交流电机变频调速原理与应用.ppt

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1、电梯驱动调速系统,直流电动机调速系统交流异步电动机调速系统 1、变极调速系统 2、调压调速系统 3、变频调速系统交流同步电动机调速系统 永磁同步电动机变频调速系统,交流变频调速基础,1.1 交流调速的发展概况,交流调速系统：由交流电动机拖动、电机转速为控制目标的电力拖动自动控制系统,直流电动机优点：调速性能好,控制简单,直流电动机缺点：体积大、容量小、制造成本高、有机械换向装置，维护困难,20世纪70年代，研究开发高性能的交流调速系统，期望用它来节约能源。同期，电力电子技术、大规模集成电路、各种控制理论、计算机控制技术的 飞速发展，为交流调速电力拖动的发展创造了有利条件。,交流电动机优点：结构

2、简单可靠，维护少，无机械换向火花，制造成本低,1 交流调速系统概述,20世纪80年代，原有的交直流调速拖动系统的分工格局被逐渐打破。,目前的许多交流调速系统在装置容量上、动静态性能上、可四象限运 行的要求上，以至在系统制造成本上都可以与直流调速系统相媲美。,20世纪90年代，交流调速系统已经占到了调速系统的主导地位。,励磁同步电动机,1.2交流调速系统的分类,交流电动机,异步电动机,永磁同步电动机,无刷直流电动机及开关磁阻电动机都满足“定子电流的频率与转速有严格比例关系”的条件，所以也把它归入同步电动机。,当电机转子的转速与定子电流的频率有严格比例关系的电动机称同步电动机，无严格比例关系的电动

3、机称异步电动机。,特种同步电动机,无刷直流电动机开关磁阻电动机直流无换向器电动机交流无换向器电动机,交流电动机是定子绕组通入交流电(或周期脉冲电流)的电机，其定子磁动势是一个旋转(或步进旋转)的磁动势。,同步电动机,交流调速系统的分类,1.3 异步电动机调速系统的分类,1.异步电动机功率(能量)图,从定子传入转子的电磁功率,总机械功率,转子铜耗（转差功率）,定义：转差功率 Ps s Pm,2.常见的异步电动机调速类别（按主要特征分类）,调压调速；电磁转差离合器调速；绕线转子转子回路串电阻调速；串级调速；变极调速；变频调速；定子回路串电抗调速。,3 调速系统按所改变的物理量分类,（1）变频调速,

4、（2）变极调速,（3）变转差率调速,4.按转差功率Ps 去向分类,（1）转差功率消耗型（系统效率较低）,（2）转差功率回馈型（把部份转差功率送回电网）（系统效率稍高）,（3）转差功率不变型（系统效率最高）,2 异步电动机调压调速系统（交调系统）,2.1 异步电动机调压时的开环机械特性,当电动机拖动恒转矩负载时，尽管电压改变很大，但速度的变化并不大。系统能调速的最大区域只在转差率 之间,当电动机拖动风机、泵类负载时不再受Sm的限制，,异步电动机的固有机械特性方程,风机泵类负载,恒转矩负载,，为减小损耗，电动机在额定点的转差率一般在0.020.06之间，最大转矩时的转差率也较小，在0.15左右,异

5、步电动机调压调速时的开环机械特性,高转差率电动机,为了能在恒转矩负载下扩大调压调速的范围，这就要求电动机有较大的Sm,可以使用高转差率电动机或者交流力矩电动机，这两类电机通过增大转子电阻使电机的机械特性变软，Sm增大，拓宽了低速运行区。,交流力矩电动机允许电动机长期堵转及低速运行，Sm等于1，电动机的主要技术参数就是堵转转矩，额定点就是堵转点。,高转差率电动机兼顾了高速及低速的性能，额定转差率一般在0.070.13之间，Sm一般在0.5左右，堵转转矩也较大，堵转转矩等于最大转矩。,调压调速主电路,串联分段电抗器降压,串联飽和电抗器降压,串联饱和电抗器降压降压调速原理,缺点：需体积庞大且笨重的设

6、备，自电力电子技术发展起来已很少采用。,自耦变压器调压,现在调压调速设备一般采用由晶闸管构成的负载Y接法的晶闸管相控交流调压器,VVC为相控交流调压器，由三只双向晶闸管或三对反并联晶闸管构成，电动机定子绕组接成Y接法,V VC工作原理,早期的 方法有：,VR为可控整流桥，制动时用,2.2 调压调速系统的系统原理图,系统控制的对象：电动机的端电压,速度调节器ASR的输出：电压指令信号,交流调压器的输出电压 U1与移相控制角之间有确定的对应关系，U1 与是一一对应且是唯一的，因此速度调节器的输出可直接作为角的指令值而不必再加电压闭环,限流环节检测异步电动机的定子电流，与给定的限流值进行比较,GB框

7、内的曲线是其输入输出曲线,2.3 交流调压调速系统的制动,交调系统制动时，通常采用在定子绕组中通入直流电流（能耗制动）的方法。,可控制整流桥VR就是为制动而设置的。1C断开、2C闭合、VR工作时，异步电动机将进入制动状态，直到电机停转。,通直流时，电机绕组的两种常用接法：,调节可控整流电路输出电流Id 的大小，就可改变合成磁势Fs 的大小,就改变了制动转矩的大小。,触发VT1、VT6工作，恒关断VT2、VT3、VT4、VT5，则A、B两相的绕组反向串联后接在一个半波整流电路的输出端上,改变控制角的大小，可改变平均制动转矩的大小。,利用交流调压器主电路来实现制动时制动转矩一般较小，转矩脉动较大。

8、,能耗制动时，电源输入的能量消耗在电机的定子绕组上，拖动系统机械能所转变成的电能都消耗在电机的转子绕组上，,利用交流调压器的主电路来实现能耗制动,发热严重。,2.4 交流调压调速系统的效率及电机冷却,当电动机转速降低（s增大）时，电动转子铜耗增加，电动机的效率下降，电动机的发热将增加。,交流力矩电机：电动机的设计就允许电机长期堵转运行，电机出厂时就带有他扇冷式的强迫通风系统，对这类电动机不用再考虑发热问题。,低转差率电机：电机只能在转差小于额定转差下连续运行，低速运行时一方面电机发热增加，另一方面因转速降低，转轴上风扇的通风效果减弱，使电机会产生过热。这类电机只能短时间内低速运行，或应重新考虑

9、电动机的散热条件，防止电机过热而烧毁。,高转差率电动机：介于上述两种电机之间，使用中根据实际的工况来决定是否需要加强电动机通风冷却系统。,效率及电机发热,电机冷却,25 异步电动机调压调速系统的应用,缺点：调速范围不大，调速精度低，调速时电机发热严重优点：系统结构简单，容易实现，成本低廉,主要的应用领域,1需要调速运行的场合,2异步电动机“软起动”装置,3风机、泵类的调速节能,交流调压象限，能耗制动象限，配合接触器四象限 因此，需要调速运行的工作机械或负载，理论上都可以使用调速系统来实现，例“交调”电梯。（注意：选用合适电机，电机冷却问题）,异步电动机的“软起动装置”：利用带有限流环节的交流调

10、压器 就可实现异步电动机的降压起动，起动电流的最大值可限定。若使软起动装置同时带有一定的调速功能，则称之为：异步电动机的“多功能控制器”。,风机、泵类的调速节能是调压调速系统应用得最多的领域之一。,3.1 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，其较理想的目标是使磁通m 基本保持恒定。,变频调速时s变化很小，效率最高，性能也最好。,变频

11、调速是异步电机交流调速系统的主流。,3 异步电动机变频调速基础,若f1，U1不变，则磁通m，I不变时T。,若f1，U1不变，则磁通m，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

12、 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

13、调速简称之为“恒功率调速”,3.2 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，是一条与转差率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

14、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）,最大电磁转矩与无关,T不变s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：理想

15、空载转速n0直线段斜率最大电磁转矩Tmax这三个量的变化情况及原因,3.3 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,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

16、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）,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1/2,2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

17、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IGBT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,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

18、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（3k+1）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,3.4 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(3k+1)次谐波，正转矩，转矩很小，损耗并不小。,（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。,3SPWM波形的单极性与双极性,用已调

19、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

20、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N15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

21、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,同步调制,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

22、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。,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M1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

23、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M1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N1的方波工作方式（六拍式）空间电压矢量控制,提高直流利用率的方法,7SPWM波形的其它调制办法,按S

24、PWM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1，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

25、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,SPWM波形生成的方法,SPWM波形生成的硬件电路大致有：由分立的模、数电路构成；主要部件由专用大规模集成IC电路构成；由单片机或DSP软件产生；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，

26、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,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“规则采样样法”

27、，如图a)所示。,由单片机或DSP软件产生；,4 异步电动机他控式变频调速系统,变频调速系统按频率改变的原因分类：,2自控式变频,3矢量控制式变频,“跳过”频率，直接控制转矩（或产生转矩的电流）以达到调速目的,控制系统控制的对象并没有刻意追求“变频”调速。,1 他控式变频,主要特征是：控制系统把变频器的输出频率f1作为主控变量。,为主控变量，输出电压 是辅控变量，变频的同时使电压配合变化。,变频调速改变输出频率f1。,但调速系统最终的控制目标是转速，而电动机速度控制的本质是对电动机转矩的控制，因此，可以“跳过”频率这一个变量而直接去对转矩（或产生转矩的电流）进行控制，同样能达到调速的目的。,异

28、步电机速度公式,在这类控制方案中，调速系统输出电压（或电流）的频率并不是不变的，它们的频率同样也在改变，仍是变频调速。,4.1 转速开环的交-直-交电流源型变频调速系统,1控制策略,采用“转速开环、恒压频比（或恒气隙磁通）控制”：给定转速等价于给定频率，稳态误差为速降，低转差率异步电动机的这个值一般不大，所以就能满足调速要求不高的场合。,应用场合:低转差电机，调速要求不高的场合。,调速系统的控制策略及系统原理图,恒压频比（或恒气隙磁通）控制时的控制特性、机械特性：,系统分5部分,（1）主电路部分,（2）电压控制部分：电压检测、AVR、电流检测、ACR、GT,（3）频率控制部分：压频变换GVF、

29、环形分配器DRC、脉冲放大AP,（4）给定部分,2系统原理图,（5）动态校正器GFC,3回馈制动,5调速系统的优点：,（1）容易实现回馈制动，可四象限运行（2）对故障电流容易实现保护，可靠性高（3）适用于制动和经常正反转的负载调速,（1）转速开环，系统的动静态性能不理想,无法适应负载转矩变化时的性能要求。（2）逆变器的输出电流是方波，谐波分量大，对电网造成电污染。,反转的实现：改变环形分配器的脉冲相序。,反转时同样有电动和回馈制动两种状态，这就实现了四象限运行。,6调速系统的缺点：,回馈制动的实现：,4四象限运行,机械特性曲线：,控制VI的频率，使1n0，电机M进入第象限发电运行，VI整流，U

30、i变负。控制VR的控制角，使进入有源逆变，系统就进入了象限回馈制动,4.2电压源型交-直-交SPWM变频调速系统,1变频器的硬件构成,2电压源型交-直-交SPWM转速开环控制系统原理图,变频器的工作模式：转速开环控制转差频率控制矢量控制交互式参数设定（面板）,3制动及泵升电压,限制泵升电压的能耗制动电路,见4.2节,6 交流电动机矢量控制基础,6.1 交流电动机矢量控制思想的引入,1.电机是机、电、磁三种物理量相互关联的，以电磁场作为耦合场的机电能量转换装置。,从机的角度去看,从电的角度去看,从磁的角度去看,交流电动机的气隙磁场在空间分布是接近正弦的，其产生有效转矩的工作磁场是磁场的基波分量，

31、这就使交流电动机的分析及运算可以对磁场采用空间矢量的方法来分析及运算，对电压、电流等可以采用时间相量的方法来分析及运算，这个条件也为这类电机采用矢量控制奠定了基础。,2.电机矢量的概念,对于交流电机来说，气隙磁势沿气隙周长方向呈正弦分布，因此可以用空间磁势矢量来表示，这就是电机矢量的概念。,因此，根据定子磁势的位置是由转子位置所决定的特点，使其与转子的磁极轴线（或气隙磁场轴线）保持一个 的恒定值，即使 与 垂直或使 与垂直，则定子磁势的旋转速度（也即变频器的输出频率）是跟随转子旋转速度的变化而变化。这就是交流电动机的磁场定向控制或通常所说的“矢量控制”。,3.矢量控制思想的引入,若能使电机定、

32、转子磁势的夹角在任何时候都保持同一个值，那么只要定子电流恒定，其力矩也就不再脉动。控制效果将更好。,6.2交流电动机的坐标变换,6.2.1 电机坐标变换的概念,定子旋转磁势既可以由：定子三相绕组通入对称的三相交流电流产生（静止的三相a、b、c系统），定子两相绕组通入对称的两相交流电流产生（静止的、0系统），定子直流励磁绕组生成固定磁场，把“定子”旋转起来产生（旋转的d、q、0系统），,a)静止的三相系统 b)静止的二相系统 c)旋转的二相系统,对产生同样旋转磁场的这些不同形式的绕组可以相互替换而不会影响电机的转矩、转速。这种绕组的替换从数学概念上看是同一个旋转磁势在不同坐标系下的不同表示法而已

33、，这种替换过程就是电机坐标变换。,6.2.2 综合矢量,电机学中已知，三相电机定子绕组中通入三相电流时，其相应的基波磁势在空间（圆周方向空间电角度 坐标）及时间（t 坐标）的二元表达式为:,当三相电流有效值 时，其合成磁势 是一个圆形旋转磁势：,上式在空间按正弦规律分布的磁势，可以用一个空间矢量 来表示，矢量的模表示磁势波的幅值，在某个时刻所在的位置或方向表示磁势正波幅所在的地点。在a、b、c 相轴、的投影就是、的瞬时值。,与 一样，在空间也是一个按正弦规律分布的量，因此也可以表示成空间矢量:,当三相电流对称时，三相合成磁势为,两边同除以，即可得,可见，上式的右边是一个与空间旋转磁势类似的空间

34、旋转电流，我们把这个空间旋转电流称之为综合电流矢量，并记作为：,式中：，分别称之为a、b、c三相的空间电流矢量。,推而广之，还可以引入“空间电压矢量”、“空间磁链矢量”等。一般化而言，对m相系统中的某一物理量（电流、电压、磁链等）的m个变量x1、x2.xm，其大小可看成是空间矢量、的模，它们的空间位置（方向）分别处于各自绕组的轴线上，然后把这m个空间矢量按矢量方式相加并乘以2/m 得到的合成矢量即为该物理量的综合矢量。,从电流的物理本质来说，电流只是一个时间相量（标量），它并不具备空间矢量的要素，但电机中的电流在空间是与它的相轴联系在一起的，这就赋于了它在空间的位置特性，因此可仿照磁势的处理方

35、式而定义出了“空间电流矢量”（综合电流矢量）。综合电流矢量 的实质是产生空间旋转磁势 的一个合成（综合）电流，是一个在空间旋转的空间正弦分布的电流片。,空间电压矢量,空间定子磁链矢量,空间转子磁链矢量,在、0 系统中，有,6.2.3 绕组有效匝数相等条件下变换关系,设不同绕组形式的电机其每相绕组有效匝数相等，那么若磁势相等，磁势除以相同的匝数，则其综合电流矢量也就相等。,1静止的abc系统（3s）与静止的系统 系统（2s）的变换（Clark变换）,在a、b、c系统中，有,式中，i0 是零序分量，该分量对旋转磁势无影响。,因此就可以用综合电流矢量来作为坐标变换的中间桥梁。,当把 轴与 轴取在同一

36、轴线上时，令实部、虚部分别相等，即可得,对 求逆即可得到，即,当已知综合电流矢量而要求得各相绕组电流瞬时值时，只需把综合电流矢量在各绕组轴线上投影即成，即：,a、b、c系统,、0系统,对三相无中线星形接法或三角形接法的电机，上式可化简得：,2静止的0（2s）系统与旋转的dq0 系统（2r）的变换（Park变换）,设 轴与 轴之间的夹角为，则有,由此：,若，则可略去该 项。,3a、b、c系统与d、q、0系统间的变换,根据前述变换关系，利用矩阵乘法，立即可求得,4、直角坐标（、系统）与极坐标的变换关系（k/P 变换）,设 与 轴之间的夹角为，则有，因此,7异步电机矢量控制变频调速系统,7.1 异步

37、电动机的数学模型,7.1.1 异步电动机基本方程的矩阵表示法,1 电压方程（转子折算后）,2磁链方程,3转矩方程,式中：,定子自感矩阵,转子自感矩阵,定转子互感矩阵,以上方程都是在 a、b、c 坐标系下推得,Lsr是r的函数,7.1.2 异步电动机在dq0坐标系下的数学模型,1。定子电压方程在d、q、0坐标系下的表达式为,2。转子电压方程在d、q、0坐标系下的表达式为,3。电磁转矩在d、q、0坐标系下的表达式为,同步电机的 d 轴具有确切的几何概念和物理概念，而异步电机的 d 轴相对定、转子都在运动，其几何概念是不可能具备的，其物理概念也无特定的含义。因此，可以进一步规定它的方向，使它具备一定

38、的物理含义，这将使所得到的方程更为简化。这就是下面的M、T坐标系。,用坐标变换把a、b、c 坐标系统下的方程变换到d、q、0坐标系统：,异步电动机在M、T坐标系下的数学模型,规定 d 轴取在转子综合磁链矢量的轴线上，并称之为M轴（转子励磁轴线），超前于它90的 q 轴则称之为T轴（转矩轴）。,转子综合磁链矢量的定义：,空间矢量图,条件：不考虑零序分量 M轴取在 的轴线上 异步电动机转子端电压为零,可得到M、T坐标系下的电压方程为：,转矩方程为：,转差频率与定子电流之间的关系 为：,转子磁链与定子电流之间的关系 为：,控制的是定子电流和由定子电流产生的转子磁链，所以，都用这两个量表示，有,7.2

39、异步电动机矢量控制原理,异步电动机矢量控制的数学模型,异步电动机,直流电动机,可见，这两个数学模型非常相似，直流电动机的 Ia、If 是从定、转子分别输入而可独立控制的；异步电动机的 iMs、iTs 是同一个定子电流综合矢量的两个分量。,称此上式为异步电动机的等效直流电动机模型，这个模型也就是异步电动机矢量控制的基础。,异步电动机矢量控制原理,1控制原理,控制 使 恒定，这时通过对 的控制就能控制电机的输出转矩，从而达到调速的目的。,2实现方法,对于变压（VV）、变频（VF）两个环节分离的交-直-交系统,对于变压变频（VVVF）都是由电压源型的PWM逆变桥来完成的交-直-交系统,把iMs、iT

40、s经过直角坐标/极坐标变换（K/P变换），得到 is 的大小 及方向（角）。其大小由可控整流桥通过控制移相角来控制，其方向（角度）由逆变桥采用自控式变频的方式来跟随。,可以把iMs、iTs经过坐标变换得到ia、ib、ic的三相电流瞬时值。用电流跟踪产生PWM波形的滞环型逆变器跟踪控制ia、ib、ic的瞬时值的大小，这就最终控制了 is 的大小及方向。,3矢量控制系统的原理性框图,在M、T坐标系下，进行给定、比较、调节、运算等运算及控制的工作，,在a、b、c坐标系下:1.实现输出2.反馈量检测,中间桥梁：坐标变换部分,7.2.3 磁通观察器,同步电动机定向的参考依据是d 轴的方向，1可以通过位置

41、检测器直接检测得到。,一种磁通观察器的运算框图,异步电动机中定向的参考依据是M轴的方向，或者说是转子综合磁链矢量的方向。M轴与 a 轴的夹角1 只能用“间接测量法”测量，这就是“磁通观察器”。,7.3 磁链闭环的异步电动机矢量控制变频调速系统,速度环、转矩环、磁链环 电流变换及磁链观察磁通观察器 VR-1变换旋转变换，M、T坐标变换到、坐标 2s/3s变换、坐标变换到a、b、c坐标 电流滞环型PWM逆变器，跟踪3相电流的指令,在M、T坐标系下，进行给定、比较、调节、运算等运算及控制的工作，,在a、b、c坐标系下:1.实现输出2.反馈量检测,中间桥梁：坐标变换部分,7.4 空间矢量脉宽调制（SV

42、PWM）,7.4.1 电压源型逆变器的电压空间矢量,定义开关函数Sx（x=a,b,c）为,若(Sa,Sb,Sc)（1,0,0），电压瞬时值为uaNUd，ubN=0，ucN=0。再加上异步电动机三相相电压ua、ub、uc之和等于零的约束条件，可得,电压空间矢量 定义：,这时的电压空间矢量则为,向量（Sa,Sb,Sc）的全部可能组合只有8个：,2个零矢量6个特定矢量,6个特定空间矢量把平面分成6个扇区，如图把它们分别标记为，,7.4.2 产生任意电压空间矢量的PWM调制原理,为了取得较好的效果，三个空间矢量安排方式的原则应是：每次矢量的切换应只改变一个主开关元件；切换次数应尽可能少，以减少开关损耗

43、；所产生的谐波分量应力求影响最小；易于实现。,7.4.3 产生任意电压空间矢量的调制方法,上式只表明了三个空间矢量存在时间的数量关系，并没有规定三个矢量的先后次序及存在于一个周期中的哪一段。从原理来说，都没有关系，因此可以有无穷多种安排方式。,7.4.3 产生任意电压空间矢量的调制方法(续),1对称调制模式,例：扇区 的SVPWM对称调制模式,导通开关模式的次序：0-4-6-7-6-4-0,时间安排:把T0 4等分均分,SPWM规则采样II法,2低开关损耗模式,SVPWM在6个扇区的对称调制模式,0-1-3-7-3-1-0,0-4-5-7-5-4-0,0-4-6-7-6-4-0,一个周期T中的

44、开关次数将由6次减少到4次，使开关损耗有所降低。,把u7改成u0并移到两边去。,SVPWM的最大输出电压,结论是：SVPWM所输出的最大幅值电压矢量端点的轨迹是6个特定矢量端点所连成的正六边形。,当T00时，Tx、Ty 占满了整个调制周期的时间，将到达该位置条件下的最大值。,记、的长度为1，则：,SVPWM 比 SPWM 的直流利用率提高了15.47%,对不控整流桥，有,即：,7.5异步电动机采用SVPWM的变频调速系统,SVPWM的矢量图及运算框图,7.5.1 异步电动机他控式SVPWM变频调速系统,7.5.2 异步电动机SVPWM矢量控制变频调速系统,电流电压变换问题 及其数学模型,电压源

45、型逆变器用电压控制的模式工作更为有利。为实现电压控制的模式工作，电流指令应先变换成电压指令，才交由主电路去执行。,系统原理图,8同步电动机变频调速概述及矢量控制原理,8.1 同步电动机变频调速概述,1同步电动机类型,普通同步电动机(直流励磁),无刷结构,利用滑环及电刷把励磁电流通入旋转的转子,a.把交流电压感应到与转子同轴旋转的环形变压器副方绕组，通过同轴旋转的旋转整流器而变成直流,b.采用与转子同轴的励磁机，励磁机定子通入直流产生恒定磁场，转子所感应的交流电压经旋转整流器整流后供给同步机转子励磁,c.爪极式结构等,永磁励磁：转子上不会产生铜耗，电机的效率较高；转子磁场无法调节控制，弱磁控制又

46、非常困难，变频调速时进入高速区运行很难。,两类同步电动机特点：,直流励磁：转子磁场的强弱可调，可以调节同步电动机的功率因数角；可以使变频调速系统中的同步电动机进入弱磁调速运行，使电机能在高于额定转速的区域运行。,有刷结构:,永磁同步电动机：,转子磁场是由永磁体产生的，无刷结构。,2同步电动机变频调速的频率控制方式,他控式变频：1）异步电动机他控式变频调速系统大体相同，变频时必须同时变压 且应使 常数。2）同步电动机不存在转差的问题，他控式变频时测速环节没有必要。3）同步电动机的转矩依靠功角的自动调整来适应负载转矩变化，其 转矩不可控。4）存在与普通同步电动机一样的振荡及失步的问题。5）最适合多

47、台电机需要同步旋转的系统（如图所示）。,矢量控制变频：见下面分析,自控式变频：如无刷直流电动机,1同步电动机的空间矢量图 与时间相量图,下标的含义：s定子 f励磁磁场 R合成,根据空间矢量图的矢量关系，电机的电磁转矩T 为：,8.2 同步电动机矢量控制原理,定子综合电流矢量,磁化分量,转矩分量,同步电动机励磁磁势 的方向是确定的，是在转子磁极轴线 轴上，的大小在永磁电动机及励磁电流恒定的励磁同步机中也是恒定不变的。因此，只要能控制定子磁动势 的大小及方向，就能控制电机的转矩T，从而实现对电机转速 n 的控制。在控制时，若把 的大小与方向同时改变（或调节）则比较麻烦，而且一般情况下也没有必要，因

48、此通常把 的方向对某根轴线固定成一个确定的值，而只改变()的大小来控制转矩，这就是同步电动机的磁场定向控制或称之为矢量控制。,（）的定向方式有两种：,2同步电动机矢量控制原理,同步电动机的磁场定向控制或矢量控制的基本思想：,按励磁轴线（d 轴）定向，使 Fs 始终与d 轴垂直，,按气隙磁势 的轴线定向，使Fs与 垂直，,1)按励磁轴线（d 轴）定向,电机转矩表达式可写成：,若 恒定（例永磁同步电动机），则转矩T 正比于 的大小，在控制系统中由速度调节器输出的转矩指令 就可以直接作为综合电流大小 的指令。,优点：励磁磁势Ff 不控制，因此特别适用于永磁同步电动机。与d 轴总是保持垂直，因此，相对

49、于定子a轴的夹 角（）实际上也可以直接由位置检测器得到，因此采用这种控制方式时控制系统较为简单。,缺点：当负载转矩变化时，的大小也在变化，使电机气隙磁通也随着负载的变化 而变化，不能满足气隙磁通基本恒定的要求。电机的功率因数，而且随着负载的增加，其 角也在增大，在输出 功率相等的条件下，变频器的伏安容量也要增加。,使 始终与 轴垂直，,缺点：负载变化时，不仅要控制定子电流的大小，同时要控制转子励磁电流的大小，因此它只能适用于励磁电流可控的同步电动机 的实际控制方向 要通过运算才能得到。控制系统较为复杂。,电机转矩表达式可写成：,优点：气隙磁势恒定。气隙磁通能保持不变，电机的磁路不会 饱和，电机

50、铁磁材料可充分得到利用。电机的功率因数恒等于1，在输出功率相等的条件下变 频器的伏安容量最小。,若 的大小恒定，则转矩 T 正比于 的大小，控制 的大小，就可以控制转矩。由于，所以，要使FR保持恒定就必须在改变 大小的同时，对Ff 进行控制。,2)按气隙磁势 的轴线定向，使 与 垂直，,控制策略：控制综合电流矢量 的方向，使 与d 轴垂直；根据速度指令与实际转速比较的结果控制 的大小。,8.3 永磁同步电动机矢量控制调速系统,1控制原理及控制策略,控制原理：若使，则电机转矩，由于 Ff 是恒定的（永磁），所以，有，控制 的大小就能控制电机的转矩，从而实现调速。,2实现方法,速度闭环，由速度环的