框圖*（9）極性鑒別器(DPI)當DPI輸入端得到一個信號，經極性鑒別器判斷信號的極性，根據信號的極性決定逆變橋開關器件的導通順序，從而使電機正轉或反轉。*（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。通過檢測變頻器輸出電流，進行過流、過載計算，當判斷為過流、過載后，發出觸發脈沖封鎖信號封鎖觸發器，停止變頻器運行，確保變頻器和電動機的安全。*6.2.4電流源型轉速開環恒壓頻比控制的異步電動機變壓變頻調速系統電流源型轉速開環的異步電動機變壓變頻調速系統上圖表示出了一個典型的電流源型轉速開環恒壓頻比控制的異步電動機變壓變頻調速系統。由圖可知，變頻器有兩個功率變換環節，即整流橋與逆變橋，它們分別有相應的控制回路，為了操作方便，采用一個給定來控制，并通過函數發生器，使兩個回路協調地工作。*在電流源型變頻器轉速開環調速系統中，除了設置電流調節環外，仍需設置電壓閉環，以保證調壓調頻過程中對逆變器輸出電壓的穩定性要求，實現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節構成，即三相橋式整流器和逆變器，中間環節采用電抗器濾波。整流