1、第 1 页 共 36 页交流电动机及变频调速技术周国兴教授第 2 页 共 36 页交流电动机及变频调速技术周国兴教授第一章 交流电动机与电力拖动基础知识第一节 交流电机的工作原理-异步电动机和同步电动机一三相异步电动机旋转速度为： pfn601三相交流电压 Uabc三相对称绕组 aibci旋转磁场m_当 Hzf532分分 分分 分分 /105/n第 3 页 共 36 页图 1 异步电动机旋转方向由 A,B,C 相序而变。表示为鼠笼，感应出电势 e 2=BLv,方向右手定则判断。(左手 )，产生力矩使转子跟随旋转2i2BLiF磁场方向，旋转速度为 ，所以叫异步电机。1n若 ， ， ，就没有力矩了
2、。12n02e2i所以 ， = 1转差率： ，如%012ns %41096二三相同步电机n定子与异步电机一样为三相对称绕组。 aibici旋转磁场m_转子为直流励磁的电磁铁。如图示：因此，转子就跟随定子旋转磁场，以同样的速度 n1 旋转，所以叫同步电动机。这种转子励磁的同步电机，目前主要用于发电机，及大功率的同步电动机。目前有一种转子为永磁的同步电动机，称为永磁同步电动机，在中小功率和伺服电机方面发展很有前途。图 3图 2第 4 页 共 36 页这种电动机定子与异步电动机一样，只是将转子表面贴有（或嵌有）永磁铁（铷铁硼） 。因此，转子就没有滑环和电刷了。见图 3。因为同步电动机的特性好，再加上
3、永磁的磁场可以设计得较高，因此同步电动机的功率密度可以做得较大。也就是同容量的永磁同步电动机比异步电动机小很多。另外，可以做成多极，扁形，适宜制成低速大力矩的无齿轮系统，目前已广泛用于电梯。如 通力电梯中 16 极，P=8 , .mprn1021所以 （变频器输出）Hznpf 3.608.1这样的电梯曳引机就没有齿轮箱了。第二节 交流异步电机的参数和机械特性一等值电路图 4 等效电路图所以，异步电机有定子，转子和励磁共 6 个参数。这些参数难以检测，而且是非线性的，又可能随时而变化，这就是异步电动机难以控制的原因。几个公式： 1111 ZIExIjrEUmmmwfI 004.)(（转子频率）1
4、2sf20I所以，当负载增加时， ， 产生足够力矩满足2ns2E2I1负载需要。第 5 页 共 36 页二异步电动机的功率关系1输入功率 111cos3IUP2去掉：定子损耗 2r励磁损耗 mI剩下电磁功率 通过感应传递到转子。eP3机械输出功率 减掉转子损耗。2一个电动机名牌上标明 10KW，即是轴上能输出额定功率 10KW。其效率 = 12P4几个力学公式： 功率： )(950)(.60 kwTnnT式中：TNm，n=转/分或 )(7)(95gmrpnPNmrpnkwP 力矩平衡： ， 电动机力矩， 负载力矩dtGDTfd372TfT当 加速fd恒速f减速fdT 2)(375GDtnf)(
5、375)(375122fdfdTnTt根据上式,可以计算电动机的起、制动时间和加速、减速时间。注意： 负载力矩 的 或 与负载性质和工作状态有关。f三、异步电动机的机械特性（ 的关系曲线）)(Tfn1机械特性曲线上 4 个点的说明：S 1n9550975=9.8GD2= GD2d+ GD2f负载折算到电动机轴上的GD2 f 一般情况下不知道，可以认为 GD2 f GD 2d经验第 6 页 共 36 页1四异步电动机调速方法： )1(60)1(11 SpfSnsn调速方法点同步转速点（即理想空载转速点） ；点额定工作点或工作点；点最大力矩工作点（极限） ；点起动点，这时的力矩即为起动力矩；一般运
6、行在点直线为 能稳定运行图 5：异步机机械特性2 ，因此定子电21UT压下降会造成力矩以平方关系的下降3起动点，电流很大，但并不大。QT4为最大力矩点，超过这一力矩电机就堵转maxT调极对数 双速，多速电动机p调频率 平滑调速1f调转差率 （包括定子调压，转子调电阻） ，很少用了S图 6 变频调速eneQTmaxmaxs00STmaxa2第 7 页 共 36 页五、电气制动方法 电源反接制动（起重机上有用，制动电流很大，必须采取技术措施） 回馈制动： ，减速过程，车辆下坡，重物下放 。如电梯上从 6 极绕组1n切换到 24 极绕组时， 回馈制动。转子转速 （24 极） ，发电状态14n图 7：
7、回馈制动过程右手判定电势方向，左手判定力矩方向。说明：转子感应电流产生的力矩是阻止转子的惯性速度的，所以很快制动减速，直到转子转速 。 （24 极）14nrmp10r96rmp240p6p24T第 8 页 共 36 页 能耗制动：定子绕组某两相突然送入直流电，形成电磁铁，转子的惯性使转子绕组中产生电流，产生制动力矩。第三节 同步电动机转子直流励磁式和转子永磁式两类一励磁式同步电动机（为图 2）定子为三相对称绕组，送入三相电流后产生旋转磁场，其转速为 ；pfn601转子因为是电磁铁，所以就跟随着定子旋转磁场转动，且 ，所以称同步12电动机。从矢量图上的几何关系，可知定子电流 及其分量 sI ss
8、mIicosstn见图：用右手判断转子感应电势（电流）方向。左手判断力矩为阻止电机转子原有的惯性运行方向，所以很快制动，能量消耗在转子电阻中。图 8：能耗制动图 9 smIi1co也叫直流制动准确停车防止倒溜第 9 页 共 36 页转子励磁电流 fffmiIcosffftn定子电流 与 轴夹角 ， siAsftstfti与 的夹角即为功率因数角 ，且 。sUi s90因此我们可以在控制系统中，可以设定 的励磁分量 ，以调节 角，即调sismi节功率因数。如希望 =0，即 。smi1cos这就是励磁同步电动机至今在大型电力拖动系统中，还是有市场的原因之一，它一方面可以作功，同时也能调节功率因数。
9、同步电动机力矩 。这就是同步电动机可用矢量变换的办法进行stRmiCT力矩控制的原理。二永磁式同步电动机（图 3）目前常用的为铷铁硼（Nd.Fe.B）永磁材料，1983 年制成这种材料。全球85%的储量在中国，因此我国有发展永磁同步电机的有利条件。我们要设法检测转子的位置 。然后希望 与 d 轴，即与 M 轴的夹dtsI角 ，这样：90s图 10 fsmRfIi1co第 10 页 共 36 页，即定子电流没有励磁分量。0cosmdsII，即定子电流完全为力矩分量。ssQstin sRmstRmICIT所以永磁同步电动机，必须有转子位置检测器。随时检测到转子的位置。dt然后控制定子电流矢量： s
10、in)90cos(aIIi12insb)4(scIi以这样的三相电流作为指令，组成一个电流跟踪型变频调速系统，如图 11：从图 11 可见：这种自控式电流跟踪型正弦波永磁同步电机调速系统，有以下优点：1） 、控制系统组成很简单，不用普通的 PWM 形成器，而用电流跟踪的办法通图 11：电流跟踪型正弦波永磁同步电机调速系统直流控制PI 调节器第 11 页 共 36 页过二位式调节器实现 PWM 控制。而且不需矢量控制这么复杂的坐标变换。2） 、电机轴上装转子位置检测器，检测转子永磁极的位置，然后指令变频器工作，使定子电流矢量 与转子位置夹角 既不容易失步，又能产生较sI 907s大的力矩，使动态
11、性能大大提高。3） 、由于电机本身的特点，功率密度高，体积比同容量异步电机小 30%左右，转子没有发热损耗，效率高 10%，无滑环、可靠性也好。4） 、便于制成扁型多级结构，低速性能好，过载倍数大，宜于无齿轮直接转动。5） 、对电梯、起重类负荷，出现停电或超速时，只要把定子三相绕组自行短接，就能实现低速“溜车” ，不会产生重大事故。第二章 变频调速基本知识第一节 变频调速原理一、什么叫变频调速?，改变电源频率就能使电动机平滑调速，如 6P 电机)1(60spfn50Hz n1=1000rpm25Hz n1=500 rpm5Hz n1=100 rpm1Hz n1=20 rpm所以平滑调节电动机的
12、供电频率，就能平滑调节其速度。二、为什么变频调速能节能？图 12：变频调速5Hz运行在转差率 s 很小的条件下第 12 页 共 36 页从图 12 可见，异步电动机的变频调速机械特性平行下移。都工作在转差率S 很小的条件下，如 6p 电机，频率从 50Hz 调节到 5Hz 转速从 960rpm 下降到96rpm（恒转矩） ，他们的转差率 ， 都不大。%4109610Sn如果采用其它调速方法改变 S，如定子调压，从 960rpm 调到 96rpm 时，这时的 ，因此转子感应很%90.106S rpmn96大的电压，形成很大的电流而发热。三、怎样实现变频？工业用电频率一般为 50Hz，要得到一个频
13、率可以连续调节的变频电源，过去曾使用变频发电机组。随着技术的进步，现在都用大功率半导体开关器件来实现电子式变频，常用的是 AC1DCAC 2 模式，即交 直交模式。如单相变频电路，见图 13开关管 1、2 和 3、4，两组轮流导通，就把直流变成交变的方波。这也就是交流了。如果控制工作周期，也即可以改变输出频率。图 14 为典型的三相桥式 180变频器（常用）图 13：单相变频原理图第 13 页 共 36 页图 14 三相桥式 180 度变频器Rt第 14 页 共 36 页图 15 180导通型变频器工作原理Uab第 15 页 共 36 页说明： 180导通型变频器，每管工作 180，6 个管子
14、互差 60依次触发导通。 同一时刻有三个管子同时导通，如 t1时刻（60范围内） ，管 1、5、6 同时导通。从等效电路上看出三相的电压分配。 oaoU471.0b86，如电容足够大，则 。vo53. vUo536802 大电容（电解）C，是储能电容，起到恒压源的作用。不仅容量要大，而且耐压要高，而且能经受大电流冲击，不能称它为滤波电容。电阻 R 为限制大容量充电电流过大的限流电阻，充电后短路掉。 IGBT 模块 T7 管为泵升电压限制，驱动能耗制动电阻 Rt，在减速过程中电动机转速n1（旋转磁场转速）电机的机械惯性使其发电通过 6 个续流二极管把发出的交流电整流为直流电向大电容充电充电到一定
15、限值为 700v 时控制器发出信号触发 T7 管，使 Rt 接入，电容放电。这样重复充放电，把能量在电阻上消耗掉一些，同时，对电机起到能耗制动作用。IGBT 等效：场效应管（MOSFET ）电压触发加 GTR（大功率三极管）的耐压高，管压降小。IPM 新一代智能功率模块第 16 页 共 36 页第二节 变频调速基本问题一、为什么要用变频调速？前述能平滑调速，且节能，这是基本点。另外： 异步电动机本身坚固、便宜、无维修。 已经解决了静、动态性能问题可与直流调速系统媲美。 在特大、特小功率系统中有优势，交流电机可以制成高压，特大容量、小电机可以用永磁同步电机。 实现超高速运行的可能性、如 ， 。H
16、zf50rpmn301 防爆等特殊环境下运行。 实现软起动，无触点快速正反转，快速制动等。 多电机同步运行二、恒磁通控制问题异步电动机力矩公式： 2cosICTm没有独立的励磁绕组，如何维持 恒定？m和 都与转差率 S 有关，是一个时间变量2I2cos所以异步机的力矩不像直流机那么容易控制。根据： 常数mwfE114.mKfE1但 是定子绕组的每相反电势，无法直接测量，而极电压 V1与 差 。E1ZI而且是矢量关系。所以在频率较低时，电压必须提升。 11ZIEU为补偿 ，以使 常数mKfEU11第 17 页 共 36 页这是一种最简单的维持 恒定的控制方法。在开环运行低频范围内必须加m“电压提
17、升” ，20%否则起动力矩不够。为了维持 C，所以在调频的过程中，必须同时调压，这就是mKfUVV、VF，即 3VF 的由来。三、脉宽调制问题：（S.P.W.M，正弦波脉宽调制）1、什么叫脉宽调制？把变频器输出的交流方波，斩波成为不同宽度的小方波组合，得到等效的正弦波。并控制其脉宽周期，实现调频。图 16 为正弦脉宽调制波形是电压提升，也即力矩提升，oU所以在调频的时候，同时要调电压。即 常数。mKf图 16 SPWM 波形等效正弦波第 18 页 共 36 页2、为什么要把方波变成 SPWM 波形？ 谐波小（高频调制，调制频率可达 16KC） ，以使输出电流基本为正弦波，使电机的脉动力矩（电流
18、）小。 一个逆变器，同时实现 常数的控制。VF 较高。cos 动态响应快（开关频率高） 。 低速性能好。3、SPWM 的实现把方波调制成等效正弦波是基于等面积的概念。方法： 正弦波与 波(三角波)相调制被调制波 调制波SPWM图 17 SPWM 等效正弦波原理图 17：SPWM 的形成硬件专用芯片HEF4752、Siemens 4520等。单片机 80C196MC电流跟踪型第 19 页 共 36 页第三节 异步电机的“矢量控制”（一） 、基本思想寻找等效直流电机图 18 定子励磁恒定前述异步电动机： 22cosICTm图 19 异步电机模型第 20 页 共 36 页mWfEU114. 常 数C
19、WfU114.异步电机没有独立的励磁绕组 21IImU1，i 1 都是独立的时间变量，其夹角也在变。 磁通也是一个正弦分布的空间旋转矢量。希望寻找：一个分量决定磁通一个分量决定力矩并能直观和测量，并分别进行控制，但又不失其交流电机的本质（等功率，等旋转磁场） 。方法：把 I1 分解分别进行闭环控制还原成交流量来控制交流电动机。这就是交流电机的坐标变换控制法简称“矢量控制 ” 。 1971 年 Blascheke 发明。图 20 异步电动机两个独立的变量难Im (励磁分量无功分量)It (力矩分量有功分量)双输入（U1，f1）,双输出（ ， ）,m是多变量系统，而且相互交叉耦合的所以，调频时一定
20、要调压VV . VF 3VF变压.变频第 21 页 共 36 页等效变换示意图三相电动机 两相电动机 直流电动机等效条件： 产生同样的旋转磁场 功率不变1.（二） 、坐标变换 3/2 变换图 21 三相变两相投影图2160cossCBACBA iiiii 3230coiii矩阵表达式： CBACBAiiKiiKi23,01,同理，电压、磁通都可以 32 变换矩阵系数：A=C 3/2三相异步机，a,b,c 坐标（固定）等效直流机（虚拟） ，m,t 坐标（旋转）两相异步机，, 坐标（固定）aibici i TiM第 22 页 共 36 页、2 相3 相变换iBiiiCBA23,1,032CB 矢量
21、旋转 或图 22 矢量旋转 tmtmiiiicos,n,is矢量分析 VD VRVA矩阵表达式：sincositmcossiitmti第 23 页 共 36 页 cossincos 2i图 23 矢量分析（三） 、异步电动机坐标变换结构图图 24 等效异步电机内部是控制等效直流电机 闭环，维持恒定 mi闭环，实现间接力矩控制t实现速度的高动态响应 3752GDTftnd/（四） 、矢量控制原理框图第 24 页 共 36 页图 25 矢量控制典型框图第 25 页 共 36 页（六） 、典型的矢量控制系统转速、力矩、磁通闭环的矢量控制系统图 26 转子磁链矢量控制框图.miPTL12. 2trnt
22、mts iLi22 miti第 26 页 共 36 页 优点：得到了直流双闭环的特性和效果，补偿了磁通闭环的不足。缺点：受电机参数的影响， ， 等2RLTm电机转子参数的变化和不可测性，影响系统的转矩控制精度。为此引进了许多方法，形成了多种方案。第 27 页 共 36 页第三章 典型生产机械及其变频调速系统第一节 典型生产机械的负载转矩特性一. 恒转矩负载1. 反抗性（摩擦性）恒转矩负载这种负载性质，其转矩与转速无关，而且总是反对运动的方向。如金属压延，机床台面行走。2. 位能性负载（电梯、起重机）电梯、起重机类负载为位能性负载，其特点是负载力矩总是由重力决定，因此其方向总是 的，不随转速方向
23、而改变。图 27 反抗性恒转矩负载图 28 位能性转矩负载第 28 页 共 36 页二.通风机、泵类负载其特点是 2KnT3p三.恒功率负载有些生产机械的工艺要求，如车床。粗切消 小 ， 大 T大小 Tp精切消 大 ， 小 小大因此可以认为 常 数PnP恒 功 率 区恒 转 矩 区T)(mnT fHz500由图 30 可见，这种负载在额定频率（转速）以下为恒磁通，恒转矩性质。在 50Hz 以上，进入弱磁区，即恒功率区。图 29 通风机负载特性图 30 恒功率负载特性nTTn第 29 页 共 36 页第二节 电梯的变频调速系统一、位能性负载的四象限运行电梯要完成四种工作状态：1、重载上升 ， 处
24、于第一象限，电动运行状态nT2、空（轻）载上升 ， ，较厢上升越来越快1Gp，到第二象限，电机再生制动，n3、空载下降 ， 反转电动状态：第三象限4、重载下降 ， 重物匀速下降，电机处于制动状态TG1=较厢自重：1000kgG2=载重，如 1000kg平衡重kgGP1502为什么这样配置，以便获得较小的曳引功率如空较厢时：两边力差 500k满载时：两边力差也为 500k如果不用平衡重，就变成卷扬机了，因此在满载时要有 2000kg 的提升力，这样电机的功率就要增加倍。图 31 电梯示意图图 31 电梯示意图第 30 页 共 36 页二、电梯电动机功率选择总102)(vGp代入上式 kwsmkgp64.95.012)(选择 11.2kw 的电梯专用电动机25A 6p（p=3）金茂大厦电梯 ， 无凿 =0.85mgG250sv9kwsp75.18.1)(9实际选永磁同步电动机：130kw，270v，325A，157r.p.m，41.9Hz，32 极图 32 电梯四象限运行对 1000kg（15 人）= sm1平衡系数 5.0=0.55 蜗轮蜗杆总0.75 斜齿轮0.85 无齿轮n
