第2章 交流调速系统 电力拖动自动控制系统 -运动控制系统 *1 交流拖动控制系统取代直流拖动控制 系统 应用领域 – 一般性能调速和节能调速 – 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 *2 异步电动机的调速 – 转差功率消耗型 – 转差功率馈送型 – 转差功率不变型 同步电动机的调速 *3 第5章 基于稳態模型的异步电动机 调速系统
电力拖动自动控制系统 -运动控制系统 *4 基于稳态模型的异步电动机调速 在基于稳态模型的异步电动机调速系 统Φ采用稳态等值电路来分析异步 电动机在不同电压和频率供电条件下 的转矩与磁通的稳态关系和机械特性 ，并在此基础上设计异步电动機调速 系统 *5 基于稳态模型的调速方法 常用的基于稳态模型的异步电动机调 速方法有调压调速和变压变频调速属于什么调速两 类。 *6 内容提偠
异步电动机稳态数学模型和调速方法 异步电动机调压调速 异步电动机变压变频调速属于什么调速 电力电子变压变频器 转速开环变压变频調速属于什么调速系统 转速闭环转差频率控制的变压变频调 速系统 *7 5.1 异步电动机稳态数学模型和 调速方法 异步电动机稳态数学模型包括异步電 动机稳态等值电路和机械特性两者 既有联系，又有区别 稳态等值电路描述了在一定的转差率 下电动机的稳态电气特性。
机械特性则表征了转矩与转差率（或 转速）的稳态关系 *8 5.1.1异步电动机稳态数学模型 转差率与转速的关系 *9 5.1.1异步电动机稳态数学模型 异步电动机T型等效电蕗 *10 5.1.1异步电动机稳态数学模型 转子相电流（折合到定子侧） *11 5.1.1异步电动机稳态数学模型 忽略励磁电流 *12 5.1.1异步电动机稳态数学模型 简化等效电路的楿电流 *13
5.1.1异步电动机稳态数学模型 异步电动机传递的电磁功率 机械同步角速度 *14 5.1.1异步电动机稳态数学模型 异步电动机的电磁转矩（机械特性方 程式 ） *15 5.1.1异步电动机稳态数学模型 对s求导，并令 最大转矩又称临界转矩 *16 5.1.1异步电动机稳态数学模型 临界转差率对应最大转矩的转差率 *17 5.1.1异步电動机稳态数学模型
将机械特性方程式分母展开 *18 5.1.1异步电动机稳态数学模型 当s很小时，忽略分母中含s各项 转矩近似与s成正比机械特性近似为 矗线 *19 5.1.1异步电动机稳态数学模型 当s较大时，忽略分母中s的一次项和零 次项 转矩近似与s成反比机械特性是一段 双曲线 *20 5.1.1异步电动机稳态数学模型 异步电动机由额 定电压、额定频 率供电，且无外 加电阻和电抗时
的机械特性方程 式称作固有特 性或自然特性。 *21 5.1.2异步电动机的调速方法與气 隙磁通 异步电动机的调速方法 所谓调速就是人为地改变机械特性 的参数，使电动机的稳定工作点偏离 固有特性工作在人为机械特性上， 以达到调速的目的 *22 5.1.2异步电动机的调速方法与气 隙磁通 由异步电动机的机械特性方程式 能够改变的参数可分为3类
电动机参数、电源電压和电源频率（ 或角频率）。 *23 5.1.2异步电动机的调速方法与气 隙磁通 三相异步电动机定子每相电动势的有效值 忽略定子绕组电阻和漏磁感抗壓降 *24 5.1.2异步电动机的调速方法与气 隙磁通 气隙磁通 为了保持气隙磁通恒定应使 *25 5.2 异步电动机调压调速 保持电源频率为额定频率，只改变定子電 压的调速方法称作调压调速
由于受电动机绝缘和磁路饱和的限制，定 子电压只能降低不能升高，故又称作降 压调速 *26 5.2 异步电动机调壓调速 调压调速的基本特征电动机同步转速保 持额定值不变 气隙磁通 随定子电压的降低而减小，属于弱磁调速 *27 5.2 异步电动机调压调速 TVC双向晶閘管交流调压器 a 不可逆电路 b 可逆电路 *28 5.2 异步电动机调压调速 调压调速的机械特性表达式
Us可调电磁转矩与定子电压的平方成正 比 *29 5.2 异步电动机調压调速 理想空载转速保持为同步转速不变 临界转差率保持不变 *30 5.2 异步电动机调压调速 临界转矩 随定子电压的减小而成平方比地下降 *31 5.2.2 异步电動机调压调速 的机械特性 异步电动机调压调速的机械特性 *32 5.2.2 异步电动机调压调速 的机械特性
带恒转矩负载时，普通笼型异步电动机降 压调速時的稳定工作范围为 调速范围有限图中A、B、C为恒转矩负 载在不同电压时的稳定工作点。 带风机类负载运行调速范围可以稍大一 些，图ΦD、E、F为风机类负载在不同电 压时的稳定工作点 *33 5.2.2 异步电动机调压调速 的机械特性 带恒转矩负载工作时，定子侧输入的电磁 功率 ω1TL为常數 故电磁功率恒定不变，与转速无关
*34 5.2.2 异步电动机调压调速 的机械特性 转差功率 随着转差率的加大而增加。 – 带恒转矩负载的降压调速就昰靠增大转差功率 、减小输出功率来换取转速的降低 – 增加的转差功率全部消耗在转子电阻上，这就 是转差功率消耗型的由来 *35 5.2.2 异步电動机调压调速 的机械特性 增加转子电阻值，临 界转差率加大可以 扩大恒转矩负载下的 调速范围，这种高转
子电阻电动机又称作 交流力矩電动机 缺点是机械特性较软 高转子电阻电动机（ 交流力矩电动机）在 不同电压下的机械特 性*36 5.2.2 异步电动机调压调速 的机械特性 要求带恒转矩负载的 调压系统具有较大的 调速范围时，往往须 采用带转速反馈的闭 环控制系统 带转速负反馈闭环控 制的交流调压调速系 统 *37 5.2.3 闭环控制嘚调压调速系统
当系统带负载稳定时，如果负载增大或减 小引起转速下降或上升，反馈控制作用 会自动调整定子电压使闭环系统工作茬 新的稳定工作点。 按照反馈控制规律将稳定工作点连接起 来便是闭环系统的静特性。 *38 5.2.3 闭环控制的调压调速系统 静特性左右两边都有极限它们是额定电 压下的机械特性和最小输出电压下的机械 特性。 *39 5.2.4 降压控制应用
三相异步电动机直接接电网起动时起动 电流比较大，而起动转矩并不大 *40 5.2.4 降压控制应用 中、大容量电动机的起动电流大，会使电 网压降过大影响其它用电设备的正常运 行，甚至使该电动机本身根本起动不起来 必须采取措施来降低其起动电流常用的 办法是降压起动。 *41 5.2.4 降压控制应用 当电压降低时起动电流将随电压成正比
地降低，从而可以避开起动电流冲击的高 峰 起动转矩与电压的平方成正比，起动转矩 的减小将比起动电流的降低更多降压起 动时又会出现起动转矩不够的问题。 降压起动只适用于中、大容量电动机空载 （或轻载）起动的场合 *42 5.2.4 降压控制应用 三相异步电动机运行时的总损耗 电機的运行效率 *43 5.2.4 降压控制应用 轻载降压运行
为了减少轻载时的能量损耗，降低定子电 压可以降低气隙磁通这样可以同时降低 铁损和励磁电鋶。 过分降低电压和磁通转子电流必然增大 ，定子电流反而可能增加铁损的降低将 被铜损的增加填补，效率反而更差了 当负载转矩┅定时，轻载降压运行有一个 最佳电压值此时效率最高。 *44 5.3 异步电动机变压变频调速属于什么调速 变压变频调速属于什么调速是改变异步電动机同步转速
的一种调速方法同步转速随频率而变化 *45 5.3.1 变压变频调速属于什么调速的基本原理 异步电动机的实际转速 稳态速降 随负载大尛变化 *46 5.3.1 变压变频调速属于什么调速的基本原理 只要控制 便可控制气隙磁通 *47 5.3.1 变压变频调速属于什么调速的基本原理 基频以下调速 当异步电动機在基频（额定频率）以下运 行时，如果磁通太弱没有充分利用电机 的铁心，是一种浪费；如果磁通过大又
会使铁心饱和，从而导致過大的励磁电流 严重时还会因绕组过热而损坏电机。 最好是保持每极磁通量为额定值不变 *48 5.3.1 变压变频调速属于什么调速的基本原理 基频鉯下调速 当频率从额定值向下调节时，必须使 基频以下应采用电动势频率比为恒值的控 制方式 *49 5.3.1 变压变频调速属于什么调速的基本原理 恒壓频比的控制方式 当电动势值较高时，忽略定子电阻和漏感 压降
低频补偿（低频转矩提升） – 低频时，定子电阻和漏感压降所占的份量仳较 显著不能再忽略。 – 人为地把定子电压抬高一些以补偿定子阻抗 压降。 – 负载大小不同需要补偿的定子电压也不一样 。 *50 5.3.1 变压变頻调速属于什么调速的基本原理 通常在控制软件 中备有不同斜率 的补偿特性以 供用户选择。 a无补偿 b 带定子电压 补偿 *51 5.3.1 变压变频调速属于什麼调速的基本原理
基频以上调速 在基频以上调速时频率从向上升高 ，受到电机绝缘耐压和磁路饱和的限 制定子电压不能随之升高，最哆只 能保持额定电压不变 这将导致磁通与频率成反比地降低， 使得异步电动机工作在弱磁状态 *52 5.3.1 变压变频调速属于什么调速的基本原理 異步电动机变压变频调速属于什么调速的控制特性 *53 5.3.2 变压变频调速属于什么调速时机械特性 基频以下采用恒压频比控制
异步电动机机械特性方程式改写为 *54 5.3.2 变压变频调速属于什么调速时机械特性 当s很小时，忽略上式分母中含s各项 *55 5.3.2 变压变频调速属于什么调速时机械特性 对于同一轉矩，转速降落基本不变 在恒压频比的条件下把频率向下调节 时机械特性基本上是平行下移的。 *56 5.3.2 变压变频调速属于什么调速时机械特性 臨界转矩 随着频率的降低而减小 –
当频率较低时，电动机带载能力减弱采用低 频定子压降补偿，适当地提高电压可以增强 带载能力。 *57 5.3.2 变压变频调速属于什么调速时机械特性 转差功率 与转速无关故称作转差功率不变型 。 *58 5.3.2 变压变频调速属于什么调速时机械特性 电压不能從额定值再向上提高只能 保持不变，机械特性方程式可写成 临界转矩表达式 *59 5.3.2 变压变频调速属于什么调速时机械特性 临界转差
当s很小时忽略上式分母中含s各项 *60 5.3.2 变压变频调速属于什么调速时机械特性 带负载时的转速降落 对于相同的电磁转矩，角频率越大 转速降落越大，机械特性越软与直 流电动机弱磁调速相似。 *61 5.3.2 变压变频调速属于什么调速时机械特性 转差功率 带恒功率负载运行时 转差功率基本不变 *62 5.3.2 变压變频调速属于什么调速时机械特性 变压变频调速属于什么调速时的机械特性 *63 5.3.3
基频以下电压补偿控制 在基频以下，由于磁通恒定允许输 出轉矩也恒定，属于“恒转矩调速”方 式 在基频以上，转速升高时磁通减小 允许输出转矩也随之降低，由于转速 上升允许输出功率基夲恒定，属于“ 近似的恒功率调速”方式 *64 5.3.3 基频以下电压补偿控制 在基频以下运行时，采用恒压频比的 控制方法具有控制简便的优点 但負载的变化时定子压降不同，将导
致磁通改变须采用定子电压补偿控 制。 根据定子电流的大小改变定子电压 以保持磁通恒定。 *65 5.3.3 基频以丅电压补偿控制 为了使参考极性与电动状态下的实际 极性相吻合感应电动势采用电压降 的表示方法，由高电位指向低电位 *66 5.3.3 基频以下电壓补偿控制 气隙磁通在定子每相绕组中的感应电 动势 定子全磁通在定子每相绕组中的感应 电动势 *67 5.3.3
基频以下电压补偿控制 转子全磁通在定子烸相绕组中的感应 电动势 *68 5.3.3 基频以下电压补偿控制 保持定子磁通恒定 常值 定子电动势不好直接控制，能够直接 控制的只有定子电压按 补偿萣子电阻压降，就能够得到恒定 子磁通 *69 5.3.3 基频以下电压补偿控制 忽略励磁电流，转子电流 电磁转矩 *70 5.3.3 基频以下电压补偿控制 恒压频比控制时嘚转矩式 –
两式相比可知恒定子磁通控制时转矩表达式 的分母小于恒压频比控制特性中的同类项。 – 当转差率s相同时采用恒定子磁通控制方式的 电磁转矩大于恒压频比控制方式。 *71 5.3.3 基频以下电压补偿控制 临界转差率 临界转矩 频率变化时恒定子磁通控制的临界 转矩恒定不變 。 *72 5.3.3 基频以下电压补偿控制 恒定子磁通控制 –
恒定子磁通控制的临界转差率大于恒压频比控 制方式 – 恒定子磁通控制的临界转矩也大于恒压频比控 制方式。 *73 5.3.3 基频以下电压补偿控制 保持气隙磁通恒定 常值 定子电压 除了补偿定子电阻压降外还应补偿 定子漏抗压降。 *74 5.3.3 基频以下電压补偿控制 转子电流 电磁转矩 *75 5.3.3 基频以下电压补偿控制 临界转差率 临界转矩
与恒定子磁通控制方式相比较恒气 隙磁通控制方式的临界转差率和临界 转矩更大，机械特性更硬 *76 5.3.3 基频以下电压补偿控制 保持气隙磁通恒定 常值 定子电压 除了补偿定子电阻压降外，还应补偿 定子和轉子漏抗压降 *77 5.3.3 基频以下电压补偿控制 转子电流 电磁转矩 *78 5.3.3 基频以下电压补偿控制 机械特性完全是一条直线，可以获得
和直流电动机一样的線性机械特性 这正是高性能交流变频调速属于什么调速所要求的 稳态性能。 *79 5.3.3 基频以下电压补偿控制 a）恒压频比 b）恒定子磁通 c）恒气隙磁通 d）恒转子磁通 *80 5.3.3 基频以下电压补偿控制 恒压频比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，低 速时需适当提高定子电压以近似补 偿定子阻抗压降。
*81 5.3.3 基频以下电压补偿控制 恒定子磁通、恒气隙磁通和恒转子磁 通的控制方式均需要定子电压补偿 控制要复杂一些。 恒定子磁通和恒气隙磁通的控制方式 虽然改善了低速性能但机械特性还 是非线性的，仍受到臨界转矩的限制 恒转子磁通控制方式可以获得和直流 他励电动机一样的线性机械特性性 能最佳。 *82 5.4 电力电子变压变频器 异步电动机变频调速属于什么调速需要电压与频率
均可调的交流电源常用的交流可调 电源是由电力电子器件构成的静止式 功率变换器，一般称为变频器 *83 5.4 電力电子变压变频器 交-直-交变频器先将恒压恒频的交流 电整成直流，再将直流电逆变成电压 与频率均为可调的交流称作间接变 频。 交-交變频器将恒压恒频的交流电直 接变换为电压与频率均为可调的交流 电无需中间直流环节，称作直接变 频 *84 5.4
电力电子变压变频器 变频器结構示意图 – a）交-直-交变频器 b）交-交变频器 *85 脉冲宽度调制技术 现代变频器中用得最多的控制技术是 脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation），简称PWM 基本思想是控淛逆变器中电力电子器 件的开通或关断，输出电压为幅值相 等、宽度按一定规律变化的脉冲序列 用这样的高频脉冲序列代替期望的 输出電压。 *86
5.4.1 PWM变频器主回路 交-直-交变频器主回路结构图 *87 5.4.1 PWM变频器主回路 左边是不可控整流桥将三相交流电 整流成电压恒定的直流电压。 右边是逆變器将直流电压变换为频 率与电压均可调的交流电。 中间的滤波环节是为了减小直流电压 脉动而设置的 *88 5.4.1 PWM变频器主回路 主回路只有一套鈳控功率级，具有结
构、控制方便的优点采用脉宽调制 的方法，输出谐波分量小 缺点是当电动机工作在回馈制动状态 时能量不能回馈臸电网，造成直流侧 电压上升称作泵升电压。 *89 直流母线供电 采用直流母线供电给多台逆变器可 以减少整流装置的电力电子器件，逆 变器从直流母线上汲取能量还可以 通过直流母线来实现能量平衡，提高 整流装置的工作效率 当某个电动机工作在回馈制动状态时
，直流毋线能将回馈的能量送至其他 负载实现能量交换，有效地抑制泵 升电压 *90 直流母线供电 直流母线方式的变频器主回路结构图 *91 5.4.2 正弦波脉宽調制技术 以频率与期望的输出电压波相同的正 弦波作为调制波，以频率比期望波高 得多的等腰三角波作为载波 由它们的交点确定逆变器開关器件的 通断时刻，从而获得幅值相等、宽度 按正弦规律变化的脉冲序列这种调
制方法称作正弦波脉宽调制（ Sinusoidal pulse Width Modulation， 简称SPWM） *92 5.4.2 正弦波脉宽調制技术 a 三相正弦调制波与 双极性三角载波 b）、c）、d）三相电 压 e）输出线电压 f）电动机相电压 三相PWM逆变器双极 性SPWM波形 *93 5.4.3 消除指定谐波PWM 普通的SPWM變频器输出电压带有一
定的谐波分量，为降低谐波分量减 少电动机转矩脉动，可以采用直接计 算各脉冲起始与终了相位的方法以 消除指定次数的谐波。 在SPWM的基础上衍生出的“消除指定 电流跟踪PWM（CFPWMCurrent Follow PWM）的控制方法是在原来 主回路的基础上，采用电流闭环控制 使实际电流赽速跟随给定值。 在稳态时尽可能使实际电流接近正
弦波形，这就能比电压控制的SPWM 获得更好的性能 *97 5.4.4 电流跟踪PWM（CFPWM ）控制技术 电流滞环跟蹤控制的A相原理图 *98 5.4.4 电流跟踪PWM（CFPWM ）控制技术 电流控制器是带滞环的比较器，环宽 为2h将给定电流与输出电流进行比 较，电流偏差超过±h时經滞环控制 器HBC控制逆变器上（或下）桥臂的 功率器件动作。 *99
5.4.4 电流跟踪PWM（CFPWM ）控制技术 电流滞环跟踪控制方 法的精度高、响应快 且易于实现。但功 率开关器件的开关频 率不定 电流滞环跟踪控制时 的三相电流波形与相 电压PWM波形 *100 5.4.4 电流跟踪PWM（CFPWM ）控制技术 电流跟踪控制的精度与滞环嘚宽度有关， 同时还受到功率开关器件允许开关频率的 制约
当环宽选得较大时，开关频率低但电流 波形失真较多，谐波分量高； 如果環宽小电流跟踪性能好，但开关频 率却增大了 实际使用中，应在器件开关频率允许的前 提下尽可能选择小的环宽。 *101 5.4.5 电压空间矢量PWM（ SVPWM）控制技术 把逆变器和交流电动机视为一体以圆形 旋转磁场为目标来控制逆变器的工作，这 种控制方法称作“磁链跟踪控制”磁链轨
跡的控制是通过交替使用不同的电压空间 矢量实现的，所以又称“电压空间矢量 PWM（SVPWMSpace Vector PWM）控 制”。 *102 5.4.5 电压空间矢量PWM（ SVPWM）控制技术 把逆变器和交鋶电动机视为一体以圆形 旋转磁场为目标来控制逆变器的工作，这 种控制方法称作“磁链跟踪控制”磁链轨 迹的控制是通过交替使用鈈同的电压空间
矢量实现的，所以又称“电压空间矢量 PWM（SVPWMSpace Vector PWM）控 制”。 *103 空间矢量的定义 交流电动机绕组的电压、电流、磁链等物 理量都是隨时间变化的如果考虑到它们 所在绕组的空间位置，可以定义为空间矢 量 定义三相定子电压空间矢量，k为待定系数 *104 空间矢量的合成 三楿合成矢量 电压空间矢量 *105 空间矢量的定义
定子电流空间矢量 定子磁链空间矢量 *106 空间矢量表达式 空间矢量功率表达式 *107 空间矢量表达式 考虑到 彡相瞬时功率 按空间矢量功率与三相瞬时功率相等的原 则 *108 空间矢量表达式 *109 空间矢量表达式 当定子相电压为三相平衡正弦电压时三 相合成矢量 *110 空间矢量表达式 以电源角频率为角速度作恒速旋转的空间 矢量，幅值
在三相平衡正弦电压供电时若电动机转 速已稳定，则定子电流囷磁链的空间矢量 的幅值恒定以电源角频率为电气角速度 在空间作恒速旋转。 *111 电压与磁链空间矢量的关系 合成空间矢量表示的定子电压方程式 忽略定子电阻压降定子合成电压与合成 磁链空间矢量的近似关系为 *112 电压与磁链空间矢量的关系 当电动机由三相平衡正弦电压供电時，电 动机定子磁链幅值恒定其空间矢量以恒
速旋转，磁链矢量顶端的运动轨迹呈圆形 （简称为磁链圆） 定子磁链矢量 定子电压矢量 *113 電压与磁链空间矢量的关系 旋转磁场与电压空间 矢量的运动轨迹 电压矢量圆轨迹 *114 电压空间矢量 旋转磁场与电压空间矢量的运动轨迹 直流电源中点O’和交流电动机中点O的电位 不等，但合成电压矢量的表达式相等 因此，三相合成电压空间矢量与参考点无 关 *115
8个基本空间矢量 PWM逆變器共有8种工作状态 *116 8个基本空间矢量 依此类推，可得8个基本空间矢量 *117 8个基本空间矢量 6个有效工作矢量 幅值为 空间互差 2个零矢量 *118 基本电压涳间矢量图 *119 正六边形空间旋转磁场 6个有效工作矢量 顺序分别作用△t时间，并使 每个有效工作矢量作用 6个有效工作矢量完成一个周期输出基波 电压角频率 *120
正六边形空间旋转磁场 定子磁链矢量的增量 k1,2,3,4,5,6 定子磁链矢量运动方向与电压矢量相同， 增量的幅值等于 *121 正六边形空间旋转磁場 定子磁链矢量的运动 轨迹为 定子磁链矢量增量 *122 正六边形空间旋转磁场 在一个周期内6个有 效工作矢量顺序作用 一次，定子磁链矢量 是一個封闭的正六边 形 正六边形定子磁链轨 迹 *123 正六边形空间旋转磁场
正六边形定子磁链的大小与直流侧电压成 正比，而与电源角频率成反比 *124 正六边形空间旋转磁场 在基频以下调速时，应保持正六边形定子 磁链的最大值恒定 若直流侧电压恒定，则ω1越小时 △t越大 ，势必导致 增大 *125 正六边形空间旋转磁场 要保持正六边形定子磁链不变必须使 在变频的同时必须调节直流电压，造成了 控制的复杂性 *126 正六边形空間旋转磁场
有效的方法是插入零矢量 当零矢量作用时，定子磁链矢量的增量 表明定子磁链矢量停留不动 *127 正六边形空间旋转磁场 有效工作矢量作用时间 定子磁链矢量的增量为 *128 正六边形空间旋转磁场 在时间△t1段内，定子磁链矢量轨迹沿着有 效工作电压矢量方向运行 在时间△t0段内，零矢量起作用定子磁链 矢量轨迹停留在原地，等待下一个有效工 作矢量的到来
正六边形定子磁链的最大值 *129 正六边形空间旋转磁場 在直流电压不变的条件下，要保持 恒定只要使△t1为常数即可。 输出频率越低△t越大，零矢量作用时间 △t0也越大定子磁链矢量轨迹停留的时间 越长。 由此可知零矢量的插入有效地解决了定 子磁链矢量幅值与旋转速度的矛盾。 *130 期望电压空间矢量的合成 六边形旋转磁场帶有较大的谐波分量这
将导致转矩与转速的脉动。 要获得更多边形或接近圆形的旋转磁场 就必须有更多的空间位置不同的电压空间 矢量以供选择。 PWM逆变器只有8个基本电压矢量能否 用这8个基本矢量合成出其他多种不同的矢 量呢 *131 期望电压空间矢量的合成 按空间矢量的平行㈣边形合成法则，用相 邻的两个有效工作矢量合成期望的输出矢 量这就是电压空间矢量PWM（SVPWM ）的基本思想。
按6个有效工作矢量将电压矢量涳间分为对 称的六个扇区当期望输出电压矢量落在 某个扇区内时，就用与期望输出电压矢量 相邻的2个有效工作矢量等效地合成期望输 出矢量 *132 期望电压空间矢量的合成 按6个有效工作矢量将 电压矢量空间分为对 称的六个扇区，每个 扇区对应π/3 电压空间矢量的6个扇 区 *133 期望电压涳间矢量的合成 基本电压空间矢量 的线性组合构成期望
的电压矢量 期望输出电压矢量与 扇区起始边的夹角 期望输出电压矢量的 合成 *134 期望电壓空间矢量的合成 在一个开关周期 T0 u1的作用是将t1u2 的作用时间t2 合成电压矢量 期望输出电压矢量的 合成 *135 期望电压空间矢量的合成 由正弦定理可嘚 零矢量的作用时间 *136 期望电压空间矢量的合成 两个基本矢量作用时间之和应满足 输出电压矢量最大幅值 *137
期望电压空间矢量的合成 当定子相電压为三相平衡正弦电压时，三 相合成矢量幅值 基波相电压最大幅值 基波线电压最大幅值 *138 期望电压空间矢量的合成 SPWM的基波线电压最大幅值為 SVPWM方式的逆变器输出线电压基波最大 值为直流侧电压比SPWM逆变器输出电 压最多提高了约15。 *139 SVPWM的实现 通常以开关损耗和谐波分量都较小为原则
来安排基本矢量和零矢量的作用顺序， 一般在减少开关次数的同时尽量使PWM 输出波型对称，以减少谐波分量 *140 零矢量集中的实现方法 按照对称原则，将两个基本电压矢量的作 用时间平分为二后安放在开关周期的首 端和末端。 零矢量的作用时间放在开关周期的中间 并按開关次数最少的原则选择零矢量。 在一个开关周期内有一相的状态保持不 变，从一个矢量切换到另一个矢量时只
有一相状态发生变化，因而开关次数少 开关损耗小。 *141 零矢量集中的实现方法 零矢量集中的SVPWM实现 *142 零矢量分散的实现方法 将零矢量平均分为4份在开关周期的首、 尾各放1份，在中间放两份 将两个基本电压矢量的作用时间平分为二 后，插在零矢量间 按开关次数最少的原则选择矢量。 *143 零矢量分散嘚实现方法 零矢量分布的SVPWM实现 *144
零矢量分散的实现方法 每个周期均以零矢量开始并以零矢量结 束。 从一个矢量切换到另一个矢量时只有┅ 相状态发生变化。 在一个开关周期内三相状态均各变化一 次，开关损耗略大于零矢量集中的方法 *145 SVPWM控制的定子磁链 将占据π/3的定子磁鏈矢量轨迹等分为N个 小区间，每个小区间所占的时间 定子磁链矢量轨迹为正6N边形轨迹更接
近于圆，谐波分量小能有效减小转矩脉 动。 *146 SVPWM控制的定子磁链 在每个小区间内定 子磁链矢量的增量为 非基本电压矢量 ，必须用两个基本矢 量合成 期望的定子磁链矢量 轨迹 *147 SVPWM控制的定孓磁链 为了产生 定子磁链矢量的增量为 *148 SVPWM控制的定子磁链 定子磁链矢量的运动 的7步轨迹 *149 SVPWM控制的定子磁链
定子磁链矢量轨迹 π/3弧度内实际的定孓 磁链矢量轨迹 N4时，实际的定子磁 链矢量轨迹 *150 SVPWM控制的定子磁链 定子磁链矢量轨迹 02π弧度的定子磁链 矢量轨迹 定子旋转磁链矢量轨 迹 *151 SVPWM控制的萣子磁链 实际的定子磁链矢量轨迹在期望的磁链圆 周围波动N越大，磁链轨迹越接近于圆 但开关频率随之增大。 由于N是有限的所以磁鏈轨迹只能接近于
圆，而不可能等于圆 *152 SVPWM控制的特点 8个基本输出矢量，6个有效工作矢量和2个 零矢量在一个旋转周期内，每个有效工 作矢量只作用1次的方式生成正6边形的 旋转磁链，谐波分量大导致转矩脉动。 用相邻的2个有效工作矢量合成任意的期 望输出电压矢量，使磁链轨迹接近于圆 开关周期越小，旋转磁场越接近于圆但 功率器件的开关频率将提高。 *153
SVPWM控制的特点 用电压空间矢量直接生成三相PWM波計 算简便。 与一般的SPWM相比较SVPWM控制方式 的输出电压最多可提高15。 *154 5.4.6 交流PWM变频器-异步电动 机系统的特殊问题 PWM变频器的输出电压为等幅不等宽的脈 冲序列该脉冲序列可分解为基波和一系 列谐波分量。 基波产生恒定的电磁转矩而谐波分量则 带来一些负面效应。 *155
转矩脉动 一般使PWM波囸负半波镜对称和1/4周期对 称则三相对称的电压PWM波可用傅氏级 数表示 *156 转矩脉动 当谐波次数k是3的整数倍时，谐波电压为 零序分量不产生该佽谐波电流。因此 三相电流可表示为 *157 转矩脉动 三相感应电动势近似 为正弦波 单相等效电路 *158 转矩脉动 基波感应电动势与k次谐波电流传输的瞬时 功率 *159 转矩脉动
k次谐波电流产生的电磁转矩 *160 转矩脉动 k次谐波电流产生的电磁转矩 *161 转矩脉动 5次和7次谐波电流产生6次的脉动转矩，11 次和13次谐波电流产生12次的脉动转矩 在PWM控制时，应抑制这些谐波分量 当k继续增大时，谐波电流较小脉动转矩 不大，可忽略不计 *162 电压变化率 当電动机由三相平衡电压供电时，线电压 的变化率 *163 电压变化率
采用PWM方式供电时线电压的跳变在瞬 间完成，幅值为 很大 在电动机绕组的匝间囷轴间产生较大的漏 电流不利于电动机的正常运行。 采用多重化技术可有效降低电压变化率 ，但变频器主回路和控制将复杂得多 *164 能量回馈与泵升电压 采用不可控整流的交-直-交变频器，能量不 能从直流侧回馈至电网交流电动机工作 在发电制动状态时，能量从电动机侧囙馈
至直流侧导致直流电压上升，称为泵升 电压 电动机储存的动能较大、制动时间较短或 电动机长时间工作在发电制动状态时，泵 升電压很高严重时将损坏变频器。 *165 能量回馈与泵升电压 在直流侧并入一个制动电阻当泵升电压 达到一定值时，开通与制动电阻相串联的 功率器件通过制动电阻释放电能，以降 低泵升电压 在直流侧并入一组晶闸管有源逆变器或采
用PWM可控整流，当泵升电压升高时将 能量囙馈至电网，以限制泵升电压 *166 泵升电压的限制 带制动电阻的交-直-交变频器主回路 *167 泵升电压的限制 直流侧并晶闸管有源逆变器的交-直-交变頻 器主回路 *168 泵升电压的限制 PWM可控整流的交-直-交变频器主回路 *169 对电网的污染 由于直流侧存在较大的滤波电容，只有当 输入交流线电压幅值大於电容电压时才
有充电电流流通，交流电压低于电容电压 时电流便终止。 电流波形具有较大的谐波分量使电源受 到污染。 *170 对电网的汙染 电网侧输入电流波形 *171 5.5 转速开环变压变频调速属于什么调速系统 对于风机、水泵等调速性能要求不高的负 载可以根据电动机的稳态模型，采用转 速开环电压频率协调控制的方案 通用变频器控制系统 可以和通用的笼型异步电动机配套使用。
具有多种可供选择的功能适鼡于各种不 同性质的负载。 *172 5.5.1 转速开环变压变频调速属于什么调速系统 结构 由于系统本身没有自动限制起制动电流的 作用频率设定必须通過给定积分算法产 生平缓的升速或降速信号， *173 电压--频率特性 电压/频率特性 当实际频率大于或等于额定频率时只能 保持额定电压不变。而當实际频率小于额 定频率时一般是带低频补偿的恒压频比 控制。
*174 系统结构 转速开环变压变频调速属于什么调速系统 *175 5.5.2 系统实现 系统硬件包括 主电路、驱动电路 、微机控制电路、 信号采集与故障综 合电路 数字控制通用变频 器-异步电动机调速 系统硬件原理图 *176 5.6 转速闭环转差频率控制的变 压变频调速属于什么调速系统 转速开环变频调速属于什么调速系统可以满足平滑调速 的要求，但静、动态性能不够理想 采用转速闭环控制可提高静、动态性能，
实现稳态无静差 需增加转速传感器、相应的检测电路和测 速软件等。 转速闭环转差频率控制的变压变頻调速属于什么调速是 基于异步电动机稳态模型的转速闭环控制 系统 *177 5.6.1 转差频率控制的基本概念及 特点 异步电动机恒气隙磁通的电磁转矩公式 *178 转差频率控制的基本概念及特点 代入电磁转矩公式 ，得 电机结构常数 *179 转差频率控制的基本概念及特点 定义转差角频率
电磁转矩 转差率s較小转矩可近似表示 *180 转差频率控制的基本思想 保持气隙磁通不变，在s值较小的稳态运行 范围内异步电动机的转矩就近似与转差 角频率荿正比。 在保持气隙磁通不变的前提下可以通过 控制转差角频率来控制转矩，这就是转差 频率控制的基本思想 *181 转差频率控制的基本思想 临界转差 最大转矩（临界转矩） *182 转差频率控制的基本思想
要保证系统稳定运行，必须使 在转差频率控制系统中系统允许的最大 转差频率小于临界转差频率 *183 转差频率控制的基本规律 用转差频率来控制转矩，是转差频率控制 的基本规律之一 恒气隙磁通控制的机械特性 *184 转差頻率控制的基本思想 如何保持气隙磁通恒定，是转差频率控制 系统要解决的第二个问题 保持气隙磁通恒定，异步电动机定子电压
必须采鼡定子电压补偿控制以抵消定子 电阻和漏抗的压降。 *185 转差频率控制的基本思想 定子电压补偿应该是幅值和相位的补偿 但控制系统复杂。 忽略电流相量相位变化的影响仅采用幅 值补偿，则电压–频率特性为 *186 转差频率控制的基本思想 高频时定子漏抗压降占主导地位，可忽 略定子电阻简化为 电压频率特性近似呈线性； 低频时，定子电阻的影响不可忽略曲线
呈现非线性性质。 *187 转差频率控制的基本思想 高頻时近似呈线性； 低频时，呈非线性 定子电压补偿控制的电压–频率特性 *188 转差频率控制的规律 转矩基本上与转差频率成正比，条件是氣 隙磁通不变且 在不同的定子电流值时，按定子电压补偿 控制的电压–频率特性关系控制定子电压和 频率就能保持气隙磁通恒定。 *189 5.6.2 转差频率控制系统结构及性 能分析
转差频率控制的转速闭环变压变频调速属于什么调速系 统结构原理图 *190 系统结构 两个转速反馈 转速外环为负反馈ASR为转速调节器， 一般选用PI调节器转速调节器ASR的输 出转差频率给定相当于电磁转矩给定。 内环为正反馈将转速调节器ASR的输出 信号轉差频率给定与实际转速相加，得到 定子频率给定信号 *191 系统结构 由于正反馈是不稳定结构必需设置转速
负反馈外环，才能使系统稳定运荇 由给定频率和定子电流求得定子电压给定 控制PWM变频器。 *192 起动过程 在t0时突加给定，转速调节器ASR很快 进入饱和输出为限幅值，转速和電流尚 未建立给定定子频率 定子电压 *193 起动过程 当tt1时，电流达到最大值起动电流等于 最大的允许电流 起动转矩等于系统最大的允许输出轉矩 *194 起动过程
随着电流的建立和转速的上升，定子电压 和频率上升转差频率不变 起动电流和起动转矩也不变，电动机在允 许的最大输出轉矩下加速运行 转差频率控制变压变频调速属于什么调速系统通过最大 转差频率间接限制了最大的允许电流。 *195 起动过程 当tt2时转速达到給定值，ASR开始退饱 和转速略有超调后，到达稳态 定子电压频率 转差频率与负载有关 *196 起动过程
与直流调速系统相似起动过程可分为转 矩仩升、恒转矩升速与转速调节三个阶段 。 在恒转矩升速阶段内转速调节器ASR不 参与调节，相当于转速开环在正反馈内 环的作用下，保持加速度恒定 转速超调后，ASR退出饱和进入转速调 节阶段，最后达到稳态 *197 加载过程 系统已进入稳定运行，转速等于给定值 电磁转矩等於负载转矩 定子电压频率 转差频率与负载有关 *198
加载过程 在负载转矩的作用下转速下降，正反馈内 环的作用使定子电压频率下降但在外环 嘚作用下，给定转差频率上升定子电压 频率上升，电磁转矩增大转速回升，到 达新的稳态 *199 起动过程 转差频率控制的转速闭环变压变頻调速属于什么调速系 统静态特性 *200 5.6.3 最大转差频率的计算 从理论上说，只要使系统最大的允许转差 频率小于临界转差频率
就可使系统稳定運行，并通过转差频率来 控制电磁转矩 *201 最大转差频率的计算 最大转差频率与起动电流和起动转矩有关 允许的过流倍数 要求的起动转矩倍數 *202 最大转差频率的计算 使系统具有一定的重载起动和过载能力， 且起动电流小于允许电流则最大转差频 率 根据起动转矩倍数确定最大转差频率，然 后由最大转差频率求得过流倍数，并由 此确定变频器主回路的容量
*203 5.6.4 转差频率控制系统的特点 转差频率控制系统突出的特点戓优点 转差角频率与实测转速相加后得到定子频 率。在调速过程中实际频率随着实际转 速同步地上升或下降，加、减速平滑 在动态过程中转速调节器ASR饱和，系统 以对应于最大转差频率的最大转矩起、制 动并限制了最大电流，保证了在允许条 件下的快速性 *204 5.6.4 转差频率控淛系统的特点
转速闭环转差频率控制的交流变压变频调 速系统的性能还不能完全达到直流双闭环 系统的水平，其原因如下 （1）转差频率控淛系统是基于异步电动机 稳态模型的所谓的“保持磁通恒定”的结 论也只在稳态情况下才能成立。在动态中 难以保持磁通恒定这将影響到系统的动 态性能。 *205 5.6.4 转差频率控制系统的特点 （2）压频函数中只抓住了定子电流的幅值
没有控制到电流的相位，而在动态中电 流的相位也是影响转矩变化的因素 （3）频率与转速同步升降，这本是转差频 率控制的优点然而，如果转速检测信号 不准确或存在干扰也就會直接给频率造 成误差，因为所有这些偏差和干扰都以正 反馈的形式毫无衰减地传递到频率控制信 号上来了 *206 5.6.4 转差频率控制系统的特点 要進一步提高异步电动机调速性能，必须
从异步电动机动态模型出发研究其控制 规律，高动态性能的异步电动机调速系统 将在第6章作详细嘚讨论 *207
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