第5章基于穩(wěn)態(tài)模型的異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)

1、電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng) 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)第第5章章基于穩(wěn)態(tài)模型的異基于穩(wěn)態(tài)模型的異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 5.1.1異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型l轉(zhuǎn)差率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系轉(zhuǎn)差率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系11nnsn1(1)ns n或或 電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù) 供電電源頻率供電電源頻率 l同步轉(zhuǎn)速同步轉(zhuǎn)速 1160pfnn1fpn5.1 異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型和調(diào)速方法異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型和調(diào)速方法1.異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路假定條件：假定條件：忽略空間和時(shí)忽略空間和時(shí)間諧波，間諧波，忽略磁飽和忽略磁飽和忽略鐵損忽略鐵損2212lrlsrs

2、srsLLsRRUII2.異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性l異步電動(dòng)機(jī)傳遞的電磁功率異步電動(dòng)機(jī)傳遞的電磁功率 sRIPrm223l機(jī)械同步角速度機(jī)械同步角速度m1 pmppnnfnnfn11111122l異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩（機(jī)械特性方程式異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩（機(jī)械特性方程式 ）pmn1122122122212122 113/33lrlsrsrsplrlsrsrsprrpmmeLLsRsRsRUnLLsRRsRUnsRInPTsRIPrm223異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性對(duì)對(duì)s求導(dǎo)，并令求導(dǎo)，并令 0dsdTel最大轉(zhuǎn)矩，又稱臨界轉(zhuǎn)矩最大轉(zhuǎn)矩，又稱臨界轉(zhuǎn)矩 221212)(

3、23lrlsssspemLLRRUnT異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性l臨界轉(zhuǎn)差率：對(duì)應(yīng)最大轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)差率臨界轉(zhuǎn)差率：對(duì)應(yīng)最大轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)差率2212)(lrlssrmLLRRs異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性當(dāng)當(dāng)s很小時(shí)，忽略分母中含很小時(shí)，忽略分母中含s各項(xiàng)各項(xiàng)213psern U sTsRl轉(zhuǎn)矩近似與轉(zhuǎn)矩近似與s成正比，機(jī)械特性近似為直成正比，機(jī)械特性近似為直線線 異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性當(dāng)當(dāng)s較大時(shí)，忽略分母中較大時(shí)，忽略分母中s的一次項(xiàng)和零次項(xiàng)的一次項(xiàng)和零次項(xiàng)l轉(zhuǎn)矩近似與轉(zhuǎn)矩近似與s成反比，機(jī)械特性是一段雙曲成反比，機(jī)械特性是一段雙曲線線22221131ps

4、reslslrn U RTss RLL異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性圖圖5-3 異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性TL可知，能夠改變的參數(shù)可分為可知，能夠改變的參數(shù)可分為3類：類：電動(dòng)機(jī)參數(shù)、電源電壓和電源頻率電動(dòng)機(jī)參數(shù)、電源電壓和電源頻率（或角頻（或角頻率）。率）。22222113psresrlslrn U R sTsRRsLL5.1.2異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法與氣隙磁通異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法與氣隙磁通1.異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法2.異步電動(dòng)機(jī)的氣隙磁通異步電動(dòng)機(jī)的氣隙磁通l三相異步電動(dòng)機(jī)定子每相電動(dòng)勢(shì)的有效值三相異步電動(dòng)機(jī)定子每相電動(dòng)勢(shì)的有效值忽略定子繞組電阻和漏

5、磁感抗壓降忽略定子繞組電阻和漏磁感抗壓降14.44SgsmNEf N k14.44SsgsmNUEf N kEgl氣隙磁通氣隙磁通為了保持氣隙磁通恒定，應(yīng)使為了保持氣隙磁通恒定，應(yīng)使 11/mgsEfUf1gEf常數(shù)s1Uf常數(shù)或近似為或近似為 在進(jìn)行調(diào)速時(shí)希望保持電動(dòng)機(jī)中每極磁通在進(jìn)行調(diào)速時(shí)希望保持電動(dòng)機(jī)中每極磁通m為額定值不變?yōu)轭~定值不變，如果，如果磁通太弱，沒(méi)有充分利用電機(jī)的鐵芯，是一種浪費(fèi)，如果過(guò)分增磁通太弱，沒(méi)有充分利用電機(jī)的鐵芯，是一種浪費(fèi)，如果過(guò)分增大磁通，又會(huì)使鐵心飽和，從而導(dǎo)致過(guò)大的勵(lì)磁電流，嚴(yán)重時(shí)會(huì)大磁通，又會(huì)使鐵心飽和，從而導(dǎo)致過(guò)大的勵(lì)磁電流，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因繞組過(guò)熱而損壞電機(jī)

6、。因繞組過(guò)熱而損壞電機(jī)。5.2 異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速l保持電源頻率為額定頻率，只改變定保持電源頻率為額定頻率，只改變定子電壓的調(diào)速方法稱作調(diào)壓調(diào)速。子電壓的調(diào)速方法稱作調(diào)壓調(diào)速。l由于受電動(dòng)機(jī)絕緣和磁路飽和的限制，由于受電動(dòng)機(jī)絕緣和磁路飽和的限制，定子電壓只能降低，不能升高，故又定子電壓只能降低，不能升高，故又稱作降壓調(diào)速。稱作降壓調(diào)速。異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速l調(diào)壓調(diào)速的基本特征：電動(dòng)機(jī)同步轉(zhuǎn)速保調(diào)壓調(diào)速的基本特征：電動(dòng)機(jī)同步轉(zhuǎn)速保持額定值不變持額定值不變 l氣隙磁通氣隙磁通 隨定子電壓的降低而減小，屬于弱磁調(diào)速。隨定子電壓的降低而減小，屬于弱磁調(diào)速。11160N

7、Npfnnn14.44SsmsNUf N k5.2.1 異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速的異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速的主電路主電路圖圖5-4 晶閘管交流調(diào)壓器調(diào)速晶閘管交流調(diào)壓器調(diào)速TVC雙雙向晶閘管向晶閘管交流調(diào)壓交流調(diào)壓器器a) 不可逆不可逆電路電路b) 可逆電可逆電路路5.2.2 異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速的機(jī)械特性的機(jī)械特性可調(diào)可調(diào) l調(diào)壓調(diào)速的機(jī)械特性表達(dá)式調(diào)壓調(diào)速的機(jī)械特性表達(dá)式22222113psresrlslrn U R sTsRRsLLsUl電磁轉(zhuǎn)矩與定子電壓的平方成正比電磁轉(zhuǎn)矩與定子電壓的平方成正比 5.2.2 異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速的機(jī)械特性的機(jī)械特性l臨界轉(zhuǎn)差率保持不

8、變臨界轉(zhuǎn)差率保持不變 l理想空載轉(zhuǎn)速保持為同步轉(zhuǎn)速不變理想空載轉(zhuǎn)速保持為同步轉(zhuǎn)速不變 01Nnn2212)(lrlssrmLLRRs5.2.2 異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速的機(jī)械特性的機(jī)械特性l臨界轉(zhuǎn)矩臨界轉(zhuǎn)矩 221212)(23lrlsssspemLLRRUnTl 隨定子電壓的減小而成平方比地下隨定子電壓的減小而成平方比地下降降5.2.2 異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速的機(jī)械特性的機(jī)械特性圖圖5-5 異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速的機(jī)械特性異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速的機(jī)械特性5.2.2 異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速的機(jī)械特性的機(jī)械特性l帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí)，普通籠型異步電動(dòng)機(jī)降帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí)，

9、普通籠型異步電動(dòng)機(jī)降壓調(diào)速時(shí)的穩(wěn)定工作范圍為壓調(diào)速時(shí)的穩(wěn)定工作范圍為 調(diào)速范圍有限，圖中調(diào)速范圍有限，圖中A、B、C為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載在不同電壓時(shí)的穩(wěn)定工作點(diǎn)。在不同電壓時(shí)的穩(wěn)定工作點(diǎn)。l帶風(fēng)機(jī)類負(fù)載運(yùn)行，調(diào)速范圍可以稍大一帶風(fēng)機(jī)類負(fù)載運(yùn)行，調(diào)速范圍可以稍大一些，圖中些，圖中D、E、F為風(fēng)機(jī)類負(fù)載在不同電壓為風(fēng)機(jī)類負(fù)載在不同電壓時(shí)的穩(wěn)定工作點(diǎn)。時(shí)的穩(wěn)定工作點(diǎn)。0mss5.2.2 異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速的機(jī)械特性的機(jī)械特性帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載工作時(shí)，定子側(cè)輸入的電帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載工作時(shí)，定子側(cè)輸入的電磁功率磁功率故電磁功率恒定不變，與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)。故電磁功率恒定不變，與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)。 11Lmm

10、LpTPTn1LT、均為常數(shù)均為常數(shù) 5.2.2 異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速的機(jī)械特性的機(jī)械特性l轉(zhuǎn)差功率轉(zhuǎn)差功率 隨著轉(zhuǎn)差率的加大而增加。隨著轉(zhuǎn)差率的加大而增加。l帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的降壓調(diào)速就是靠增大轉(zhuǎn)帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的降壓調(diào)速就是靠增大轉(zhuǎn)差功率、減小輸出功率來(lái)?yè)Q取轉(zhuǎn)速的降低。差功率、減小輸出功率來(lái)?yè)Q取轉(zhuǎn)速的降低。l增加的轉(zhuǎn)差功率全部消耗在轉(zhuǎn)子電阻上，增加的轉(zhuǎn)差功率全部消耗在轉(zhuǎn)子電阻上，這就是轉(zhuǎn)差功率消耗型的由來(lái)。這就是轉(zhuǎn)差功率消耗型的由來(lái)。1 LsmmLpTPsPsTsn5.2.2 異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速的機(jī)械特性的機(jī)械特性l增加轉(zhuǎn)子電阻值，增加轉(zhuǎn)子電阻值，臨界轉(zhuǎn)差率加大，

11、臨界轉(zhuǎn)差率加大，可以擴(kuò)大恒轉(zhuǎn)矩負(fù)可以擴(kuò)大恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載下的調(diào)速范圍，載下的調(diào)速范圍，這種高轉(zhuǎn)子電阻電這種高轉(zhuǎn)子電阻電動(dòng)機(jī)又稱作交流力動(dòng)機(jī)又稱作交流力矩電動(dòng)機(jī)。矩電動(dòng)機(jī)。l缺點(diǎn)是機(jī)械特性缺點(diǎn)是機(jī)械特性較軟。較軟。 圖圖5-6 高轉(zhuǎn)子電阻電動(dòng)機(jī)（交流力矩高轉(zhuǎn)子電阻電動(dòng)機(jī)（交流力矩電動(dòng)機(jī)）在不同電壓下的機(jī)械特性電動(dòng)機(jī)）在不同電壓下的機(jī)械特性5.2.3 閉環(huán)控制的調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)閉環(huán)控制的調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)l要求帶恒轉(zhuǎn)要求帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的調(diào)矩負(fù)載的調(diào)壓系統(tǒng)具有壓系統(tǒng)具有較大的調(diào)速較大的調(diào)速范圍時(shí)，往范圍時(shí)，往往須采用帶往須采用帶轉(zhuǎn)速反饋的轉(zhuǎn)速反饋的閉環(huán)控制系閉環(huán)控制系統(tǒng)統(tǒng)。圖圖5-7 帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)控帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉

12、環(huán)控制的交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)制的交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng) 5.2.3 閉環(huán)控制的調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)閉環(huán)控制的調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)l當(dāng)系統(tǒng)帶負(fù)載穩(wěn)定時(shí)，如果負(fù)載增大或減當(dāng)系統(tǒng)帶負(fù)載穩(wěn)定時(shí)，如果負(fù)載增大或減小，引起轉(zhuǎn)速下降或上升，反饋控制作用小，引起轉(zhuǎn)速下降或上升，反饋控制作用會(huì)自動(dòng)調(diào)整定子電壓，使閉環(huán)系統(tǒng)工作在會(huì)自動(dòng)調(diào)整定子電壓，使閉環(huán)系統(tǒng)工作在新的穩(wěn)定工作點(diǎn)。新的穩(wěn)定工作點(diǎn)。l按照反饋控制規(guī)律，將穩(wěn)定工作點(diǎn)連接起按照反饋控制規(guī)律，將穩(wěn)定工作點(diǎn)連接起來(lái)便是閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性。來(lái)便是閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性。5.2.3 閉環(huán)控制的調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)閉環(huán)控制的調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)l靜特性左右靜特性左右兩邊都有極兩邊都有極限，它們是限，它們是額定電壓

13、下額定電壓下的機(jī)械特性的機(jī)械特性和最小輸出和最小輸出電壓下的機(jī)電壓下的機(jī)械特性。械特性。圖圖5-8 轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制的交流轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制的交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)靜特性調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)靜特性sNUminsU5.3 異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速l變壓變頻調(diào)速是改變異步電動(dòng)機(jī)同步轉(zhuǎn)速的一種變壓變頻調(diào)速是改變異步電動(dòng)機(jī)同步轉(zhuǎn)速的一種調(diào)速方法，同步轉(zhuǎn)速隨頻率而變化調(diào)速方法，同步轉(zhuǎn)速隨頻率而變化ppnnfn260601115.3.1 變壓變頻調(diào)速的基本原理變壓變頻調(diào)速的基本原理要要保持磁通恒定保持磁通恒定，在變頻的同時(shí)要改變電源電壓在變頻的同時(shí)要改變電源電壓14.44SsgsmNUEf N kl當(dāng)頻率從額

14、定值向下調(diào)節(jié)時(shí)，必須使當(dāng)頻率從額定值向下調(diào)節(jié)時(shí)，必須使 14.44SgsNmNEN kf常值l基頻以下應(yīng)采用基頻以下應(yīng)采用 為恒值的控制方式。為恒值的控制方式。1fEg1.基頻以下調(diào)速基頻以下調(diào)速基頻以下調(diào)速基頻以下調(diào)速 常值fUsgsEU 則得則得這就是這就是恒壓頻比控制方式恒壓頻比控制方式。由于磁通恒定由于磁通恒定，允許輸出轉(zhuǎn)矩也恒定允許輸出轉(zhuǎn)矩也恒定，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速由于電動(dòng)勢(shì)難以控制，當(dāng)電動(dòng)勢(shì)值較高時(shí)，忽略定子由于電動(dòng)勢(shì)難以控制，當(dāng)電動(dòng)勢(shì)值較高時(shí)，忽略定子電阻和漏感壓降電阻和漏感壓降glsssEILjRU11)(Eg基頻以下調(diào)速基頻以下調(diào)速 當(dāng)頻率比較低時(shí)，定子電阻和漏感壓

15、降所占當(dāng)頻率比較低時(shí)，定子電阻和漏感壓降所占的份量比較顯著，不能再忽略。僅保持的份量比較顯著，不能再忽略。僅保持Eg/f1=常數(shù)不能保持磁通恒定。常數(shù)不能保持磁通恒定。因此要人為地把定子電壓抬高一些，以補(bǔ)償因此要人為地把定子電壓抬高一些，以補(bǔ)償定子阻抗壓降。定子阻抗壓降。負(fù)載大小不同，需要補(bǔ)償?shù)亩ㄗ与妷阂膊灰回?fù)載大小不同，需要補(bǔ)償?shù)亩ㄗ与妷阂膊灰粯?。樣。glsssEILjRU11)(基頻以下調(diào)速基頻以下調(diào)速 l通常在控制軟件通常在控制軟件中備有不同斜率中備有不同斜率的補(bǔ)償特性，以的補(bǔ)償特性，以供用戶選擇。供用戶選擇。a無(wú)補(bǔ)償無(wú)補(bǔ)償 b帶定子電帶定子電壓補(bǔ)償壓補(bǔ)償圖圖5-9 恒壓頻比控制特性恒壓

16、頻比控制特性2.基頻以上調(diào)速基頻以上調(diào)速 l在基頻以上調(diào)速時(shí)，頻率從基頻向上升高，受到電機(jī)絕在基頻以上調(diào)速時(shí)，頻率從基頻向上升高，受到電機(jī)絕緣耐壓限制，定子電壓不能隨之升高，最多只能保持額緣耐壓限制，定子電壓不能隨之升高，最多只能保持額定電壓不變。定電壓不變。 這將導(dǎo)致磁通與頻率成反比地降低，使得異步電動(dòng)機(jī)磁這將導(dǎo)致磁通與頻率成反比地降低，使得異步電動(dòng)機(jī)磁通減少，通減少，Te減小。即轉(zhuǎn)速上升，電磁轉(zhuǎn)矩減少。只能實(shí)減小。即轉(zhuǎn)速上升，電磁轉(zhuǎn)矩減少。只能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)恒功率恒功率調(diào)速。調(diào)速。14.44SsgsmNUEf N k變壓變頻調(diào)速變壓變頻調(diào)速 圖圖5-10 異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速的控制特性異步電動(dòng)機(jī)

17、變壓變頻調(diào)速的控制特性5.3.2 變壓變頻調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性變壓變頻調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性l一、基頻以下采用一、基頻以下采用恒壓頻比恒壓頻比控制控制 異步電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性方程式改寫(xiě)為異步電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性方程式改寫(xiě)為22122121)()(3lrlsrsrspeLLsRsRRsUnT基頻以下調(diào)速基頻以下調(diào)速l當(dāng)當(dāng)s很小時(shí)，忽略上式分母中含很小時(shí)，忽略上式分母中含s各項(xiàng)，各項(xiàng)，sRsUnTrspe1213或或 2113sperUnTRssTe很小時(shí)當(dāng)s. 1基頻以下調(diào)速基頻以下調(diào)速2.轉(zhuǎn)速降落基本不變轉(zhuǎn)速降落基本不變?cè)诤銐侯l比的條件下把頻率向下調(diào)節(jié)時(shí)，機(jī)在恒壓頻比的條件下把頻率向下調(diào)節(jié)時(shí)，機(jī)械特性基本上是平行

18、下移的。械特性基本上是平行下移的。2111210602reeppsR TnsnsTnnU 2113sperUnTRs基頻以下調(diào)速基頻以下調(diào)速3.臨界轉(zhuǎn)矩隨著頻率的降低而減小。臨界轉(zhuǎn)矩隨著頻率的降低而減小。 l當(dāng)頻率較低時(shí)，電動(dòng)機(jī)帶載能力減弱，采用低頻定子壓降當(dāng)頻率較低時(shí)，電動(dòng)機(jī)帶載能力減弱，采用低頻定子壓降補(bǔ)償，適當(dāng)?shù)靥岣唠妷?，可以增?qiáng)帶載能力。補(bǔ)償，適當(dāng)?shù)靥岣唠妷?，可以增?qiáng)帶載能力。221121)(123lrlsssspemLLRRUnTl4.轉(zhuǎn)差功率（轉(zhuǎn)子銅損）與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)轉(zhuǎn)差功率（轉(zhuǎn)子銅損）與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)故稱作故稱作轉(zhuǎn)差功率不變型轉(zhuǎn)差功率不變型。21213resmespR TPsPsTUn在恒

19、壓頻比的條件下把頻率向下調(diào)節(jié)時(shí)，機(jī)械在恒壓頻比的條件下把頻率向下調(diào)節(jié)時(shí)，機(jī)械特性基本上是平行下移，臨界轉(zhuǎn)矩特性基本上是平行下移，臨界轉(zhuǎn)矩 減小減小2113sperUnTRs221121)(123lrlsssspemLLRRUnT二、基頻以上調(diào)速二、基頻以上調(diào)速1.電壓保持額定值不變，電壓保持額定值不變，Te隨著頻率的增大而減小隨著頻率的增大而減小2.臨界轉(zhuǎn)矩隨著頻率的增大而減小臨界轉(zhuǎn)矩隨著頻率的增大而減小 2212212)()(3lrlsrsrsNpeLLsRsRsRUnT221212)(123lrlssssNpemLLRRUnT基頻以上調(diào)速基頻以上調(diào)速l臨界轉(zhuǎn)差臨界轉(zhuǎn)差 l當(dāng)當(dāng)s很小時(shí)，忽略

20、上式分母中含很小時(shí)，忽略上式分母中含s各項(xiàng)各項(xiàng) 2212)(lrlssrmLLRRs213sNeprUsTnR或或21123repsNR Tsn U基頻以上調(diào)速基頻以上調(diào)速3.轉(zhuǎn)速降落增大轉(zhuǎn)速降落增大 l對(duì)于相同的電磁轉(zhuǎn)矩，角頻率越大，轉(zhuǎn)速對(duì)于相同的電磁轉(zhuǎn)矩，角頻率越大，轉(zhuǎn)速降落越大，降落越大，機(jī)械特性越軟機(jī)械特性越軟，與直流電動(dòng)機(jī)弱，與直流電動(dòng)機(jī)弱磁調(diào)速相似。屬于恒功率調(diào)速磁調(diào)速相似。屬于恒功率調(diào)速21112210602reppsNR TnsnsnnU 21123repsNR Tsn U基頻以上調(diào)速基頻以上調(diào)速4.轉(zhuǎn)差功率基本不變轉(zhuǎn)差功率基本不變l帶恒功率負(fù)載運(yùn)行時(shí)帶恒功率負(fù)載運(yùn)行時(shí)2211

21、23resmepsNR TPsPsTn U221eT常數(shù)轉(zhuǎn)差功率基本不變轉(zhuǎn)差功率基本不變變壓變頻調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性變壓變頻調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性圖圖5-11 異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速機(jī)械特性異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速機(jī)械特性變壓變頻調(diào)速變壓變頻調(diào)速l在基頻以下，由于磁通恒定，允許輸出轉(zhuǎn)矩在基頻以下，由于磁通恒定，允許輸出轉(zhuǎn)矩也恒定，屬于也恒定，屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”方式。方式。l在基頻以上，轉(zhuǎn)速升高時(shí)磁通減小，允許輸在基頻以上，轉(zhuǎn)速升高時(shí)磁通減小，允許輸出轉(zhuǎn)矩也隨之降低，由于轉(zhuǎn)速上升，允許輸出轉(zhuǎn)矩也隨之降低，由于轉(zhuǎn)速上升，允許輸出功率基本恒定，屬于出功率基本恒定，屬于“近似的恒功率調(diào)速近似的恒功率調(diào)速

22、”方式。方式。5.3.3 基頻以下電壓補(bǔ)償控制基頻以下電壓補(bǔ)償控制 l在基頻以下運(yùn)行時(shí)，采用恒壓頻比的控制方在基頻以下運(yùn)行時(shí)，采用恒壓頻比的控制方法具有控制簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)。法具有控制簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)。l但負(fù)載變化時(shí)定子壓降不同，將導(dǎo)致磁通改但負(fù)載變化時(shí)定子壓降不同，將導(dǎo)致磁通改變，須采用定子電壓補(bǔ)償控制。變，須采用定子電壓補(bǔ)償控制。l根據(jù)根據(jù)定子電流的大小改變定子電壓，以保持定子電流的大小改變定子電壓，以保持磁通恒定。磁通恒定。glsssEILjRU11)(5.3.3 基頻以下電壓補(bǔ)償控制基頻以下電壓補(bǔ)償控制 l為了使參考極性為了使參考極性與電動(dòng)狀態(tài)下的與電動(dòng)狀態(tài)下的實(shí)際極性相吻合，實(shí)際極性相吻合，感應(yīng)

23、電動(dòng)勢(shì)采用感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)采用電壓降的表示方電壓降的表示方法，由高電位指法，由高電位指向低電位向低電位。 圖圖5-12 異步電動(dòng)機(jī)等值電路和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)異步電動(dòng)機(jī)等值電路和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)三種磁通三種磁通l氣隙磁通在定子每相繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)氣隙磁通在定子每相繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 14.44SgsmNEf N kl定子全磁通在定子每相繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)定子全磁通在定子每相繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) l轉(zhuǎn)子全磁通在轉(zhuǎn)子每相繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)子全磁通在轉(zhuǎn)子每相繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 14.44SssmsNEf N k14.44SrsmrNEf N k1.恒定子磁通控制恒定子磁通控制 l保持定子磁通恒定：保持定子磁通恒定：

24、定子電動(dòng)勢(shì)不好直接控制，能夠直接控制定子電動(dòng)勢(shì)不好直接控制，能夠直接控制的只有定子電壓，按的只有定子電壓，按l補(bǔ)償定子電阻壓降，就能夠得到恒定子磁通。補(bǔ)償定子電阻壓降，就能夠得到恒定子磁通。 1/ fEssssEIRU1常值常值14.44SssmsNEf N k恒定子磁通恒定子磁通 控制控制 1fEs忽略勵(lì)磁電流，忽略勵(lì)磁電流，轉(zhuǎn)子電流轉(zhuǎn)子電流l電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩 2212)(lrlsrsrLLsREI22122 121221221)(3)(3lrlsrrsprlrlsrspeLLsRRsEnsRLLsREnT恒定子磁通控制恒定子磁通控制 l臨界轉(zhuǎn)矩臨界轉(zhuǎn)矩 )(12321lrlsspemLLE

25、nT結(jié)論：結(jié)論：恒定子磁通控制的臨界轉(zhuǎn)矩大于恒壓頻比控制方式。恒定子磁通控制的臨界轉(zhuǎn)矩大于恒壓頻比控制方式。221121)(123lrlsssspemLLRRUnT2.恒氣隙磁通控制恒氣隙磁通控制 l保持氣隙磁通恒定：保持氣隙磁通恒定： l定子電壓定子電壓l除了補(bǔ)償定子電阻壓除了補(bǔ)償定子電阻壓l降外，還應(yīng)補(bǔ)償定子降外，還應(yīng)補(bǔ)償定子l漏抗壓降。漏抗壓降。 1/gEglsssEILjRU11)(常值常值恒氣隙磁通控制恒氣隙磁通控制 l轉(zhuǎn)子電流轉(zhuǎn)子電流l電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩 2212lrrgrLsREI2 2122 12122122133lrrrgprlrrgpeLsRRsEnsRLsREnT恒氣隙磁通

26、控制恒氣隙磁通控制 21123lrgpemLEnTl臨界轉(zhuǎn)矩臨界轉(zhuǎn)矩 與恒定子磁通控制方式相比較，恒氣隙磁通控制方與恒定子磁通控制方式相比較，恒氣隙磁通控制方式的式的臨界轉(zhuǎn)矩更大臨界轉(zhuǎn)矩更大，機(jī)械特性更硬。，機(jī)械特性更硬。 )(12321lrlsspemLLEnT3.恒轉(zhuǎn)子磁通控制恒轉(zhuǎn)子磁通控制 l保持轉(zhuǎn)子磁通恒定：保持轉(zhuǎn)子磁通恒定： l定子電壓定子電壓l除了補(bǔ)償定子電阻除了補(bǔ)償定子電阻壓降外，還應(yīng)補(bǔ)償壓降外，還應(yīng)補(bǔ)償定子和轉(zhuǎn)子漏抗壓定子和轉(zhuǎn)子漏抗壓降。降。 1/rE11()sslslrrURjLLIE常值常值恒轉(zhuǎn)子磁通控制恒轉(zhuǎn)子磁通控制 l轉(zhuǎn)子電流轉(zhuǎn)子電流l電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩 sREIrrr/

27、12122133rrprrrpeRsEnsRsREnT恒轉(zhuǎn)子磁通控制恒轉(zhuǎn)子磁通控制 優(yōu)點(diǎn)：機(jī)械特性完全是一條直線，可優(yōu)點(diǎn)：機(jī)械特性完全是一條直線，可以獲得和直流電動(dòng)機(jī)一樣的線性機(jī)以獲得和直流電動(dòng)機(jī)一樣的線性機(jī)械特性，械特性，這正是高性能交流變頻調(diào)速所要求的這正是高性能交流變頻調(diào)速所要求的穩(wěn)態(tài)性能。穩(wěn)態(tài)性能。4. 小結(jié)小結(jié)（1）不同控制方式下的機(jī)械特性不同控制方式下的機(jī)械特性 a）恒壓頻比控制恒壓頻比控制b）恒定子磁通控制）恒定子磁通控制c）恒氣隙磁通控制）恒氣隙磁通控制 d）恒轉(zhuǎn)子磁通控制）恒轉(zhuǎn)子磁通控制(2)不同控制方式下的比較不同控制方式下的比較la)恒壓頻比控制最容易實(shí)現(xiàn)，它的變頻機(jī)械特

28、性基本上恒壓頻比控制最容易實(shí)現(xiàn)，它的變頻機(jī)械特性基本上是平行下移，硬度也較好，能夠滿足一般的調(diào)速要求，是平行下移，硬度也較好，能夠滿足一般的調(diào)速要求，低頻時(shí)需適當(dāng)提高定子電壓，以近似補(bǔ)償定子阻抗壓降。低頻時(shí)需適當(dāng)提高定子電壓，以近似補(bǔ)償定子阻抗壓降。l(b)恒定子磁通、恒氣隙磁通和恒轉(zhuǎn)子磁通的控制方式均恒定子磁通、恒氣隙磁通和恒轉(zhuǎn)子磁通的控制方式均需要定子電壓補(bǔ)償，控制要復(fù)雜一些。需要定子電壓補(bǔ)償，控制要復(fù)雜一些。l(c)恒定子磁通和恒氣隙磁通的控制方式雖然改善了低速恒定子磁通和恒氣隙磁通的控制方式雖然改善了低速性能。但機(jī)械特性還是非線性的，仍受到臨界轉(zhuǎn)矩的限性能。但機(jī)械特性還是非線性的，仍受

29、到臨界轉(zhuǎn)矩的限制。制。l(d)恒轉(zhuǎn)子磁通控制方式可以獲得和直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)一樣恒轉(zhuǎn)子磁通控制方式可以獲得和直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)一樣的線性機(jī)械特性，性能最佳。的線性機(jī)械特性，性能最佳。5.4 電力電子變壓變頻器電力電子變壓變頻器l異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速需要電壓與頻率均可異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速需要電壓與頻率均可調(diào)的交流電源，常用的交流可調(diào)電源是由調(diào)的交流電源，常用的交流可調(diào)電源是由電力電子器件構(gòu)成的靜止式功率變換器，電力電子器件構(gòu)成的靜止式功率變換器，一般稱為變頻器。一般稱為變頻器。5.4 電力電子變壓變頻器電力電子變壓變頻器l交交-直直-交變頻器：先將恒壓恒頻的交流電整成直交變頻器：先將恒壓恒頻的交流電整成直流

30、，再將直流電逆變成電壓與頻率均為可調(diào)的交流，再將直流電逆變成電壓與頻率均為可調(diào)的交流，稱作流，稱作間接變頻間接變頻。l交交-交變頻器：將恒壓恒頻的交流電直接變換為交變頻器：將恒壓恒頻的交流電直接變換為電壓與頻率均為可調(diào)的交流電，無(wú)需中間直流環(huán)電壓與頻率均為可調(diào)的交流電，無(wú)需中間直流環(huán)節(jié)，稱作節(jié)，稱作直接變頻直接變頻。(這種方案在一個(gè)階段曾占這種方案在一個(gè)階段曾占主流，但因?yàn)樗鼘?duì)電網(wǎng)污染嚴(yán)重，且已經(jīng)有替代主流，但因?yàn)樗鼘?duì)電網(wǎng)污染嚴(yán)重，且已經(jīng)有替代品而退出主流，面臨淘汰。品而退出主流，面臨淘汰。5.4 電力電子變壓變頻器電力電子變壓變頻器圖圖5-14 變頻器結(jié)構(gòu)示意圖變頻器結(jié)構(gòu)示意圖a）交）交-直

31、直-交變頻器交變頻器b）交）交-交交變頻器變頻器 5.4.1 交直交交直交PWM變頻器主回路變頻器主回路圖圖5-15 交交-直直-交變頻器主回路結(jié)構(gòu)圖交變頻器主回路結(jié)構(gòu)圖l左邊是不可控整流橋，將三相交流電整流成電壓恒定的左邊是不可控整流橋，將三相交流電整流成電壓恒定的直流電壓。直流電壓。l右邊是逆變器，將直流電壓變換為頻率與電壓均可調(diào)的右邊是逆變器，將直流電壓變換為頻率與電壓均可調(diào)的交流電。交流電。l中間的濾波環(huán)節(jié)是為了減小直流電壓脈動(dòng)而設(shè)置的。中間的濾波環(huán)節(jié)是為了減小直流電壓脈動(dòng)而設(shè)置的。1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)l主回路只有一套可控功率級(jí)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、主回路只有一套可控功率級(jí)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控

32、制方便的優(yōu)點(diǎn)，采用脈寬調(diào)制的方法，輸出諧控制方便的優(yōu)點(diǎn)，采用脈寬調(diào)制的方法，輸出諧波分量小。波分量小。l缺點(diǎn)是當(dāng)電動(dòng)機(jī)工作在回饋制動(dòng)狀態(tài)時(shí)能量不缺點(diǎn)是當(dāng)電動(dòng)機(jī)工作在回饋制動(dòng)狀態(tài)時(shí)能量不能回饋至電網(wǎng)，造成直流側(cè)電壓上升，稱作泵升能回饋至電網(wǎng)，造成直流側(cè)電壓上升，稱作泵升電壓。電壓。2.特點(diǎn)特點(diǎn)（1）正弦波脈寬調(diào)制（）正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）技術(shù)）技術(shù)（2）消除指定諧波的）消除指定諧波的PWM（SHEPWM）控制技）控制技術(shù)術(shù)（這種方法計(jì)算工作量太大，不宜用于實(shí)時(shí)控制）（3）電流跟蹤（）電流跟蹤（F）控制技術(shù)）控制技術(shù)（）電壓空間矢量（）電壓空間矢量PWM（SVPWM)控制技術(shù)控制技術(shù) 常用常用

33、 的有（的有（1）（）（3）（）（4）三種）三種3.PWM脈寬調(diào)制的方法有四種脈寬調(diào)制的方法有四種5.4.2正弦波脈寬調(diào)制正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）技術(shù)技術(shù)l以頻率與期望的輸出電壓波相同的正弦波以頻率與期望的輸出電壓波相同的正弦波作為調(diào)制波，以頻率比期望波高得多的等腰作為調(diào)制波，以頻率比期望波高得多的等腰三角波作為載波。三角波作為載波。l由它們的交點(diǎn)確定逆變器開(kāi)關(guān)器件的通斷由它們的交點(diǎn)確定逆變器開(kāi)關(guān)器件的通斷時(shí)刻，從而獲得幅值相等、寬度按正弦規(guī)律時(shí)刻，從而獲得幅值相等、寬度按正弦規(guī)律變化的脈沖序列，這種調(diào)制方法稱作正弦波變化的脈沖序列，這種調(diào)制方法稱作正弦波脈寬調(diào)制（脈寬調(diào)制（Sinusoid

34、al pulse Width Modulation，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱SPWM）。）。圖6-5urucuOtOtuouofuoUd-Ud5.4.2 正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)圖6-19 三相橋式PWM逆變器主電路原理圖調(diào)制電路V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4ucV6VD6V5VD5VUWNNC+C+urUurVurW2Ud2UdVT1VT4VT3VT6VT5VT25.4.2 正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)圖圖5-17 三相三相PWM逆變器雙極逆變器雙極性性SPWM波形波形a) 三相正弦調(diào)制波與三相正弦調(diào)制波與雙極性三角載波雙極性三角載波b）、）、c）、）、d）三相）三相電壓電壓

35、e）輸出線電壓）輸出線電壓f）電動(dòng)機(jī)相電壓）電動(dòng)機(jī)相電壓調(diào)制波調(diào)制波ur它與期望的變頻器輸出電壓基波的頻率和相位相它與期望的變頻器輸出電壓基波的頻率和相位相同，幅值成正比。同，幅值成正比。Uc為三角載波為三角載波,Uda1去驅(qū)動(dòng)去驅(qū)動(dòng)A相上橋臂，相上橋臂， Uda4驅(qū)動(dòng)下橋臂開(kāi)關(guān)器件，則驅(qū)動(dòng)下橋臂開(kāi)關(guān)器件，則A相輸出電壓相輸出電壓UAO為序列為序列脈沖，其基波頻率和相位與脈沖，其基波頻率和相位與UA相同，幅值與相同，幅值與Ur成正比。成正比。在調(diào)制度為在調(diào)制度為1 時(shí)，時(shí)， UAO的基波幅值為的基波幅值為1/2Ud，而線電，而線電壓的幅值為壓的幅值為0.866Ud,因此直流電壓的利用率只有因此

36、直流電壓的利用率只有0.866.這是這是SPWM調(diào)制技術(shù)的主要缺點(diǎn)。調(diào)制技術(shù)的主要缺點(diǎn)。上圖表示自然采樣法，此法不易實(shí)現(xiàn)，通常采用規(guī)則采樣上圖表示自然采樣法，此法不易實(shí)現(xiàn)，通常采用規(guī)則采樣法，規(guī)則采樣法是由微處理器的數(shù)字式波形發(fā)生器實(shí)現(xiàn)法，規(guī)則采樣法是由微處理器的數(shù)字式波形發(fā)生器實(shí)現(xiàn)的。的。5.4.4 電流跟蹤電流跟蹤PWM（CFPWM）控制技術(shù)）控制技術(shù)l電流跟蹤電流跟蹤PWM（CFPWM，Current Follow PWM）的控）的控制方法是：制方法是：l在原來(lái)主回路的基礎(chǔ)上，采用電流閉環(huán)控制，使實(shí)際電在原來(lái)主回路的基礎(chǔ)上，采用電流閉環(huán)控制，使實(shí)際電流快速跟隨給定值。流快速跟隨給定值。l

37、在穩(wěn)態(tài)時(shí)，盡可能使實(shí)際電流接近正弦波形，這就能比在穩(wěn)態(tài)時(shí)，盡可能使實(shí)際電流接近正弦波形，這就能比電壓控制的電壓控制的SPWM獲得更好的性能。獲得更好的性能。圖圖5-19 電流滯環(huán)跟蹤控制的電流滯環(huán)跟蹤控制的A相原理圖相原理圖5.4.4 電流跟蹤電流跟蹤PWM（CFPWM）控制技術(shù)）控制技術(shù)l電流控制器是帶滯環(huán)的比較器，環(huán)寬為電流控制器是帶滯環(huán)的比較器，環(huán)寬為2h。將給定電流與輸出電流進(jìn)行比較，電流偏差將給定電流與輸出電流進(jìn)行比較，電流偏差超過(guò)超過(guò)h時(shí)，經(jīng)滯環(huán)控制器時(shí)，經(jīng)滯環(huán)控制器HBC控制逆變器控制逆變器上（或下）橋臂的功率器件動(dòng)作。上（或下）橋臂的功率器件動(dòng)作。三相電流跟蹤型PWM逆變電路

38、+-iUi*UV4+-iVi*V+-iWi*WV1V6V3V2V5UdUVWVT1VT4VT6VT2VT3VT55.4.4 電流跟蹤電流跟蹤PWM（CFPWM）控制技術(shù)）控制技術(shù)l電流滯環(huán)跟蹤控制方法的電流滯環(huán)跟蹤控制方法的精度高、響應(yīng)快，且易于精度高、響應(yīng)快，且易于實(shí)現(xiàn)。但功率開(kāi)關(guān)器件的實(shí)現(xiàn)。但功率開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)頻率不定。開(kāi)關(guān)頻率不定。5.4.4 電流跟蹤電流跟蹤PWM（CFPWM）控制技術(shù)）控制技術(shù)l電流跟蹤控制的精度與滯環(huán)的寬度有關(guān)，同時(shí)還電流跟蹤控制的精度與滯環(huán)的寬度有關(guān)，同時(shí)還受到功率開(kāi)關(guān)器件允許開(kāi)關(guān)頻率的制約。受到功率開(kāi)關(guān)器件允許開(kāi)關(guān)頻率的制約。l當(dāng)環(huán)寬選得較大時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率低，但電

39、流波形失當(dāng)環(huán)寬選得較大時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率低，但電流波形失真較多，諧波分量高；真較多，諧波分量高；l如果環(huán)寬小，如果環(huán)寬小，電流跟蹤性能好電流跟蹤性能好，但開(kāi)關(guān)頻率卻增，但開(kāi)關(guān)頻率卻增大了。大了。l實(shí)際使用中，應(yīng)在器件開(kāi)關(guān)頻率允許的前提下，實(shí)際使用中，應(yīng)在器件開(kāi)關(guān)頻率允許的前提下，盡可能選擇小的環(huán)寬。盡可能選擇小的環(huán)寬。5.4.5 電壓空間矢量電壓空間矢量PWM（SVPWM）控制技術(shù)）控制技術(shù)l把逆變器和交流電動(dòng)機(jī)視為一體，以把逆變器和交流電動(dòng)機(jī)視為一體，以圓形圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)為目標(biāo)來(lái)控制逆變器的工作，這種為目標(biāo)來(lái)控制逆變器的工作，這種控制方法稱作控制方法稱作“磁鏈跟蹤控制磁鏈跟蹤控制”，磁鏈軌跡

40、，磁鏈軌跡的控制是通過(guò)交替使用不同的的控制是通過(guò)交替使用不同的電壓空間矢量電壓空間矢量實(shí)現(xiàn)的，所以又稱實(shí)現(xiàn)的，所以又稱“電壓空間矢量電壓空間矢量PWM（SVPWM，Space Vector PWM）控制）控制”。1.空間矢量的定義空間矢量的定義l交流電動(dòng)機(jī)繞組的電壓、電流、磁鏈等物理量都是交流電動(dòng)機(jī)繞組的電壓、電流、磁鏈等物理量都是隨時(shí)間變化的，如果考慮到它們所在繞組的空間位置，隨時(shí)間變化的，如果考慮到它們所在繞組的空間位置，可以定義為可以定義為空間矢量空間矢量。l 定義三相定子電壓空間矢量定義三相定子電壓空間矢量 2AOjBOjCOkukuekueAOBOCOuuu32k為待定系數(shù)為待定系數(shù)

41、 1）定子電壓空間矢量）定子電壓空間矢量2jjAOBOCOkukuekuesAOBOCOuuuu圖圖5-21 電壓空間矢量電壓空間矢量000AOBOCOuuu的合成矢量的合成矢量 l2）定子電流空間矢量）定子電流空間矢量 2jjAOBOCOkikiekiesAOBOCOiiii2jjAOBOCOkkekesAOBOCOl3）定子磁鏈空間矢量）定子磁鏈空間矢量 l4）功率空間矢量）功率空間矢量2222222p =Re()Re()()()Re()s sjjjjAOBOCOAOBOCOAO AOBO BOCO COjjjBO AOCO AOAO BOjjjCO BOAO COBO COkuueuei

42、ieiekuiuiuikuieuieuieuieuieuieu iss、ii共軛矢量共軛矢量 考慮到考慮到 0AOBOCOiii232233p =()22AO AOBO BOCO COkuiuiuik pp=AO AOBO BOCO COuiuiuil按空間矢量功率與三相瞬時(shí)功率相等的原則按空間矢量功率與三相瞬時(shí)功率相等的原則 23k三相瞬時(shí)功率三相瞬時(shí)功率)(21)(Re2222COCOBOBOAOAOjCOBOjCOAOjBOCOjBOAOjAOCOjAOBOiuiuiukeiueiueiueiueiueiuk2.空間矢量表達(dá)式空間矢量表達(dá)式 22()3jjAOBOCOuueuesu22(

43、)3jjAOBOCOiieiesi22()3jjAOBOCOees32smUUl當(dāng)定子相電壓為三相平衡正弦電壓時(shí)當(dāng)定子相電壓為三相平衡正弦電壓時(shí)112111224cos()cos()cos()33332jjmmmjtjtmsUtUteUteU eU esAOBOCOuuuu23us是一個(gè)以電源頻率是一個(gè)以電源頻率1為角速度作恒速旋轉(zhuǎn)的空為角速度作恒速旋轉(zhuǎn)的空間矢量間矢量，當(dāng)某一相電壓為最大值，當(dāng)某一相電壓為最大值 時(shí)，合成矢量時(shí)，合成矢量us就落在就落在該相該相 繞組的軸線上繞組的軸線上3.三相合成矢量三相合成矢量us4.電壓空間矢量與磁鏈空間矢量的關(guān)系電壓空間矢量與磁鏈空間矢量的關(guān)系 l合成

44、空間矢量表示的定子電壓方程式合成空間矢量表示的定子電壓方程式 忽略定子電阻壓降，定子合成電壓與合成磁鏈空間矢忽略定子電阻壓降，定子合成電壓與合成磁鏈空間矢量的近似關(guān)系為量的近似關(guān)系為dtdRssssiudtdssu dtssu或或l當(dāng)電動(dòng)機(jī)由三相平衡正弦電壓供電時(shí)，電動(dòng)機(jī)當(dāng)電動(dòng)機(jī)由三相平衡正弦電壓供電時(shí)，電動(dòng)機(jī)定子磁鏈幅值恒定，其空間矢量以恒速旋轉(zhuǎn)，磁定子磁鏈幅值恒定，其空間矢量以恒速旋轉(zhuǎn)，磁鏈?zhǔn)噶宽敹说倪\(yùn)動(dòng)軌跡呈圓形（簡(jiǎn)稱為磁鏈圓）。鏈?zhǔn)噶宽敹说倪\(yùn)動(dòng)軌跡呈圓形（簡(jiǎn)稱為磁鏈圓）。l定子磁鏈?zhǔn)噶慷ㄗ哟沛準(zhǔn)噶?(1tjsesl定子電壓矢量定子電壓矢量111()()()211()jtsjtjtssd

45、edtjeesu電壓與磁鏈空間矢量的關(guān)系電壓與磁鏈空間矢量的關(guān)系 1)磁鏈的運(yùn)動(dòng)方向與電壓空間矢量的運(yùn)動(dòng)方向一致。磁鏈的運(yùn)動(dòng)方向與電壓空間矢量的運(yùn)動(dòng)方向一致。2)因此，因此，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的軌跡問(wèn)題就轉(zhuǎn)化為電壓空電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的軌跡問(wèn)題就轉(zhuǎn)化為電壓空間矢量的軌跡問(wèn)題。間矢量的軌跡問(wèn)題。ssU15.PWM逆變器輸出基本電壓矢量逆變器輸出基本電壓矢量lPWM逆變器共有逆變器共有8種工作狀態(tài)種工作狀態(tài) 當(dāng)當(dāng) 100ABCSSSuuu222dddABCUUU2423322(1)(1)3 23 2224242(1 coscos)(sinsin)3 233333jjjjddddUUeeeeUjU1u8個(gè)基

46、本空間矢量個(gè)基本空間矢量依此類推，可得依此類推，可得8個(gè)基本空間矢量個(gè)基本空間矢量 。當(dāng)當(dāng) 1 10ABCSSSuuu222dddABCUUU2423332(1)(1)3 2222424(1 coscos)(sinsin)3 2333322(13)3 23jjjjdddjddUUeeeeUjUjU e2u16uul2個(gè)零矢量個(gè)零矢量l6個(gè)有效工作矢量個(gè)有效工作矢量07uu、幅值為幅值為 23dU空間互差空間互差 33132kjdkeUu6.正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) 16uu6Tt l6個(gè)有效工作矢量完成一個(gè)周期，輸出基波個(gè)有效工作矢量完成一個(gè)周期，輸出基波l電壓角頻率電壓角頻率

47、 l6個(gè)有效工作矢量個(gè)有效工作矢量也即每個(gè)有效工作矢量作用也即每個(gè)有效工作矢量作用 3順序分別作用順序分別作用t時(shí)間，并使時(shí)間，并使 t31正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) k=1,2,3,4,5,6 l定子磁鏈?zhǔn)噶康脑隽慷ㄗ哟沛準(zhǔn)噶康脑隽?tss = u(1)3( )( )23sskjdkktUt e ul定子磁鏈?zhǔn)噶窟\(yùn)動(dòng)方向與電壓矢量相同，增量定子磁鏈?zhǔn)噶窟\(yùn)動(dòng)方向與電壓矢量相同，增量的幅值等于的幅值等于23dUt正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) l定子磁鏈?zhǔn)噶康倪\(yùn)動(dòng)軌定子磁鏈?zhǔn)噶康倪\(yùn)動(dòng)軌跡為跡為 圖圖5-25 定子磁鏈?zhǔn)噶吭隽慷ㄗ哟沛準(zhǔn)噶吭隽?1)( )( )( )( )s

48、sssskkkkk t us的旋轉(zhuǎn)方向，也是的旋轉(zhuǎn)方向，也是us的方向的方向正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) 圖圖5-26 正六邊形定子磁鏈軌跡正六邊形定子磁鏈軌跡l在一個(gè)周期內(nèi)，在一個(gè)周期內(nèi)，6個(gè)有個(gè)有效工作矢量效工作矢量順序順序作用一作用一次，定子磁鏈?zhǔn)噶渴且淮危ㄗ哟沛準(zhǔn)噶渴且粋€(gè)封閉的正六邊形。個(gè)封閉的正六邊形。l六邊形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)帶有較大的諧波分量，六邊形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)帶有較大的諧波分量，這將這將導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的脈動(dòng)導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的脈動(dòng)。不能應(yīng)用于。不能應(yīng)用于變頻調(diào)速系統(tǒng)。解決的方法是采用正多邊變頻調(diào)速系統(tǒng)。解決的方法是采用正多邊形的磁鏈軌跡，如正十二邊形，正二十四形的磁鏈軌跡，如正十二

49、邊形，正二十四邊形邊形1）基本思想）基本思想l按空間矢量的平行四邊形合成法則，按空間矢量的平行四邊形合成法則，用相鄰的兩個(gè)有效工作矢量用相鄰的兩個(gè)有效工作矢量合成期望的輸出矢量合成期望的輸出矢量，這就是電壓空間矢量，這就是電壓空間矢量PWM（SVPWM）的）的基本思想。基本思想。l按按6個(gè)有效工作矢量將電壓矢量空間分為對(duì)稱的六個(gè)扇區(qū)，個(gè)有效工作矢量將電壓矢量空間分為對(duì)稱的六個(gè)扇區(qū)，當(dāng)期當(dāng)期望輸出電壓矢量落在某個(gè)扇區(qū)內(nèi)時(shí)望輸出電壓矢量落在某個(gè)扇區(qū)內(nèi)時(shí)，就用與期望輸出電壓矢量相，就用與期望輸出電壓矢量相鄰的鄰的2個(gè)有效工作矢量等效地合成期望輸出矢量個(gè)有效工作矢量等效地合成期望輸出矢量。7.期望電壓

50、空間矢量期望電壓空間矢量2）電壓空間矢量的六個(gè)）電壓空間矢量的六個(gè)扇區(qū)扇區(qū)圖圖5-27 電壓空間矢量的電壓空間矢量的6個(gè)扇區(qū)個(gè)扇區(qū)l按按6個(gè)有效工作個(gè)有效工作矢量將電壓矢量矢量將電壓矢量空間分為對(duì)稱的空間分為對(duì)稱的六個(gè)扇區(qū)，每個(gè)六個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)對(duì)應(yīng)扇區(qū)對(duì)應(yīng)33）以正十二邊形磁鏈軌跡為例，）以正十二邊形磁鏈軌跡為例，如圖示。若初始磁鏈為如圖示。若初始磁鏈為s（0），在磁鏈的），在磁鏈的扇區(qū)，扇區(qū)， s（0）的起點(diǎn)為）的起點(diǎn)為A點(diǎn)，正十二點(diǎn)，正十二邊形的邊為邊形的邊為AB，根據(jù)前述原理，根據(jù)前述原理，AB的邊的邊的方向既是的方向既是s的旋轉(zhuǎn)方向，也是的旋轉(zhuǎn)方向，也是us的方向，的方向，但但us不

51、是基本的電壓矢量，要獲得不是基本的電壓矢量，要獲得us，可，可采用基本矢量的線性組合。采用基本矢量的線性組合。us落在電壓空落在電壓空間矢量的間矢量的I扇區(qū)扇區(qū).l在在AB段，是電壓空間矢量段，是電壓空間矢量圖圖5-28 期望輸出電壓矢量的合成期望輸出電壓矢量的合成的夾角的夾角 的線性組合的線性組合1usu) 1 (s為為2u1u與與su) 2 (s每個(gè)扇區(qū)為一個(gè)開(kāi)關(guān)周期每個(gè)扇區(qū)為一個(gè)開(kāi)關(guān)周期T0，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期 T0圖5-28 期望輸出電壓矢量的合成的作用時(shí)間的作用時(shí)間 為為1u2u1t的作用時(shí)間為的作用時(shí)間為2t121200123002233sjddttTTttUU eTTu

52、uu合成電壓矢量合成電壓矢量l由正弦定理可得由正弦定理可得解得解得 120022332sinsin()sin33ddsttUUTTus012sin()3du TtUs022usindTtU兩個(gè)基本矢量作用時(shí)間之和應(yīng)滿足兩個(gè)基本矢量作用時(shí)間之和應(yīng)滿足ss1202u2usin()sin cos()136ddttTUU2100ttTt當(dāng)當(dāng) l輸出電壓矢量最大幅值輸出電壓矢量最大幅值 6120ttTsmax2dUu其余時(shí)間可用零矢量其余時(shí)間可用零矢量u0和和u7來(lái)填補(bǔ)來(lái)填補(bǔ)l零矢量的作用時(shí)間零矢量的作用時(shí)間 取決于取決于us與與u1的夾角，對(duì)于正十二邊形，在一個(gè)磁鏈扇區(qū)，的夾角，對(duì)于正十二邊形，在一個(gè)

53、磁鏈扇區(qū)，每個(gè)開(kāi)關(guān)器件換相兩次，在第一換相周期每個(gè)開(kāi)關(guān)器件換相兩次，在第一換相周期1=150，在第二，在第二個(gè)換相周期個(gè)換相周期2=450最大最大ss1202u2usin()sin cos()136ddttTUU3）電壓空間矢量的合成的優(yōu)點(diǎn)）電壓空間矢量的合成的優(yōu)點(diǎn)： l當(dāng)定子相電壓為三相平衡正弦電壓時(shí)，三當(dāng)定子相電壓為三相平衡正弦電壓時(shí)，三相合成矢量幅值相合成矢量幅值 l基波相電壓最大幅值基波相電壓最大幅值 l基波線電壓最大幅值基波線電壓最大幅值 32smUUmaxmax3lmmdUUUmaxmax233dmsUUusmax2dUu期望電壓空間矢量的合成期望電壓空間矢量的合成 lSPWM的基

54、波線電壓最大幅值為的基波線電壓最大幅值為 兩者之比兩者之比 lSVPWM方式的逆變器輸出線電壓基波最大值為直流側(cè)電壓，方式的逆變器輸出線電壓基波最大值為直流側(cè)電壓，比比SPWM逆變器輸出電壓最多提高了約逆變器輸出電壓最多提高了約15%。23maxdlmUU1.1532maxmaxlmlmUU8.SVPWM的實(shí)現(xiàn)的實(shí)現(xiàn) l通常以通常以開(kāi)關(guān)損耗開(kāi)關(guān)損耗和和諧波分量諧波分量都較小為原都較小為原則，來(lái)安排基本矢量和零矢量的作用順序，則，來(lái)安排基本矢量和零矢量的作用順序，一般在一般在減少開(kāi)關(guān)次數(shù)減少開(kāi)關(guān)次數(shù)的同時(shí)，盡量使的同時(shí)，盡量使PWM輸出波型輸出波型對(duì)稱，以減少諧波分量。對(duì)稱，以減少諧波分量。 (

55、1)零矢量集中的實(shí)現(xiàn)方法零矢量集中的實(shí)現(xiàn)方法 1) 按照對(duì)稱原則，將兩個(gè)基本電壓矢量的作用時(shí)間按照對(duì)稱原則，將兩個(gè)基本電壓矢量的作用時(shí)間平分為二后，安放在開(kāi)關(guān)周期的首端和末端。平分為二后，安放在開(kāi)關(guān)周期的首端和末端。2) 零矢量的作用時(shí)間放在開(kāi)關(guān)周期的中間，并按開(kāi)零矢量的作用時(shí)間放在開(kāi)關(guān)周期的中間，并按開(kāi)關(guān)次數(shù)最少的原則選擇零矢量。關(guān)次數(shù)最少的原則選擇零矢量。l特點(diǎn)：在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，有一相的狀態(tài)保持不特點(diǎn)：在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，有一相的狀態(tài)保持不變，從一個(gè)矢量切換到另一個(gè)矢量時(shí)，只有一相狀變，從一個(gè)矢量切換到另一個(gè)矢量時(shí)，只有一相狀態(tài)發(fā)生變化，因而態(tài)發(fā)生變化，因而開(kāi)關(guān)次數(shù)少，開(kāi)關(guān)損耗小開(kāi)關(guān)次數(shù)少

56、，開(kāi)關(guān)損耗小。 零矢量集中的實(shí)現(xiàn)方法零矢量集中的實(shí)現(xiàn)方法 圖圖5-29 零矢量集中的零矢量集中的SVPWM實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)(2)零矢量分散的實(shí)現(xiàn)方法零矢量分散的實(shí)現(xiàn)方法 l將零矢量平均分為將零矢量平均分為4份，在開(kāi)關(guān)周期的首、尾份，在開(kāi)關(guān)周期的首、尾各放各放1份，在中間放兩份。份，在中間放兩份。l將兩個(gè)基本電壓矢量的作用時(shí)間平分為二后，將兩個(gè)基本電壓矢量的作用時(shí)間平分為二后，插在零矢量間。插在零矢量間。l按開(kāi)關(guān)次數(shù)最少的原則選擇矢量。按開(kāi)關(guān)次數(shù)最少的原則選擇矢量。零矢量分散的實(shí)現(xiàn)方法零矢量分散的實(shí)現(xiàn)方法 圖圖5-30 零矢量分布的零矢量分布的SVPWM實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)零矢量分散的實(shí)現(xiàn)方法零矢量分散的實(shí)現(xiàn)方法

57、l特點(diǎn)：每個(gè)周期均以零矢量開(kāi)始，并以特點(diǎn)：每個(gè)周期均以零矢量開(kāi)始，并以零矢量結(jié)束。零矢量結(jié)束。l從一個(gè)矢量切換到另一個(gè)矢量時(shí)，只有從一個(gè)矢量切換到另一個(gè)矢量時(shí)，只有一相狀態(tài)發(fā)生變化。一相狀態(tài)發(fā)生變化。l在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，三相狀態(tài)均各變化在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，三相狀態(tài)均各變化一次，開(kāi)關(guān)損耗略大于零矢量集中的方法。一次，開(kāi)關(guān)損耗略大于零矢量集中的方法。8.SVPWM控制的定子磁鏈控制的定子磁鏈 l將占據(jù)將占據(jù)/3的定子磁鏈?zhǔn)噶寇壽E等分為的定子磁鏈?zhǔn)噶寇壽E等分為N個(gè)小區(qū)個(gè)小區(qū)間，每個(gè)小區(qū)間所占的時(shí)間間，每個(gè)小區(qū)間所占的時(shí)間 NT103l定子磁鏈?zhǔn)噶寇壽E為正定子磁鏈?zhǔn)噶寇壽E為正6N邊形，軌跡更接邊形，軌跡

58、更接近于圓，諧波分量小，能有效減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。近于圓，諧波分量小，能有效減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。SVPWM控制的定子磁鏈控制的定子磁鏈 l在每個(gè)小區(qū)間內(nèi)，定在每個(gè)小區(qū)間內(nèi)，定子磁鏈?zhǔn)噶康脑隽繛樽哟沛準(zhǔn)噶康脑隽繛閳D圖5-31 期望的定子磁鏈?zhǔn)噶寇壽E期望的定子磁鏈?zhǔn)噶寇壽E 0)()(Tkkssu非基本電壓量必非基本電壓量必須用兩個(gè)基本矢量須用兩個(gè)基本矢量合成。合成。( )skuSVPWM控制的定子磁鏈控制的定子磁鏈 l為了產(chǎn)生為了產(chǎn)生 l定子磁鏈?zhǔn)噶康脑隽繛槎ㄗ哟沛準(zhǔn)噶康脑隽繛?(0)s51212361000022(0)33jsddttttU eUTTTTuuu53016211222(0)(0)33jssdd

59、TtttU etUuuu7步完成步完成的定子磁鏈的定子磁鏈，采用零矢量分散實(shí)現(xiàn)的方法，采用零矢量分散實(shí)現(xiàn)的方法 圖圖5-32定子磁鏈?zhǔn)噶康倪\(yùn)動(dòng)定子磁鏈?zhǔn)噶康倪\(yùn)動(dòng)的的7步軌跡步軌跡211616211.(0,1)02.(0,2)23.(0,3)2(0,*)4.(0,4)05.(0,5)26.(0,6)27.(0,7)0ssssssssttttuuuuSVPWM控制的定子磁鏈控制的定子磁鏈 弧度內(nèi)實(shí)際的定子弧度內(nèi)實(shí)際的定子圖圖5-33 N=4時(shí)，實(shí)際的定子磁鏈?zhǔn)噶寇壽E時(shí)，實(shí)際的定子磁鏈?zhǔn)噶寇壽E3磁鏈?zhǔn)噶寇壽E磁鏈?zhǔn)噶寇壽E l定子磁鏈?zhǔn)噶寇壽E定子磁鏈?zhǔn)噶寇壽E 合成和要用21)3(),2(uussSVPW

60、M控制的定子磁鏈控制的定子磁鏈 弧度的定子圖圖5-34 定子旋轉(zhuǎn)磁鏈?zhǔn)噶寇壽E定子旋轉(zhuǎn)磁鏈?zhǔn)噶寇壽E磁鏈?zhǔn)噶寇壽E l定子磁鏈?zhǔn)噶寇壽E定子磁鏈?zhǔn)噶寇壽E 20SVPWM控制的定子磁鏈控制的定子磁鏈 l實(shí)際的定子磁鏈?zhǔn)噶寇壽E在期望的磁鏈實(shí)際的定子磁鏈?zhǔn)噶寇壽E在期望的磁鏈圓周?chē)▌?dòng)。圓周?chē)▌?dòng)。N越大，磁鏈軌跡越接近于越大，磁鏈軌跡越接近于圓，但開(kāi)關(guān)頻率隨之增大。圓，但開(kāi)關(guān)頻率隨之增大。l由于由于N是有限的，所以磁鏈軌跡只能接是有限的，所以磁鏈軌跡只能接近于圓，而不可能等于圓。近于圓，而不可能等于圓。SVPWM控制有以下的特點(diǎn)控制有以下的特點(diǎn) 1）8個(gè)基本輸出矢量，個(gè)基本輸出矢量，6個(gè)有效工作矢量和個(gè)有效