交流调速系统概述

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1、交流调速系统概述1.1交流调速系统的特点对于可调速的电力拖动系统，工程上往往把它分为直流调速系统和交流调速系统两类。这主要是根据采用什么电流制型式的电动机来进行电能与机械能的转换而划分的，所谓交流调速系统，就是以交流电动机作为电能机械能的转换装置，并对其进行控制以产生所需要的转速。纵观电力拖动的发展过程，交、直流两大调速系统一直并存于各个工业领域，虽然由于各个时期科学技术的发展使得它们所处的地位有所不同，但它们始终是随着工业技术的发展，特别是随着电力电子元器件的发展而在相互竞争。在过去很长一段时期，由于直流电动机的优良调速性能，在可逆、可调速与高精度、宽调速范围的电力拖动技术领域中，几乎都是采

2、用直流调速系统。然而由于直流电动机其有机械式换向器这一致命的弱点，致使直流电动机制造成本高、价格昂贵、维护麻烦、使用环境受到限制，其自身结构也约束了单台电机的转速，功率上限，从而给直流传动的应用带来了一系列的限制。相对于直流电动机来说，交流电动机特别是鼠笼式异步电动机具有结构简单，制造成本低，坚固耐用，运行可靠，维护方便，惯性小，动态响应好，以及易于向高压、高速和大功率方向发展等优点。因此，近几十年以来，不少国家都在致力于交流调速系统的研究，用没有换向器的交流电动机实现调速来取代直流电动机，突破它的限制。随着电力电子器件，大规模集成电路和计算机控制技术的迅速发展，以及现代控制理论向交流电气传动

3、领域的渗透，为交流调速系统的开发研究进一步创造了有利的条件。诸如交流电动机的串级调速、各种类型的变频调速，特别是矢量控制技术的应用，使得交流调速系统逐步具备了宽的调速范围、较高的稳速精度、快速的动态响应以及在四象限作可逆运行等良好的技术性能。现在从数百瓦的伺服系统到数百千瓦的特大功率高速传动系统，从一般要求的小范围调速传动到高精度、快响应、大范围的调速传动，从单机传动到多机协调运转，已几乎都可采用交流调速传动。交流调速传动的客观发展趋势已表明，它完全可以和直流传动相媲美、相抗衡，并有取代的趋势。1.2交流调速常用的调速方案及其性能比较由电机学知，交流异步电动机的转速公式如下：n=601(1-s

4、)(1-1)pn式中Pn电动机定子绕阻的磁极对数；f1电动机定子电压供电频率；s电动机的转差率。从式（1-1）中可以看出，调节交流异步电动机的转速有三大类方案。（1）改变电动机的磁极对数由异步电动机的同步转速no=601pn可知，在供电电源频率f1不变的条件下，通过改接定子绕组的连接方式来改变异步电动机定子绕组的磁极对数Pn，即可改变异步电动机的同步转速n0，从而达到调速的目的。这种控制方式比较简单，只要求电动机定子绕组有多个抽头，然后通过触点的通断来改变电动机的磁极对数。采用这种控制方式，电动机转速的变化是有级的，不是连续的，一般最多只有三档，适用于自动化程度不高，且只须有级调速的场合。（2

5、）变频调速从式（11）中可以看出，当异步电动机的磁极对数Pn一定，转差率s定时，改变定子绕组的供电频率f1可以达到调速目的，电动机转速n基本上与电源的频率f1成正比，因此，平滑地调节供电电源的频率，就能平滑，无级地调节异步电动机的转速。变频调速调速范围大，低速特性较硬，基频f=50Hz以下，属于恒转矩调速方式，在基频以上，属于恒功率调速方式，与直流电动机的降压和弱磁调速十分相似。且采用变频起动更能显著改善交流电动机的起动性能，大幅度降低电机的起动电流，增加起动转矩。所以变频调速是交流电动机的理想调速方案。（3）变转差率调速改变转差率调速的方法很多，常用的方案有：异步电动机定子调压调速，电磁转差

6、离合器调速和绕线式异步电动机转子回路串电阻调速，串级调速等。定子调压调速系统就是在恒定交流电源与交流电动机之间接入晶闸管作为交流电压控制器，这种调压调速系统仅适用于一些属短时与重复短时作深调速运行的负载。为了能得到好的调速精度与能稳定运行，一般采用带转速负反馈的控制方式。所使用的电动机可以是绕线式异电动机或是有高转差率的鼠笼式异步电动机。电磁转差离台器调速系统，是由鼠笼式异步电动机、电磁转差离合器以及控制装置组合而成。鼠笼式电动机作为原动机以恒速带动电磁离合器的电枢转动，通过对电磁离合器励磁电流的控制实现对其磁极的速度调节。这种系统一般也采用转速闭环控制。绕线式异步电动机转子回路串电阻调速就是

7、通过改变转子回路所串电阻来进行调速，这种调速方法简单，但调速是有级的，串入较大附加电阻后，电动机的机械特性很软，低速运行损耗大，稳定性差。绕线式异步电动机串级调速系统就是在电动机的转子回路中引入与转子电势同频率的反向电势Ef，只要改变这个附加的，同电动机转子电压同频率的反向电势Ef，就可以对绕线式异步电动机进行平滑调速。Ef越大，电动机转速越低。上述这些调速的共同特点是调速过程中没有改变电动机的同步转速n0，所以低速时，转差率s较大。在交流异步电动机中，从定子传入转子的电磁功率PM可以分成两部分：一部分P2=（1s）PM是拖动负载的有效功率，另一部分是转差功率PS=sPM，与转差率s成正比，它

8、的去向是调速系统效率高低的标志。就转差功率的去向而言，交流异步电动机调速系统可以分为三种：1）转差功率消耗型这种调速系统全部转差功率都被消耗掉，用增加转差功率的消耗来换取转速的降低，转差率s增大，转差功率PS=sPM增大，以发热形式消耗在转子电路里，使得系统效率也随之降低。定子调压调速、电磁转差离合器调速及绕线式异步电动机转子串电阻调速这三种方法属于这一类，这类调速系统存在着调速范围愈宽，转差功率PS愈大，系统效率愈低的问题，故不值得提倡。2）转差功率回馈型这种调速系统的大部分转差功率通过变流装置回馈给电网或者加以利用，转速越低回馈的功率越多，但是增设的装置也要多消耗一部分功率。绕线式异步电动

9、机转子串级调速即属于这一类，它将转差功率通过整流和逆变作用，经变压器回馈到交流电网，但没有以发热形式消耗能量，即使在低速时，串级调速系统的效率也是很高的。3）转差功率不变型这种调速系统中，转差功率仍旧消耗在转子里，但不论转速高低，转差功率基本不变。如变极对数调速，变频调速即属于这一类，由于在调速过程中改变同步转速n0，转差率s是一定的，故系统效率不会因调速而降低。在改变n0的两种调速方案中，又因变极对数调速为有极调速，且极数很有限，调速范围窄，所以，目前在交流调速方案中，变频调速是最理想，最有前途的交流调速方案。1.3变流调速系统的发展趋势近十几年来，随着现代控制理论、新型大功率电力电子器件、

10、新型变频技术以及微型计算机数字控制技术等在实际应用中相继取得了重大进展，使得交流调速技术有了很大发展。今后的交流调速技术将在以下几个方面得到进一步的发展。（1）交流调速系统的高性能化交流电动机是个多变量、强耦合、非线性被控对象，仅用电压/频率（V/f）恒定控制，不能满足对调速系统的要求。今后的产品将普遍采用矢量控制技术，提高调速性能，达到和超过直流调速水平。矢量变换控制是一种新的控制理论和控制技术，它的想法是设法摸拟直流电动机的控制特点来进行交流电动机的控制。调速的关键问题是转矩控制问题，直流电动机调速性能好的根本原因就在于它的转矩控制容易，而交流电动机的转矩则难于控制。为使交流电动机得到和直

11、流电动机一样的控制性能，必须通过电机统一理论和坐标变换理论，把交流电动机的定子电流分解成磁场定向坐标的磁场电流分量和与之相垂直的坐标转矩电流分量，把固定坐标系变换为旋转坐标系解耦后，交流量的控制变为直流量的控制便等同于直流电动机。即如果在调速过程中始终维持定子电流的磁场电流分量不变，而控制转矩电流分量，它就相当于直流电机中维持励磁不变，而通过控制电枢电流来控制电机的转矩一样，能使系统具有较好的动态特性。矢量控制方法的提出使交流传动系统的动态特性得到了显著的改善，这无疑是交流传动控制理论上一个质的飞跃。但是经典的矢量控制方法比较复杂，它要进行坐标变换，且需精确测算出转子磁链的大小和方向，比较麻烦

12、，且其精度受转子参数变化的影响很大。近年来又出现了一种对交流电动机实现直接转矩控制的新方法，它避开了矢量控制中的两次坐标变换及求矢量的模与相角的复杂计算工作量，而直接在定子坐标系上计算电动机的转矩与磁通，通过转矩的砰砰控制，使转矩响应时间控制在一拍以内，且无超调，控制性能比矢量控制还好。此法虽尚未形成商品化的产品，但却是很有发展前景的一种新的控制原理。交流电动机调速控制理论，从V/f恒定控制法到矢量控制法是一个飞跃，从矢量控制法到直接转矩控制法将是第二个飞跃。（2）全控型大功率新型电力器件交流电动机调速技术的发展是和电力电子技术的发展分不开的，50年代世界上出现了电力半导体器件的晶闸管，为交流

13、电动机调速技术的发展开辟了道路。但是作为第一代电力半导体器件的晶闸管没有自关断能力，需要利用电源或负载的外界条件来实现换相，因此用晶闸管来实现的交直交变频装置的核心的逆变器，必须配以大功率的强迫换相线路才能实现可靠的逆变。所以，人们一直在致力于研制出一种大功率，正反间均可用较小的功率进行导通与关断控制的全控型器件，以便用较简单的手段即可实现复杂的逆变工作。经过10年左右的研制，场效应晶体管（MOSFET），巨型晶体管（GTR）及门极关断（GTO）晶闸管等全控型器件问世，并在实际应用中取得了理想效果。从半控型器件向全控型器件的过渡标志着变频装置进入了可以与直流调速装置在性能/价格比上相比美，这是

14、交流调速技术产生飞跃的又一个重要的突破。目前，全控型电力电子器件正沿着大电流、高电压、快通断、低损耗、易触发、好保护、小体积、集成化等方向继续发展，又出现了绝缘门极双极晶体管（IGBT）和绝缘栅门极关断（IGTO）晶体管等，即具有电压型控制、输入阻抗大、驱动功率小、控制电路简单、开关损耗小、通断速度快、工作频率高、器件容量大及热稳定性好的特点，又具有通态电压低、耐压高和承受电流大等优点。这类器件是90年代变频装置的主流。电力电子器件发展的更进一步的目标将是把控制、触发、保护等功能再集成化进来，从而形成电力电子与微电子技术相结合的产物，构成最新一代的功率集成器件（PIC）。它将为最新一代高可靠、

15、小型化、电机与电控装置可能合而为一的未来型交流电动机调速系统提供新的发展基础。（3）脉宽调制技术在交流电动机的调速过程中，通常要求调频和调压同时进行，早期调压多用相控技术，用相控方式生成的变频电压电源含有大量的谐波分量，功率因数低，动态响应慢，线路复杂，无法满足高性能调速系统的要求。近年在广泛采用自关断元器件的情况下，逆变器普遍采用了脉宽调制技术，成功地解决了电源侧功率因数低的问题，同时也减少了谐波分量对电网的影响。为了限制开关损耗，脉宽调制的频率通常选在3001000Hz左右，但这个频率正好在人耳的敏感区，所以电机运行时的噪声是一个新问题。为解决这个问题现在有几种不同的发展趋势。一种是采用新

16、型的谐振式逆变器，可以把开关频率提高到20KHz以上的超声区，从而清除噪声；另一种是在现有的元器件基础上，优选调制策略，降低脉宽调制的频率至人耳不敏感区，从而降低噪声。总之，研究开关损耗小，功率因数高，谐波分量小，噪声低，运转平稳的逆变器是今后发展的方向。脉宽调制技术的发展与应用使变频装置性能优化，可以适用于各类交流电动机，为交流调速的普及创造了条件。（4）数字技术的应用随着计算机技术突飞猛进的发展，16位乃至32位微处理机的应用越来越普及，且由于微处理机的运算速度提高、价格下降等新因素的出现，在电气传动中控制系统硬件由模拟技术转向数字技术，全部采用数字控制，充分发挥微机控制的综合优点。数字调

17、速技术不仅使传动系统获得高精度、高可靠性、还为新的控制理论与方法提供了物质基础。微型计算机在性能、速度、价格、体积等方面的不断发展与交流电动机调速理论的现实化提供了最重要的保证。从发展趋势看，交流数字调速有以下两个发展方向：一是采用专用的硬件、大规模集成电路（IC）；专用硬件可以降低设备的投资，提高装置的可靠性。研制交流调速系统专用的IC芯片，可使控制系统硬件小型化、简单化。二是采用通用计算机硬件、软件模块化，可编程化，通用硬件可编程序控制，应用范围广，但价高造。从国际上采用数字调速的情况来看，前者一般多用于中小容量的标准系列产品，后者多用于大型工程大容量的传动系统。1.4交流变频调速在起重机

18、上的应用绝大多数起重机要求在不同的场合，用不同的速度进行工作，其目的在于使起重机在各种合理的速度下有效地工作，以提高生产率和确保安全生产。这种调速过程需在运行过程中进行，而且变换次数较多，因而机械变速一般不合适，大多数情况下需采用电气调速。起重机电气调速系统分为两大类，即直流调速系统和交流调速系统，如前所述，直流调速方案因为直流电动机结构复杂，制造成本高，维护不便等诸多缺点，虽然目前在大型起重机上仍在使用，但正有逐步被交流调速方案所替代的趋势。目前在起重机上采用的交流调速方案主要有：绕线式异步电动机转子串电阻调速；能耗制动下降调速；涡流制动器调速，定子调压调速，串级调速及变频调速等。表11比较

19、了这几种主要的起重机交流调速方案的优缺点并指出了各自的应用场合。从表11中可以看出，交流变频调速和其它起重机调速方案相比，具有明显的优点。首先，起重机整体性能会有很大的提高，具有速度可在整个调速范围内连续控制，开、闭环特性好，调速比可达1：100以上，调速精度1%，调速平稳，负载突然变化时有极好的动态响应，可以长时间低速运行，使其具有极高的定位精度，节能效果显著，简化了电控系统，省去了电动机转子侧的大功率电阻、切换交流接触器和电动机正反转交流接触器，再加之系统传动所用变频电机属鼠笼式异步电动机类、成本相对低廉，维修少，因此变频调速是起重机最理想的交流调速方案，具有同直流传动一样的调速性能，性能

20、价格比最高。但在国内，交流变频调速在起重机特别是大吨位起重机上的应用还刚起步，原因是作为起重机核心机构的起升机构其位能性负载特性和使用安全性的需求使一般通用变频器在性能上不能满足要求。低频时能否达到恒转矩输出；空中是否溜钩等问题一直是起重机起升机构使用变频调速的难点，还有起升机构重载下放时其再生制动能量是消耗在制动电阻上还是回馈回电网，这些一直都给起重机使用全变频调速控制系统带来困惑。近年来，矢量控制变频器的出现给起重机能否安全使用变频调速技术带来了生机，国外、国内各大专业电气公司也都在致力于这方面的开发和研究，因此，怎样使矢量控制变频调速技术用于起重机电气传动，实现四象限运行，保证起升机构各

21、种工况要求和良好的低速就位性能，对推动港口机械电气控制与调速系统的更新换代，具有非常实用的意义。表1-1起重机常用交流调速方案调速方案调速范围低速运行时的效率特点适用负载驱动机构转子串电阻调速1：3低1.线路简单、成本低、易维修2.调速性能差，无低速下降3.不能长期低速运行。位能反抗起升运行能耗制动调速1：31：5低1.同上2.重载下降能获得低速，上升无低速3.直流电源因电机而异，无法标准位能起升涡流制动器调速1：10低1.同上2.速度有低速，但不能长时间低速运行3.加大了系统GD2位能反抗起升运行定子调压调速1：10低1.线路复杂、成本高2.若采用闭环控制能得到稳定低速且调速范围较大，能无级

22、调速位能反抗起升运行串极调速1：101：30高1.同上2.适用于长期低速运行，重物下降时再生能量能收回，调速范围较大，能无级调速位能反抗起升运行变极调速1：21：4高1.一般采用鼠笼式异步电机，只能适用于小容量起重机上2.有极调速，调速范围小位能反抗起升运行变频调速1：100高1.速度可在整个调速范围内连续控制2.有恒转矩性能，基频以上恒功率调速3.性能最优，但需专用变频装置，成本高位能反抗起升运行2变频调速系统前已提到异步电动机的转速公式为：n=601(1-s)(2-1)pn式中s异步电动机的转差率，s=(no-n)/no。其中no为同步转速。改变异步电动机的供电频率，可以改变其同步转速，实

23、现调速运行。对异步电动机进行调速控制时，通常要考虑的一个重要因素是，希望电动机的主磁通保持额定值不变。磁通太弱，铁心利用不充分，同样的转子电流下，电磁转矩小，电动机的负载能力下降；磁能太强，则处于过励磁状态，使励磁电流过大，这就限制了定子电流的负载分量，负载能力也要下降。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，保护m不变是很容易做到的。在交流异步电机中，气隙磁通（主磁通）是定子和转子磁动势合成产生的，怎样才能保护磁通恒定呢？下面说明之。由电机理论知道，三相异步电动机定子每相电动势的有效值是Eg=4.441N1m（2-2）式中Eg气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值（V）；f

24、1定子频率（Hz）；N1定子每相绕组串联匝数；m每极磁通量（Wb）。由式（2-2）可见，m的值是由Eg和f1共同决定，对Eg和f1进行适当的控制，就可以使气隙磁通m保持额定值不变，达到控制m的目的。对此，需要考虑基频（额定频率）以下和基频以上两种情况。（1）基频以下调速，为了保持电动机的负载能力，应保持气隙磁通m不变，这就要求频率f1从额定值向下调节时，必须同时降Eg使Eg=常数即保持电动势与频率之比常数进行控制。这种控制又称为恒磁通变频调速，属于恒转矩调速方式。但是，Eg难于直接检测和直接控制。（当Eg和f1的值较高时，定子的漏阻抗压降相对比较小，如忽略不计，则可近似地保持定子相电压U1和频

25、率f1的比值为常数，即认为U1=Eg，保持U1/f1=常数即可）。这就是恒压频比控制方式，是近似的恒磁通控制。低频时，U1和Eg都较小，定子漏阻抗压降（主要是定子电阻压降）不能在忽略。这种情况下，可以人为地适当提高定子电压以补偿定子电阻压降的影响，使气隙磁通基本保持不变。如图2-1所示，其中I为U1/f1=C时电压，频率关系，II为有电压补偿时（近似的Eg/f1=c）的电压，频率关系。图2-1恒压频比控制特性（2）基频以上调速在基频以上调速时，频率可以从f1N往上增上，但电压U1却不能超过额定电压UN，最多只能保持U1=U1N。由式2-2可知，这必然会使主磁通m随着f1的上升而减小，相当于直流

26、电动机弱磁升速的情况，属于近似的恒功率调速方式。把基频以下和基频以上两种情况结合起来，可得图2-2所示的异步电机变压变频调速控制特性，即异步电机变频调速的基本控制方式图2-2异步电机变压变频调速控制特性根据电机学原理，在下述假定条件下：忽略空间和时间谐波；忽略磁饱和；忽略铁损。异步电机在正弦波恒压恒频供电下的机械特性方程式由下式表示：(2-3)各参数定义如下：R1、R2定子每相电阻和折合到定子侧的转子每相电阻；L11+L12定子每相漏感和折合到定子侧的转子每相漏感；U1、1定子相电压和供电角频率；s转差率；pn极对数。当s很小时，可忽略上式分母中含s的各项，则(2-4)即s很小时，转矩近似与s

27、成正比，机械特性Te=f（s）是一段直线，如图2-3所示。当s接近于1时，可忽略式（2-3）分母中的R2，则(2-5)图2-3恒压恒频异步电机的机械特性即s接近于1时转矩近似与s成反比，这时，Te=f（s）是对称于原点的一段双曲线。当s为以上两段的中间数值时，机械特性以直线段逐渐过渡到双曲线段。基于式（2-3），我们来推导一下异步电机变频调速的机械特性，分基频以下和基频以上两种情况。（一）基频以下、频率协调控制时的机械特性由式（2-3）的机械特性方程式可以看出，对于同一组转矩Te和转速n（或转差率s）的要求，电压U1和频率1可以有多种配合。在U1和1的不同配合下机械特性也是不一样的，因此，可以

28、有不同方式的电压、频率协调控制。（1）恒压频比控制（U1/1=c）为了近似地保持气隙磁通m不变，以便充分利用电机铁心，发挥电机产生转矩的能力，在基频以下须采用恒压频比控制。这时，同步转速自然要随频率变化。式中n0同步转速（r/min）因此，带负载时的转速降落n为式中n转速降落（r/min）在式（2-3）所表示的机械特性的近似直线段上，可以导出由此可见，当U1/1为恒值时，对于同一转矩Te，s1是基本不变的，因而n也是基本不变的。这就是说，在恒压频比条件下改变频率时，机械特性基本上是平行下移的，如图2-4所示。它们和他励直流电机变压调速时特性的变化情况相似，所不同的是，当转矩增大到最大值以后，转

29、速再降低，特性就折回来了。而且频率低时最大转矩越小。U1/1=c，最大转矩Temax随角频率1的变化关系为(2-6)图2-4恒压频比控制时变频调速的机械特性可见Temax是随着1的降低而减小的。频率很低时，Temax太小，将限制调速系统的带载能力。采用定子压降补偿，适当地提高电压U1可以增强带载能力。（2）恒Eg/1控制图2-5给出了异步电机的稳态等效电路，图中几处感应电动势的意义如下：Eg气隙磁通在定子每相绕组中的感应电动势；Es定子全磁通的感应电动势；Er转子全磁通的感应电动势（折合到定子边）。图2-5异步电机稳态等效电路和感应电动势如果在电压、频率协调控制中，恰当地提高电压U1的份量，使

30、它在克服定子阻抗压降以后，能维持Eg/1为恒值（基频以下），则由式（2-2）可知，无论频率高低，每极磁通m均为常值，由图2-5可以得到将它代入电磁转矩基本关系式，得(2-7)这就是恒Eg/1时的机械特性方程式利用与前相似的分析方法，当s很小时，可忽略式（2-7）分母中含s2项，则有（2-8）这表明机械特性的这一段近似为一条直线。当s接近1时，可忽略式（2-7）分母中的R22项，则有（2-9）对比式（2-3）和式（2-7）可以看出，恒Eg/1，特性分母中含s的参数要小于恒U1/1特性中的同类项，也就是说，s值要更大一些才能使该项占有显著的份量，从而不能被忽略，因此恒Eg/1特性的线形段范围更宽。

31、图2-6给出了不同控制方式的机械特性。将式（2-7）对s求导，并令dTe/ds=0，可得Eg/1，控制特性在最大转矩时的转差率（2-10）和最大转矩2-6不同电压、频率协调控制方式时的机械特性-恒控制U1/1控制-恒控制Eg/1控制-恒控制Er/1控制可见，当Eg/1为恒值时，Temax恒定不变。可见恒Eg/1控制的稳态性能是优于恒U1/1控制的，它正是恒U1/1控制的，它正是恒U1/1控制中补偿定子压降所追求的目标。（3）恒控制Er/1控制如果把电压、频率协调控制中的电压U1进一步再提高一些，把转子漏抗上的压降也抵消掉，便得到Er/1控制，由图2-5可得到（2-11）代人电磁转矩基本关系式，

32、得由于分母中没有s这时的机械特性Te=f（s）完全是一条直线，如图2-6所示，显然，恒Er/1控制的稳态性能最好，可以获得和直流电机一样的线性机械特性。这正是高性能交流变频调速所要求得性能。按照式（2-2）电动势和磁通得关系，可以看出，当频率恒定时，电动势与磁通成正比。气隙磁通的感应电动势Eg对应于气隙磁通幅值m，那么，转子全磁通的感应电动势Er就应该对应于转子全磁通幅值mEr=4.44f1N1rm（2-12）由此可见，只要能够按照转子全磁通幅值m=恒值进行控制，就可获得恒Er/1控制。这正是矢量控制系统的目标。（二）基频以上变频调速时的机械特性（2-13）在基频f1N以上变频调速时，由于电压

33、U1=U1N不变，式（2-3）的机械特性方程式可写成最大转矩表达式为（2-14）同步转速仍为，由此可见，当角频率1提高时，同步转速随之提高，最大转矩减小，机械特性上移，如图2-7所示。由于频率提高而电压不变，气隙磁通必然减小，导致转矩的减小，但转速升高了，可以认为输出功率基本不变。所以，基频以上变频调速属于弱磁恒功率调速。图2-7基频以上变频调速的机械特性2.2矢量控制的基本思想交流电动机矢量控制原理是1971年由F.Blaschke提出的，其基本思想是设法模拟直流电动机的控制特点来进行交流电动机的控制，使之能够象直流电机调速系统一样具有良好的动、静态性能。直流电机调速性能好的根本原因是由于其

34、磁通和转矩能很容易通过调节励磁电流和电枢电流分别得到控制。以他励直流电动机为例，其电磁转矩表达式如下式所示：Te=CmIa（2-15）式中Te为电磁转矩；Cm为转矩系数；为磁通；Ia为电枢电流。由于电枢电流Ia所产生的电枢磁通和励磁磁通是相互垂直的，如图2-8所示，再加上一定的补偿以后，电枢反应对主磁场祛磁的实际影响是很小的。因此，可以认为，和Ia是互不相关的独立变量，磁通只与励磁电流If有关。如果保持If不变，即不变，则Te与Ia成正比，调节和控制电枢电流Ia也就直接调节和控制了电磁转矩Te，从而使转矩控制具有良好的动态性能。图2-8直流电机磁势图异步电动机与直流电机不同，异步电动机的电磁转

35、矩表达式如下式所示：Te=CmIrcosr（2-16）式中为气隙磁通，Ir为转子电流；r为转子电流Ir滞后转子电势的电角度；Cm为异步感应电动机转矩系数。由于转子阻抗角，异步电动机的转矩不仅与转子电流Ir和气隙磁通有关，而且与转速（转差率s）有关，Ir和两个量既不成直角，又不是两个独立变量，因此不能以简单的方法进行磁通和转矩的单独控制，因此，要在动态中准确地控制转矩显然比较困难。要解决这个问题，一种办法是从根本上上改造交流电机，改变其产生转矩的规律，迄今为止，在这方面的研究成效尚少。另一种办法是在普通的三相交流电动机上设法模拟直流电机控制转矩的规律，通过电机统一理论和坐标变换理论，把交流电动机

36、的定子电流分解成磁场定向坐标的磁场电流分量和与之相垂直的坐标转矩电流分量，把固定坐标系变换为旋转坐标系解耦后，交流量的控制变为直流量的控制便等同于直流电动机。即如果在调速过程中始终维持定子电流的磁场电流分量不变，而控制转矩电流分量，它就相当于直流电机中维持励磁不变，而通过控制电枢电流来控制电机的转矩一样，能使系统具有较好的动态持性。这就是矢量控制或称矢量变换控制的基本思想。众所周知，对三相静止的对称绕组A、B、C通以三相正弦交流电流iA、iB、iC时，便产生转速为1的旋转磁场。如图2-9（a）所示。然而，旋转磁场并不一定非要三相不可，两相、四相等任意对称的多相绕组，通以平衡的多相电流，都能产生

37、旋转磁场。图2-9（b）是两相静止绕组和厂（空间位置相差900），通以两相平衡电流I和I（时间上差900）时所产生的旋转磁场。当图2-9（a）和2-9（b）中所示的旋转磁场的大小与转速都相同时，则两套绕组等效，再看图2-9（c）中的两个匝数相等且互相垂直的绕组M和T，分别通以直流电流iM和iT，产生位置固定的磁通。如果使两个绕组同时以同步转速1旋转，磁通自然随着旋转起来，而成为旋转磁场，并可以和图2-9（a）、（b）中的绕组等效。但如果观察者站到铁心上和绕组一起旋转时，在他看来，M、T是两个通以直流的互相垂直的静止绕组。如果取磁通的位置和M绕组的平面正交，就和等效的直流电动机绕组没有差别了。这

38、样，以产生同样的旋转磁场为准则，图2-9（a）中的三相绕组，（b）中的两相绕组和（c）中的直流绕组等效。iA、iB、iC与i和i及iM、iT之间存在着确定的关系，即矢量变换关系。这样只要按照某个规律去控制三相电流iA、iB、iC就可以等效地控制iM和iT来达到所需控制转矩的目的。图2-9等效的交流电动机绕组与直流电动机绕组2.3变频器的基本构成变频器分为交-交和交-直-交两种形式。交-交变频器可将工频交流直流接变换成频率、电压均可控制的交流，又称直接式变频器。而交-直-交变频器则是先把工频交流通过整流器变成直流，然后再把直流变换成频率、电压均可控制的交流，又称间接式变频器。变频器的基本构成如图

39、2-10所示，由主回路（包括整流器、中间直流环节、逆变器）和控制回路组成，分述如下：图2-10变频器的基本构成（1）整流器电网侧面的变流器I是整流器，它的作用是把三相（也可以是单相）交流整流成直流。（2）逆变器负载侧面的变流器为逆变器。最常见的结构形式是利用六个主开关器件组成的三相桥式逆变电路。有规律的控制逆变器中主开关的通与断，可以得到任意频率的三相交流输出。（3）中间直流环节由于逆变器的负载为异步电动机，属于感性负载。无论电动机处于电动或发电制动状态，其功率因数总不会为1。因此，在中间直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换。这种无功能量要靠中间直流环节的储能元件（电容器或电抗器）来缓冲。

40、所以又常称中间直流环节为中间直流储能环节。（4）控制电路控制电路常由运算电路、检测电路、控制信号的输入、输出电路和驱动电路等构成。其主要任务是完成对逆变器的开关控制、对整流器的电压控制以及完成各种保护功能等。控制方法可以采用模拟控制或数字控制。高性能的变频器目前已经采用微型计算机进行全数字控制，采用尽可能简单的硬件电路，主要靠软件来完成各种功能。由于软件的灵活性，数字控制方式常可以完成模拟控制方式难以完成的功能。（5）关于变流器名称的说明对于交-直-交变频器在不涉及能量传递方向的改变时，我们常简明地称变流器为整流器，变流器为逆变器（如图），而把图中、总起来称为变频器。实际上，对于再生能量回馈型

41、变频器，、两个变流器均可能有两种工作状态：整流状态和逆变状态。当讨论中涉及变流器工作状态转变时，、不再简称为“整流器”和“逆变器”而称为“网侧面变流器”和“负载侧变流器”。2.4变频器的起动状态变频起动中，是通过控制异步电动机的定子电压和定子频率来获得所需的起动性能。根据工程的需要，一般尽量减小起动电流，这样可以减小变频器的容量。对起动时间的设定并不追求越短越好，如果保证主磁通为额定值通过恰当地设定起动时间，相当于间接地选择了起动过程中的动态转矩，可以减小起动电流和起动损耗。所以起动时常有几种情况：或起动电流最小、或起动损耗最小、或起动时间最短。另外，还要考虑避免过大的机械冲击，使起动过程缓和

42、、平滑等。根据变频器的功能有如下几种起动方式可供选择。(1)限流加速对于有转矩控制功能的变频器和矢量控制式变频器，由于具有快速的电流限制功能，即使转速指令设定成阶跃指令，变频器本身也能把电流限制在允许值以内。就是说可以用变频器的允许最大转矩，实现尽可能快的起动过程。起动中电流可以被限制在人为设定的范围以内。(2)限时加速U/f控制式变频器，多数不具备积极限制电流的功能，电流冲击过大，可能造成过电流跳闸。对于阶跃式的转速设定，往往在变频器的内部将其变换成随时间线性上升的指令。为了防止过电流，常要调整起动时间，使之与生产机械相适应。以期在不出现过电流的前提下，尽量缩短起动时间，这就是起动时间设定所

43、要遵循的一般原则。表2-1变频起动的三种方式加速方式控制方法说明图备注限流加速加速中电流被抑制在固定值上，可以实现对变频装置和生产机械的过载与冲击的限制加速中电动机转矩保持恒定矢量控制式变频器常采用该方式限时加速阶跃的速度指令变换成随时间线性变化的指令，是一种加速度限制控制方式加速转矩一定U/f控制和矢量控制变频器中采用S形加速在上面的基础上限制转矩的变化率，可以实现平稳起动U/f控制和矢量控制变频器中采用(3)S形加速S形加速的目的是使加速过程变得缓和些。为了使电梯乘员感到舒适或者使传送带所载的物品不致倒塌常采用这种S形加速方式。在起动初期和起动末了的加速度，随时间有一个渐变的过程。上述三种

44、起动方式的性能与用途的比较见表2-1。这里说明一个问题，通用变频器中的加、减速时间设定功能所设定的时间，是指由从零频率上升到变频器最高频率和从变频器最高频率下降到零频率的时间。加速时间设定的约束是将电流限制在过电流容量之内，不应使过电流保护动作；减速时间设定约束是防止直流回路（滤波电容器）电压过高，不应使过电压保护动作。2.5变频器的制动状态在变频器、异步电动机和机械负载所组成的变频调速传动系统中，当电动机减速或者所拖动的位能负载下放时，异步电动机将处于再生发电制动状态。传动系统中所储存的机械能经异步电动机转换成电能。逆变器的六个回馈二极管将这种电能回馈到直流侧。此时的逆变器处于整流状态。如果

45、在标准型的变频器中（网侧变流器为不控的二极管整流桥）不采取另外的措施，这部分能量将导致中间回路的储电电容器的电压上升。如果电动机的制动并不太快，电容器电压升高的值并不十分明显，一旦电动机恢复到电动状态，这部分能量又被负载所重新利用。电容器电压升高过大，装置中的“制动过电压保护”将动作，保护变频装置的安全，所以当制动过快或机械负载为提升机时，这部分再生能量的处理问题就应认真对待了。在变频器中，对再生能量的处理方式有三种：1）耗散到直流回路中人为设置的与电容器并联的“制动电阻”中，变频器通过制动单元（分外置、内置两种）将再生制动能量消耗在制动电阻上；2）由并联在直流回路上的其他传动系统吸收；3）使

46、之回馈到电网。如果属于前两种工作状态，称为动力制动状态；如果属于后一种工作状态，则称为再生制动状态。应该注意，这是从整个系统角度视再生电能是否能回馈到交流电网而定义的两种工作状态。在这两种状态下，异步电动机自身均处于再生发电制动状态。3.变频器的应用3.1变频器容量的计算（1）连续运转时所需的变频器容量的计算式（3-1）（3-2）（3-3）式中PM负载所要求的电动机的轴输出功率；电动机的效率（通常约0.85）；cos*电动机的功率因素（通常约0.75）；UM电动机电压（V）；IM电动机电流（A），工频电源时的电流；k电流波形的修正系数（PWM方式取1.051.0）；PcN变频器的额定容量（kV

47、A）；IcN变频器的额定电流（A）；（2）一台变频器传动多台电动机并联运行，即成组传动时，变频器容量的计算。当变频器短时过载能力为150，1min时，如果电动机加速时间在1min以内即（3-4）（3-5）当电动机加速时间在1min以上时，（3-6）（3-7）式中PM负载所要求的电动机的轴输出功率；nT并联电动机的台数；ns同时启动的台数；电动机效率（通常约0.85）;cos*电动机功率因素（通常约0.75）；PCN1连续容量（kVA），PCN1=kPMnT/cosKS（电动机启动电流）/（电动机额定电流）；IM电动机额定电流（A）k电流波形的修正系数（PWM方式取1.051.10）；PCN变频

48、器容量（kVA）IcN变频器额定电流。（3）大惯性负载起动时变频器容量的计算（3-8）式中GD2换算到电动机轴上的总GD2（NM2）；TL负载转矩（Nm）；h电动机效率（通常约0.85）cosj电动机功率因数（通常约0.75）xA电动机加速时间（s），根据负载要求确定；k电流波形的修正系数（PWM方式取1.051.10）；nM电动机额定转速（r/min）；PCN变频器容量（kVA）。变频器与异步电动机组成不同的调速系统时，变频器容量的计算方法也不同。本小节第（1）所列，适用于单台变频器为单台电动机供电连续运行的情况。式（31）、式（32）和式（33）三者是统一的，选择变频器容量时应同时满足三个

49、算式的关系。尤其变频器电流是一个较关键的量。本小节第(2)所列，适用于一台变频器为多台并联电动机供电且各电动机不同时起动的情况。选择逆变器容量，无论电动机加速时间在1min以内或以上，都应同时满足容量计算式和电流计算式。本小节第(3)所列，是针对大惯量负载的情况，例如吊车的平移机构、离心式分离机、离心式铸造机等，负载折算到电动机轴上的等效GD2比电动机转子的GD2大得很多。这种情况下则应按式(3-8)选择变频器的容量。3.2变频器的外围设备及其选择变频器的运行离不开某些外围设备。这些外围设备通常都是选购件。选用外围设备常是为了下述目的：a.提高变频器的某种性能；b.变频器和电动机的保护；c.减

50、小变频器对其他设备的影响等。(1)变频器外围设备的种类与用途变频器的外围设备如图3-1所示。下面分别说明用途与注意事项等。图3-1变频器的外围设备1电源变压器T2电源侧断路器QF3电磁接触器1KM4无线电噪声滤波器FIL5电源侧交流电抗器1ACL6制动电阻R7电动机侧电磁接触器2KM8工频电网切换用接触器3KM9电动机侧交流电抗器2ACLa.电源变压器T:电源变压器用于将高压电源变换到通用变频器所需的电压等级，例如220V量级或400V量级等。变频器的输入电流含有一定量的高次谐波，使电源侧的功率因数降低，若再考虑变频器的运行效率，则变压器的容量常按下式考虑：变压器的容量(KVA)其中变频器功率

51、因数在有输入交流电抗器1ACL时取0.80.85，无输入电抗器1ACL时则取0.6-0.8。变频器效率可取0.95，变频器输出功率应为所接电动机的总功率。变频器生产厂家所推荐的变压器容量的参考值，常取变频器容量的130%左右。b.电源侧断路器QF用于电源回路的开闭，并且在出现过流或短路事故时自动切断电源，以防事故扩大。如果需要进行接地保护，也可以采用漏电保护式断路器。使用变频器无例外地都应采用QF。c.电磁接触器1KM用于电源的开闭，在变频保护功能起作用时，切断电源。对于电网停电后的复电，可以防止自动再投入以保护设备的安全及人身安全。d.无线电噪声滤波器FIL用于限制变频器因高次谐波对外界的干

52、扰，可酌情选用。e.交流电抗器1ACL和2ACL1ACL用于抑制变频器输入侧的谐波电流，改善功率因数。选用与否视电源变压器与变频器容量的匹配情况及电网电压允许的畸变程度而定。一般情况以采用为好。2ACL用于改善变频器输出电流的波形，减低电动机的噪声。d.制动电阻单元R用于吸收电动机再生制动的再生电能。可以缩短大惯量负载的自由停车时间。还可以在位能负载下放时，实现再生运行。e.电磁接触器2KM和3KM用于变频器和工频电网之间的切换运行。在这种方式下2KM是必不可少的，它和3KM之间的联锁可以防止变频器的输出端接到工频电网上。一旦出现就频器输出端误接到工频电网的情况，将损坏变频器。如果不需要变频器

53、工频电网的切换功能，可以不要2KM。注意，有些机种要求2KM只能在电动机和变频器停机状态下进行开闭。（2）制动电阻的计算在异步电动机因设定频率下降而减速时，如果轴转速高于由频率所决定的同步转速，则异步电动机处于再生发电运行状态。运动系统中所荐储的动能经逆变器回馈到直流侧，中间直流回路的滤波电容器的电压会因吸收这部分回馈能量而提高。如果回馈能量较大，则有可能使变频器的过压保护功能动作。利用制动电阻可以耗散这部分能量，使电动机的制动能力提高。制动电阻的选择，包括制动电阻的阻值及其容量的计算，可按如下步骤进行。a.制动转矩的计算制动转矩TB可由下式算出：TB=（Nm）(3-9)式中GD2M电动机的G

54、D2（Nm2）；GD2L负载折算到电动机轴上的GD2（Nm2）；TL负载转矩（Nm）；n1减速开始速度（r/min）；n2减速完了速度（r/min）；ts减速时间（S）。b.制动电阻阻值的计算在附加制动电阻进行制动的情况下，电动机内部的有功损耗部分，折合制动转矩，大约为电动机额定转矩的20%。考虑到这一点，可用下式计算制动电阻的值RBO=()（3-10）式中UC直流回路电压（V）；TB制动转矩（Nm）；TM电动机额定转矩；n1开始减速时的速度。如果系统所需制动转矩TB0.2TM，即制动转矩在额定转矩的20%以下时，则不需要另外的制动电阻，仅电动机内部的有功损耗的作用，就可使中间直流回路电压限制

55、在过压保护的动作水平以下。由制动晶体管和制动电阻构成的放电回路中，其最大电流受制动晶体管的最大允许电流IC的限制。制动电阻的最小允许值Rmin（）为Rmin=(3-11)式中UC直流回路电压（V）。因此，选用的制动电阻RB应按RminRBRBO(3-12)的关系来决定。c.制动时平均消耗功率的计算如前所述，制动中电动机自身损耗的功率相当于20%额定值的制动转矩，因此制动电阻器上消耗的平均功率Pro(KW)可以求出：Pro=1.047(Tb-0.2TM)(KW)(3-13)d.电阻器额定功率的计算视电动机是否重复减速，制动电阻器额定功率的选择是不同的。图3-2所示为电动机减速模式。当非重复减速时，如图3-2b所示，制动电阻的间歇时间（T-ts）600s。通常采用连续工作制电阻器，当间歇制动时，电阻器的允许功率将增加。允许功率增加系数m和制动电阻使用率D=ts/T之间的关系曲线如图3-2a所示。D=ts/T，意义见图3-2a。图3-2减速模式a）重复减速b）非重复减速根据电动机运行的模式，可以确定制动时的平均消耗功率和电阻器的允许功率增加系数，据此可以求出制动电阻器的额定功率PrPr=(KW)(3-14)根据如上计算得到的RBO和Pr，可在市场上选择合乎要求的标准电阻器。