变频调速的基本控制方式和机械特性1(3-4).方案

图6-23 电流滞环跟踪控制时的电流波形a) 电流波形b) 电压波形图6-25 电压空间矢量定义三个定子电压空间矢量A0u ，B0u ，C0u ，使它们的方向始终处于各相绕组的轴线上，而大小则随时间按正弦规律脉动，时间相位互相错开的角度也是°。

三相定子电压空间矢量的合成空间矢量s u 是一个旋转的空间矢量，它的幅倍，当电源频率不变时，为电气角速度作恒速旋转。

当某一相电压为最大值时，合成电压矢量在该相的轴线上。

合成空间矢量C0B0A0s u u u u ++=可以定义定子电流和磁链的空间矢量s I 和s Ψ。

电压与磁链空间矢量的关系用合成空间矢量表示的定子电压方程式：R s u =很低时，定子电阻压降所占的成分很小，可忽略不计，则定子合成电压与合成磁链dtd sΨ或⎰≈dt s s u Ψ。

当电动机由三相平衡正弦电压供电时，电动机定子磁链幅值恒定，以恒速旋转，磁链矢量顶端的运动轨迹呈圆形（称为磁链圆）。

6-26 旋转磁场与电压空间矢量的运动轨迹六拍阶梯波逆变器与正六边形空间旋转磁场种工作状态，6种工作状态是有效的，因为逆变器这时并没有输出电压，称为“零矢量”对于六拍阶梯波的逆变器，在其输出的每个周期中3/π时刻就切换一次工作状态（即换相）刻内则保持不变。

随着逆变器工作状态的切换，电压空间矢量的幅值不变，而相位直到一个周期结束。

在一个周期中6形成一个封闭的正六边形，如图6-28所示。

由电压空间矢量运动所形成的正六边形轨迹也可以看作是异步电动机定子磁设定子磁链空间矢量为1Ψ，在第一个3π期间，施加的电压空间矢量为内，产生一个增量依此类推，可以写成 Ψ∆的通式，i Ψ的方向决定于所施加的电压图6-31 逼近圆形时的磁链增量轨迹表示由电压空间矢量1u 和2u 的线性组合构成新的电压矢量θθsin cos s j u + 中，1t 处于1u ，2t 处于2u ，s u 与矢量图6-32 电压空间矢量的线性组合用相电压表示合成电压空间矢量的定义，把相电压的时间函数和空间相位分开γ20)(j C e t u ，︒=120γ，当各功率开关处于不同状态时，线电压可取值为⎢⎢⎣⎡ ⎝⎛+=⎥⎥⎦⎤⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎥⎦⎤⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=010230201322321t T t U j e T t T t U e U d j d j d ππd U T t ⎪⎪⎭⎫022，s sin =θu d θsin ， 由旋转磁场所需的频率决定，0T 与21t t +未必相等，来填补。

变频器的四种控制方式详解一、V/f恒定控制：V/f控制是在改变电动机电源频率的同时改变电动机电源的电压，使电动机磁通保持一定，在较宽的调速范围内，电动机的效率，功率因数不下降。

因为是控制电压(Voltage)与频率(Frequency)之比，称为V/f控制。

恒定V/f控制存在的主要问题是低速性能较差，转速极低时，电磁转矩无法克服较大的静摩擦力，不能恰当的调整电动机的转矩补偿和适应负载转矩的变化; 其次是无法准确的控制电动机的实际转速。

由于恒V/f变频器是转速开环控制，由异步电动机的机械特性图可知，设定值为定子频率也就是理想空载转速，而电动机的实际转速由转差率所决定，所以V/f恒定控制方式存在的稳定误差不能控制，故无法准确控制电动机的实际转速。

二、转差频率控制：转差频率是施加于电动机的交流电源频率与电动机速度的差频率。

根据异步电动机稳定数学模型可知，当频率一定时，异步电动机的电磁转矩正比于转差率，机械特性为直线。

转差频率控制就是通过控制转差频率来控制转矩和电流。

转差频率控制需要检出电动机的转速，构成速度闭环，速度调节器的输出为转差频率，然后以电动机速度与转差频率之和作为变频器的给定频率。

与V/f控制相比，其加减速特性和限制过电流的能力得到提高。

另外，它有速度调节器，利用速度反馈构成闭环控制，速度的静态误差小。

然而要达到自动控制系统稳态控制，还达不到良好的动态性能。

三、矢量控制矢量控制，也称磁场定向控制它是70年代初由西德F.Blasschke等人首先提出，以直流电机和交流电机比较的方法阐述了这一原理。

由此开创了交流电动机和等效直流电动机的先河。

矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子交流电流Ia、Ib、Ic。

通过三相-二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1、Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1(Im1相当于直流电动机的励磁电流; It1相当于直流电动机的电枢电流)，然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换实现对异步电动机的控制。

电动机知识变频器的六大调速方法1.变极对数调速方法这种调速方法是用改变定子绕组的接线方式来改变笼型电动机定子极对数达到调速目的，特点如下：具有较硬的机械特性，稳定性良好；无转差损耗，效率高；接线简单、控制方便、价格低；有级调速，级差较大，不能获得平滑调速；可以与调压调速、电磁转差离合器配合使用，获得较高效率的平滑调速特性。

本方法适用于不需要无级调速的生产机械，如金属切削机床、升降机、起重设备、风机、水泵等。

二、[1]方法变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。

变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交流-直流-交流变频器和交流-交流变频器两大类，目前国内大都使用交-直-交变频器。

其特点：效率高，调速过程中没有附加损耗；应用范围广，可用于笼型异步电动机；调速范围大，特性硬，精度高；技术复杂，造价高，维护检修困难。

本方法适用于要求精度高、调速性能较好场合。

变频调速分为基频以下调速和基频以上调速，基频以下调速属于恒转矩调速方式，基频以上调速属于恒功率调速方式。

2.串级调速方法串级调速是指绕线式电动机转子回路中串入可调节的附加电势来改变电动机的转差，达到调速的目的。

大部分转差功率被串入的附加电势所吸收，再利用产生附加的装置，把吸收的转差功率返回电网或转换能量加以利用。

根据转差功率吸收利用方式，串级调速可分为电机串级调速、机械串级调速及晶闸管串级调速形式，多采用晶闸管串级调速，其特点为：可将调速过程中的转差损耗回馈到电网或生产机械上，效率较高；装置容量与调速范围成正比，投资省，适用于调速范围在额定转速70%-90%的生产机械上；调速装置故障时可以切换至全速运行，避免停产；晶闸管串级调速功率因数偏低，谐波影响较大。

本方法适合于风机、水泵及轧钢机、矿井提升机、挤压机上使用。

变频器调速原理及调速方法3.绕线式电动机转子串电阻调速方法绕线式异步电动机转子串入附加电阻，使电动机的转差率加大，电动机在较低的转速下运行。

变频器的控制方式及合理选用1.变频器的控制方式低压通用变频器输出电压在380~650V，输出功率在0.75~400KW，工作频率在0~400HZ，它的主电路都采用交-直-交电路。

其控制方式经历以下四代。

（1）第一代以U/f=C，正弦脉宽调制（SPWM）控制方式。

其特点是：控制电路结构简单、成本较低，但系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电机利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差等。

（2）第二代以电压空间矢量（磁通轨迹法），又称SPWM控制方式。

他是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形。

以内切多边形逼近圆的方式而进行控制的。

经实践使用后又有所改进：引入频率补偿，能消除速度控制的误差；通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流成闭环，以提高动态的精度和稳定度。

但控制电路环节较多，且没有引入转矩的调节，所以系统性能没有得到根本改善。

（3）第三代以矢量控制（磁场定向法）又称VC控制。

其实质是将交流电动机等效直流电动机，分别对速度、磁场两个分量进行独立控制。

通过控制转子磁链，以转子磁通定向，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。

然而转子磁链难以准确观测，以及矢量变换的复杂性，实际效果不如理想的好。

（4）第四代以直接转矩控制，又称DTC控制。

其实质不是间接的控制电流、磁链等量，而是把转矩直接作为被控制量来实现的。

具体方法是：a.控制定子磁链——引入定子磁链观测器，实现无速度传感器方式；b.自动识别（ID）——依靠精确的电机数学模型，对电机参数自动识别；c.算出实际值——对定子阻抗、互感、磁饱和因素、惯量等算出实际的转矩、定子磁链、转子速度进行实时控制；d.实现Band-Band 控制——按磁链和转矩的Band-Band 控制产生PWM信号，对逆变器开关状态进行控制；e.具有快速的转矩响应（〈2ms），很高的速度精度（±2%，无PG反馈），高转矩精度（〈±3%）；f.具有较高的起动转矩及高转矩精度，尤其在低速时（包括0速度时）,可输出150% ~200%转矩。

交流电动机变频调速控制方案（１）开环控制（2）无速度传感器的矢量控制（3）带速度传感器矢量控制（ 4）永磁同步电动机开环控制6-12、试分析三相SPWM的控制原理。

在PWM型逆变电路中，使用最多的是图6-43a的三相桥式逆变电路，其控制方式一般都采用双极性方式。

U、V和W三相的PWM控制通常公用一个三角波载波uc，三相调制信号U ru , U rv 和, U rw的相位依次相差1200。

U、V和W各相功率开关器件的控制规律相同，现以U 相为例来说明。

当Uru > uc时，给上桥臂晶体管V1以导通信号，给下桥臂晶体管V4以关断信号，则U相相对于直流电源假想中点N’的输出电压UUN’= Ud/2。

当Uru < uc时，给V4以导通信号，给V1以关断信号，则UUN’=Ud／2。

V1和V4的驱动信号始终是互补的。

当给V1（V4）加导通信号时，可能是V1（V4）导通，也可能二极管VD1（VD4）续流导通，这要由感性负载中原来电流的方向和大小来决定，和单相桥式逆变电路双极性SPWM控制时的情况相同。

V相和W相的控制方式和U相相同。

UUN’、 UVN’和Uwn’的波形如图6-43b 所示。

可以看出，这些波形都只有±Ud两种电平。

像这种逆变电路相电压（uUN’、uVN’和uWN’）只能输出两种电平的三相桥式电路无法实现单极性控制。

图中线电压UUV的波形可由UUN’― UVN’得出。

可以看出，当臂1和6导通时，UUV = Ud，当臂3和4导通时，UUV =―Ud，当臂1和3或4和6导通时，Uuv=0，因此逆变器输出线电压由+Ud、-Ud、0三种电平构成。

负载相电压UUN可由下式求得（6-18）从图中可以看出，它由（±2/3）Ud，（±1/3）Ud和0共5种电平组成。

(a) (b)图6-43三相SPWM逆变电路及波形在双极性SPWM控制方式中，同一相上下两个臂的驱动信号都是互补的。

变频调速的基本方式在电机调速时，一个重要的因素就是希望保持磁通不变量m Φ为额定值不变。

如果磁通太弱没有充分利用铁心，是一种浪费；若要增大磁通，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组果然热而损坏电机。

对于直流电机，励磁系统是独立的，只要对电枢反应的补偿合适，保持m Φ不变时很容易做到的。

在交流异步电机中，磁通是定子和转子磁势合成产生的。

三相异步电机每相电动势的有效值：·m N g k N f E Φ=11144.4 （1—1）式中：g E ——气隙磁通在定子每相中感应电动势有效值，单位为V ；1f ——定子频率，单位为Hz ； 1N ——定子每相绕组串联匝数； 1N k ——基波绕组系数； m Φ——每极气隙磁通，单位Wb由（1—1）式可知，只要控制好感应电动势和定子频率，便可以达到控制磁通的目的，因此需要考虑基频以下和基频以上两种情况。

基频以下调速由式（1—1）可知，要保持m Φ不变，当频率从额定值n f 1向下调节时，必须同时降低g E 使常值=1f E g（1—2） 即采用固定的电动势频比的控制方式。

然而，绕组中感应电动势是难以控制的，当电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压g U U ≈1，则得到：常值=11f U （1—3） 这是恒压频比的控制方式。

低频时，1U 和g E 都较小，定子阻抗压降所占的分量就比较显著，不能再忽略。

这时，可以认为的把电压1U 抬高一些，以便近似的补偿定子压降。

带定子压降补偿的恒压频比控制特性曲线有补偿的如图中的b 线，物补偿的如图中的a 线。

O Us f 1图6-1 恒压频比控制特性a b基频以上调速在基频以上调速，频率可以从n f 1往上增高，但电压1U 却不能增加得比额定电压n U 1还要大，最多只能保持n U U 11 。

由式（1-1）可知，这将迫使磁通与频率成反比的降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。

把基频以下和基频以上两种情况合起来，可得到如图所示的异步电动机变频调速的控制特性。

一、判断题1.(×)变频调速的基本控制方式是在额定频率以下的恒磁通变频调速和额定频率以上的恒转矩调速。

2.(√)当锉刀拉回时,应稍微抬起,以免磨钝锉齿或划伤工件表面。

3. (√)戴维南定理最适用于求复杂电路中某一条支路的电流。

4.(√)直流单臂电桥有一个比率而直流双臂电桥有两个比率。

5. (×)若电流源和电压源向完全相同的负载提供相同的电流,那它们内阻上通过的电流也一定相同。

6.( ×)在市场经济条件下,克服利益导向是职业道德社会功能的表现。

7.(×)企业文化的功能包括娱乐功能。

8. (×)三相对称负载做Δ联接,若每相负载的阻抗为10Ω接在线电压为380V的三相交流电路中,则电路的线电流为38A。

9.(√)三端集成稳压电路有三个接线端,分别是输入端、接地端和输出端。

10. (×)直流双臂电桥工作电流较大,故测量时要迅速以免损坏电桥。

11.(×)示波管的偏转系统由一个水平及垂直偏转板组成。

12.(√)晶体管特性图示仪是可以测试晶体二极管、三极管的特性曲线的电子仪器。

13. (×)直流双臂电桥可以较好地消除接线电阻和接触电阻对测量结果的影响,是因为双臂电桥的工作电流较大的缘故。

13.(√)在感性负载两端并联适当电容就可提高电路的功率因数。

14. (√)发现电桥的电池电压不足时应及时更换,否则将影响电桥的灵敏度。

15.(×)单结晶体管是一种特殊类型的三极管。

16.(√)电桥使用完毕后应将检流计的锁扣锁住,防止搬动电桥时检流计的悬丝被振坏。

17.(×)短路电流很大的场合宜选用直流快速断路器。

18. (×)变压器负载运行时的效率特性在直角坐标系中的图象是第一象限内以原点为始点的一条射线。

19.(√)在日常工作中,要关心和帮助新职工、老职工。

20.(×)生产任务紧的时候放松文明生产的要求是允许的。

电动机知识变频器的六大调速方法1.变极对数调速方法这种调速方法是用改变定子绕组的接线方式来改变笼型电动机定子极对数达到调速目的，特点如下：具有较硬的机械特性，稳定性良好；无转差损耗，效率高；接线简单、控制方便、价格低；有级调速，级差较大，不能获得平滑调速；可以与调压调速、电磁转差离合器配合使用，获得较高效率的平滑调速特性。

本方法适用于不需要无级调速的生产机械，如金属切削机床、升降机、起重设备、风机、水泵等。

二、[1]方法变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。

变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交流-直流-交流变频器和交流-交流变频器两大类，目前国内大都使用交-直-交变频器。

其特点：效率高，调速过程中没有附加损耗；应用范围广，可用于笼型异步电动机；调速范围大，特性硬，精度高；技术复杂，造价高，维护检修困难。

本方法适用于要求精度高、调速性能较好场合。

变频调速分为基频以下调速和基频以上调速，基频以下调速属于恒转矩调速方式，基频以上调速属于恒功率调速方式。

2.串级调速方法串级调速是指绕线式电动机转子回路中串入可调节的附加电势来改变电动机的转差，达到调速的目的。

大部分转差功率被串入的附加电势所吸收，再利用产生附加的装置，把吸收的转差功率返回电网或转换能量加以利用。

根据转差功率吸收利用方式，串级调速可分为电机串级调速、机械串级调速及晶闸管串级调速形式，多采用晶闸管串级调速，其特点为：可将调速过程中的转差损耗回馈到电网或生产机械上，效率较高；装置容量与调速范围成正比，投资省，适用于调速范围在额定转速70%-90%的生产机械上；调速装置故障时可以切换至全速运行，避免停产；晶闸管串级调速功率因数偏低，谐波影响较大。

本方法适合于风机、水泵及轧钢机、矿井提升机、挤压机上使用。

变频器调速原理及调速方法3.绕线式电动机转子串电阻调速方法绕线式异步电动机转子串入附加电阻，使电动机的转差率加大，电动机在较低的转速下运行。

异步电动机变频调速系统异步电动机变频调速系统是属于转差功率不变型调速系统，是异步电动机各种调速方法中调速性能最好、效率最高的一种调速方法，因而在实际生产中得到广泛应用。

变频调速的基本工作原理异步电动机的转速表达式为 )1(n 60p1s f n -==0n )1(s - 在三相异步电动机中存在下列关系：m N q k N f E φ11144.4=如忽略定子阻抗压降，则1U ≈ m N q k N f E φ11144.4=式中 1U -----定子相电压q E ——气隙磁通在定子每相绕组中感应电动势的有效值，V ；1f -----定子的电源频率1N ——定子每相绕组串联匝数；1N k ——基波绕组系数；m φ——每极气隙磁通量,Wb 。

变频调速的基本控制方式和机械特性变频调速的基本控制方式1. 基频以下调速控制方式要保持m φ不变，当频率1f 从额定值N f 1向下调节时，应同时降低q E ，使1f E q=常数，即采用恒定电动势频率比的控制方式。

1U ≈q E ，取11f U =常数，即采用恒压频比的控制方式。

在低频时，1U 和q E 都较小，定子阻抗压降所占的分量就比较显著，不能忽略，因而必须对1U 进行定子阻抗压降补偿，人为地把电压1U 提高一些，尽可能维持磁通m φ基本不变。

2. 基频以上调速控制方式在基频以上调速时，可以从N f 1往上增加，如要维持m φ恒定，必须随频率1f 的增加而相应增加1U ，但电压1U 一般不能超过电动机的额定电压N U 1，只能保持在电动机的额定电压N U 1上。

所以在基频以上调速时只能放弃维持磁通m φ恒值的要求，使磁通m φ与频率成反比地降低，相当于直流电动机的弱磁升速的情况。

在基频以下调速属于恒转矩调速，在基频以上调速属于恒功率调速。

变频调速的机械特性异步电动机恒压恒频时的机械特性当定子电压1U 和角频率1ω都为恒定值时，异步电动机的电磁转矩e T 为 2212122212121122211)()()(33l l p p m e L L s R sR R s U n s R I n P T ++'+'=''=Ω=ωωωω式中 m P ---电磁功率1ω---电源角频率1Ω--同步机械角速度p n --极对数1U --定子电压1R 、'2R --定子每相电阻和折合到定子侧的转子每相电阻1l L 、'2l L --定子每相漏感和折合到定子侧的转子每相漏感当s 很小时，可忽略上式分母中含s 项，转矩近似与s 成正比，这时机械特性)(s f T e =是一段直线，如图19-3所示。