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7.1异步电动机变频调速的控制特性与机械特性,7.1.1变频时的电压控制方式及控制特性,1．变频的同时为什么要变压,变频时,输出电压也要配合改变，因此，变频调速系统常更全面地被称为变压变频（VVVF）调速系统。,定子每相电动势的有效值,结论频率变化时，若不同时改变电压，则会使电机的磁通大幅变化，这将使电机运行不正常甚至损坏电机，所以变频的同时必须变压，理想的目标是使磁通Φm基本保持恒定。,变频调速时s变化很小，转差功率基本不变，效率最高，性能也最好。,变频调速是异步电机交流调速系统的主流。,第7章异步电动机变频调速基础,若f1↑，U1不变，则磁通Φm↓，I不变时T↓。,若f1↓，U1不变，则磁通Φm↑，Im↑↑。,,2．基频以下调速时的电压控制方式,异步电动机在变频调速时，主导变量是频率,,常用的电压配合控制方式有如下三种,（1）恒压频比控制,优点容易实现,缺点当逐步降低时，定子电阻上的压降所占的比重越来越大，使的关系被破坏。使低频时的性能很差。,解决办法在低频时使变频器的输出电压抬高，补偿定子电阻上的压降，维持磁通基本不变。这种方法称“定子压降低频补偿的恒压频比控制”。,（2）恒气隙磁通控制,（3）恒转子全磁通控制,与转子产生转矩的磁通相对应，是气隙磁通减去转子漏感所产生的磁通，称为“转子全磁通”，所以这种控制也称“恒转子全磁通控制”、“恒转子磁链控制”。,,,这种状态下电动机的特性最好，它采用“矢量控制”实现。,E1难于直接控制，所控制的仍是变频器的输出电压U1。,补偿后的结果与上同。,过补偿问题,,3．基频以上调速时的电压控制方式,要基本保持磁通不变，应升高电压，但会遇到两个难题,可能会使电机及元器件损坏变频器的直流母线电压基本不变，经逆变桥输出的交流电压最大值也是确定的，要想再升高很困难。,这时使电压值保持最高输出值,4．控制特性,时，。保持不变，则不变。,这种能输出的最大转矩恒定的调速简称之为“恒转矩调速”,这种能输出的最大功率恒定的调速简称之为“恒功率调速”,,7.1.2变频调速时的机械特性,1．固定电压固定频率时的机械特性,异步电动机转矩的参数表达式,最大电磁转矩,s很小时，略去分母中含s的项，得,s很小时，是一条与转差s成正比的直线（如a）,s接近于1时，忽略分母中的,是对称于原点（）的一段双曲线，（如b）,s为以上两段的中间数值时，机械特性从直线段过渡到双曲线段，如c。最大转矩，最大转差率就在过渡线段极值点上,对s求导，并令，得,略去定子电阻影响,有,2．恒压频比控制（）时的机械特性,定义变频比,得,（1）理想空载转速,（2）直线段斜率,变频时若要输出转矩T不变，就应使不变。而，,计及定子电阻影响,有,△n不变,直线段的斜率不变。,,,（3）最大转矩,略去定子电阻的影响，常数计及定子电阻影响，最大转矩是随着α的降低而降低,则直线段的斜率略为增大，随着频率的降低，特性曲线越来越软,3．恒气隙磁通控制时的机械特性（如图b）,用E1取代U1求,4．恒转子全磁通控制（）时的机械特性（如图c）,最大电磁转矩与α无关,T不变→αs不变→△n不变→直线段的斜率不变,平行下移的一组曲线族,,,,用Er取代U1求,机械特性曲线是一条直线，不再拐弯。不再存在最大转矩。,5．基频以上恒电压控制时的机械特性,随着频率的升高，最大转矩逐步下降，直线段斜率越来越大，特性曲线越来越软,6．比较,采用不同控制方案时，要注意①理想空载转速n0②直线段斜率③最大电磁转矩Tmax这三个量的变化情况及原因,7.2.1变频调速主电路的分类,1．按变换方式分成交-交变频与交-直-交变频,直接变换是把工频交流电直接变换成可变频率的交流电，称交-交变频,间接变换是先把交流变换成直流，再把直流逆变成交流，称交-直-交变频,2．按电源特性分成电压源型与电流源型,变频电路最后一级变换器的电源特性分，可分为电压源型与电流源型,7.2异步电动机变频调速主电路类型,3．按主开关元器件的类别分成由半可控器件构成与由全可控器件构成,4．按工作方式分成六拍型逆变器与SPWM逆变器,这个分类只针对DC/AC变换的逆变器,逆变器输出频率（周期）的交流电时，若在一个周期内主开关元件只经历了6次通断模式转换的工作方式称之为六拍型,5．电压源型逆变器按控制方式可分为电压控制型与电流控制型（电流跟踪型）,7.2.2异步机变频调速系统常用的几种主电路,常用的主电路形式如右表,1．电压源型交-交变频电路,适用低速大容量异步电动机，变频器的输出频率一般不超过电源频率的，主开关元件采用晶闸管，依靠电源电压自然换流,2．电流源型交-直-交变频电路（图a）,VR是可控整流桥，VI是无源逆变桥，中间的滤波环节是电抗器,3．电压源型晶闸管六拍工作方式的交-直-交变频电路（图b）,VR是可控整流桥，VI是无源逆变桥，逆变桥前面并联有滤波电容C,4．电压源型晶闸管SPWM工作方式的交-直-交变频电路,VR是不控整流桥,滤波电容C，电容C上的电压是基本恒定的直流电压。变频器的变压变频功能都由逆变桥VI通过SPWM工作方式来实现,5．电压源型晶体管SPWM交-直-交变频电路,主开关元件极大部分都采用IGBT，只是在小容量的装置中有采用功率MOSFET，在特大容量装置中有采用GTO的。,优点体积小，重量轻，在采用矢量控制时系统性能好缺点不能回馈制动,7.3.1正弦脉宽调制的理论基础,1．正弦脉宽调制的目的,变压（PWM调制的首要目的）削弱或消除有害的高次谐波,AC/DC/AC变频器的变压方案主要有两种一种是在整流桥实现，采用可控整流桥变压，另一种是可控整流桥改成不控整流桥，变压任务将由逆变桥来承担,在调制方式上再做一点工作，使PWM调制能把消除或消弱有害谐波的工作一起完成以提高调速系统性能，这就是正弦脉宽调制（SPWM）,2．电压谐波对电机影响的分析,次电压谐波的表达式,Y接电机中，3k次谐波电压无害，（因有电压而无电流）。而（3k1）次谐波电压则会产生谐波电流，其电流有效值近似为,异步电动机的漏电感,变频器输出电压的基波频率,7.3正弦脉宽调制（SPWM）技术,对3k-1次谐波，负转矩，使输出转矩减少，电机损耗增加。,对3k1次谐波，正转矩，转矩很小，损耗并不小因为S接近1）。,（3k1）次谐波合成，产生3k次脉动力矩。,若是三相绕组独立供电的电机，3k次谐波电流能流通，其中的3次谐波频率低，有极大危害，必须首先消除。,3．SPWM波形的单极性与双极性,用已调制波的高低逻辑电平经分配与放大后去驱动逆变器的主开关元件，即可使逆变器输出与已调制波相似的SPWM电压波形,（3k1）次谐波都是有害的谐波，应设法消除或削弱，且对同样电压幅值的谐波，谐波的频率越低，谐波电流就越大，危害就越大,3k次电压谐波,Y接电机中，3k次谐波电流不能流通，3k次谐波电压无害。,,SPWM波形有单极性下图a，b，双极性下图c，d,实现单极性波形的主电路如右,单极性SPWM波形的数学表达式,实现双极性SPWM波形的主电路,双极性波形的数学表达式,4．双极性SPWM波形数学分析,（1）基波分量大小与调制比,把上式展成傅立叶级数，有,记做,u的直流分量；SPWM波形上、下对称，,u的次谐波的幅值,u的次谐波的相位角,,定义调制系数M为,记载波比N为,当N＝15时，计算不同调制系数M的基波及主要高次谐波的相对值，如右图,得到的结论是,a基波分量与调制系数成正比,只要改变参考正弦波的幅值，就可以改变输出SPWM波形中基波分量幅值，且该幅值与调制系数成正比,（b）小于（N-2）次的谐波电压全都为零，消除了（N-2）次以下的全部低次谐波,（1）基波分量大小与调制比,基波相电压,（2）PWM电压波形的谐波不可消除性,对双极性SPWM波形，可得,所有谐波分量平方和的表达式为,对双极性SPWM电压波形，基波以外的各次谐波幅值的平方和只与调制系数有关。从这个意义上来说，PWM电压波形中的谐波是不可消除的,设计SPWM调制方案时提供了一个应遵循的原则减小或消除危害大的谐波（如5、7次），增大无害的谐波（如3倍频的谐波）,SPWM调制消除谐波影响的原理追求SPWM电压所产生的电流接近于正弦,a双极性调制,b单极性调制,保持载波比常数。,5．同步调制与异步调制,①同步调制,②异步调制,一般取N为3的倍数。这样三相波形可互差120，且最大幅值的谐波无害。若取3的奇数倍，能保证输出波形正、负半波对称。,保持载波频率不变，载波比N不为常数，,优点使低频时载波比增大，解决了较低次数的谐波问题。缺点一般不能满足N为3的倍数的要求，电流谐波较大，且难以保持正、负半波以及三相之间的对称性，特别在输出的基波频率较高时。,载波频率变化。,③分段调制,分段调制是将同步、异步调制相结合，的一种调制方法。其规律如右图,这种方式既保持了同步调制下波形对称、运行稳定的优点，又解决了低频运行时谐波增大的弊病,直流电压利用率对于某一确定的直流母线电压在某种调制方式下逆变器能输出的最大三相交流线电压的基波分量有效值的大小。,基值的选取方法有,以直流母线电压值Ud作为基值本书采用以逆变器在不同调制方式能输出的最大值为基值,6．直流电压利用率及其提高办法,对三相桥式主电路，,采用SPWM调制，当M＝1时，,SPWM调制虽然改善了输出电流的波形，削弱了有害谐波的影响，但它是以降低直流电压利用率为代价,经不控整流电路得到的直流母线电压,六拍方式工作时，是180的交流方波电压，,变频器输入线电压与输出线电压基波之间的关系,SPWM方式工作使直流电压的利用率降低，通常是在M＝1之后，采用一定的措施来补充SPWM调制的这个缺点，常用的方法有,不限制，使M可以大于1，则其输出电压波形如图a）所示，当M大到足够大时，则进入六拍方式工作在参考正弦波上叠加一个3次谐波用梯形波来替代参考正弦波，逐步加大梯边的斜率，如图b用“馒头波”来替代正弦波，如图c干脆采用N＝1的方波工作方式（六拍式）其它，如第11章中要介绍的空间电压矢量控制,提高直流利用率的方法,7．SPWM波形的其它调制办法,按SPWM调制的原理大致分类，有,正弦波与三角波比较产生电流跟踪控制（滞环比较）产生指定谐波消除法空间电压矢量控制,（1）电流跟踪控制（滞环比较）,基本思路让控制电路直接去对输出电流的波形闭环控制，让其成为一个正弦波,用模拟电路实现时，通常用滞环比较器，故又称滞环比较法生成SPWM。其电路及电压、电流波形如下图,电流跟踪控制时，逆变器仍是电压源型逆变器，只是采用了电流闭环控制而已，因此，称电流控制方式的电压源型逆变器,,（2）指定谐波消除法,图a是180方波，无法调压。,图b在1/4周期内有一个开关点α1，可改变输出电压值，但不能同时去消除谐波。,图c在1/4周期内有两个开关点，可调压，同时可去消除一个指定的谐波。,若有x个开关点，则可调压并消去（x-1）个指定的谐波。,以图7c为例，让它满足调制系数为M，并消除次中的最低次谐波5次谐波。把波形展开成傅立叶级数，有,式中,根据要求应使，，得方程,由计算机数值可求得和,7.3.2SPWM波形生成的方法,SPWM波形生成的硬件电路大致有①由分立的模、数电路构成；②主要部件由专用大规模集成IC电路构成；③由单片机或DSP软件产生；④由上面三种电路的二种或三种混合构成。,HEF4752V是一个数字电路，内部主要是三个计数器及一个译码器，内部结构框图及其主要的用法如下图所示。采用分段同步调制。,CW正、反转控制，0正转，1反转,RCT时钟输入，设置最大开关频率,OCT输入频率,FCT输入频率，决定输出频率,VCT输入频率，决定输出电压,②主要部件由专用大规模集成IC电路构成,K与OCT配合,L“0”封锁,其输入信号有7个，4个输入是脉冲列，3个输入是开关量,设置死区时间,,在单片机内通过实时计算去求解正弦波与三角波的交点而得到开关点的方法称之为“自然采样法”,实际应用中都采用把正弦曲线经过近似简化的“规则的采样法”。它的编程思想是把在一个三角波周期内的正弦曲线用一段水平线段来取代,用三角波波谷时的正弦曲线值（图中E点）来替代，为“规则采样Ⅱ法”，如图b所示,用三角波波峰时的正弦曲线值（图中D点）来替代变化的正弦值，为“规则采样样Ⅰ法”，如图a所示。,③由单片机或DSP软件产生；,
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