三相异步电机VF调速毕业论文

第1章绪论

1.1 毕业论文选题的背景

电动机作为主要的动力设备被广泛的应用于工农业生产、国防、科技、日常生活等各个方面，其负荷约占总发电量的60％"70％，成为用电量最多的电气设备。根据采用的电流制式不同，电动机分为直流电动机和交流电动机两大类，其中交流电动机形式多样、用途各异、拥有量最多，交流电动机又分为同步电动机和异步(感应)电动机两大类。根据统计，交流电动机用电量占电机总用电量的85％左右，可见交流电动机应用的广泛性及其在国民经济中的重要地位。电动机作为把电能转换为机械能的主要设备，在实际应用中，一是要使电动机具有较高的机电能量转换效率；二是根据生产机械的工艺要求控制和调节电动机的旋转速度。电动机的调速性能好坏对提高产品质量、提高劳动生产率和节省电能有着直接的决定性影响。电动机和控制装置一起合成电力传动自动控制系统。以直流电动机作为控制对象的电力传动自动控制系统称之为直流调速系统；以交流电动机作为控制对象的电力传动自动控制系统称之为交流调速系统。根据交流电机的类型，相应有同步电动机调速系统和异步电动机调速系统。

众所周知，直流电动机的转速容易控制和调节，采用转速、电流双闭环直流调速系统可获得优良的静、动态调速特性。因此，长期以来在变速传动领域中，直流调速一直占据主导地位。但是，由于直流调速系统解决不了直流电动机本身的的换向问题和在恶劣环境下的不适应问题，这就限制了直流调速系统的进一步发展。

交流电动机，特别是鼠笼型异步电动机，具有结构简单、制造容易、坚固耐用、转动惯量小、运行可靠、很少维修、使用环境及结构发展不受限制等优点。但交流电动机自1885年出现后，由于没有理想的调速方案，因而长期用于恒速拖动领域。20世纪70年代后，国际上解决了交流电动机调速方案中的关键问题，使得交流调速系统已具备了宽调速范围、高稳态精度、快速动态响应、高工作效率以及可以四象限运行等优异性能，其静、动态特性均可以和直流调速系统相媲美。

交流调速系统与直流调速系统相比，具有如下特点：

（1）容量大。

（2）转速高且耐压高。

（3）交流电动机的体积、重量、价格比同容量的直流电动机小，且结构简

单、经济可靠、惯性小。

（4）交流电动机环境适应性强，坚固耐用，可在十分恶劣环境下使用。

（5）交流调速系统能显著节能。

（6）高性能、高精度的新型交流调速系统已达到直流调速系统同等性能指标。

从各方面来看，交流调速系统最终将取代直流调速系统。

1.2 课题的研究意义

在工业发展的初级阶段，人们主要使用集中传动。作为动力的鼠笼电动机，是不需要调速的。它只需要满足各种生产条件对它提出的起动和稳速运行的要求就可以，调速的任务是由皮带和齿轮来完成。随着生产规模的不断扩大，对生产的连续性和流程化的要求愈来愈高，发展电机的调速技术已经是势在必行了。直流调速系统，由于其良好的调速性能，很长的时期内在调速领域内占据首位。但是由于直流电动机本身有机械换向器，给直流调速系统造成一些固有的、难于解决的问题。

随着交流传动电动机调速的理论问题的突破和调速装置(主要指变频器)性能的完善，交流电动机调速系统的性能差的缺点已经得到了克服，目前，交流调速系统的性能已经可以和直流系统相媲美，甚至可以超过直流系统。由于交流调速不断显示其本身的优越性和巨大的社会效益，使变频器具有越来越旺盛的生命力。各种性能优越的新型电力半导体器件的出现，如既能控制导通又能控制关断的门极可关断晶闸管GTO；具有良好功率转换效率和适于在高频大功率情况下工作的MOSFET；既有MOS管栅极驱动电压功率小和驱动线路简单，又有双极性功率晶体管导通饱和压降小优点的绝缘栅双极性大功率管IGBT；以及内部既有大功率开关器件，又有各种驱动电路和过压、过流等保护电路的智能型功率模块IPM等器件的应用，不仅使交流调速系统控制装置体积小，效率高，而且还更容易实现各种功能复杂但在结构上简单的控制方案，更加充实和推动了变频器理论的进一步发展。

能完成各种复杂信号和信息处理的集成芯片的出现，如能产生脉宽调制信号的专用集成电路以及各种单片机和计算机系统用的微处理器和接口芯片的大量问世，为高质量的控制创造了良好的条件。建立在电机统一理论和机电一体化理论基础上的各种先进控制方案，通过快速检测电流实现PWM控制的变频技术，通过直接控制转矩来快速控制转速的转速自调整技术，以及具有很强抗干扰能力的变结构控制系统等等，都极大地丰富了电机调速领域的内容。

交流异步电机的V/f比恒定控制是异步电动机变频调速中最基本的控制方式。它是在改变变频器输出电压频率的同时改变输出电压的幅值，以维护电机磁

通基本恒定，从而在较宽的调速范围内，使电动机的效率、功率因数不下降。V/f 控制是目前通用变频器中广泛采用的控制方式。因此，研究异步电机的V/F调速，有着一定的实际意义和应用价值。

1.3 本课题的主要工作

V/f比恒定控制是异步电动机变频调速中最基本的控制方式，常用于速度精度要求不十分严格或负载变动较小的场合。由于V/f控制是转速开环控制，无需速度传感器，控制电路简单，负载可以是通用标准异步电机，所以这种控制方法通用性强、经济性好，是目前通用变频器产品中使用较多的一种控制方式。

本课题的主要工作：

(1) 根据毕业设计任务设计书中的给定条件及要求，确定总体方案：V/F控制方式的SPWM变频调速；

(2)熟悉交流异步电机的特点，工作原理及调速方法，介绍交流异步电机变频调速的几种方式，分析V/F调速方式的原理和特点；

(3) 对采用SPWM技术实现V/F控制的交流异步电机变频调速进行研究；

(4) 借助MATLAB建立系统模型、仿真，并对仿真结果进行分析；

1.4 本章小结

本章内容简单介绍了电动机在工农业生产、国防、科技、日常生活等各个方面的作用，简述了直流调速系统和交流调速系统各自的特点，分析了交流调速系统将代替直流调速系统的趋势，简单介绍了本课题的研究意义和论文的主要工作。

第2章交流异步电动机简介

2.1 异步电动机的特点

异步电动机(asynchronous motor) 又称感应电动机,是由气隙旋转磁场与转子绕组感应电流相互作用产生电磁转矩,从而实现机电能量转换为机械能量的一种交流电动机。异步电动机按照转子结构分为两种形式:有鼠笼式、绕线式异步电动机。作电动机运行的异步电机。因其转子绕组电流是感应产生的，又称感应电动机。异步电动机是各类电动机中应用最广、需要量最大的一种。在中国，异步电动机的用电量约占总负荷的60％多。

异步电动机的转子绕组不需与其他电源相连，其定子电流直接取自交流电力系统；与其他电机相比，异步电动机的结构简单，制造、使用、维护方便，运行可靠性高，重量轻，成本低。以三相异步电动机为例，与同功率、同转速的直流电动机相比，前者重量只及后者的二分之一，成本仅为三分之一。

异步电动机还容易按不同环境条件的要求，派生出各种系列产品。它还具有接近恒速的负载特性，能满足大多数工农业生产机械拖动的要求。其局限性是，它的转速与其旋转磁场的同步转速有固定的转差率（见异步电机），因而调速性能较差，在要求有较宽广的平滑调速范围的使用场合（如传动轧机、卷扬机、大型机床等），不如直流电动机经济、方便。此外,异步电动机运行时,从电力系统吸取无功功率以励磁，这会导致电力系统的功率因数变坏。因此，在大功率、低转速场合（如拖动球磨机、压缩机等）不如用同步电动机合理。

2.2异步电动机的分类

异步电动机的种类很多，从不同的角度有不同的分类法。

按定子相数分有单相异步电动机、三相异步电动机；

按转子绕组形式，一般可分为绕线式和鼠笼式两种类型。鼠笼式异步电动机中，又有单鼠笼、双鼠笼和深槽式之分；

按电机尺寸或功率，分为大型、中型、小型和小功率电机；

按电机的防护形式分为开启式、防护式、封闭式。

2.3异步电动机的用途

异步电机主要用作电动机，其功率范围从几瓦到上万千瓦，是国民经济各行业和人们日常生活中应用最广泛的电动机，为多种机械设备和家用电器提供动

力。例如机床、中小型轧钢设备、风机、水泵、轻工机械、冶金和矿山机械等，大都采用三相异步电动机拖动；电风扇、洗衣机、电冰箱、空调器等家用电器中则广泛使用单相异步电动机。异步电机也可作为发电机，用于风力发电厂和小型水电站等。

2.4异步电动机的发展和发展趋势

1985年大部分地区迅速推广了全封闭自冷式鼠笼型三相异步电动机y系列及其派生系列产品，其功率范围为0.55～250kw，机座中心高为80～315。通过引进消化美国西屋公司和瑞士bbc公司的技术，自行研发的y系列6kv、220～2800kw中型高压三相异步电动机，采用新颖的箱式结构，是目前国内中型高压电机的主导产品，以后又随着我国电网电压由6kv升高到10kv，又研发了10kv 系列中小型高压异步电动机。

1996年以电科所为首组织有关厂家完成了y2系列的开发，功率范围为0.12～315kw，机座中心高为63～355。该系列产品显著降低了空载噪声，有效抑制了负载噪声。

2003年电科所组织有关厂家又完整地建立了全系列采用冷轧硅钢片的y3系列，其能耗达到国标gb18163－2002中能耗限定值的规定，同时也达到欧洲eff2效率标准，并且主要性能指标达到国际同类产品的先进水平。

1992年美国能源部发布了新的能源法规，提出了高效率三相异步电动机的效率标准，并规定从1997年10月24日开始，凡制造和进口一般用途电动机效率必须符合这一标准。以后又更进一步提出超高效率电机。1999年欧洲电机和电力电子制造商协会制定了eff1、eff2、eff3三个等级的效率标准，并决定到2003年削减50％低于eff3标准水平的电机生产，2006年以后不再生产。

我国也于2002年8月正式实施《中小型三相异步电动机能效限定值及节能评定值》的国标（gb18163-2002）。因此借着节能的规划和“以冷代热”的法令，应该大力推广y3新系列，使之成为我国低压三相异步电动机的主导产品，且新一轮的派生系列产品也应在y3新系列上展开。

计算机控制技术和现代控制理论应用与交流调速系统后为其发展创造了更加有利的条件。使交流调速系统成为当前发展和研究的重点。采用微机控制后用软件实现矢量控制算法。使硬件电路规范化。从而降低了成本，提高了可靠性。而且还有可能进一步实现更复杂的动力。交流传动正逐步取代支流传动而成为机电传动的主流。

2.5 三相异步电机工作的基本原理

2.5.1 异步电动机的等效电路

异步电动机的转子能量是通过电磁感应而得来的。定子和转子之间在电路上没有任何联系，其电路可用图2.1来表示。

图2.1异步电动机的定、转子图

图2.1中：

1.

U ——定子的相电压； １Ｉ.

——定子的相电流；

１１　、　x r ——定子每相绕组的电阻和漏抗； s E 2、S I 2、S X 2分别是转子电路产生的电动势、电流、漏电抗；

1.

E ——每相定子绕组反电动势，它是定子绕组切割旋转磁场而产生的。其有效值可计算如下：

11114.44N m E f N K =Φ （2-1） 式中:

1E —气隙磁通在定子每相中感应电动势有效值； 1f —定子频率；

1N —定子每相绕组中串联匝数；

1N K —基波绕组系数；

m Φ—极气隙磁通。

由电动机的基础知识可知：转子回路的频率 12s f f =，与转差率成正比，所以转子回路中的各电量也都与转差率成正比。

为了方便定量分析定、转子之间的各种数量关系，应将定子、转子放在一个电路中。由于定子、转子回路的频率、绕组、匝数不同，故必须进行折算。根据电机学原理，在下列假定条件下：

a.忽略空间和时间谐波，各绕组的自感和互感都是线性的；

b.忽略磁饱和；

c.忽略铁损。

可以得到电动机的T 形等效电路图，由于交流异步电动机三相对称，所以现

只取A 相进行计算分析。A 相的T 形等效电路如图2.2所示。

图2.2 电动机的T 形等效电路图

图2.2中：

m r ——励磁电阻，是表征异步电动机铁心损耗的等效电阻；

m x ——励磁电抗，是表征铁心磁化能力的一个参数；

0.

Ｉ——励磁电流； L R ——机械负载的等效电阻，在L R =,在L R 上消耗的功率就相当于异步电动机输出的机械功率；

2222Ｘ　、ｒ　、Ｅ、''''I 等参数——经过折算后的转子参数。 2.5.2 异步电动机的转矩

（1）电磁转矩的表达式

n m m P =ΩP =T 9550 （2-2）

式中m P 的单位为KW ；n 的单位是r/min ；Ｔ的单位是V ·M 。

（2）电磁转矩的物理表达式

e T =2,2cos ?I ΦM T C （2-3）

式中 T C ——转矩常数；

m Φ——主磁通。

（3）电磁转矩的参数表达式

e T =])()[(2222122211221x x s r sr

f r psU '++'+'

π （2-4）

式中 p ——磁极对数；

2s s 1r '-

1U ——电源的相电压；

1f ——电源频率。

2.5.3异步电动机的机械特性

机械特性是指电动机在运行时，其转速与电磁转矩之间的关系，即n =)(T f ，它可由（2-3）所决定的)(s f T =曲线变换而来。异步电动机工作在额定电压、额定频率下，由电动机本身固有的参数所决定的)(T f n =曲线，叫做电动机的自然机械特性。

图2.3 异步电动机机械特性曲线

只要确定曲线上的几个特殊点，就能画出电动机的机械特性。

1.理想空载点

图2.3中的E 点，在这点上，电动机以同步转速0n 运行（s =0），其电磁转矩T=0。

2.起动点

图2.3中的S 点，在起动点上，电动机已接通电源，但尚未起动。对应这一点的转速n ＝0（ｓ＝1），电磁转矩称起动转矩st T ，起动是带负载的能力一般用

起动倍数来表示，即 。式中,N T 为额定转矩。 3.临界点

临界点Ｋ是一个非常重要的点，它是机械特性稳定运行区和非稳定区的分界点。电动机运行在Ｋ点时，电磁转矩为临界转矩K T ，它表示了电动机所有能产生的最大转矩，此时的转差率叫临界转差率，用K s 表示。K T 、K s 根据式（2－3）用求极值的办法求出，即：由ds dT ＝0，可得：

212221212)(x x r x x r r s K '+'≈'++'= （2－4）

N st st T T K =

)(43])([4321121221211121x x f pU x x r r f pU T K '+≈'+++=ππ （2－5）

电动机正常运行时，需要有一定的过载能力，一般用m β表示，即

m β＝N

K T T （2－6） 普通电动机的m β＝2.0～2.2之间，而对某些特殊用电动机，其过负载能力可以更高一些。

上述分析说明：K T 的大小影响着电动机的过载能力，K T 越小，为了保证过载能力不变，电动机所带的负载就越小。由)1(0K K s n n -=知：K s 越小，K n 越大，机械特性就越硬。因此在调速过程中，K T 、K s 的变化规律常常是关注的重点。特别是研究变频后的电动机机械特性，K T 、K s 就显得尤其重要。变频后的机械特性将会在下一小节中介绍。

2.6异步电动机的调速方法：

（1）绕线式电动机转子串电阻调速方法

绕线式异步电动机转子串入附加电阻，使电动机的转差率加大，电动机在较低的转速下运行。串入的电阻越大，电动机的转速越低。此方法设备简单，控制方便，但转差功率以发热的形式消耗在电阻上。属有级调速，机械特性较软。

（2）变极对数调速方法

这种调速方法是用改变定子绕组的接线方式来改变笼型电动机定子极对数达到调速目的，本方法适用于不需要无级调速的生产机械，如金属切削机床、升降机、起重设备、风机、水泵等。

（3）定子调压调速方法

当改变电动机的定子电压时，可以得到一组不同的机械特性曲线，从而获得不同转速。由于电动机的转矩与电压平方成正比，因此最大转矩下降很多，其调速范围较小，使一般笼型电动机难以应用。为了扩大调速范围，调压调速应采用转子电阻值大的笼型电动机，如专供调压调速用的力矩电动机，或者在绕线式电动机上串联频敏电阻。为了扩大稳定运行范围，当调速在2：1以上的场合应采用反馈控制以达到自动调节转速目的。 调压调速的主要装置是一个能提供电压变化的电源，目前常用的调压方式有串联饱和电抗器、自耦变压器以及晶闸管调压等几种。晶闸管调压方式为最佳。调压调速一般适用于100KW 以下的生产机械。

（4）串级调速方法

串级调速是指绕线式电动机转子回路中串入可调节的附加电势来改变电动

机的转差，达到调速的目的。大部分转差功率被串入的附加电势所吸收，再利用产生附加的装置，把吸收的转差功率返回电网或转换能量加以利用。根据转差功率吸收利用方式，串级调速可分为电机串级调速、机械串级调速及晶闸管串级调速形式，多采用晶闸管串级调速，本方法适合于风机、水泵及轧钢机、矿井提升机、挤压机上使用。

（5）变频调速方法

变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交流－直流－交流变频器和交流－交流变频器两大类，目前国内大都使用交－直－交变频器。本方法适用于要求精度高、调速性能较好场合。

2.7 本章小结

本章介绍了交流异步电动机的特点、分类、用途、发展趋势等基本情况，着重介绍了异步电机的工作原理以及调速方法，为后文中研究异步电机变频调速做个铺垫。

第3章 异步电机的变频调速原理及控制方式的选定

3.1变频调速原理

交流异步电动机是电气传动中使用最为广泛的电动机类型。根据统计，我国异步电动机的使用容量约占拖动总容量的八成以上，因此了解异步电动机的调速原理十分重要。

交流异步电动机是电气传动中使用最为广泛的电动机类型。根据统计，我国异步电动机的使用容量约占拖动总容量的八成以上，因此了解异步电动机的调速原理十分重要。

交流调速是通过改变电定子绕组的供电的频率来达到调速的目的的，但定子绕组上接入三相交流电时，定子与转子之间的空气隙内产生一个旋转的磁场，它与转子绕组产生感应电动势，出现感应电流，此电流与旋转磁场相互作用，产生电磁转矩。使电动机转起来。电机磁场转速称为同步转速，用0n 表示： p f

n 600= （3-1）

式中：f 为三相交流电源频率，一般是50Hz ；p 为磁极对数。当p =1是，0n =3000r ／min ；p =2时，0n =1500r ／min 。

由上式可知磁极对数p 越多，转速0n 就越慢，转子的实际转速n 比磁场的同步转速0n 要慢一点，所以称为异步电动机，这个差别用转差率s 表示：

%10000?-=n n n s （3-2） 在加上电源转子尚未转动瞬间，n =0，这时s =1；启动后的极端情况n =0n ，则s =0，即s 在0～1之间变化，一般异步电动机在额定负载下的 s =1%～6%。综合（3-1）和（3-2）式可以得出：

060(1)

(1)f s n n s p -=-= （3-3） 由式（3-3）可以看出，对于成品电机，其极对数p 已经确定，转差率s 的变化不大，则电机的转速n 与电源频率f 成正比，因此改变输入电源的频率就可以改变电机的同步转速，进而达到异步电机调速的目的。

3.2 变频调速的控制方式及选定

3.2.1 V/f 比恒定控制

V/f 比恒定控制是异步电动机变频调速中最基本的控制方式。它是在改变

变频器输出电压频率的同时改变输出电压的幅值，以维护电机磁通基本恒定，从而在较宽的调速范围内，使电动机的效率、功率因数不下降。V/f 控制是目前通用变频器中广泛采用的控制方式。

三相交流异步电动机在工作过程中铁心磁通接近饱和状态，从而使铁心材料得到充分的利用。在变频调速的过程中，当电动机电源的频率发生变化时，电动机的阻抗将随之变化，从而引起励磁电流的变化，使电动机出现励磁不足或励磁过强。在励磁不足时电动机的输出转矩将降低，而励磁过强时又会使铁心中的磁通处于饱和状态，是电动机中流过很大的励磁电流，增加电动机的功率损耗，降低电动机的效率和功率因数。因此在改变频率进行调速时，必须采取措施保持磁通恒定为额定值。

由电机理论知道，电机定子的感应电势有效值是：

11114.44N m E f N K =Φ

则 1

11144.4N K f E N m =Φ 即11m f E ∝Φ （3-4） 另外，电机的电磁转矩为:

22m T e cos ΦI Φ=T C （3-5）

其中 T C —与电动机有关的常数；

Cos 2Φ—转子每相电路功率因数；

2Φ—转子电压与电流的相位差；

e T —电机的电磁转矩。

由式(3-4)推断，若1E 不变，当定子电源频率1f 增加，将引起气隙磁通m Φ减小；而由式(3-5)可知，m Φ减小又引起电动机电磁转矩e T 减小，这就出现了频率增加，而负载能力下降的情况。在1E 不变时，而定子电源频率1f 减小，又将引起m Φ增加,m Φ增加将导致磁路饱和，励磁电流升高，从而导致电动机发热，严重时会因绕组过热而损坏电动机。由以上情况可知:变频调速时，必须使气隙磁通不变。因此，在调节频率的同时，必须对定子电压进行协调控制，但控制方

式随运行频率在基频以下和基频以上而不同。

1.基频以下调速

由式(3-4)可知，要保持m Φ不变，当频率1f 从额定值N f 向下调节时，必须同时降低1E ,使

1E /1f =常值

只要保持1E /1f 为常数，就可以达到维持磁通恒定的目的。因此这种控制又称为恒磁通变频调速，属于恒转矩调速方式。

根据电机端电压和感应电势的关系式：

11111()U E r jx I =++ (3-6) 式中: 1U -定子相电压；

1r -定子电阻；

1x -定子阻抗；

1I -定子电流。

当电机在额定运行情况下，电机定子电阻和漏阻抗的压降较小，1U 和1E 可以看成近似相等，所以保持V/f=常数即可。

由于V/f 比恒定调速是从基频向下调速，所以当频率较低时，1U 与1E 都变小，定子漏阻抗压降(主要是定子电阻压降)不能再忽略。这种情况下，可以人为地适当提高定子电压以补偿电阻压降的影响，使气隙磁通基本保持不变。

变频后的机械特性如图3.1所示。

图3.1 电动机低于额定转速方向调速时的机械特性

从图3.1中可以看出，当电动机向低于额定转速0n 方向调速时,曲线近似平行地下降，减速后的电动机仍然保持原来较硬的机械特性；但是临界转矩却随着

电动机转速的下降而逐渐减小，这就是造成了电动机负载能力的下降。

临界转矩下降的原因可以如下解释：为了使电动机定子的磁通量m Φ保持恒定，调速时就要求感应电动势1E 与电源频率1f 的比值不变，为了使控制容易实现，采用电源电压U ≈1E 来近似代替，这是以忽略定子阻抗压降作为代价，当然存在一定的误差。显然，被忽略的定子阻抗压降在电压U 中所占的比例大小决定了它的影响。当1f 的数值相对较高时，定子阻抗压降在电压U 中所占的比例相对较小，U ≈1E 所产生的误差较少；当1f 的数值较低时，定子阻抗压降在电压U 中所占的比例下降，而定子阻抗的压降并不按同比例下井，使得定子阻抗压降在电压U 中的比例增大，已经不能再满足U ≈1E 。此时如果仍以U 代替1E ，将带来很大的误差。因为定子阻抗压降所占的比例增大，使得实际上产生的感应电动势1E 减小，1E /1f 的比值减小，造成磁通量m Φ减小，因而导致电动机的临界转矩的下降。

变频后机械特性的降低将是电动机带负载能力减弱，影响交流电动机变频调速的使用。一种简单的解决方法就是所示的V/f 转矩补偿法。

转矩补偿法的原理是：针对频率f 降低时，电源电压U 成比例地降低引起的U 的下降过低，采用适当的提高电压U 的方法来保持磁通量m Φ恒定，使电动机转矩回升，因此，有些变频器说明书又称它为转矩提升（Torque Boost ）。

带定子压降补偿的压频比控制特性示于图3.2中的b 线，无补偿的控制特性则为a 线。

定子降压补偿只能补偿于额定转速方向调速时的机械特性，而对向高于额定转速方向调速时的机械特性不能补偿。

图3.2 压频比控制特性曲线

补偿后的机械特性曲线如图3.3所示。

图3.3 补偿后的机械特性曲线

2.在基频以上调速

在基频以上调速时，频率可以从额定频率N f 向上增高，但是电压却不能超出额定电压N U ，由式（3-4）可知，这将迫使磁通与频率成反比例降低。这种调速方式下，转子升高时转矩降低，属于恒功率调速方式。

变频后的机械特性如图3.4所示。

图3.4 电动机高于额定转速方向调速时的机械特性

当电动机向高于额定转速0n 方向调速时，曲线不仅临界转矩下降，而且曲线工作段的斜率开始增大，使得机械特性变软。

造成这种现象的原因是：当频率1f 升高时，电源电压不可能相应升高。这是因为电动机绕组的绝缘强度限制了电源电压不能超过电动机的额定电压，所以，磁通量m 将随着频率1f 的升高反比例下降。磁通量的下将使电动机的转矩下降，造成电动机的机械特性变软。

以上调速方式相应的特性曲线如图3.5所示。

图3.5整个频率调速的特性曲线

注：图中曲线1——在低频时没有定子降压补偿的压频曲线和主磁通曲线

图中曲线2——在低频时有定子降压补偿的压频曲线和主磁通曲线

V/f 比恒定控制存在的主要问题是低速性能差。其原因一方面是低速时定子的电压和电势近似相等条件已不能满足，所以仍按V/f 比恒定控制就不能保持电机磁通恒定，而电机磁通的减小势必会造成电机的电磁转矩减小。另一方面原因是低速时逆变器桥臂上、下开关元件的导通时间相对较短，电压下降，而且它们的互锁时间也造成了电压降低，从而引起转矩脉动，在一定条件下这将会引起转速、电流的振荡，严重时会导致变频器不能运行。

3.2.2 其它控制方式

（1）转差频率控制变频调速

转差率控制方式是V/f 控制的一种改进，这种控制需要由安装在电动机上的速度传感器检测出电动机的转速，构成速度闭环，速度调节器的输出时转差率，而变频器的输出频率则有电动机实际转速与所需转差频率之和决定。它是解决V/f 控制静态性能较差的一种有效方法。虽然这种方法可以提高调速精度，但是它需要使用速度传感器来求取转差角频率，还要针对具体电机的机械特性调整控制参数，因而此方法的通用性较差。

（2）矢量控制变频调速

矢量控制变频调速的做法是：将异步电动机在三相坐标系下的定子交流电流

a I 、

b I 、

c I 通过三相——两相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流1αI 、1βI ，

再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流1m I 、1t I （1m I 相当于直流电动机的励磁电流；1t I 相当于与转矩成比例的电枢电流），然后仿效直流电动机的控制方法，求得直流电动机控制量，经过相应的坐标反变换，

实现对异步电动机的控制。在高性能的异步电机控制系统中多采用交叉闭环控制的矢量控制。采用矢量控制方式的目的，主要是为了提高变频调速的动态性能。虽然这一理论的提出是交流传动理论上的一个飞跃，但是由于它既要确定转子的磁链，又要进行坐标变换，还要考虑转子参数变动带来的影响，所以系统非常复杂。矢量控制变频器通常应用于轧钢、造纸设备等对动态性能要求较高的场合。（3）直接转矩控制变频调速

1985年，德国鲁尔大学的DePenbrock教授首次提出了直接转矩控制变频技术。该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。目前，该技术已成功应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机化成等效直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算；它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。

日前市场销售的通用变频器的控制多半为V/f比恒定控制，它的应用比较广泛，特别是在风机，泵及土木机械等方面应用较多，V/f比恒定控制的突出优点是可以进行电机的开环速度控制。

3.3 本章小结

从以上的分析可看出，V/f控制常用于速度精度要求不十分严格或负载变动较小的场合。由于V/f控制是转速开环控制，无需速度传感器，控制电路简单，负载可以是通用标准异步电机，所以这种控制方法通用性强、经济性好，是目前通用变频器产品中使用较多的一种控制方式。由此，在本设计中采用V/f控制。

第4章 SPWM变频调速系统分析

目前PWM技术已经广泛应用到变频调速系统当中，变频调速系统采用PWM 技术不仅能够及时、准确地实现变压变频控制要求，而且更重要的意义是抑制逆变器输出电压或电流中的谐波分量，从而降低或消除了变频调速时电动机的转矩脉动，提高了电动机的工作效率，扩大了调速系统的调速范围。V/F控制的SPWM 变频调速系统的主要部分是SPWM变频器，下面先对变频器做个介绍。

4.1变频器简介

变频调速实际上是向交流异步电动机提供一个频率可控的电源。能实现这个功能的装置称为变频器。变频器由两部分组成：主电路和控制电路。其中，给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分称为主电路，主电路包括整流器、中间直流环节（又称平波回路）和逆变器等。根据主电路的不同，变频器又可以分为交-交变频器和交-直-交变频器。交-直-交变频器的主要构成环节如图4.1所示。

恒压恒频

（CVCF）（VVVF）

(a)

图4.1 变频器的主要构成环节

交-直-交变频器先把交流电转换为直流电，经中间直流环节后再把直流电逆变成变频变压的交流电，又称为间接变频器。按不同的控制方式，间接变频器又分为三种情况。

（1）用可控整流器调压，逆变器调频的交-直-交变频器，如图4.2（a）所示。这种变频器调压和调频在两个环节上分别进行，其结构简单，控制方便。但由于输入环节采用晶闸管可控整流器，当电压调得较低时，电网端功率因数低，而输出环节采用由晶闸管组成的三相六拍逆变器，每周期换相六次，输出谐波大。

（2）用不可控整流器整流，斩波器调压，再用逆变器调频的交-直-交变频器，如图4.2（b）所示。这种变频器输入环节采用不可控整流器，只整流不调压，再增设斩波器进行脉宽调压，这样虽然多了一个环节，但输入功率因数提高，

克服了4.2（a ）中装置功率因数低的缺点。由于输出逆变环节未变，仍然有谐波较大的问题。

（3）用不可控整流器整流，脉宽调制逆变器同时调压调频的交-直-交变频器，如图4.2（c ）所示。由图可见，输入用不可控整流器，则输入功率因数高；用PWM 逆变，则输出谐波可以减少。PWM 逆变器采用全控型电力电子器件，其输出谐波减少的程度取决于PWM 的开关频率，而开关则受器件开关时间的限制。采用P-MOSFET 或IGBT 时，开关频率可达10kHz 以上，输出波形已经非常逼近正弦波，因而又称正弦脉宽逆变器（SPWM ），这是当前最有发展前途的一种装置形式。

（a ）

（b ）

（c ）

图4.2间接变频装置的不同结构形式

采用SPWM 技术的变频器输出的电压或电流波形接近于正弦波形。SPWM 方案多种多样，归纳起来可以分为电压正弦PWM ，电流正弦PWM ，磁通正弦PWM 三种基本类型，其中电压正弦PWM 和电流正弦PWM 是从电源角度出发的SPWM ，磁通正弦PWM （也称为电压空间矢量PWM ）是从电机角度出发的SPWM 方法。

图4.3是SPWM 变频器主电路的原理图。图中VT1至VT6是逆变器的6个全控型功率开关器件，它们各有一个续流二极管反并连接。整个逆变器由三相不可控整流器供电，所提供的直流恒值电压为d U 。电机绕组上所获得的相电压为d U /2。

图4-42 SPWM 变压变频器主电路原理图

图4.3 SPWM 变频器主电路原理图

4.2 SPWM 调制技术简介

4.2.1 SPWM 调制原理

SPWM 调制技术是PWM 多脉冲可变脉宽调制技术的一种，即所谓的正弦波脉宽调制.其输出波形是与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形，等效的原则是每一区间的面积相等。如果把一个正弦半波分作n 等份，然后把每一等份的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的矩形脉冲来代替，矩形脉冲的幅值不变，各脉冲的中点与正弦波每一等份的中点相重合，这样，由n 个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦波的半周等效。同样，正弦波的负半周也可用相同的方法与一系列负脉冲波等效。如图4.4所示。

设由整流器提供的直流恒值电压为Us ，并设电机绕组中点与直流电压中点相连，则SPWM 脉冲序列波的幅值为2/s U 。令第i 个矩形脉冲的宽度为i δ，其中心点相位角为i θ，则根据面积相等的等效原则，可写成：

i δ2s U =m U =?+-t td n

n 122111sin ωωπθπθm U ??????+--)2(cos )2cos(n k n i i πθπθ=i m n U θπsin 2sin 2 （4-1）

当n 的数值较大时，近似的认为sin π/(2n)=π/(2n)，于是

i s m i nU U θπδsin 2≈

（4-2） 上式 表 明 第i 个矩形脉冲的宽度与该处正弦波值近币以成正比。因此，与半个周期正弦波等效的SPWM 波是两侧窄、中间宽、脉宽按正弦规律逐渐变化的序列脉冲波形。

相比于其它各种变频变压调制方式，这样的脉冲系列可获得比常规六拍阶梯波更接近于正弦波的输出电压波形，可以使负载电流中的高次谐波成分大为减小，因而转矩脉动小。由于电网的功率因数接近于1，大大提高了系统的整体性