变变 频频 器器 原原 理理 希望森兰科技股份有限公司希望森兰科技股份有限公司 一一.变频器的原理与组成变频器的原理与组成 (一一)概述概述: 1.定义：转换电能并能改变频率的电能转换装置。定义：转换电能并能改变频率的电能转换装置。 2.交流调速技术发展的概况与趋势：交流调速技术发展的概况与趋势： 交流电机：结构简单，价低，动态响应好、维护方便，但调速困难。交流电机：结构简单，价低，动态响应好、维护方便，但调速困难。 直流电机：结构复杂、成本高、故障多、维护困难且工作量大；机械换向直流电机：结构复杂、成本高、故障多、维护困难且工作量大；机械换向器的换向能力限制了电动机的容量（单机容量器的换向能力限制了电动机的容量（单机容量12000kW14000kW）、电压和）、电压和速度（最高电压速度（最高电压1000多伏、最高转速多伏、最高转速3000r/min）。接触式的电流传输又限制）。接触式的电流传输又限制了其使用场合；电枢在转子上，电动机的效率低，散热条件差。为改善换向了其使用场合；电枢在转子上，电动机的效率低，散热条件差。为改善换向能力，减小电枢漏感，转子变得粗短惯性增大，影响系统的动态响应。能力，减小电枢漏感，转子变得粗短惯性增大，影响系统的动态响应。 交流调速飞速技术发展的原因：交流调速飞速技术发展的原因： 电力电子器件制造技术；电力电子电路的变换技术；电力电子器件制造技术；电力电子电路的变换技术；PWM技术，矢量控制技术，矢量控制技术，直接转矩控制技术；微机和大规模集成电路基础的数字控制技术。技术，直接转矩控制技术；微机和大规模集成电路基础的数字控制技术。 (二二)发展趋势与动向发展趋势与动向: VCES（、），（、），fk=40kHz，结温最高结温最高175 C 6500V2400AIGBT的应用，载波频率可达的应用，载波频率可达16KHz，抑制噪声和机械共震，电机电流在低，抑制噪声和机械共震，电机电流在低速时波形接近正弦，减少转矩脉动；电压驱动，简化了电路；网侧变流器的速时波形接近正弦，减少转矩脉动；电压驱动，简化了电路；网侧变流器的PWM控制；矢量控制变频器技术的通用化，无速度传感器矢量控制系统代控制；矢量控制变频器技术的通用化，无速度传感器矢量控制系统代表另一新技术动向。表另一新技术动向。 无速度传感器矢量控制的速度观测模型，建模方法大体上有：动态速度无速度传感器矢量控制的速度观测模型，建模方法大体上有：动态速度估计器；模型参考自适应方法、基于估计器；模型参考自适应方法、基于PI调节器法、自适应转速观测器法、转调节器法、自适应转速观测器法、转子齿谐波法、滑模观测法等。子齿谐波法、滑模观测法等。 感应电机是一多变量，强耦合及时变参数系统，围绕它有若干研究课题感应电机是一多变量，强耦合及时变参数系统，围绕它有若干研究课题: 电机参数模型的离散化、电机参数的自测定、电机定子电流的控制、电电机参数模型的离散化、电机参数的自测定、电机定子电流的控制、电机参数的辩识、电机状态估计、系统稳定性分析。机参数的辩识、电机状态估计、系统稳定性分析。 (二二)发展趋势与动向发展趋势与动向: l主主控控一一体体化化 日日本本三三菱菱公公司司将将功功率率芯芯片片和和控控制制电电路路集集成成在在一一快快芯芯片片上上的的DIPIPM（即即双双列列直直插插式式封封装装）的的研研制制已已经经完完成成并并推推向向市市场场。一一种种使使逆逆变变功功率率和和 控控 制制 电电 路路 达达 到到 一一 体体 化化 ， 智智 能能 化化 和和 高高 性性 能能 化化 的的 HVIC（ 高高 耐耐 压压IC）SOC（System on Chip）的的概概念念已已被被用用户户接接受受，首首先先满满足足了了家家电电市市场场低低成成本本、小小型型化化、高高可可靠靠性性和和易易使使用用等等的的要要求求。因因此此叶叶以以展展望望，随随着着功功率率做做大大，此此产品在市场上极具竞争力。产品在市场上极具竞争力。 2小小型型化化 用用日日本本富富士士（FUJI）电电机机的的三三添添胜胜先先生生的的话话说说，变变频频器器的的小小型型化化就就是是向向发发热热挑挑战战。这这就就是是说说变变频频器器的的小小型型化化除除了了出出自自支支撑撑部部件件的的实实装装技技术术和和系系统统设设计计的的大大规规模模集集成成化化，功功率率器器件件发发热热的的改改善善和和冷冷却却技技术术的的发发展展已已成成为为小小型型化化的的重重要要原原因因。ABB公公司司将将小小型型变变频频器器定定型型为为CompACTM，他他向向全全球球发发布布的的全全新新概概念念是是，小小功功率率变变频频器器应应当当象象接接触触器器、软软起起动动器器等等电电器器元元件件一一样样使使用用简简单单，安装方便，安全可靠。安装方便，安全可靠。 3低低电电磁磁噪噪音音化化 今今后后的的变变频频器器都都要要求求在在抗抗干干扰扰和和抑抑制制高高次次谐谐波波方方面面符符合合EMC国际标准国际标准,主要做法是在变频器输入侧加交流电抗器或有源功率因数校正主要做法是在变频器输入侧加交流电抗器或有源功率因数校正（Active Power Factor Correction APFC）电电路路，改改善善输输入入电电流流波波形形降降低低电电网网谐谐波波以以及及逆逆变变桥桥采采取取电电流流过过零零的的开开关关技技术术。而而控控制制电电源源用用的的开开关关电电源源将将推崇半谐振方式，这种开关控制方式在推崇半谐振方式，这种开关控制方式在3050M时的噪声可降低时的噪声可降低1520dB。 4专专用用化化通通用用变变频频器器中中出出现现专专用用型型家家族族是是近近年年来来的的事事。其其目目的的是是更更好好发发挥挥变变频频器器的的独独特特功功能能并并尽尽可可能能地地方方便便用用户户。如如用用于于起起重重机机负负载载的的ACC系系列列，用用于于交交流流电电梯梯的的 Siemens MICO340系系列列和和FUJI FRN5000G11UD系系列列，其其他他还有用于恒压供水、机械主轴传动、电源再生、纺织、机车牵引等专用系列。还有用于恒压供水、机械主轴传动、电源再生、纺织、机车牵引等专用系列。 5系系统统化化 作作为为发发展展趋趋势势，通通用用变变频频器器从从模模拟拟式式、数数字字式式、智智能能化化、多多功功能能向向集集中中型型发发展展。最最近近，日日本本安安川川提提出出了了以以变变频频器器，伺伺服服装装置置，控控制制器器及及通通讯讯装装置置为为中中心心的的”D&M&C”概概念念，并并制制定定了了相相应应的的标标准准。目目的的是是为为用用户户提提供供最最佳佳的的系系统统。因因此此可可以以预预见见在在今今后后变变频频器器的的高高速速响响应应器器件件和和高高性性能能控控制制将将是基本条件。是基本条件。 若希望把转矩误差控制在若希望把转矩误差控制在3%以内，需要对磁通变化作修正以内，需要对磁通变化作修正(补偿励磁电补偿励磁电抗引起的饱和及定子铁损的变化抗引起的饱和及定子铁损的变化)；若希望把转矩误差控制在；若希望把转矩误差控制在1%以内，需要以内，需要对定子和转子的铁损进行补偿对定子和转子的铁损进行补偿. 矩阵式变频器、直接驱动技术（高精度：电机和负载间刚性耦合，高速矩阵式变频器、直接驱动技术（高精度：电机和负载间刚性耦合，高速和高加速度、高动态响应、高机械刚度和可靠性、低噪声和零保养，部件减和高加速度、高动态响应、高机械刚度和可靠性、低噪声和零保养，部件减少可降低噪声，磨损部件只有旋转或直线轴承，做到永久性润滑和无需维修少可降低噪声，磨损部件只有旋转或直线轴承，做到永久性润滑和无需维修的一次性装配，可实现零保养。的一次性装配，可实现零保养。 (三三)交流电机的调速方法交流电机的调速方法: 调压调速、电磁调速、绕线式电机转子串电阻调速、串级调速、变极调速、调压调速、电磁调速、绕线式电机转子串电阻调速、串级调速、变极调速、变频调速等变频调速等 (四四)变频器的构成变频器的构成:主回路（整流器、中间直流环节、逆变器）主回路（整流器、中间直流环节、逆变器）控制回路控制回路保护回路保护回路(三三)交流电机的调速方法交流电机的调速方法(四四)变频器的构成变频器的构成:(五五)变频器的分类变频器的分类:1、按直流电源性质分、按直流电源性质分: 电流型、电压型电流型、电压型(1)电流型电流型 Id趋于平稳；四象限运行趋于平稳；四象限运行 (2)电压型电压型 Ed趋于平稳；不选择负载的通用性趋于平稳；不选择负载的通用性(3)电流源供电时交流电机工作特性电流源供电时交流电机工作特性:(五五)变频器的分类变频器的分类:多功能控制板多功能控制板主回路主回路图图(五五) 交交-直直-交变频器结构图交变频器结构图 图图(六六) 电压型与电流型交一直一交变频器电压型与电流型交一直一交变频器a）电压型变频器 b）电流型变频器变频器输出电压方波经变频器输出电压方波经L/R积分为电流波形近似为正弦波积分为电流波形近似为正弦波特点名称特点名称电压型变频器电压型变频器电流型变频器电流型变频器储能元件储能元件电容器电容器电抗器电抗器波形的特点波形的特点电压波形为矩形波电压波形为矩形波电流波形近似正弦波电流波形近似正弦波电流波形为矩形波电流波形为矩形波电压波形为近似正弦波电压波形为近似正弦波回路构成上回路构成上的特点的特点 有反馈二极管有反馈二极管直流电源并联大容量直流电源并联大容量电容（低阻抗电压源）电容（低阻抗电压源）电动机四象限运转需要再生变流器电动机四象限运转需要再生变流器无反馈二极管无反馈二极管直流电源串联大电感直流电源串联大电感（高阻抗电流源）（高阻抗电流源）电动机四象限运转容易电动机四象限运转容易特性上的特特性上的特点点负载短路时产生过电流负载短路时产生过电流转距响应较快转距响应较快输入功率因数高输入功率因数高负载短路时能抑制过电流负载短路时能抑制过电流转距响应慢转距响应慢输入功率因数低输入功率因数低电压型变频器和电流型变频起对比电压型变频器和电流型变频起对比 a、电机起动转矩小；、电机起动转矩小； b、能够稳定运行范围窄，在大部分的转速范围内是电机运、能够稳定运行范围窄，在大部分的转速范围内是电机运行不稳定区。行不稳定区。 原因：恒流源供电时，定子磁势是恒定的。空载时，全部定原因：恒流源供电时，定子磁势是恒定的。空载时，全部定子磁势用于励磁，气隙中产生很强的磁场，铁心高度饱和。负子磁势用于励磁，气隙中产生很强的磁场，铁心高度饱和。负载增加时，转子减速而转差率增大，转子电流增加。由于转子载增加时，转子减速而转差率增大，转子电流增加。由于转子电流的去磁作用，气隙合成磁场减小，磁场变弱，先退出饱和电流的去磁作用，气隙合成磁场减小，磁场变弱，先退出饱和磁场变化缓慢，而未随转子电流的增加磁场很快变弱，导致端磁场变化缓慢，而未随转子电流的增加磁场很快变弱，导致端电压急剧下降，单位转子电流产生的转矩减小，导致转子电流电压急剧下降，单位转子电流产生的转矩减小，导致转子电流进一步增大，形成恶性循环，使转矩很快下降到较小数值进一步增大，形成恶性循环，使转矩很快下降到较小数值. 实际上，电流源不是真正的恒流源，等效为电压源驱动下的实际上，电流源不是真正的恒流源，等效为电压源驱动下的恒流源。恒流源。 图图(七七) 异步电机在恒流源供电时异步电机在恒流源供电时的等值电路的等值电路 由戴维南定理，开路电势和由戴维南定理，开路电势和 等效内阻：等效内阻：由此求出由此求出I2:电磁转矩：电磁转矩：（1）电压源供电转矩转电压源供电转矩转-速特性速特性电流源供电转矩转电流源供电转矩转-速特速特性性图图(八八) 电流源供电机转矩电流源供电机转矩-转速特性转速特性 由（由（1）式画出其转矩）式画出其转矩-转速转速特性如图特性如图7。并求出最大转矩和。并求出最大转矩和临界转差率：临界转差率： 电压源供电的情况下，最大电压源供电的情况下，最大转矩出现在转矩出现在 的的地方。由于地方。由于 ，所以在恒流源供电时，最大转矩出现在，所以在恒流源供电时，最大转矩出现在转差率小得多的地方。电机转矩转差率小得多的地方。电机转矩-转速特性成尖峰状，起动转矩转速特性成尖峰状，起动转矩很小，很小， 稳定运行的范围很窄。稳定运行的范围很窄。 2、按输出电压的调节方式分类、按输出电压的调节方式分类: (1)PAM方式方式 脉幅调节，改变直流电压幅值的调压方式。脉幅调节，改变直流电压幅值的调压方式。 相控整流器；直流斩波器。相控整流器；直流斩波器。 (2)PWM方式方式: 整流器为二极管，变频器的输出电压由逆变器按整流器为二极管，变频器的输出电压由逆变器按PWM方式完成。方式完成。 SPWM-输出电压平均值为正弦波的输出电压平均值为正弦波的PWM方式。方式。 3、按控制方式、按控制方式: (1)V/F控制控制 逆变器的控制脉冲发生器同时受控于逆变器的控制脉冲发生器同时受控于f和和v，而，而v与与f的关系的关系由由v/f决定。决定。 开环控制，无开环控制，无PG控制电路简单，通用性强，经济性好，用于速度精度控制电路简单，通用性强，经济性好，用于速度精度要求不十分严格或负载变动较小的场合。要求不十分严格或负载变动较小的场合。 (2)转差频率控制转差频率控制 转差补偿的闭环控制方式，可达到直流双闭环的水转差补偿的闭环控制方式，可达到直流双闭环的水平。平。 (3)矢量控制矢量控制: 基于电机动态模型的控制方式，既控制量的大小，又控制方基于电机动态模型的控制方式，既控制量的大小，又控制方向向. 要求动态性能较高的场合使用。要求动态性能较高的场合使用。4、按主电路使用的器件、按主电路使用的器件IGBT GTR GTO SCR IGCT MOSFET IPM5、按使用的电压、按使用的电压高压变频器高压变频器(210KV) 低压变频器低压变频器(380V 660V) 正弦脉宽调制技术图解正弦脉宽调制技术图解二、二、PWM技术技术n 1、定义：利用半导体器件的开通和关断，把直流电压变成一定形状的、定义：利用半导体器件的开通和关断，把直流电压变成一定形状的电压脉冲序列，以实现变频、变压及控制和消除谐波为目标的一门技术。电压脉冲序列，以实现变频、变压及控制和消除谐波为目标的一门技术。 2、数学分析：、数学分析：(1)图图(九九) 脉冲波形图脉冲波形图 f(t)为奇函数，由付立叶级数的性质为奇函数，由付立叶级数的性质:f(t)=-f(t),则则a0=a0=0设设f(t)幅度为幅度为1，则，则(2)在方波的半波内斩为在方波的半波内斩为m个脉冲，斩角分别为个脉冲，斩角分别为则对于奇数则对于奇数n和奇数和奇数m有有 :(3)对于奇数对于奇数n和偶数和偶数m 有有:(4)于是，由于是，由(3)和和(4)式对于式对于奇数奇数n和任意的和任意的m均有均有:(5) 对于奇函数，偶次谐波为零，仅有奇次谐波，即：对于奇函数，偶次谐波为零，仅有奇次谐波，即：各次谐波的幅值为各次谐波的幅值为:(6)各次谐波的幅值为各次谐波的幅值为: 讨论：讨论：(1)利用利用PWM技术可控制逆变器的输出波形，使谐波技术可控制逆变器的输出波形，使谐波 含量减少。含量减少。 (2)谐波的减少是以减少基波幅度为代价。谐波的减少是以减少基波幅度为代价。 3、SPWM (1)自然采样法自然采样法 (2)规则采样法规则采样法图图(十十) 三三相相SPWM变变频器输出波形频器输出波形 三、异步电机变频调速控制策略三、异步电机变频调速控制策略 变频器控制的对象是电机，首先研究电机等效图变频器控制的对象是电机，首先研究电机等效图 (一一)等效图等效图: 1、转子电势、转子电势: 转子电势的频率为转子电势的频率为f2 ，转子旋转后，由于转子导体与磁，转子旋转后，由于转子导体与磁场之间的相对运动速度减小，转子感应电势的频率也随之减小，此时场之间的相对运动速度减小，转子感应电势的频率也随之减小，此时: f2=f1S (1) 转子不动时，一相的电势为转子不动时，一相的电势为: E21w2 kw2 (2) 式中式中: W2-转子一相绕组匝数转子一相绕组匝数 KW2-转子绕组系数转子绕组系数 转子旋转后一相的电势为转子旋转后一相的电势为: E2 S 2W2Kw2 1SW2KW2 =E2S (3) 2、转子电势平衡方程、转子电势平衡方程: 当转子无外加电阻，自成短路时，其一相等值电路如图当转子无外加电阻，自成短路时，其一相等值电路如图: = (R2+ X2S) (4) 式中式中: R2- 转子一相电阻值转子一相电阻值 X2S-转子旋转后一相的漏抗转子旋转后一相的漏抗 X2S= 其中其中: X2-转子不动时一相的漏抗转子不动时一相的漏抗 X2=L2 L2-转子旋转后一相的漏电感转子旋转后一相的漏电感图图(1) 转子等值电路图转子等值电路图 且且: E11W1KW1 由于由于E1I1ZI,于是于是:. 3、定子电势平衡方程、定子电势平衡方程: 式中式中: Z1=R1+I1X1 U1定子相电压定子相电压 E1定子一相绕组的感应电势定子一相绕组的感应电势 I1定子相电流定子相电流 R1定子一相绕组的电阻定子一相绕组的电阻 X1定子一相绕组的漏抗定子一相绕组的漏抗 X1=L1R1 x1图图(2) 定子等值电路图定子等值电路图=-+Z1 (5)或者或者 U1 E11W1KW1(4)折合算法折合算法:即即 (6)R2 X2图图(3) 转子电路值图转子电路值图 (7)等式两端除以等式两端除以S又又上消耗的电功率代表旋转电机转子轴上输出的机械功率上消耗的电功率代表旋转电机转子轴上输出的机械功率.折合关系折合关系:(8) (9)m1,m2分别为定子相数和转子相数分别为定子相数和转子相数电阻电阻: (10)式中式中:K=Ke K1 (11)折算后折算后(6)式为式为: (12) (7)式为式为: (13)图图(4) 异步电机折算后转子异步电机折算后转子一相等值电路图一相等值电路图 (5)等值电路等值电路:实用上，为简化问题，常用实用上，为简化问题，常用一个和异步电机等效，数值一个和异步电机等效，数值上相等的电路表示异步电机上相等的电路表示异步电机,称为等值电路。称为等值电路。 于是于是:图图(5) 异步电机等值电路图异步电机等值电路图Xm= LmLm励磁电感励磁电感 (二二)机械特性机械特性: 假设：忽略铁心磁饱假设：忽略铁心磁饱和，忽略铁损，忽略空和，忽略铁损，忽略空间和时间谐波。由异步间和时间谐波。由异步电机等值电路图电机等值电路图S (二二)机械特性机械特性: (14)式中式中:由于：由于：Pm= T (15) (16)式中式中:np极对数；极对数； -同步角速度，同步角速度，(16)式为异步电机的机械特性方程式。式为异步电机的机械特性方程式。讨论讨论:(1)当当S一定时，一定时，T与与U1平方成正比平方成正比.由由(16)式可画出不同电压的式可画出不同电压的机械特性曲线机械特性曲线:对对(16)式求导：式求导：dT/dS =0得临界转差率得临界转差率: (17)临界转矩为临界转矩为:图图(6) 异步电机不同电压下的机械特异步电机不同电压下的机械特性性S (2)带恒转矩负载时，普通笼型电机变电压时的稳定工作点为带恒转矩负载时，普通笼型电机变电压时的稳定工作点为A、B、C转差率的变化范围不超过转差率的变化范围不超过0-Sm ，调速范围小。，调速范围小。 (3)为了能在恒转矩负载下扩大变电压调速范围，应增大转子电阻，这为了能在恒转矩负载下扩大变电压调速范围，应增大转子电阻，这就要求电机转子绕组有较高的电阻值，此时电机机械特性曲线如图示，由就要求电机转子绕组有较高的电阻值，此时电机机械特性曲线如图示，由图可见恒转矩负载下调速范围扩大了，而且堵转时也不会烧坏电机，但机图可见恒转矩负载下调速范围扩大了，而且堵转时也不会烧坏电机，但机械特性很软，一般采用闭环工作，这种电机叫力矩电机。械特性很软，一般采用闭环工作，这种电机叫力矩电机。 (三三)电压频率协调控制下的机械特性电压频率协调控制下的机械特性: 由由(16)式表明，电机带负载稳定运式表明，电机带负载稳定运行时，对于同一种负载要求，即以一行时，对于同一种负载要求，即以一定的转速定的转速(或转差率或转差率)，在一定的负载转，在一定的负载转矩下运行，电压矩下运行，电压U1与频率与频率f1有多种配合有多种配合,图图(7) 力矩电机机械特性曲力矩电机机械特性曲线线电压电压U1与频率与频率f1的不同配合，机械特性也不相同的不同配合，机械特性也不相同,因此有不同的电压因此有不同的电压频率频率协调控制协调控制. 1.恒压频比控制恒压频比控制(U1/f1=常数常数): 为充分利用铁心为充分利用铁心,近似地保持近似地保持 为常数为常数,发挥电机产生转矩的能力，由发挥电机产生转矩的能力，由: U1 E11w1kw1 U1/f11kw1 1.恒压频比控制恒压频比控制(U1/f1=常数常数):由由(16)式式: 当当S极小时极小时,忽略分母中的含忽略分母中的含S各项得各项得: (18) 结论结论: （1）当）当U1/ 恒值时，对于同一转矩，恒值时，对于同一转矩， 基本不变，即在基本不变，即在U1/ =恒值时，机械特性是一族平行曲线。恒值时，机械特性是一族平行曲线。 图图(8) 恒压频比控制时变恒压频比控制时变频调速机械特性频调速机械特性 由图可见：当转矩增大到最大值以由图可见：当转矩增大到最大值以后再降低，特性曲线又折回来后再降低，特性曲线又折回来.频率越低频率越低时最大转矩越小，对于时最大转矩越小，对于T表达式有表达式有： 当当U1/ =恒值时，恒值时，T随随 的降低而减小，当很低，的降低而减小，当很低，T太太小小,调速系统带载能力差，采用补偿定子的压降，可提升转矩调速系统带载能力差，采用补偿定子的压降，可提升转矩. (19) 2.恒功率控制恒功率控制: 若保持若保持 正比于正比于1/f1，即即Tf1=1则电磁功率为则电磁功率为: 随随f1的升高的升高,转矩特性曲线变软，转矩特性曲线变软，Tmax也随也随f1的提高而减小，的提高而减小，由于受定子电压地限制，通常保持由于受定子电压地限制，通常保持U1=U1N近似恒功率运行方式近似恒功率运行方式.2.恒功率控制恒功率控制: 1 3.恒恒Er/ 控制控制3.恒恒Er/ 控制控制: 若把电压若把电压/频率协调控制中的电压频率协调控制中的电压U1相对地再提高一点，把相对地再提高一点，把转子漏抗上的压降也抵消掉转子漏抗上的压降也抵消掉,就得到恒就得到恒Er/ 控制，其机械特性控制，其机械特性如下如下:图图(10) 不同电压不同电压频率频率协调控制下的机械特性协调控制下的机械特性a-Er/ bU1/图图(9) 异步电机稳态等效电路异步电机稳态等效电路和感应电动势和感应电动势Er转转子全磁通感应电动势子全磁通感应电动势.由图可见由图可见:(20) 不作任何近似就得出不作任何近似就得出,机械特性机械特性T=f(s)完全是一条直线，这与直流电机完全是一条直线，这与直流电机特性相同特性相同. 又又(21) 保持保持 =C,则则T与与 成线性关系，这种关系不因定子频率的改变而改成线性关系，这种关系不因定子频率的改变而改变，与变，与f1无关。无关。 小结：小结： 采用采用U1/f1=C控制的变频器属于第一代产品，大多采用控制的变频器属于第一代产品，大多采用16位位CPU，是，是恒气隙磁通控制方式，即用若干条曲线来协调恒气隙磁通控制方式，即用若干条曲线来协调U1与与f1的关系。机械特性基的关系。机械特性基本平行下移，机械硬度尚可，能满足一般调速要求，但低速转矩差，须补本平行下移，机械硬度尚可，能满足一般调速要求，但低速转矩差，须补偿。恒压频比控制变频器是一种转速，开环的控制系统动、静态要求不高偿。恒压频比控制变频器是一种转速，开环的控制系统动、静态要求不高的生产机械经常使用。的生产机械经常使用。 (1)利用人为选定利用人为选定V/f曲线的模式，很难根据负载转矩变化恰当地调曲线的模式，很难根据负载转矩变化恰当地调整电机矩转，负载冲击或起动过快，有时会引起过流跳闸。所以根据整电机矩转，负载冲击或起动过快，有时会引起过流跳闸。所以根据定子电流调节变频器电压的方法，并不反映负载矩转，因此，定子电定子电流调节变频器电压的方法，并不反映负载矩转，因此，定子电压也不能根据负载转矩变化恰当地改变电磁矩转，特别在低速下，定压也不能根据负载转矩变化恰当地改变电磁矩转，特别在低速下，定子电压的设定值相对较小，采用人为选定子电压的设定值相对较小，采用人为选定V/f曲线或自动补偿，实现曲线或自动补偿，实现准确的补偿是困难的。由于定子电阻的压降随负载改变，当负载较重准确的补偿是困难的。由于定子电阻的压降随负载改变，当负载较重时，可能补偿不足；负载较轻时可能产生过补偿，磁路饱和时，可能补偿不足；负载较轻时可能产生过补偿，磁路饱和. (2)采用采用V/f控制方式，无法准确的控制电机实际转速。电机的转速，控制方式，无法准确的控制电机实际转速。电机的转速，不全取决于定子频率，而由转差率不全取决于定子频率，而由转差率(负载负载)决定。因此决定。因此V/f控制方式静控制方式静态稳定度不高。态稳定度不高。 （3）转速极低的时转矩不够）转速极低的时转矩不够. （4）这类变频器采用硬件中断过流跳闸，当保护电路的时间常数选择不当）这类变频器采用硬件中断过流跳闸，当保护电路的时间常数选择不当时，保护电路的可靠性令人怀疑。事实上时间常数选择颇费脑筋时，保护电路的可靠性令人怀疑。事实上时间常数选择颇费脑筋, 大保护大保护灵敏度不够灵敏度不够; 小抗干扰能力差，不得不折衷考虑。小抗干扰能力差，不得不折衷考虑。 (三三)转速闭环转速闭环,转差频率控制转差频率控制:1.转差频率控制的基本概念转差频率控制的基本概念: 图中提供了一组图中提供了一组U/f曲线，可以适应低曲线，可以适应低频时不同负载对频时不同负载对U/f曲线的不同要求。曲线的不同要求。 曲线曲线0称为基本称为基本U/f曲线，它不含定子曲线，它不含定子压降补偿。压降补偿。 曲线曲线15为低频段不同程度地提高定为低频段不同程度地提高定子电压的子电压的U/f曲线，称为曲线，称为“电压补偿电压补偿”，也称为也称为“转矩补偿转矩补偿”或或“转矩提升转矩提升”。适用于恒转矩负载。适用于恒转矩负载。图图(11) 不同负载对不同负载对U/f曲线曲线曲线曲线0102为低频段不同程度地减少定子电压的为低频段不同程度地减少定子电压的U/f曲线，称为曲线，称为“负补偿负补偿”。适用于风机、泵类负载。适用于风机、泵类负载。设定设定U/f曲线的原则是：以最低工作频率时能带动负载为前提，尽量减少补曲线的原则是：以最低工作频率时能带动负载为前提，尽量减少补偿程度，以免偿程度，以免“补偿过分补偿过分”，导致磁路饱和而跳闸。，导致磁路饱和而跳闸。4、高功能型高功能型U/f控制控制采用这种控制方式，可以采用这种控制方式，可以使极低速度下的转矩过载能使极低速度下的转矩过载能力达到或超过力达到或超过150%，调速比，调速比达到达到1：30，静态机械特性硬，静态机械特性硬度高，具有挖土机特性和度高，具有挖土机特性和“无跳闸无跳闸”能力。能力。图图(12) 高功能型高功能型U/f控制控制框图框图 (三三)转速闭环转速闭环,转差频率控制转差频率控制: 1.转差频率控制的基本概念转差频率控制的基本概念: 转速开环变频器系统可满足一般平滑调速的要求，但动、静转速开环变频器系统可满足一般平滑调速的要求，但动、静态性能有限。要提高动、静态性能，首先用转速反馈的闭环控制。态性能有限。要提高动、静态性能，首先用转速反馈的闭环控制。任何一个机电传动系统有：任何一个机电传动系统有：(22) 转矩的控制部分包括有功、无功电流检测器、磁通补偿器、转矩的控制部分包括有功、无功电流检测器、磁通补偿器、转差补偿器转差补偿器 和电流限制控制器。后三者的作用是根据电动机定和电流限制控制器。后三者的作用是根据电动机定子电流的有功分量子电流的有功分量It和无功分量和无功分量Iw去计算变频器的频率和电压参去计算变频器的频率和电压参考值，即图中的考值，即图中的 ，以保证转子磁场的恒定，并在负载出，以保证转子磁场的恒定，并在负载出现冲击的情况下，适当地补偿现冲击的情况下，适当地补偿 ，防止过流跳闸。，防止过流跳闸。 由由(22)式可知：提高系统的动、静态性能，主要控制转速的式可知：提高系统的动、静态性能，主要控制转速的变化率变化率 ，显然控制转矩就能控制，显然控制转矩就能控制 。 直流控制与电流成正比，控制电流就能控制转矩。交流调速直流控制与电流成正比，控制电流就能控制转矩。交流调速中，需控制的是电压中，需控制的是电压(电流电流)和频率，如何通过控制电压和频率，如何通过控制电压(电流电流)和频率来控制转矩？交流异步电机中，影响转矩的因素较多，和频率来控制转矩？交流异步电机中，影响转矩的因素较多，转矩表达式为转矩表达式为: (23)由由(14)式式: (24) 考虑到电机结构参数考虑到电机结构参数Cm与其他各量的关系，对比与其他各量的关系，对比(24)式与式与(16)式式: (16) 当电机稳态运行时，当电机稳态运行时，S很小，因而很小，因而 也很小，一般为也很小，一般为 的的2%5%，因此近似认为：，因此近似认为： 则得到：则得到： (25) 上式说明：在上式说明：在S很小的范围内很小的范围内, 只要维持只要维持 不变不变, T就近似与就近似与 成正比成正比(负载转矩增大，则负载转矩增大，则 增大，输出转矩增大增大，输出转矩增大)。这与直流。这与直流电机一样，达到间接控制转矩的目的，控制电机一样，达到间接控制转矩的目的，控制 就代表控制转矩就代表控制转矩. 2.转差频率控制的规律转差频率控制的规律:上面只是找到转矩与转差频率近似正比的关系，可以表明转上面只是找到转矩与转差频率近似正比的关系，可以表明转 (26) 2.转差频率控制的规律转差频率控制的规律:差频率控制的基本概念，现推导具体的控制规律差频率控制的基本概念，现推导具体的控制规律: (1).控制规律控制规律1 -控制转差频率代表控制转矩控制转差频率代表控制转矩由图由图(13)：当：当 较小时，较小时，T与与TmaxTmT图图(13) 恒定控制时恒定控制时T=f( )曲线曲线 成正比：当成正比：当 = 时，时，T=Tmax ，取，取dT/dS=0则则因此，转差频率控制的系统因此，转差频率控制的系统中，只要给中，只要给 限幅，使其限限幅，使其限幅值为幅值为: (27)就可以保持就可以保持T与与 的关系，也就可以用转差频率控制来代表转的关系，也就可以用转差频率控制来代表转矩控制。矩控制。 （2）控制规律）控制规律2-保持保持 恒定恒定 忽略铁心磁饱和，铁损时忽略铁心磁饱和，铁损时 与与I0成正比成正比图图(14) 异步电机等值电路图异步电机等值电路图(28) 代入代入(28)式式:取等式两端相量的幅值取等式两端相量的幅值 (29)I1I0图图(15) 保持保持 恒定时恒定时 函数曲线函数曲线讨论：当讨论：当 不变不变(I0不变不变)，I1与与 函数关系如图函数关系如图(15) (1)当当 =0时，时，I1=I0，在理，在理想空载时定子电流等于励磁电想空载时定子电流等于励磁电流。流。 (2)若若 增大，增大，(29)式中分式中分子中含子中含 项的系数大于分母项的系数大于分母中含中含 项的系数项的系数,因此因此I1增大增大. (3)当当 时时 (4) 为正、负值时，为正、负值时，I1对应不变，曲线轴对称。按对应不变，曲线轴对称。按(29)式式的关系控制定子电流就能保持的关系控制定子电流就能保持 恒定。恒定。 优点与不足优点与不足: (1)频率控制环节输入转差信号，而频率信号是由转差信号与频率控制环节输入转差信号，而频率信号是由转差信号与实际转速信号相加后得到的，因此在转速变化过程中，实际频实际转速信号相加后得到的，因此在转速变化过程中，实际频率率 随实际转速随实际转速 同步地上升或下降，与转速开环系统频率的同步地上升或下降，与转速开环系统频率的给定信号与电压成正比的情况相比，加、减速更平滑，且容易给定信号与电压成正比的情况相比，加、减速更平滑，且容易稳定稳定. (2)由于在动态过程中转速调节器饱和，系统能以对应于由于在动态过程中转速调节器饱和，系统能以对应于 的限幅转矩的限幅转矩Tm进行控制，保证了允许条件下快速性。因此，转进行控制，保证了允许条件下快速性。因此，转差频率闭环系统具备了直流电机双闭环控制系统的优点，是一差频率闭环系统具备了直流电机双闭环控制系统的优点，是一比较优越的控制策略，结构也不复杂，有广泛的应用价值，但比较优越的控制策略，结构也不复杂，有广泛的应用价值，但是：如果认真考查其静、动态性能就会发现，基本型转差频率是：如果认真考查其静、动态性能就会发现，基本型转差频率控制系统还不能达到直流双闭环的水平，其原因是控制系统还不能达到直流双闭环的水平，其原因是:优点与不足优点与不足: （1）分析转差频率控制规律时，是从电机稳态等效电路和转）分析转差频率控制规律时，是从电机稳态等效电路和转矩公式出发的。矩公式出发的。 只在稳态时成立，动态过程中只在稳态时成立，动态过程中 的的变化未研究，但肯定不恒定，变化未研究，但肯定不恒定， 势必影响动态性能。势必影响动态性能。 （2）电流调节器只控制电流的幅值，并未控制电流的相位，）电流调节器只控制电流的幅值，并未控制电流的相位，而在动态过程中电流的相位若不及时赶上去，将延缓转矩的而在动态过程中电流的相位若不及时赶上去，将延缓转矩的变化变化. （3） 是非线性的，无论采用何种方式产生，都是近是非线性的，无论采用何种方式产生，都是近似的，存在一定误差。似的，存在一定误差。 （4）在频率控制环节中）在频率控制环节中 ，使实际频率，使实际频率 随实际随实际转速转速 上升或下降，这本是转差频率控制的优点，但是若上升或下降，这本是转差频率控制的优点，但是若测速信号不准确和有干扰，也会造成误差测速信号不准确和有干扰，也会造成误差.（四）电压空间矢量控制：（四）电压空间矢量控制：(磁链跟踪控制磁链跟踪控制）（四）（四）.电压空间矢量控制：电压空间矢量控制：图（图（16）电压空间矢量）电压空间矢量 按照电压所加绕组的空间位置来定按照电压所加绕组的空间位置来定义，如图（义，如图（16）A,B,C分别表示在空间分别表示在空间静止不动的电机定子三相绕组的轴线，静止不动的电机定子三相绕组的轴线，三相定子相电压三相定子相电压UAO,UBO,UCO分别加在分别加在三相绕组上，可定义三个电压空间矢量三相绕组上，可定义三个电压空间矢量uAO,uBO和和uCO,，它们的方向始終在各相，它们的方向始終在各相的轴线上，而大小随时间按正弦规律作的轴线上，而大小随时间按正弦规律作脉动方式，相位互差脉动方式，相位互差120度。度。1、八十年代初日本学者提出了基本磁通轨迹的电压空间矢量（或、八十年代初日本学者提出了基本磁通轨迹的电压空间矢量（或称磁通轨迹法）。该方法以三相波形的整体生成效果为前提，以逼称磁通轨迹法）。该方法以三相波形的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，一次生成二相调制波近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成二相调制波形。这种方法被称为电压空间矢量控制。典型机种如形。这种方法被称为电压空间矢量控制。典型机种如1989年前后进年前后进入中国市场的入中国市场的FUJI（富士）（富士）FRN5OOOG5/P5、SANKEN MF系列系列等。等。2、引人频率补偿控制，以消除速度控制的稳态误差。、引人频率补偿控制，以消除速度控制的稳态误差。3、基于、基于电机的稳态模型，用直流电流信号重建相电流，如西门子电机的稳态模型，用直流电流信号重建相电流，如西门子MicroMaster系列系列,由此估算出磁链幅值，并通过反馈控制来消除低由此估算出磁链幅值，并通过反馈控制来消除低速时定子电阻对性能的影响。速时定子电阻对性能的影响。4、将输出电压、电流进行闭环控制，、将输出电压、电流进行闭环控制，以提高动态负载下的电压控制精度和稳定度，同时也一定程度上求以提高动态负载下的电压控制精度和稳定度，同时也一定程度上求得电流波形的改善。这种控制方法的另一个好处是对再生引起的过得电流波形的改善。这种控制方法的另一个好处是对再生引起的过电压、过电流抑制较为明显，从而可以实现快速的加减速。然而，电压、过电流抑制较为明显，从而可以实现快速的加减速。然而，在上述四种方法中，由于未引入转矩的调节，系统性能没有得到根在上述四种方法中，由于未引入转矩的调节，系统性能没有得到根本性的改善本性的改善. 可定义电流和磁链的空间矢量可定义电流和磁链的空间矢量I和和 。分别为三相电压，电流，磁链的合成空间矢量。分别为三相电压，电流，磁链的合成空间矢量。当转速不是很低时，定子电阻压降较小，可忽略不计，则：当转速不是很低时，定子电阻压降较小，可忽略不计，则：（31）（32）（33） 式（式（32）表明，）表明，u1的大小等于的大小等于 的变化率，而方向则与的变化率，而方向则与 的运动方向一致。的运动方向一致。图（图（17）旋转磁场与电压）旋转磁场与电压空间矢量运动轨迹的关系空间矢量运动轨迹的关系（34） 由（由（34）式可知，当磁链幅值）式可知，当磁链幅值 一一定时，定时，u1的大小与的大小与 成正比，方向为磁成正比，方向为磁链圆形轨迹的切线方向。如图（链圆形轨迹的切线方向。如图（17）这样，电机旋转磁场的形状问题就可这样，电机旋转磁场的形状问题就可转化为电压空间矢量运动轨迹的形状转化为电压空间矢量运动轨迹的形状问题。问题。 上桥臂器件导通用上桥臂器件导通用“1”表示，下桥表示，下桥臂器件导通用臂器件导通用“0”表示。表示。图（图（18）逆变器原理图）逆变器原理图 8种工作状态种工作状态100，110，010，011，001，101与与111，000。图（图（17）电机空间矢）电机空间矢量与磁链矢量的关系量与磁链矢量的关系电压空间矢量依次为电压空间矢量依次为u1,u2u6 一个周期中只有一个周期中只有6次开关切换，只次开关切换，只产生正六边形旋转磁场，而不是圆形产生正六边形旋转磁场，而不是圆形旋转磁场。利用电压空间矢量的线性旋转磁场。利用电压空间矢量的线性组合，以获得更多的与组合，以获得更多的与u1.u8相位不相位不同的电压空间矢量，最终构成一组等同的电压空间矢量，最终构成一组等幅不同相位的电压空间矢量，从而形幅不同相位的电压空间矢量，从而形成尽量逼近圆形的磁场。这样，在一成尽量逼近圆形的磁场。这样，在一个周期内逆变器的开关次数就要超过个周期内逆变器的开关次数就要超过6次，其输出电压将不再是次，其输出电压将不再是6拍阶梯波，而是一系列等幅不等宽的脉冲波。拍阶梯波，而是一系列等幅不等宽的脉冲波。图（图（19）电压空间矢量线性组合）电压空间矢量线性组合 设在设在u1状态终了后，期望在状态终了后，期望在TZ时间内（时间内（ 电角度表示），其作电角度表示），其作用的是用的是ur1，其相位与，其相位与u1、u2不同不同，但幅值相等。但幅值相等。四四.异步电机的多变量数学模型和坐标变换异步电机的多变量数学模型和坐标变换n (一一)概述概述:n 现代自动控制普遍要求动作灵活、行动快速、定位准确、对传动和伺服现代自动控制普遍要求动作灵活、行动快速、定位准确、对传动和伺服系统有很高的要求。系统有很高的要求。n V/f=C只控制磁通，不控制电机转矩。只控制磁通，不控制电机转矩。n 转差频率控制：可在一定程度上控制电机转矩，但是转差频率控制是由转差频率控制：可在一定程度上控制电机转矩，但是转差频率控制是由电机静态方程上导出的，电机动态性能较差。考虑到动态快速变化的过程中，电机静态方程上导出的，电机动态性能较差。考虑到动态快速变化的过程中，电机除稳态电流外，还有相当大的瞬态电流，产生的电机转矩和稳态转矩有电机除稳态电流外，还有相当大的瞬态电流，产生的电机转矩和稳态转矩有很大的不同。因此良好的动态转矩，有效地控制电机动态转矩是关键。很大的不同。因此良好的动态转矩，有效地控制电机动态转矩是关键。 1、与直流电机类比、与直流电机类比: (1)直流电机：磁通由励磁绕组产生，可以事先建立而不参与系统的动态过直流电机：磁通由励磁绕组产生，可以事先建立而不参与系统的动态过程，因此动态数学模型只有一个输入变量程，因此动态数学模型只有一个输入变量电枢电压和一个输出变量电枢电压和一个输出变量转速。转速。 在控制对象中含有机电时间常数在控制对象中含有机电时间常数 和电枢时间常数和电枢时间常数 ，若，若把把SCR整流装置算进去，则还有整流装置算进去，则还有SCR滞后时间常数滞后时间常数 ，在工程，在工程能够允许的假设条件下，可以描述成单变量能够允许的假设条件下，可以描述成单变量(单输入、单输出单输入、单输出)三阶线性系统，完全可以用经典的线性控制理论和由它发展出三阶线性系统，完全可以用经典的线性控制理论和由它发展出来的工程设计方法进行分析和设计。来的工程设计方法进行分析和设计。 机械结构上，电刷在磁极的几何中线上，机械结构上，电刷在磁极的几何中线上， 励磁绕组产生主励磁绕组产生主磁通磁通 与电机电流产生的电枢反应电动势与电机电流产生的电枢反应电动势 ，在空间正交，即，在空间正交，即 不互相影响不互相影响,可单独调节可单独调节.转矩表达式转矩表达式: (2)交流电机交流电机:. 异步电机变频调速要进行异步电机变频调速要进行V/f的协调控制，有电压和频率二种的协调控制，有电压和频率二种独立变量，若考虑电压是三相，实际输入变量的数目有四个独立独立变量，若考虑电压是三相，实际输入变量的数目有四个独立变量。输出变量中，除转速外，磁通也要算一独立变量。因电机变量。输出变量中，除转速外，磁通也要算一独立变量。因电机外部加三相电压，磁通的建立和转速的变化是同时进行的，但外部加三相电压，磁通的建立和转速的变化是同时进行的，但为了获得良好的动态性能，还希望对磁通施加某种控制，是它在为了获得良好的动态性能，还希望对磁通施加某种控制，是它在动态过程中尽量保持恒定。因此异步电机是一多变量动态过程中尽量保持恒定。因此异步电机是一多变量(多输入多多输入多输出输出)系统，而电压系统，而电压(电流电流)磁通，转速之间互相影响，所以又是磁通，转速之间互相影响，所以又是强耦合的多变量系统。强耦合的多变量系统。 异步电机中，磁通乘电流产生转矩，转速乘磁通得感应电动异步电机中，磁通乘电流产生转矩，转速乘磁通得感应电动势，由于它们是同时变化的，在数学模型上含有二个变量的乘势，由于它们是同时变化的，在数学模型上含有二个变量的乘积项，即使不考虑磁饱和的影响等因素，数学模型也是非线性。积项，即使不考虑磁饱和的影响等因素，数学模型也是非线性。 三相异步电机的定子有三相绕组，转子也可等效为三个绕组三相异步电机的定子有三相绕组，转子也可等效为三个绕组,每个绕组产生磁通时都有自己的电磁惯性，再加上系统机电惯性，每个绕组产生磁通时都有自己的电磁惯性，再加上系统机电惯性，即使不考虑变频装置的滞后因素，至少也是一个七阶系统。即使不考虑变频装置的滞后因素，至少也是一个七阶系统。 异步电机数学模型是一高阶、非线性、强耦合的多变量系统。异步电机数学模型是一高阶、非线性、强耦合的多变量系统。 转矩表达式转矩表达式: (23) (2)异步电机矢量图异步电机矢量图:图图(1)异步电机矢量图异步电机矢量图I1T产生转矩的有功分量产生转矩的有功分量I1M-产生磁通的激磁分量产生磁通的激磁分量 由电压三角形由电压三角形 同样，转子绕组总磁链同样，转子绕组总磁链T是气隙磁通是气隙磁通 和转子电流的有功分量和转子电流的有功分量相互作用而产生的，即使相互作用而产生的，即使 保持恒定电机保持恒定电机转矩不但与转矩不但与 的大小有关，而且还取决于的大小有关，而且还取决于转子电流的功率因数转子电流的功率因数 。电机的气隙。电机的气隙磁通磁通 是由是由I1和和I2共同产生，随着负载的共同产生，随着负载的变化变化 也要改变，因而在动态过程中，要也要改变，因而在动态过程中，要准确控制异步电机转矩是困难的。准确控制异步电机转矩是困难的。代入代入(23)式式: 如前所述，设法保持如前所述，设法保持 恒定，则电机的转矩就和转子电流恒定，则电机的转矩就和转子电流I2成正比。并且，经过某种变换，使成正比。并且，经过某种变换，使T轴与轴与-I2方向重合，方向重合，M轴分轴分量量 用来产生转子磁链用来产生转子磁链 的磁化电流；而的磁化电流；而T轴分量与轴分量与I2成正比成正比,代表了电机转矩。如果在电机调速过程中，维持定子电流的磁代表了电机转矩。如果在电机调速过程中，维持定子电流的磁化分量化分量 不变，而控制转矩分量不变，而控制转矩分量 ，就相当于直流电机中维，就相当于直流电机中维持励磁不变，而通过控制电电枢电流来控制转矩一样，使系统持励磁不变，而通过控制电电枢电流来控制转矩一样，使系统具有较好的动态性能。具有较好的动态性能。在形式上与直流电机转矩表达式相似在形式上与直流电机转矩表达式相似. (二二)异步电机动态数学模型异步电机动态数学模型: 1、异步电机的基本方程、异步电机的基本方程: 交流异步电机的特性在电机学内业经详细分析，但主要讨交流异步电机的特性在电机学内业经详细分析，但主要讨论电源电压和电流正弦稳态特性。现代交流调速系统中，提供论电源电压和电流正弦稳态特性。现代交流调速系统中，提供给电机的电源电压和电流是非正弦的，含有大量的谐波，谐波给电机的电源电压和电流是非正弦的，含有大量的谐波，谐波的作用在电机学内未研究。并且调速过程是一暂态过程，由于的作用在电机学内未研究。并且调速过程是一暂态过程，由于瞬态的存在，其动态特性与静态特性有较大的差别，因此从异瞬态的存在，其动态特性与静态特性有较大的差别，因此从异步电机的基本微分方程出发进行研究。步电机的基本微分方程出发进行研究。 a.电压方程电压方程: (1)异步电机在静止时异步电机在静止时A、B、C坐标系中的数学模型坐标系中的数学模型: 假定电机的气隙是均匀的、忽略磁滞、饱和及涡流的影响假定电机的气隙是均匀的、忽略磁滞、饱和及涡流的影响 定子、转子和磁链的方向如图，电流，定子、转子和磁链的方向如图，电流，电压的正方向符合右螺旋法则。对电机一相电压的正方向符合右螺旋法则。对电机一相而言，有而言，有:图图(2)定子定子,转子坐标系转子坐标系(1)a.电压方程电压方程:P式中式中:b.磁链方程磁链方程: 各绕组磁链是所有电流的线性函数。交链与某相的总磁链各绕组磁链是所有电流的线性函数。交链与某相的总磁链等于流过本绕组的电流产生的磁链与流过其他绕组的电流因等于流过本绕组的电流产生的磁链与流过其他绕组的电流因互感作用产生的磁链，交链于本绕组的磁链之和。互感作用产生的磁链，交链于本绕组的磁链之和。b.磁链方程磁链方程:(2) (a)自感自感: 当对称三相绕组接到对称三相电源时，即在气隙内建立一种当对称三相绕组接到对称三相电源时，即在气隙内建立一种以同步转速以同步转速n0旋转的磁场，该磁场的磁通称为主磁通，主磁通的旋转的磁场，该磁场的磁通称为主磁通，主磁通的作用是实现机电能量转换和传递，交链于磁通。此外还在绕组作用是实现机电能量转换和传递，交链于磁通。此外还在绕组端部，定子槽内建立磁场，这种磁场的磁通只与绕组本身交链，端部，定子槽内建立磁场，这种磁场的磁通只与绕组本身交链，称为漏磁通。称为漏磁通。(a)自感自感: 主磁通对应于定子，转子间的互感作用，与之对应的电感是主磁通对应于定子，转子间的互感作用，与之对应的电感是Lm，漏磁通对应的电感为漏感，漏磁通对应的电感为漏感 、 定子绕组的自感定子绕组的自感: LAA=Lm+ 考虑定子绕组是对称的，则考虑定子绕组是对称的，则定子各绕组的自感是相等的，即定子各绕组的自感是相等的，即:同理，可推出转子各绕组的自感也是相等的，即同理，可推出转子各绕组的自感也是相等的，即: 由电感定义由电感定义: 出发，当设定子、转子的匝数相等且为出发，当设定子、转子的匝数相等且为W,定子，转子的磁导率为定子，转子的磁导率为 ，则，则:(3)(4)(5) 定子中的磁场定子中的磁场iAW 转子中的感应磁通转子中的感应磁通 经过分析经过分析,可以得出这样的结论可以得出这样的结论,定子，转子的自感定子，转子的自感LAA、LBB、LCC、Laa,、Lbb、Lcc都是常数。都是常数。 (b)定子绕组间互感：定子绕组间互感： 定子绕组间的互感是定子绕组间的互感是MAB、MAC、MBA、MBC、MCA、MCB，定子绕定子绕组间因互感而交链组间因互感而交链A相绕组的磁通为两部分，一是气隙主磁通产相绕组的磁通为两部分，一是气隙主磁通产生的互感作用：另外，漏磁通产生的互感作用。且：生的互感作用：另外，漏磁通产生的互感作用。且： MAB=MAC=MBA=MBC=MCA=MCB 现以现以A相定子绕组为例求相定子绕组为例求B相对相对A相的互感相的互感MAB(6)(7)(b)定子绕组间互感定子绕组间互感: 设设B相的漏磁通交链于相的漏磁通交链于A相的磁链为相的磁链为 ，考虑到，考虑到A相轴线相轴线与与B相轴线相差相轴线相差 ，故对应漏磁通互感与，故对应漏磁通互感与A相磁通方向相反，相磁通方向相反，漏磁通引起的互感为漏磁通引起的互感为 。定子绕组间的互感作用。定子绕组间的互感作用W为二者为二者之和，即之和，即: 可见：定子绕组间的互感也是常数。可见：定子绕组间的互感也是常数。(c)转子绕组间的互感转子绕组间的互感: 用分析定子绕组间的互感的方法得用分析定子绕组间的互感的方法得:可见：转子绕组间的互感也是常数可见：转子绕组间的互感也是常数.(8)(9)(C)转子绕组间的互感转子绕组间的互感: (d)定子绕组和转子绕组间的互感定子绕组和转子绕组间的互感: 定子绕组是静止的，转子绕组以定子绕组是静止的，转子绕组以 旋转，定子旋转，定子 A相轴线与转子相轴线与转子 A相轴线相轴线之间的夹角为之间的夹角为图图(3)定子定子,转子矢量关系转子矢量关系由图可见由图可见:(10)(11)(12)(13)(d)定子绕组和转子绕组间的互感定子绕组和转子绕组间的互感: W12为为 时定子时定子A相绕组和转子相绕组和转子a相绕组之间的感相绕组之间的感.W1、W2为定子绕组和转子绕组匝数。为定子绕组和转子绕组匝数。 讨论讨论: (1)异步电机旋转时，定子绕组轴线固定，转子绕组轴线与定异步电机旋转时，定子绕组轴线固定，转子绕组轴线与定子绕组轴线之间的夹角子绕组轴线之间的夹角 是周期变化的，即定子绕组和转是周期变化的，即定子绕组和转子绕组间的互感是时变的。子绕组间的互感是时变的。 (2)物理意义：定子绕组间的位置固定，转子是旋转的，当二物理意义：定子绕组间的位置固定，转子是旋转的，当二者轴线重合时，且方向一致时，交链的磁通最大，互感作用最者轴线重合时，且方向一致时，交链的磁通最大，互感作用最强；轴线方向相反时，呈去磁狀态；轴线互相垂直时无交链，强；轴线方向相反时，呈去磁狀态；轴线互相垂直时无交链，互感作用为零。互感作用为零。 (3)矩阵可简化为方块阵矩阵可简化为方块阵: 由上分析定子自感阵由上分析定子自感阵L11，转子自感阵，转子自感阵L22为常阵；互感阵为常阵；互感阵M12,M21为时变阵。为时变阵。(14)(15)(16)(17) M12和和M21两个方块阵互为转置，且与转子的位置有关，两个方块阵互为转置，且与转子的位置有关，它们的元素是时变参数。它们的元素是时变参数。 a、磁链方程：、磁链方程： 式式(2) 磁链方程可表达为简洁的形式磁链方程可表达为简洁的形式:(18)式中式中: b、电压方程、电压方程 把磁链方程代入电压方程，得展开后的电压方程把磁链方程代入电压方程，得展开后的电压方程:(19)式中式中: c、运动方程、运动方程:C.运动方程运动方程(20)式中式中: TL负载阻转矩负载阻转矩 J机组的转动惯量机组的转动惯量 D与转速成正比的阻转矩阻尼系数与转速成正比的阻转矩阻尼系数 K扭转弹性转矩系数扭转弹性转矩系数 对于恒转矩负载，对于恒转矩负载，D=0、K=0则有：则有： d、转矩方程、转矩方程: 按机电能量转换原理按机电能量转换原理,可求出可求出T的表达式的表达式:(21)(22) 2、异步电机动态数学模型、异步电机动态数学模型:E.异步电机数学模型异步电机数学模型: 将前述将前述(20)式、式、(21)式归纳起来，便是恒转矩负载下的三相式归纳起来，便是恒转矩负载下的三相异步电机多变量非线性数学模型异步电机多变量非线性数学模型(23) 方程组中含有一系列随转子位置角方程组中含有一系列随转子位置角 而变的互感系数，使而变的互感系数，使得求解该微分方程组变得相当困难。得求解该微分方程组变得相当困难。 3、坐标变换、坐标变换: (1)定义定义: 将一组变数用一组新的变数来代替，以使方程组得到简化的将一组变数用一组新的变数来代替，以使方程组得到简化的方法，新的变数与原来的变数之间有线性关系。方法，新的变数与原来的变数之间有线性关系。 设以设以ix, iy, iz代替代替iA, iB, ic,且且:2.坐标变换坐标变换: (1)定义定义: (24) 矩阵为变换阵，为新旧变数建简单的对应。变换阵的逆阵必矩阵为变换阵，为新旧变数建简单的对应。变换阵的逆阵必存在，其条件是线性变换系数组成的行列式必须不等于零，即存在，其条件是线性变换系数组成的行列式必须不等于零，即: (2).变换关系变换关系: 如何选择这些变换系数，可有各种方法，应视具体情况而定如何选择这些变换系数，可有各种方法，应视具体情况而定.从物理角度讲，新旧变数之间有某种内在的联系。就电机而言从物理角度讲，新旧变数之间有某种内在的联系。就电机而言,机电能量由电磁传递，因此坐标变换应保持恒定。如机电能量由电磁传递，因此坐标变换应保持恒定。如iA、iB、iC代表绕组中的三相电流，它产生一定的磁场，新的变数代表绕组中的三相电流，它产生一定的磁场，新的变数iX、iY、iZ代表另一多相代表另一多相(二相二相)绕组中的电流、也能产生同样的磁场。三绕组中的电流、也能产生同样的磁场。三相情况下，相与相间有互感，列方程麻烦：二相系统中其绕组相情况下，相与相间有互感，列方程麻烦：二相系统中其绕组轴线互相垂直，无互感，方程简单，通常为轴线互相垂直，无互感，方程简单，通常为3-2变换。在变换。在3-2变变换时常取换时常取 , i0-为零序分量。为零序分量。(2).变换关系变换关系:Park变换式变换式:或者或者:(25)Park变换式变换式: 讨论讨论: a、变换式的物理意义是原来每相匝数、变换式的物理意义是原来每相匝数为为W的的A、B、C三相绕组用一个每相匝数三相绕组用一个每相匝数为为2/3W，而在空间磁轴相差，而在空间磁轴相差 的的X、Y二二相绕组来代替。这个二相绕组的相绕组来代替。这个二相绕组的X轴线与三轴线与三相绕组相绕组A相轴线相差为相轴线相差为 角，如图角，如图:讨论讨论:图图(4)3-2坐标变换坐标变换 b、在、在X轴上，轴上，iX产生的磁势产生的磁势3/2Wix应等于应等于A、B、C三相绕组中电流产生的磁势在三相绕组中电流产生的磁势在X轴轴上的上的 投影投影 ，这，这是是(25)式式 中的第一关系式中的第一关系式 。第二关系式代表。第二关系式代表iy产生的磁势产生的磁势3/2WiY应等于应等于A、B、C三相绕组中电流产生的磁势在三相绕组中电流产生的磁势在Y轴上的投轴上的投影影 逆变换式逆变换式:或者或者:(26)(3)几种变换式几种变换式:(3).几种变换式几种变换式: 在电机理论中，根据运用的场合不同常用三种不同的在电机理论中，根据运用的场合不同常用三种不同的X、Y坐标系坐标系: a、X、Y轴在空间静止，并且使轴在空间静止，并且使X轴与三相坐标系中轴与三相坐标系中A轴相重轴相重合，即合，即 ，称，称 坐标系，坐标系， 轴上的新变量与轴上的新变量与A、B、C轴上的旧变量之间具有下列关系轴上的旧变量之间具有下列关系:(27)或者或者:图图(5) 坐标变坐标变换换 a.X,Y轴在空间静止坐标系轴在空间静止坐标系 ,其逆变换式其逆变换式:或者或者:(28) 按照采用的条件，电流变换矩阵、电压变换矩阵、磁链变按照采用的条件，电流变换矩阵、电压变换矩阵、磁链变换矩阵都有相同的形式。换矩阵都有相同的形式。 b、X、Y轴随转子一起转动，从二相静止坐标轴随转子一起转动，从二相静止坐标系系 到二相旋转坐标系到二相旋转坐标系d、q的变换。另外，的变换。另外，实际电机中并无零轴电流，因此实际的电流变换实际电机中并无零轴电流，因此实际的电流变换式为式为:图图(6) 和和 d ,q 坐标坐标b. X,Y轴随转子一起转动旋转坐标系轴随转子一起转动旋转坐标系(29) 式中式中: 其逆变换式其逆变换式:(30) c、X、Y以同步速度旋转以同步速度旋转,为此为此 不论采用什么坐标系，若把不论采用什么坐标系，若把X、Y轴上的二个电流分量加以轴上的二个电流分量加以合成、用一个综合矢量合成、用一个综合矢量i来表示，则这个矢量在以来表示，则这个矢量在以X为实轴，为实轴，Y轴为虚轴的复平等面上可表示为轴为虚轴的复平等面上可表示为:C. X,Y以同步速度旋转以同步速度旋转,综合矢量综合矢量 显然，电流分量显然，电流分量iX和和iy是综合矢量在是综合矢量在X、Y轴上的投影。同样轴上的投影。同样不难证明，在用不难证明，在用Park变换的情况下，如变换的情况下，如I0=0则综合矢量在则综合矢量在a、b、c轴上的投影就是电流轴上的投影就是电流ia、ib、ic。若若I0 0则三相电流则三相电流ia、ib、ic.分别分别等于综合矢量在该轴上的投影再加上零序分量等于综合矢量在该轴上的投影再加上零序分量I0。(31) 在没有零序分量在没有零序分量I0情况下，综合矢量情况下，综合矢量I在任何一个轴上的投影就在任何一个轴上的投影就等于该轴上的电流，这是等于该轴上的电流，这是Park变换的优点，由此可计算各坐标变换的优点，由此可计算各坐标轴分量之间的转换关系，如轴分量之间的转换关系，如 坐标系之间的转换，由图坐标系之间的转换，由图(6)可知可知:(33)(32)或者或者:(34a) 从数学上讲，不论是电流，电压还是磁链坐标变换应有统一从数学上讲，不论是电流，电压还是磁链坐标变换应有统一的形式，即有的形式，即有:(34b)(35)(36) 但是从物理上讲这些关系式在但是从物理上讲这些关系式在Park的假想电机中是不成立的的假想电机中是不成立的,因为这些变换式表示等效二相绕组的电势和磁链也应当和三相因为这些变换式表示等效二相绕组的电势和磁链也应当和三相绕组的电势和磁链的大小相等。但是在绕组的电势和磁链的大小相等。但是在Park的假想电机中，二的假想电机中，二相绕组的等效匝数是三相绕组的相绕组的等效匝数是三相绕组的3/2倍，在同样的磁场条件下，倍，在同样的磁场条件下，二相绕组的磁链和电压应增大二相绕组的磁链和电压应增大3/2倍，采用倍，采用(35)和和(36)式的变换式的变换关系，实际上是人为地把二相绕组的磁链和电压缩小了关系，实际上是人为地把二相绕组的磁链和电压缩小了2/3，所，所以采用这种变换后等效功率缩小了，即变换前后的功率不守恒，以采用这种变换后等效功率缩小了，即变换前后的功率不守恒，变换前电机的功率为变换前电机的功率为:d、另一种变换式、另一种变换式:d.另一种变换式另一种变换式 经过变换把经过变换把X,Y坐标系的电流和电压代入上式坐标系的电流和电压代入上式,可得可得: 即变换以后等效电机的功率即变换以后等效电机的功率 需放大需放大3/2倍后才能倍后才能等于电机功率，为克服等于电机功率，为克服Park变换功率不守恒的缺点，又找出了变换功率不守恒的缺点，又找出了一种功率守恒的坐标变换方式。它使等效二相电机绕组匝数不一种功率守恒的坐标变换方式。它使等效二相电机绕组匝数不是三相绕组的是三相绕组的3/2倍倍,而是而是 倍，于是倍，于是:(37)(38)将将(37)与与(38)式的矩阵写为式的矩阵写为:(4).变换式的应用变换式的应用:(39) (4).变换式的应用变换式的应用: 前已述及，以产生同样的旋转磁场为准则，在三相坐标系下的前已述及，以产生同样的旋转磁场为准则，在三相坐标系下的定子电流定子电流ia、ib、ic通过通过3-2变换，可等效为二相静止坐标系下的交流变换，可等效为二相静止坐标系下的交流电流电流 ,再经过按转子磁场定向的旋转变换，可以等效为同步再经过按转子磁场定向的旋转变换，可以等效为同步旋转坐标系下的直流电流旋转坐标系下的直流电流id、iq。若观察者站在铁心上与坐标一起若观察者站在铁心上与坐标一起旋转，则观察者看到的就是一台直流电动机，原交流电动机的转旋转，则观察者看到的就是一台直流电动机，原交流电动机的转子总磁通子总磁通 就等效为直流电动机的磁通，就等效为直流电动机的磁通，d绕组相当于直流电动绕组相当于直流电动机的励磁绕组，机的励磁绕组，id,相当于直流电动机的励磁电流，相当于直流电动机的励磁电流，q绕组相当于直绕组相当于直流电动机伪静止的电枢绕组，流电动机伪静止的电枢绕组， iq相当于与转矩成正比的电枢电流相当于与转矩成正比的电枢电流1、在、在 静止坐标系下的数学模型静止坐标系下的数学模型: 坐标变换的目的就是为了简化数学模型，它与三相坐标系之间的坐标变换的目的就是为了简化数学模型，它与三相坐标系之间的变换关系简单，坐标轴对定子的相对转速为变换关系简单，坐标轴对定子的相对转速为 ，在，在 绕组绕组中没有旋转电势分量，而对转子的相对转速为中没有旋转电势分量，而对转子的相对转速为 ，由此得定子，由此得定子park方程为方程为:(40)(41)(三三) 三相异步电机在两相坐标上的数学模型三相异步电机在两相坐标上的数学模型:1.在在 静止坐标系下的数学模型静止坐标系下的数学模型:(三三) 三相异步电机在两相坐标上的数学模型三相异步电机在两相坐标上的数学模型:磁链方程为磁链方程为:(41) 式中式中:M为定，转子绕组互感为定，转子绕组互感M= (M12互感最大值互感最大值)对于转子短对于转子短路的鼠笼电机路的鼠笼电机 ，(40)(41)式可合并写成式可合并写成:(42) 利用两相旋转的反变换式利用两相旋转的反变换式(34a)和和(34b)，代入式，代入式(21)并整理并整理后后,即得到即得到 坐标上的电磁转矩坐标上的电磁转矩(43)式式(42)和式和式(43)再加上前面一样的运动方程便成为在再加上前面一样的运动方程便成为在 坐标坐标上异步电机的数学模型，这种两相静止坐标系下的数学模型又上异步电机的数学模型，这种两相静止坐标系下的数学模型又称为称为Kron异步电机方程式。异步电机方程式。2、异步电机在两相任意旋转坐标系下的数学模型、异步电机在两相任意旋转坐标系下的数学模型:2.异步电机在两相任意旋转坐标系下的数学模型异步电机在两相任意旋转坐标系下的数学模型 设两相坐标设两相坐标d轴与三相坐标轴与三相坐标A轴的夹角为轴的夹角为 ，而，而 为为d、q坐标系相对于定子的角速度，坐标系相对于定子的角速度， 为为d、q坐标系相对于转子的坐标系相对于转子的角速度。先利用角速度。先利用3/2变换将三相静止坐标系下的电压、电流、磁变换将三相静止坐标系下的电压、电流、磁链方程中定子和转子的电压、电流、磁链和转矩都转换到两相链方程中定子和转子的电压、电流、磁链和转矩都转换到两相静止坐标系静止坐标系 上，然后再用旋转变换将这些变量都转换到两上，然后再用旋转变换将这些变量都转换到两相静止坐标系相静止坐标系d、q上。上。定子和转子的定子和转子的Park方程为方程为:(44)(45)相应地电磁转矩公式为相应地电磁转矩公式为: 若令若令 则则(46)式就是式就是(42)式，即静止式，即静止 坐标系下的坐标系下的数学模型是两相任意旋转坐标系数学模型是两相任意旋转坐标系d、q下的数学模型的一个特例。下的数学模型的一个特例。(46)(47)3.异步电机在两相同步旋转坐标系下的数学模型异步电机在两相同步旋转坐标系下的数学模型:3、异步电机在两相同步旋转坐标系下的数学模型、异步电机在两相同步旋转坐标系下的数学模型: 坐标轴仍用坐标轴仍用d、q表示，旋转速度等于定子频率的同步角速度表示，旋转速度等于定子频率的同步角速度 ，转子的转速为，转子的转速为 ，而，而d、q轴相对于转子的角速度轴相对于转子的角速度 即转差。代入即转差。代入(46)式，得式，得:4.异步电机在两相同步旋转坐标系下的数学模型异步电机在两相同步旋转坐标系下的数学模型:(48)相应地电磁转矩公式为相应地电磁转矩公式为:(49) 4、异步电机在两相同步旋转坐标、异步电机在两相同步旋转坐标 (M/T)系下按转子磁场定系下按转子磁场定向的数学模型向的数学模型: 在在(48)式中电压方程中的式中电压方程中的4x4系数矩阵每一项都是占满了的系数矩阵每一项都是占满了的,也就是说，系统仍是强耦合的，还可以进一步简化。选择也就是说，系统仍是强耦合的，还可以进一步简化。选择d轴轴沿着转子总磁链沿着转子总磁链 的方向，并称为的方向，并称为M轴；而轴；而q轴逆时针转轴逆时针转90度，度，即垂直于即垂直于 称之为称之为T轴。轴。M、T坐标系为按转子磁场定向的坐坐标系为按转子磁场定向的坐标系，电压方程为标系，电压方程为:相应地电磁转矩公式为相应地电磁转矩公式为:(50)(51) 由于由于d轴轴(M轴轴)与与 同一方向，而在同一方向，而在q轴轴(t轴轴)上上即是即是:(52)(53) 把把(53)式代入式代入(50)式式,得得:(54)转矩方程为转矩方程为:(55) (54)、(55)式很简单，已经和直流电机的转矩公式一样了。式很简单，已经和直流电机的转矩公式一样了。从中可以导出定子磁化电流分量从中可以导出定子磁化电流分量im1与转子磁链与转子磁链 和定子转矩电和定子转矩电流分量流分量it1与电机转矩之间的关系，作为矢量控制的依据。与电机转矩之间的关系，作为矢量控制的依据。 五五.矢量控制的基本原理矢量控制的基本原理: 由由(54)式第三行并考虑到鼠笼电机转子是短路的，可得式第三行并考虑到鼠笼电机转子是短路的，可得: 所以所以:(56)(57)五五.矢量控制的基本原理矢量控制的基本原理:1.定子的两个分量的解耦定子的两个分量的解耦:1、定子的两个分量的解耦、定子的两个分量的解耦: 在代入在代入(52)式中，求出式中，求出im1得得:或或式中式中: 转子励磁时间常数转子励磁时间常数,(58)(59) 讨论讨论: a、式、式(59) 表明，在转子磁链保持不变的情况下，转子磁链表明，在转子磁链保持不变的情况下，转子磁链全部由定子磁化电流全部由定子磁化电流im1所决定，与定子电流的转矩分量无关。所决定，与定子电流的转矩分量无关。 b、当定子磁化电流、当定子磁化电流im1变化时，会引起转子磁链变化时，会引起转子磁链 的改变，但的改变，但是存在着延时，其延时时间决定于转子绕组的励磁时间常数，即是存在着延时，其延时时间决定于转子绕组的励磁时间常数，即转子磁链转子磁链 与定子磁化电流与定子磁化电流im1之间的传递函数是一阶惯性环节。之间的传递函数是一阶惯性环节。 c、转子磁链、转子磁链 达到稳态后，即达到稳态后，即 ，则由，则由(57)式式im2=0 即转子磁链即转子磁链 的稳态值由定子磁化电流的稳态值由定子磁化电流im1唯一决定。唯一决定。 d、T轴上定子电流的转矩分量轴上定子电流的转矩分量it1和转子电流的转矩分量和转子电流的转矩分量it2的动的动态关系应满足态关系应满足(52)式式,或写为或写为:(60) 此式说明，若定子电流的转矩分量此式说明，若定子电流的转矩分量it1突然变化，则转子电流突然变化，则转子电流的转矩分量的转矩分量it2立即跟随变化，没有惯性，这是因为按转子磁场定立即跟随变化，没有惯性，这是因为按转子磁场定向后，在向后，在T轴上不存在转子磁通的缘故。轴上不存在转子磁通的缘故。e、由转矩方程、由转矩方程(55)式式: 可见：当可见：当im1不变，即不变，即 不变时，若不变时，若it1变化，转矩变化，转矩T立即随之成立即随之成正比地变化，无任何滞后。即控制正比地变化，无任何滞后。即控制im1使磁通保持恒定，则通过使磁通保持恒定，则通过控制控制it1可实现转矩的瞬时控制。可实现转矩的瞬时控制。 M轴的磁化分量和轴的磁化分量和T轴上的转矩分量之间已经解除了耦合关系轴上的转矩分量之间已经解除了耦合关系,电机转矩的控制可通过分别对定子电流在电机转矩的控制可通过分别对定子电流在M、T轴上的分量独立轴上的分量独立控制来实现，这和直流电机控制完全相似。控制来实现，这和直流电机控制完全相似。2、频率与电流的协调控制、频率与电流的协调控制:2.频率与电流的协调控制频率与电流的协调控制:由由(54)式第四行并考虑到鼠笼电机转子是短路的，可得式第四行并考虑到鼠笼电机转子是短路的，可得:则得则得:(61)将将(60)式代入式代入(61)式得式得:(62) 此式说明：当此式说明：当 恒定时，矢量控制系统的转差频率在动态中恒定时，矢量控制系统的转差频率在动态中也能与转矩成正比。也能与转矩成正比。3、异步电机的矢量变换与解耦数学模型、异步电机的矢量变换与解耦数学模型:iAibiC图图(8)异步电机的矢量变换与解耦数学模型异步电机的矢量变换与解耦数学模型3.异步电机的矢量变换与解耦数学模型异步电机的矢量变换与解耦数学模型:利用式利用式(59)、(55)可绘出图可绘出图(8)的异步电机的数学模型的异步电机的数学模型-M轴与轴与 轴轴(A轴轴)的夹角的夹角.VR同步旋转变换器同步旋转变换器. 通过矢量变换，将定子电流分解成通过矢量变换，将定子电流分解成im1和和it1两个分量，但是两个分量，但是T除除受受it1控制外，还受到控制外，还受到 的影响，并未完全解耦。为使两个子系统的影响，并未完全解耦。为使两个子系统完全解耦，除了坐标变换外，还应设法抵消转子磁链完全解耦，除了坐标变换外，还应设法抵消转子磁链 对电磁转对电磁转矩矩T的影响，把的影响，把ASR的输出信号除以的输出信号除以 。当控制器的坐标反变换。当控制器的坐标反变换与电机中的坐标变换对消，且变频器的滞后可以忽略时，此处的与电机中的坐标变换对消，且变频器的滞后可以忽略时，此处的( )便可与电机数学模型中的便可与电机数学模型中的( )对消，两个子系统就完全解耦对消，两个子系统就完全解耦了。这时，带除法环节的矢量控制系统可以看成是两个独立的线了。这时，带除法环节的矢量控制系统可以看成是两个独立的线性子系统，可采用经典的控制理论的单变量线性系统综合方法或性子系统，可采用经典的控制理论的单变量线性系统综合方法或相应的工程设计方法来设计两个调节器相应的工程设计方法来设计两个调节器 图图(9)带除法环节的解耦矢量控制系统带除法环节的解耦矢量控制系统异步电机异步电机矢量变换矢量变换模型图模型图(8)电电流流控控制制变变频频器器 两个子系统的完全解耦只有在下述三个假定条件下才成立；两个子系统的完全解耦只有在下述三个假定条件下才成立；(1)转子磁链的计算值转子磁链的计算值 等于实际值等于实际值 ；(2)转子磁场定向角的转子磁场定向角的计算值计算值 等于实际值等于实际值 ；(3)忽略变频器电流控制的滞后作用。忽略变频器电流控制的滞后作用。 异步电机的矢量变换模型中的转子磁链异步电机的矢量变换模型中的转子磁链 和它的定向相角和它的定向相角都是实际的，而在控制器中这两个量都难以检测，只能采用观都是实际的，而在控制器中这两个量都难以检测，只能采用观测值或模型计算值测值或模型计算值. 4、间接法矢量控制、间接法矢量控制: (磁通观测器磁通观测器)4.间接法矢量控制间接法矢量控制:(磁通观测器磁通观测器)(1)在两相静止坐标系下的转子磁链模型在两相静止坐标系下的转子磁链模型: (电流模型法电流模型法) (1)在两相静止坐标系下的转子磁链模型在两相静止坐标系下的转子磁链模型: (电流模型法电流模型法) 图图(9)是典型的转速是典型的转速,磁链闭环控制的系统矢量控制系统，旋转磁链闭环控制的系统矢量控制系统，旋转矢量控制中的关键技术就是电流矢量从静止坐标到旋转坐标变换矢量控制中的关键技术就是电流矢量从静止坐标到旋转坐标变换时必须知道旋转坐标与静止坐标之间转角，因为磁场方向是与时必须知道旋转坐标与静止坐标之间转角，因为磁场方向是与M轴方向一致，所以实质上就是必须知道磁通的幅值与静止坐标轴方向一致，所以实质上就是必须知道磁通的幅值与静止坐标 轴之间的角度。直接采用检测元件获取信号有很多工艺和技术问轴之间的角度。直接采用检测元件获取信号有很多工艺和技术问题。因此，实用中采用间接观察法，即检测出电压，电流或转速题。因此，实用中采用间接观察法，即检测出电压，电流或转速等容易测得的信号，利用转子磁通的模型，实时计算磁链的幅值等容易测得的信号，利用转子磁通的模型，实时计算磁链的幅值和相位。和相位。 (1)在两相静止坐标系下的转子磁链模型在两相静止坐标系下的转子磁链模型: (电流模型法电流模型法) 三相定子电流通过三相定子电流通过3/2变换很容易得到两相静止坐标系下的电变换很容易得到两相静止坐标系下的电流流 再利用式再利用式(41)计算转子磁链在计算转子磁链在 轴上的分量为轴上的分量为:则则:又由又由(42)式的式的 坐标电压矩阵方程第三、四行，得坐标电压矩阵方程第三、四行，得:(62)(63)将将(62)、(63)式和式和 代入上式代入上式整理后得转子磁链模型整理后得转子磁链模型:有了有了 可计算可计算 的幅值和相位。的幅值和相位。 (64)(65)相位角相位角: 这个磁通观测器结构简单，但是磁通观测器中用到参数这个磁通观测器结构简单，但是磁通观测器中用到参数 ，这个转子绕组的时间常数这个转子绕组的时间常数 是一个很不稳定的系数，它随着转是一个很不稳定的系数，它随着转子绕组的温度而变化，尤其是当转子频率变化时，由于集肤效子绕组的温度而变化，尤其是当转子频率变化时，由于集肤效(66) 应的影响，电感应的影响，电感L2和电阻和电阻R2朝着不同的方向变化，频率增高，朝着不同的方向变化，频率增高，电阻电阻R2增加，电感增加，电感L2减小减小 变化比较大，它会影响磁通观测器变化比较大，它会影响磁通观测器的准确性，甚至影响整个矢量控制系统的性能的准确性，甚至影响整个矢量控制系统的性能.由由(64)、(65)式式可画出如下框图可画出如下框图:图图(10)电流模型法框图电流模型法框图 (2)、在磁场定向两相旋转坐标系下的转子磁链模型、在磁场定向两相旋转坐标系下的转子磁链模型: (电电压模型法压模型法) 利用利用 静止坐标磁链和电压方程可以算出静止坐标磁链和电压方程可以算出(67)由由得得:(2).在磁场定向两相旋转坐标系下的转子磁链模型在磁场定向两相旋转坐标系下的转子磁链模型: (电电压模型法压模型法)代入下式代入下式,消去消去由由得得:式中式中:(68)再将式再将式(67)代入式代入式(68)得得:式中式中:(69)图图(11)电压模型法框图电压模型法框图小结小结: (1)转子磁链定向旋转矢量控制中各个物理量之间相互关系转子磁链定向旋转矢量控制中各个物理量之间相互关系和内在联系。和内在联系。电磁转矩电磁转矩小结小结:转子磁链转子磁链:转差角频率转差角频率: (2) 转子磁场定向，当转子磁链与转子磁场定向，当转子磁链与M轴方向一致时，轴方向一致时， 由由im1产生与产生与it1无关，无关， im1为定子电流励磁分量，为定子电流励磁分量， it1为定子电流转矩分为定子电流转矩分量量. 与与im1之间的传递函数是一阶惯性环节，其时间常数之间的传递函数是一阶惯性环节，其时间常数 =L2/R2转子绕组时间常数。其物理意义是当转子绕组时间常数。其物理意义是当im1突变时引起突变时引起 变变化，当即在转子中感生转子电流励磁分量化，当即在转子中感生转子电流励磁分量im2阻止阻止 的变化，的变化， 使使 只能按时间常数只能按时间常数T2的指数规律变化的指数规律变化 。达到稳态时。达到稳态时此时此时 由此可见如果运行时保持由此可见如果运行时保持im1=常数，常数， 将没有时间上的滞后将没有时间上的滞后,而而it1也不存在惯性环节，当也不存在惯性环节，当it1变化时电磁转矩变化时电磁转矩T将无任何滞后将无任何滞后,随随it1成正比的变化成正比的变化. (3)转差频率转差频率 的计算非常简单，这就是转差的控制式的计算非常简单，这就是转差的控制式. 假定假定iA 、 iB、ic为三相对称电流为三相对称电流:代入上式，考虑到代入上式，考虑到IA=IB=IC得：得：例例:先变换到先变换到 静止坐标系，设静止坐标系，设 轴与轴与A轴重合，由轴重合，由(27)式式例例:把把 静止坐标系变换到静止坐标系变换到d、q同步旋转坐标系下，由同步旋转坐标系下，由(34a)得得: 由上式可见，只需在由上式可见，只需在d绕组中通一直流电流绕组中通一直流电流 ，产生的，产生的磁场就与三相电流磁场就与三相电流iA、iB、iC产生的磁场等效产生的磁场等效. 将将Id向向M、T轴投影轴投影(即即Id在在M、T同步旋转坐标系中为一量同步旋转坐标系中为一量)得得IM、IT图图(7) d、q和和M、T坐坐标标IM励磁电流励磁电流IT转矩电流转矩电流 由于由于M T，IM和和IT可单独调节，调节可单独调节，调节IM和和IT调节了三相电流的瞬时给定值，调节了三相电流的瞬时给定值，这样就使异步电机具有直流电动机同样这样就使异步电机具有直流电动机同样灵活的控制性能，有着良好动态性能。灵活的控制性能，有着良好动态性能。: 六其他矢量控制方式：六其他矢量控制方式：六其他矢量控制方式：六其他矢量控制方式：1、转差频率矢量控制、转差频率矢量控制: 山村昌认为，要保证异步电机动作的快速性，应尽可能抑制山村昌认为，要保证异步电机动作的快速性，应尽可能抑制电机电磁暂态现象的发生，避免电机中出现暂态的条件是，在动电机电磁暂态现象的发生，避免电机中出现暂态的条件是，在动态过程中保持电机的磁场大小不变，至于磁场旋转地不均匀变化态过程中保持电机的磁场大小不变，至于磁场旋转地不均匀变化不会引起暂态过程。若在控制过程中，只要能使电机的定子，转不会引起暂态过程。若在控制过程中，只要能使电机的定子，转子，或气隙磁场中有一个始终保持不变，电机的转矩就和稳态工子，或气隙磁场中有一个始终保持不变，电机的转矩就和稳态工作时一样，主要由转差频率决定。按此想法，在转子磁链定向矢作时一样，主要由转差频率决定。按此想法，在转子磁链定向矢量方程中，如果仅考虑转子磁链的稳态方程式（量方程中，如果仅考虑转子磁链的稳态方程式（59），就可以从），就可以从转子磁链直接得到定子电流转子磁链直接得到定子电流d轴分量的给定值，在通过对定子轴分量的给定值，在通过对定子电流的有效控制，就形成了转差矢量控制，避免磁通的闭环电流的有效控制，就形成了转差矢量控制，避免磁通的闭环控制。控制。2、气隙磁场定向的矢量控制：、气隙磁场定向的矢量控制： 电机磁通的饱和程度与气隙磁通一致，而且能直接测量，因电机磁通的饱和程度与气隙磁通一致，而且能直接测量，因此气隙磁场定向的矢量控制，更适合处理电机铁心的饱和效应，此气隙磁场定向的矢量控制，更适合处理电机铁心的饱和效应，但控制相对复杂。但控制相对复杂。3、定子磁场定向的矢量控制：、定子磁场定向的矢量控制： 转子磁通的检测精度受电机参数影响较大；气隙磁通可直接转子磁通的检测精度受电机参数影响较大；气隙磁通可直接测量，精度较高，但一般情况下，不希望附加检测原件，而是测量，精度较高，但一般情况下，不希望附加检测原件，而是通过电机端电压，电流量计算出所需磁通，同时降低转子参数通过电机端电压，电流量计算出所需磁通，同时降低转子参数对检测精度地影响。对检测精度地影响。 七、无速度传感器矢量控制七、无速度传感器矢量控制 七七.无速度传感器矢量控制无速度传感器矢量控制 1.动态转速估计器动态转速估计器: 安装传感器后系统成本大大增加；安装不当影响测速精度；安装传感器后系统成本大大增加；安装不当影响测速精度；高温、高湿的环境无法工作高温、高湿的环境无法工作.1、动态转速估计器、动态转速估计器:式中式中:转子角频率转子角频率 定子角频率定子角频率转差角频率转差角频率 同步角频率的计算公式可由静止坐标系下的定子电压方程式推同步角频率的计算公式可由静止坐标系下的定子电压方程式推得，方程式为得，方程式为:(7-1)(7-2)图图7-1 定子磁通矢量图定子磁通矢量图由图由图7-1可见可见:(7-3)将将(7-2)式代入式代入(7-3)式得式得:转差角频率转差角频率:又又 则则 可求出。此法直观性强，但计算需要知道磁通，因而磁可求出。此法直观性强，但计算需要知道磁通，因而磁通观测与控制的好坏直接影响转速辩识的精度；计算过程中通观测与控制的好坏直接影响转速辩识的精度；计算过程中(7-4)用到大量的电机参数，若缺少参数辩识环节，当电机参数变化用到大量的电机参数，若缺少参数辩识环节，当电机参数变化时计算精度将受到严重的影响；由于缺少任何误差校正环节，时计算精度将受到严重的影响；由于缺少任何误差校正环节，难以保证系统的抗干扰性能难以保证系统的抗干扰性能. 2、基于、基于PI自适应控制法自适应控制法: 基本思想是利用某些量的误差项，使其通过基本思想是利用某些量的误差项，使其通过PI调节器而得到转调节器而得到转速信息速信息.由由:和和: 控制过程中控制过程中 保持恒定，则保持恒定，则T完全由完全由 决定决定.因而给定转矩因而给定转矩电流分量电流分量 与其实际响应与其实际响应 之间的差值就反映了转速的变化特之间的差值就反映了转速的变化特性，通常的做法是将这一误差信号送入一性，通常的做法是将这一误差信号送入一PI调节器，其输出即为调节器，其输出即为角速度估计。即角速度估计。即: 2.基于基于PI自适应控制法自适应控制法: 该法算法结构简单，但由于涉及转子磁链的估计及控制问题，该法算法结构简单，但由于涉及转子磁链的估计及控制问题，辩识的精度很大程度上受磁链控制性能的影响，而且线性辩识的精度很大程度上受磁链控制性能的影响，而且线性PI调节调节器的有限调节能力也限制了辩识范围的进一步扩大。但此法仍然器的有限调节能力也限制了辩识范围的进一步扩大。但此法仍然不失为一种简单易行，效果良好的速度估计方法。不失为一种简单易行，效果良好的速度估计方法。 3、模型参考自适应法：、模型参考自适应法：(7-5) 3.模型参考自适应法：模型参考自适应法： 模型参考自适应法辩识参数的主要思想是将不含未知参数的模型参考自适应法辩识参数的主要思想是将不含未知参数的方程作为参考模型，而将含有待估参数的方程作为可调模型，两方程作为参考模型，而将含有待估参数的方程作为可调模型，两模型具有相同物理意义的输出量，利用两模型输出量的误差构成模型具有相同物理意义的输出量，利用两模型输出量的误差构成合适的自适应律来实时调节可调模型的参数，以达到控制对象的合适的自适应律来实时调节可调模型的参数，以达到控制对象的输出跟踪参考模型的目的。输出跟踪参考模型的目的。静止参考坐标下的转子磁链方程为静止参考坐标下的转子磁链方程为:(7-6) 据此构造参数可调的转子磁链估计模型为据此构造参数可调的转子磁链估计模型为:(7-7) 认为估计模型中认为估计模型中 是需要辩识的量而认为其他参数不变化。是需要辩识的量而认为其他参数不变化。(7-7)式减去式减去(7-6)式可得误差方程式可得误差方程:（7-8） 为便于利用为便于利用Popov超稳定性理论求解参数自适应律，可将（超稳定性理论求解参数自适应律，可将（7-8）式整理如下：）式整理如下：（9）式中：式中： I单单位矢量；位矢量； 误差系统框图如图误差系统框图如图7-2，图中取，图中取B=C=I2x2.根据超稳定性理论，根据超稳定性理论，误差系统渐进稳定的充要条件为：误差系统渐进稳定的充要条件为：图图7-2 误差系统框图误差系统框图参数自适应律参数自适应律（7-10）（7-11）（1）（）（A,B)为能控对，（为能控对，（A,C)为能观对；为能观对；（2）C(sI-A)-1B为正实矩阵；为正实矩阵；（3） 经验证，条件（经验证，条件（1），（），（2）式满足的。现讨论条件（）式满足的。现讨论条件（3），），对误差系统方程（对误差系统方程（10），（），（11），（），（12）有：）有：取取（7-13）则有：则有： 因此，根据以上地推导可知，只需取自适应律：因此，根据以上地推导可知，只需取自适应律： 条件（条件（3）也能满足，从而保证了误差系统的渐近稳定性，同）也能满足，从而保证了误差系统的渐近稳定性，同时可以证明：时可以证明：(7-16）式（式（7-7），（），（7-15）就构成了电机转速的完整辨识算法。）就构成了电机转速的完整辨识算法。（7-14）（7-15） 4、扩展卡尔曼滤波器：、扩展卡尔曼滤波器： 利用最小均放误差性质的方法和应用正交投影的概念得到的利用最小均放误差性质的方法和应用正交投影的概念得到的最小均方误差算法。可有效地削弱随机干扰和测量噪声的影响。最小均方误差算法。可有效地削弱随机干扰和测量噪声的影响。 （1）最小均方误差估计：）最小均方误差估计： 设信号，噪声，与测量的状态变量为：设信号，噪声，与测量的状态变量为：则测量模型为：则测量模型为： 式中式中C位位m n维常值矩阵。设维常值矩阵。设x和和 是独立的随机向量，其是独立的随机向量，其均值和均方差阵为：均值和均方差阵为：4.扩展卡尔曼滤波器：扩展卡尔曼滤波器： （1）（）（1）最小均方误差估计：）最小均方误差估计： （7-17）（7-18）均方差：均方差： 式中式中X为为n n维正定矩阵，维正定矩阵，W为为m m为正定矩阵。为正定矩阵。y的均值为：的均值为：设线性估计为：设线性估计为：（7-19）(7-20)(7-21)(7-22) 式中式中F为为n m常值矩阵，常值矩阵，d为为n维常向量，寻求最佳估计的问维常向量，寻求最佳估计的问题就是选择最佳的题就是选择最佳的F和和d的问题。的问题。估计误差：估计误差：误差的均方值：误差的均方值：d的选取是在的选取是在 的条件下进行的，则的条件下进行的，则X的估计均方误差阵为：的估计均方误差阵为：当当 时，均方误差阵为时，均方误差阵为(7-23)(7-24)(7-25)(7-26)(7-27) 式中式中I为为n n为单位矩阵。将上式配方后又可写为：为单位矩阵。将上式配方后又可写为：(7-28) 式中仅第一项与有关，为取得最小均方误差，可使方括号项式中仅第一项与有关，为取得最小均方误差，可使方括号项为零，这是为零，这是F选择地原则选择地原则,即即(7-29)依式依式(7-22),(7-25),(7-29)可得线性无偏最小均方误差估计可得线性无偏最小均方误差估计(7-30) 用用P表示依式（表示依式（7-29）选择）选择F的条件下的均方误差，由式（的条件下的均方误差，由式（7-28）则：）则：（7-33）综合多变量无偏最小均方误差估计的有关表达式为综合多变量无偏最小均方误差估计的有关表达式为:（7-31）应用矩阵求逆引理变换应用矩阵求逆引理变换P的形式：的形式：（7-32）（7-34）将式（将式（7-34）代入式（）代入式（7-30）得：）得：（7-35） 多变量线性最小均方误差估计的一个重要性质是估值多变量线性最小均方误差估计的一个重要性质是估值 与误与误差差 的正交性，即的正交性，即 与与 不相关。这种估计放松了对于概率密度不相关。这种估计放松了对于概率密度的要求，只要求知道测量值和信号的一，二阶矩，如的要求，只要求知道测量值和信号的一，二阶矩，如Ex, Ey, Varx，Vary等。实际上，在这种情况下求估值，是需要对估等。实际上，在这种情况下求估值，是需要对估计的函数形式加以限制的，限定估值计的函数形式加以限制的，限定估值 必须是测量值的线性函必须是测量值的线性函数，而不是针对任意函数。数，而不是针对任意函数。（2）卡尔曼滤波器的构成：）卡尔曼滤波器的构成：八、直接转矩控制八、直接转矩控制 (一一)直接转矩控制的主要特点直接转矩控制的主要特点: 1、直接在定子坐标系下分析交流电机的数学模型，控制电机的、直接在定子坐标系下分析交流电机的数学模型，控制电机的磁链和转矩。磁链和转矩。 2、直接转矩控制磁场定向所用的是定子磁场，只要知道定子电直接转矩控制磁场定向所用的是定子磁场，只要知道定子电阻就可把它观测出来。阻就可把它观测出来。 3、直接转矩控制采用空间矢量的概念来分析三相交流电机的数直接转矩控制采用空间矢量的概念来分析三相交流电机的数学模型和控制其各物理量，使问题变得特别简单明了。学模型和控制其各物理量，使问题变得特别简单明了。 4、控制直接转矩强调的是转矩的直接控制与效果。它包含有两控制直接转矩强调的是转矩的直接控制与效果。它包含有两层意思：层意思：(1)直接控制转矩；直接控制转矩；(2)对转矩直接控制。对转矩直接控制。 (1)直接控制转矩：矢量控制方法是通过控制电流，磁链来间接直接控制转矩：矢量控制方法是通过控制电流，磁链来间接八、直接转矩控制八、直接转矩控制 (一一).直接转矩控制的主要特点直接转矩控制的主要特点:控制转矩，直接控制转矩是把转矩直接作为被控量来直接控制转矩控制转矩，直接控制转矩是把转矩直接作为被控量来直接控制转矩.它并非极力获得理想的正弦波形，也不专门强调磁链的圆形轨迹。它并非极力获得理想的正弦波形，也不专门强调磁链的圆形轨迹。从控制转矩的角度出发，强调的是转矩的直接控制效果。从控制转矩的角度出发，强调的是转矩的直接控制效果。 (2)对转矩直接控制：简单技术对转矩实行直接控制。其控制方对转矩直接控制：简单技术对转矩实行直接控制。其控制方式是，通过转矩两点式调节器把转矩检测值与转矩给定值作带滞环式是，通过转矩两点式调节器把转矩检测值与转矩给定值作带滞环的比较，把转矩波动限制在一定容差范围内，容差的大小，由频率的比较，把转矩波动限制在一定容差范围内，容差的大小，由频率调节器来控制。因此它的控制效果不取决于电机的数学模型是否能调节器来控制。因此它的控制效果不取决于电机的数学模型是否能够简化，而取决于转矩的实际状况，它的控制既直接又简单。够简化，而取决于转矩的实际状况，它的控制既直接又简单。 (二二).直接转矩控制的基本概念直接转矩控制的基本概念: 这些概念包括这些概念包括: 异步电机的空间矢量等效电路图及其数学模型的基本方程异步电机的空间矢量等效电路图及其数学模型的基本方程;逆变器的逆变器的8种开关状态种开关状态;(二二).直接转矩控制的基本概念直接转矩控制的基本概念 电压空间矢量对定子磁链的影响以及六边形磁链的概念电压空间矢量对定子磁链的影响以及六边形磁链的概念; 电压空间矢量对电机转矩的影响及定子磁链走走停停的概念电压空间矢量对电机转矩的影响及定子磁链走走停停的概念; 电压空间矢量的选择与磁链自控制概念电压空间矢量的选择与磁链自控制概念; 1.异步电机的数学模型的基本方程异步电机的数学模型的基本方程: 1.异步电机的数学模型的基本方程异步电机的数学模型的基本方程:图图(1) 异步电机空间矢量等效图异步电机空间矢量等效图 u1(t)定子电压空间定子电压空间矢量矢量; i1(t)定子电流空定子电流空间矢量间矢量; i2(t)定子电流空定子电流空间矢量间矢量; (t)定子磁链空定子磁链空间矢量间矢量; (t)定子磁链空间矢量定子磁链空间矢量; 1.异步电机的数学模型的基本方程异步电机的数学模型的基本方程: 于是，定子坐标系上的方程为于是，定子坐标系上的方程为:移项并积分得移项并积分得:(1)(2)图图(2) 定子磁链模型结构图定子磁链模型结构图 由由(2)式可得定子磁链模型结构图如图式可得定子磁链模型结构图如图(2)，在静止两相坐标系上，在静止两相坐标系上电磁转矩的表达式电磁转矩的表达式:(3)(4)再由静止两相坐标系上的磁链方程再由静止两相坐标系上的磁链方程:可得可得:代入代入(3)式并整理后得式并整理后得:(5)由由(4)式得转矩模型结构图式得转矩模型结构图:图图(3) 转矩模型结构图转矩模型结构图 异步电机的定子磁链可通异步电机的定子磁链可通过控制电机的输入电压来加过控制电机的输入电压来加以控制。按定子磁场控制的以控制。按定子磁场控制的直接转矩控制系统如图直接转矩控制系统如图(4):图图(4) .按定子磁场按定子磁场控制的直接转矩控控制的直接转矩控制系统制系统 2.逆变器的逆变器的8种开关状态和电压状态种开关状态和电压状态图图(5) 电压型理想逆变器电压型理想逆变器 2.逆变器的逆变器的8种开关状态和电压状态种开关状态和电压状态 规定规定a、b、c三相负载的三相负载的某一相与某一相与+极相接通时，该极相接通时，该相的开关状态为相的开关状态为“1”;反之，反之，与与-极接通时为极接通时为“0”态态.于是于是有有: 前前6是工作状态，后是工作状态，后2种为种为“0”状态。在不输出零状状态。在不输出零状态电压的情况下，根据逆变器的基本理论，输出态电压的情况下，根据逆变器的基本理论，输出6种工种工作电压状态的电压波形如图作电压状态的电压波形如图(6)由图可知由图可知: (1)相电压的极性和相电压的极性和逆变器的开关状态的关逆变器的开关状态的关系符合本节的规定系符合本节的规定.即即某相负载与某相负载与+接通时，接通时，该相逆变器的开关状态该相逆变器的开关状态为为“1”态防止为态防止为“0”态。态。 (2)由相电压得到的由相电压得到的开关状态顺序不是一种开关状态顺序不是一种数学排列的次序，而是数学排列的次序，而是实际工作顺序。实际工作顺序。 (3)电压状态和开关状态电压状态和开关状态都是都是6个状态为一个周期。个状态为一个周期。图图(6) 无零状态输出时相电压波形及所对无零状态输出时相电压波形及所对应的开关状态和电压状态应的开关状态和电压状态 (4)相电压波形的幅值是两个相电压波形的幅值是两个:图图(7) 用电压空间矢量表示的用电压空间矢量表示的7个离散的电压状态个离散的电压状态 3.电压空间矢量电压空间矢量3.电压空间矢量电压空间矢量 逆变器的逆变器的7个状态用空间矢个状态用空间矢量来表示如图量来表示如图(7)所示所示. 输入电机的电压综合矢量为输入电机的电压综合矢量为: 对于状态对于状态“1”,(6) 3.电压空间矢量电压空间矢量同理可得同理可得:代入代入(5)式式 (1)6个电压空间矢量周期地按顺序出现，其顺序是个电压空间矢量周期地按顺序出现，其顺序是us(011)- us(001)- us(101)- us(100)- us(110)- us(010)，它们依此沿逆时，它们依此沿逆时针方向旋转；针方向旋转；(2)相邻两个矢量相差相邻两个矢量相差60度；度；(3)电压空间矢量的电压空间矢量的幅值都等于幅值都等于4E/3；(4)零电压状态零电压状态us(000)、us(111)位于位于6边形的边形的中心。中心。4.电压空间矢量对定子磁链的影响电压空间矢量对定子磁链的影响:4.电压空间矢量对定子磁链的影响电压空间矢量对定子磁链的影响: 定子磁链与定子电压之间的关系由定子磁链与定子电压之间的关系由(1)确定，于是确定，于是:若忽略定子电阻降的影响，则若忽略定子电阻降的影响，则:(7)(8)4.电压空间矢量对定子磁链的影响电压空间矢量对定子磁链的影响: 当磁链空间矢量当磁链空间矢量 在图在图(8)所示位置时所示位置时(其顶点其顶点S1上上)，若逆变，若逆变器加到定子上的电压空间矢量为器加到定子上的电压空间矢量为us(011)，则根据，则根据(8)式式(定子磁链空定子磁链空间矢量与定子电压空间矢量之间的间矢量与定子电压空间矢量之间的积分关系积分关系)，定子磁链空间矢量的顶，定子磁链空间矢量的顶点，将沿着点，将沿着S1边的轨迹，朝着电压空边的轨迹，朝着电压空间矢量间矢量us(011)所作用的方向运动。所作用的方向运动。当当 沿着边沿着边S1运动到运动到S1与与 S2的交的交点时点时, 若给出的电压空间矢量若给出的电压空间矢量us(001)，则磁链空间矢量则磁链空间矢量 的顶点，则会按照与的顶点，则会按照与us(001)相平行的方向，相平行的方向，沿着沿着S2边的轨迹运动。若在边的轨迹运动。若在S2与与 S3的交点时给出的电压的交点时给出的电压us(101)、图图(8) 电压空间矢量和磁链空电压空间矢量和磁链空间矢量的关系间矢量的关系则则 的顶点将沿着的顶点将沿着S3边的轨迹运动。同样的方法依次给出边的轨迹运动。同样的方法依次给出us(100) 、us(110)、 us(010)，则，则 的顶点将依次沿着边的顶点将依次沿着边S4 、 S5, 、 S6的轨迹运动。由此可得以下的结论：的轨迹运动。由此可得以下的结论：(1)定子磁链空间矢量定子磁链空间矢量顶点的运动方向和轨迹，对应于相应的电压空间矢量的作用方向，顶点的运动方向和轨迹，对应于相应的电压空间矢量的作用方向， 的运动轨迹平行于的运动轨迹平行于us(t)指示的方向。只要定子电阻压降足够小，那指示的方向。只要定子电阻压降足够小，那么这种平行就能得到很好的近似。么这种平行就能得到很好的近似。(2)在适当的时刻依次给出电压在适当的时刻依次给出电压空间矢量空间矢量us(011) 、us(001)、us(101)、 us(100),、us(110),、us(010) ，则得到定子磁链的运动轨迹依次沿着边，则得到定子磁链的运动轨迹依次沿着边S1- S2-S3 -S4- S5- S6运动，形成了正六边形磁链。运动，形成了正六边形磁链。(3)正六边形的正六边形的6条边代表着磁链空间条边代表着磁链空间矢量矢量 一个周期的运动轨迹。一个周期的运动轨迹。 5.电压空间矢量对电机转矩的影响电压空间矢量对电机转矩的影响: 在直接转矩控制技术中，其基本控制方法就是通过电压空间矢量在直接转矩控制技术中，其基本控制方法就是通过电压空间矢量 5.电压空间矢量对电机转矩的影响电压空间矢量对电机转矩的影响: 5.电压空间矢量对电机转矩的影响电压空间矢量对电机转矩的影响:us(t)来控制定子磁链的旋转速度，控制定子磁链的走走停停，以改来控制定子磁链的旋转速度，控制定子磁链的走走停停，以改变定子磁链的平均旋转速度的大小，达到控制转矩的目的。两位式变定子磁链的平均旋转速度的大小，达到控制转矩的目的。两位式的转矩控制方法可由图的转矩控制方法可由图(9)来说明来说明:图图(9) 转矩控制方法转矩控制方法图中电机正反转时选用的电图中电机正反转时选用的电压矢量不相同，一般在压矢量不相同，一般在 正正转时使转时使T保持在保持在 的范围内：而在的范围内：而在 反转时反转时,使使T保持在保持在 的范围内，图的范围内，图(9)表示电机表示电机磁链顺时针旋转时的转矩控磁链顺时针旋转时的转矩控制方法制方法.当当T小于小于 时，电机时，电机输入一个非输入一个非 零电压加速矢量零电压加速矢量,使电机转矩增加使电机转矩增加,当当T达到达到 时，选择一时，选择一个零电压矢量，使个零电压矢量，使 的运动暂时静止不动，而转子磁链空间矢量的运动暂时静止不动，而转子磁链空间矢量则则 6.电压空间矢量的正确选择电压空间矢量的正确选择:6.电压空间矢量的正确选择电压空间矢量的正确选择:图（10）六边形磁链及三相坐标系 轴 两个含义：电压空间矢量顺两个含义：电压空间矢量顺序的选择；电压空间矢量的给序的选择；电压空间矢量的给出时刻的选择。出时刻的选择。 定子磁链空间矢量的运动轨迹定子磁链空间矢量的运动轨迹,取决于定子电压的空间矢量，定取决于定子电压的空间矢量，定子电压空间矢量的选择又取决于子电压空间矢量的选择又取决于定子磁链空间矢量的运动轨迹。定子磁链空间矢量的运动轨迹。要得到要得到6边形磁链，观察边形磁链，观察6边形轨边形轨6.电压空间矢量的正确选择电压空间矢量的正确选择:继续旋转，转矩减小到继续旋转，转矩减小到 时电机又输入一个使磁场加速的电时电机又输入一个使磁场加速的电压空间矢量，使电机转矩再度上升压空间矢量，使电机转矩再度上升 ，通过这样的瞬态调节就，通过这样的瞬态调节就能得到高动态性能的转矩特性。能得到高动态性能的转矩特性。迹的定子旋转磁迹的定子旋转磁链空间矢量在链空间矢量在 三相坐标系三相坐标系图图(11) 直接转矩控制开关信号及电压空间矢量的正确选择直接转矩控制开关信号及电压空间矢量的正确选择a).定子磁链的三个定子磁链的三个 分量分量 b).磁链开关信号磁链开关信号 c).电压开关信号电压开关信号 d)电压状态信号电压状态信号 轴上的投影轴上的投影,可得可得到三个相差到三个相差 的梯形波的梯形波.如图如图(11)a. S1区段内区段内 保持正的保持正的最大值，最大值， 从负的最大值变到零，从负的最大值变到零， 从零变到负的最大值。接着从零变到负的最大值。接着S2区段内，区段内， 从正的最大值变到零，从正的最大值变到零， 从零变到正的最大值，从零变到正的最大值， 保持保持负的最大值不变。负的最大值不变。S2，S3，S4，S5，S6完成一个周期之后又重复出现已完成一个周期之后又重复出现已有的波形。有的波形。 采用三个施密特触发器，如采用三个施密特触发器，如图（图（12），施密特触发器的容差），施密特触发器的容差是是 ， 作为磁链的给定作为磁链的给定值分别与三个磁链分量值分别与三个磁链分量图（图（12） 用作磁链比较器的施用作磁链比较器的施密特触发器密特触发器进行比较，得到如图（进行比较，得到如图（11）b的的磁链开关信号磁链开关信号 。对照图（对照图（11）a和和b可见，当可见，当 上升达到正的磁链给定值上升达到正的磁链给定值 时时,施密特施密特触发器输出低电平信号，触发器输出低电平信号， 为低电平；当为低电平；当 下降到负的磁链给定下降到负的磁链给定值值 时，施密特触发器输出高电平信号，时，施密特触发器输出高电平信号， 为高电平为高电平 。由此得。由此得到磁链开关信号到磁链开关信号 的时序图。同理，可得到的时序图。同理，可得到 ， 的时序图。的时序图。 由磁链开关信号由磁链开关信号 可以方便地可以方便地 构成电压开关信号构成电压开关信号 ，其关系是：，其关系是： 把电压开关信号把电压开关信号 反相，可直接得到电压状态信反相，可直接得到电压状态信号号 SUa，SUb，SUC。 由上分析已经得到了电压开关状态顺序的正确选择，即由上分析已经得到了电压开关状态顺序的正确选择，即011-001-101-100-110-010，正好对应六边形磁链的六个区段：，正好对应六边形磁链的六个区段：S1-S2-S3-S4-S5-S6。或按顺序依次给出电压空间矢量。或按顺序依次给出电压空间矢量us（011）-us（001）-us（101）-us（101）-us（110）-us（010）就可以得到按逆时针旋）就可以得到按逆时针旋转的正六边形磁链轨迹，其对应的顺序是转的正六边形磁链轨迹，其对应的顺序是S1-S2-S3-S4-S5-S6。电压。电压空间矢量给出时刻就是各空间矢量给出时刻就是各 磁链分量磁链分量 到达磁链给定值到达磁链给定值 的时刻。的时刻。 小结：小结： 通过磁链给定值通过磁链给定值 比较器得到相应的磁链开关信号比较器得到相应的磁链开关信号 ，再通过电压开关信号，再通过电压开关信号 得到了电压状态信号得到了电压状态信号 SUa，SUb，SUC，也就是电压空间矢量，也就是电压空间矢量us（t）。）。 决定了电压空间矢量决定了电压空间矢量的切换时间，当磁链的的切换时间，当磁链的 磁链分量变化达到磁链分量变化达到 值时，电压状态信值时，电压状态信号发生变化，进行切换。为得到定子磁链的号发生变化，进行切换。为得到定子磁链的 分量分量 小结小结必须对定子磁链进行检测。必须对定子磁链进行检测。(三三).直接转矩控制的基本结构直接转矩控制的基本结构图（图（13）直接转矩基本结构）直接转矩基本结构三三.直接转矩控制的基本结构直接转矩控制的基本结构 DMC-定子磁链自控制单元定子磁链自控制单元. UCT-坐标变换单元坐标变换单元.AMC-转矩计算单元转矩计算单元.AZS-零状态选择单元零状态选择单元.AMM-磁链模型单元磁链模型单元.ATR-转矩调节器转矩调节器 由图可见由图可见:DMC输入是定子磁链在输入是定子磁链在 三相坐标系上的三个分量三相坐标系上的三个分量. , DMC的参考比较信号是磁链的给定值的参考比较信号是磁链的给定值 ,将输入的三个信号与将输入的三个信号与给定值进行比较给定值进行比较,输出端得到三个磁链开关信号输出端得到三个磁链开关信号 , 三相磁链开关信号通过三相磁链开关信号通过S换相换相,得到三个电压开关信号得到三个电压开关信号 .换相的原则是换相的原则是 经反相变成电经反相变成电压状态信号压状态信号 ,就可以直接去控制逆变器就可以直接去控制逆变器UI,输出相输出相应的电压空间矢量应的电压空间矢量,去控制产生所需的去控制产生所需的6边形磁链边形磁链. UCT的输入量是定子磁链在的输入量是定子磁链在 坐标系上的分量坐标系上的分量 UCT的输出量则是三个的输出量则是三个 磁链分量磁链分量. UCT单元的输入量与输出单元的输入量与输出量之间关系是量之间关系是:可以由磁链模型单元可以由磁链模型单元AMM得到得到.即由即由(1)-(3)式式: 式中的式中的 可通过检测三相定子电压可通过检测三相定子电压 经经3/2变换变换得到得到, 也可用同样的方法得到也可用同样的方法得到. 转矩的大小通过改变通过磁链运动轨迹的平均速度来控制，转矩的大小通过改变通过磁链运动轨迹的平均速度来控制，AZS提供零状态电压信号，它的给出时间由提供零状态电压信号，它的给出时间由S开关控制。开关开关控制。开关S又由转矩又由转矩调节器调节器ATR的输出信号的输出信号“TQ”来控制，转矩调节器来控制，转矩调节器ATR的输入信号的输入信号是转矩给定值是转矩给定值Tg和转矩反馈值和转矩反馈值Tf的差值。的差值。 ATR也是施密特触发器也是施密特触发器,它的容差是它的容差是 。对转矩实行两位式调节：当。对转矩实行两位式调节：当 时时ATR输出信号输出信号“TQ”变为变为“1”态态,控制开关控制开关S接通接通,DMC输出的磁链输出的磁链开关信号开关信号 把工作电压空间矢量加到电机上把工作电压空间矢量加到电机上,使定子磁链旋转使定子磁链旋转,转矩加大转矩加大; 当当 时，时，ATR输出信号输出信号“TQ”变为变为“0”态，态，控制开关控制开关S接通零状态选择单元接通零状态选择单元AZS提供的零电压信号，把零电提供的零电压信号，把零电压加到电机上，使定子磁链停止不动，转矩减小。压加到电机上，使定子磁链停止不动，转矩减小。 转矩的实际值可由转矩计算单元转矩的实际值可由转矩计算单元AMC根据根据(4)式计算得到式计算得到九、中（高）压大功率变频器九、中（高）压大功率变频器 (一一)概述概述: 1、定义、定义: 把用来驱动把用来驱动1KV-10KV 交流电机的中，大容量变频器，称为交流电机的中，大容量变频器，称为中（高）压大功率变频器中（高）压大功率变频器.习惯上把额定电压为习惯上把额定电压为6KV和和3KV的电的电机称为高压电机，因此机称为高压电机，因此1KV-10KV的变频器称为中高压变频器。的变频器称为中高压变频器。九、中（高）压大功率变频器九、中（高）压大功率变频器(一一)概述概述 1.定义定义: 2.特点特点: 2、特点、特点:功率范围功率范围:400KW以上以上可靠性可靠性:部件和整机的可靠性，用平均无故障时间部件和整机的可靠性，用平均无故障时间MTBF)表示表示.设备出现故障后迅速维修的能力，用平均无故障时间设备出现故障后迅速维修的能力，用平均无故障时间(MTTF)表示表示. 一般地说一般地说 MTBF10, MTTF小时小时 可靠性与功率单元，控制电路和冷却系统有关可靠性与功率单元，控制电路和冷却系统有关. 功率器件的额定电压和电源电压之间有功率器件的额定电压和电源电压之间有2:1的冗余，也可以降的冗余，也可以降额使用。额使用。 控制单元电子元件采用最高级别低电子器件并降额使用；控控制单元电子元件采用最高级别低电子器件并降额使用；控制单元不使用电位器，电位器的使用寿命比固定电阻低；控制单制单元不使用电位器，电位器的使用寿命比固定电阻低；控制单元在整机调试前连续通电元在整机调试前连续通电168小时小时(7天天)，调试后再连续通电，调试后再连续通电168小时。小时。 冷却系统：强迫风冷，冷却系统：强迫风冷，1500KW以上时考虑水冷。以上时考虑水冷。 3、（高）压大功率变频器的技术要求、（高）压大功率变频器的技术要求: 除与应具备通用变频器所具有的基于拖动系统所要求的各项性除与应具备通用变频器所具有的基于拖动系统所要求的各项性能外在小功率变频器中并不重要的问题，在这里却显得特别重要能外在小功率变频器中并不重要的问题，在这里却显得特别重要.主要是主要是: (1)与电网的关系：电网供电系统有合理的设计；希望变频器对与电网的关系：电网供电系统有合理的设计；希望变频器对电网电压的波动范围的容忍度大一些。电网电压的波动范围的容忍度大一些。 (2)谐波对电网的影响：输入谐波畸变必须控制在标准规定的范谐波对电网的影响：输入谐波畸变必须控制在标准规定的范 围内。围内。 (3)输出的谐波成分输出的谐波成分:较大的谐波成分会使电机过热较大的谐波成分会使电机过热,噪声过大噪声过大.(4)共模电压和共模电压和du/dt的影响的影响3、应用场合、应用场合起动大型交流同步电机，起动完成后切换到同步运行起动大型交流同步电机，起动完成后切换到同步运行.3.应用场合应用场合 (二二)中（高）压变频器的中（高）压变频器的 种类种类:1.交交-交变频器交变频器: (二二)中（高）压变频器的种类中（高）压变频器的种类:1.交交-交变频器交变频器: 交交-交变频器是指无中间环节，直接将电网频率电压变换为所交变频器是指无中间环节，直接将电网频率电压变换为所需的频率的电压。由于是直接变换，效率较高；交流输出电压是需的频率的电压。由于是直接变换，效率较高；交流输出电压是直接由交流输入电压波的某些部分的包络所构成，因而其输出频直接由交流输入电压波的某些部分的包络所构成，因而其输出频率为交流电源频率的率为交流电源频率的1/2-1/3，波形较差；所用的元件较多，功率，波形较差；所用的元件较多，功率因数较低谐波含量大，对电源污染严重。因数较低谐波含量大，对电源污染严重。 将两组极性相反的相控整流器并联就构成了单相交将两组极性相反的相控整流器并联就构成了单相交-交变换交变换器，如图器，如图8-1.(1)工作原理工作原理图图8-1 单相输出交单相输出交-交变频电路交变频电路正组正组P负组负组N 载载负负 (1)工作原理工作原理: 交流输出的正半周电流由交流输出的正半周电流由正组整流器提供正组整流器提供,负半周电流负半周电流由负组整流器提供由负组整流器提供.为使输出为使输出电压的谐波减到最小电压的谐波减到最小,正正,负负两组整流器的触发角可按余两组整流器的触发角可按余弦规律进行控制弦规律进行控制.(a)交交-交变频电路交变频电路 如图如图8-1(b)所所示的波形为采用示的波形为采用无环流工作方式无环流工作方式时的情况时的情况,输出输出电压时由输入电电压时由输入电压波形上截取的压波形上截取的片断所组成片断所组成.(b)输出电压和电流波形图输出电压和电流波形图 显然，交显然，交-交变频器完成变频过程必须有两种换流方式：即换交变频器完成变频过程必须有两种换流方式：即换流过程和换组流过程和换组(桥桥)过程。过程。 一个周期的波形分为一个周期的波形分为6段段: (a)U00、i00、i00, 变流器工作于第一象限，正组整流。变流器工作于第一象限，正组整流。(d) U00, 变流器工作于第四象限，正组逆变。变流器工作于第四象限，正组逆变。(e)电流为零，无环流死时。电流为零，无环流死时。(f) U00、i03kV时）时）无无无无输出出滤波器波器有有有有无无有有输出谐波输出谐波最大最大较大较大小小很大很大输入谐波输入谐波最大最大较大较大小小很大很大单元旁路单元旁路无无无无有有无无输出电压输出电压=3kV=3kV无限制无限制受受dv/dt、谐、谐波限制波限制输出频率输出频率=25Hz无限制无限制无限制无限制无限制无限制四相限运行四相限运行可以可以需特殊处理需特殊处理需特需处理需特需处理需特殊处理需特殊处理各种主电路结构电压源型高压变频器的对比各种主电路结构电压源型高压变频器的对比(五五).中中(高高)压变频器对电网和电机的影响压变频器对电网和电机的影响：（五（五)中中(高高)压变频器对电网和电机的影响压变频器对电网和电机的影响 1. 中中(高高)压变频器对电网的影响压变频器对电网的影响1. .中中(高高)压变频器对电网的影响：压变频器对电网的影响： （1）谐波：）谐波： 采用采用SCR整流的电流源型变频器（包括整流的电流源型变频器（包括6脉冲结脉冲结构和构和12脉冲结构）有较大地谐波，一般要设置输入滤波器，或采脉冲结构）有较大地谐波，一般要设置输入滤波器，或采取更高输入脉冲输入结构。取更高输入脉冲输入结构。（2）功率因数：）功率因数： 输入功率因数较低，且随转速的下降而降低，一般设补偿装输入功率因数较低，且随转速的下降而降低，一般设补偿装置。置。 二极管整流的电压源变频器在二极管整流的电压源变频器在6脉冲结构时，输入谐波电流较脉冲结构时，输入谐波电流较大，需采取滤波措施，大，需采取滤波措施，12脉冲结构时，谐波电流的失真接近标脉冲结构时，谐波电流的失真接近标准求。全控型电力电子器件的准求。全控型电力电子器件的pwm型整流电路，输入的谐波很型整流电路，输入的谐波很低，功率因数可调，不需要滤波和补偿。低，功率因数可调，不需要滤波和补偿。 2. .中中(高高)压变频器对电机的影响：压变频器对电机的影响： 2. .中中(高高)压变频器对电机的影响：压变频器对电机的影响： （1）输出谐波）输出谐波:转矩脉动，发热，噪声转矩脉动，发热，噪声.(2)输出输出du/dt:(3)共模电压和转子轴电流共模电压和转子轴电流: 共模电压：也叫零序电压，是指电机定子绕组的中心点和地共模电压：也叫零序电压，是指电机定子绕组的中心点和地之间的电压。整流电路存在共模电压，逆变电路同样存在。当电之间的电压。整流电路存在共模电压，逆变电路同样存在。当电机中性点接地时，它就是逆变器输出点与地之间的零序电压值；机中性点接地时，它就是逆变器输出点与地之间的零序电压值；当电机中性点不接地时，共模电压值还必须在以上基础上，再加当电机中性点不接地时，共模电压值还必须在以上基础上，再加上中性点与地之间的电压值。上中性点与地之间的电压值。 谐波会使电器设备的使用效率降低，增加变压器和用电设备谐波会使电器设备的使用效率降低，增加变压器和用电设备的发热，激发电力系统的谐波共振，使电机产生啸叫，干扰其他的发热，激发电力系统的谐波共振，使电机产生啸叫，干扰其他设备的运行，并产生射频输出。实际上，共模电压也是一种谐波，设备的运行，并产生射频输出。实际上，共模电压也是一种谐波，同样和造成相当的危害。同样和造成相当的危害。 低压变频器的共模电压分析低压变频器的共模电压分析共模电压共模电压共模电压表示图共模电压表示图 如图示的电路为典型的电流源型变频器如图示的电路为典型的电流源型变频器,由于直流电抗器大由于直流电抗器大小相同小相同,且流过相同的电流且流过相同的电流,因此上下电感的压降应相等因此上下电感的压降应相等,即即mV或者或者 由于整流电路在同一时刻只有两相同时导通，导致整流电路由于整流电路在同一时刻只有两相同时导通，导致整流电路输出的直流中点电压不等于供电电源的中点电压，即输出的直流中点电压不等于供电电源的中点电压，即 由于由于 ,所以共模电压所以共模电压 .因为因为 输出频率不等于电源频率，且不断变化输出频率不等于电源频率，且不断变化,因此因此 的组合可以导致共模电压在某一时刻会达到最大值。由于的组合可以导致共模电压在某一时刻会达到最大值。由于U和和E的最大值都可以达到额定相电压峰值的的最大值都可以达到额定相电压峰值的50%，所以共模电压的，所以共模电压的最大值可接近相电压的峰值。若电源的中心点接地，电机机壳最大值可接近相电压的峰值。若电源的中心点接地，电机机壳也接地，共模电压便加到电机定子绕组的中心点和机壳之间，也接地，共模电压便加到电机定子绕组的中心点和机壳之间，电机承受的绝缘应力为正常电网直接运行情况下的电机承受的绝缘应力为正常电网直接运行情况下的2倍，严重影倍，严重影响电机的响电机的绝缘。转子轴电流：绝缘。转子轴电流：3。电机设计和输出电缆的选择：。电机设计和输出电缆的选择： 输出谐波会引起电机的附加温升，电机容量须适当放大，设输出谐波会引起电机的附加温升，电机容量须适当放大，设计时，尽量减少定，转子电阻，以降低损耗。强迫风冷或水冷。计时，尽量减少定，转子电阻，以降低损耗。强迫风冷或水冷。采用轴氶浮地。电缆截面积相对放大，不宜过长。采用轴氶浮地。电缆截面积相对放大，不宜过长。变频调速系统中的共模噪声问题及对策变频调速系统中的共模噪声问题及对策 一一.引言：共模噪声是一种相对于参考地的电噪声信号。引言：共模噪声是一种相对于参考地的电噪声信号。 二二.变频调速系统噪声源分析：变频调速系统噪声源分析：IGBT其典型的上升时间为其典型的上升时间为50ns100ns。好处是变频器总体效率。好处是变频器总体效率的提高；减少了变频器输出的谐波；减小散热器体积。但是，的提高；减少了变频器输出的谐波；减小散热器体积。但是，变频器输出电压的高变频器输出电压的高dv/dt会通过电缆或电机对地的杂散电容会通过电缆或电机对地的杂散电容产生相当的噪声电流，这种噪声电流称为共模电流（零序电产生相当的噪声电流，这种噪声电流称为共模电流（零序电流，对地电流）。对流，对地电流）。对50ns上升时间的上升时间的IGBT，其产生的共模电，其产生的共模电流的频谱可高达流的频谱可高达6MHz，因此，因此IGBT的开关频率越高，变频器的开关频率越高，变频器输出电压的输出电压的dv/dt越大，共模电流越多。系统的共模噪声也会越大，共模电流越多。系统的共模噪声也会随变频调速系统中采用的变频其数量的增加而增大。随变频调速系统中采用的变频其数量的增加而增大。 共模噪声与变频器的接地状况有关：共模噪声与变频器的接地状况有关： TE连连接至大地（零参考电位）的建筑结构中的金属构接至大地（零参考电位）的建筑结构中的金属构架通常在工业应用作为架通常在工业应用作为TE，接地电阻，接地电阻12 。 PE通通常作为设备的安全地。当变频器中的金属部件没常作为设备的安全地。当变频器中的金属部件没有接地时，其表面产生由于漏电流充电而带来的高与安全接有接地时，其表面产生由于漏电流充电而带来的高与安全接触的电位。触的电位。 三三.共模噪声抑制对策共模噪声抑制对策 1.系统的接地方式：系统的接地方式： （1）低阻接地）低阻接地 系统供电变压器副边的中点系统供电变压器副边的中点X0的接地方式，（的接地方式，（a)可靠接地，可靠接地，对共模电流为低阻特性，本系统对共模电流为低阻特性，本系统PE网络中所有共模电流将通过网络中所有共模电流将通过此中点返回到变频器内部，相对于其他的接地方式，供电变压此中点返回到变频器内部，相对于其他的接地方式，供电变压器副边的中点器副边的中点X0的可靠接地将在变频调速器内部产生最大幅值的可靠接地将在变频调速器内部产生最大幅值的共模电流。从另一角度考虑，当供电变压器的原边出现对地的共模电流。从另一角度考虑，当供电变压器的原边出现对地的电压瞬变（如浪涌）时，副边中点的可靠接地可大大地削弱的电压瞬变（如浪涌）时，副边中点的可靠接地可大大地削弱其对副边负载的影响。其对副边负载的影响。 （2）高阻接地）高阻接地 X0与地之间串接与地之间串接150200 电阻电阻 ，从而大大地，从而大大地削弱了系统中共模电压的幅值，共模噪声得到有效的抑制。权削弱了系统中共模电压的幅值，共模噪声得到有效的抑制。权衡由此而增加的原边对地瞬变电压对付边变频器的影响。衡由此而增加的原边对地瞬变电压对付边变频器的影响。 （3）不接地，共模电流返回的通路被切断，系统中的共模噪）不接地，共模电流返回的通路被切断，系统中的共模噪声最小，但系统的安全性大大降低。声最小，但系统的安全性大大降低。 2、削弱噪声源、削弱噪声源 变频器的输出侧加装共模扼流圈，相对于输出电抗器更小的变频器的输出侧加装共模扼流圈，相对于输出电抗器更小的体积。体积。 3、噪声屏蔽、噪声屏蔽（1）三相四线电缆）三相四线电缆 变频器变频器PE，电缆中线和电机的地线相连。，电缆中线和电机的地线相连。（2）变频器输出线用屏蔽电力电缆。）变频器输出线用屏蔽电力电缆。