交流調(diào)速系統(tǒng)概述

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上交流調(diào)速系統(tǒng)概述 1.1、交流調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn) 對(duì)于可調(diào)速的電力拖動(dòng)系統(tǒng)，工程上往往把它分為直流調(diào)速系統(tǒng)和交流調(diào)速系統(tǒng)兩類(lèi),這主要是根據(jù)采用什么電流制型式的電動(dòng)機(jī)來(lái)進(jìn)行電能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)換而劃分的。所謂交流調(diào)速系統(tǒng)，就是以交流電動(dòng)機(jī)作為電能機(jī)械能的轉(zhuǎn)換裝置，并對(duì)其進(jìn)行控制以產(chǎn)生所需要的轉(zhuǎn)速。相比于直流電動(dòng)機(jī)，交流電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低，堅(jiān)固耐用，運(yùn)行可靠，維護(hù)方便，慣性小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，以及易于向高壓、高速和大功率方向發(fā)展等優(yōu)點(diǎn)。隨著電力電子技術(shù)，大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，交流可調(diào)傳動(dòng)得到了廣泛的發(fā)展，諸如交流電動(dòng)機(jī)的串級(jí)調(diào)速、各種類(lèi)型的變頻調(diào)速，特

2、別是矢量控制技術(shù)的應(yīng)用，使得交流調(diào)速系統(tǒng)逐步具備了寬的調(diào)速范圍、較高的穩(wěn)速精度、快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及在四象限作可逆運(yùn)行等良好的技術(shù)性能?，F(xiàn)在從數(shù)百瓦的伺服系統(tǒng)到數(shù)百千瓦的特大功率高速傳動(dòng)系統(tǒng)，從一般要求的小范圍調(diào)速傳動(dòng)到高精度、快響應(yīng)、大范圍的調(diào)速傳動(dòng)，從單機(jī)傳動(dòng)到多機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)，已幾乎都可采用交流調(diào)速傳動(dòng)。 1.2交流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用由于交流調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)越性，其已經(jīng)普遍應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)中，主要由以下幾個(gè)方面：（1）、風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)耗能占工業(yè)用電的40%，進(jìn)行變頻、串級(jí)調(diào)速，可以節(jié)能。（2）、對(duì)電梯等垂直升降裝置調(diào)速實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，運(yùn)行平穩(wěn)、檔次提高。（3）、紡織、造紙、印刷、煙草等各種生產(chǎn)機(jī)械，采

3、用交流無(wú)級(jí)變速，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和效率。（4）、鋼鐵企業(yè)在軋鋼、輸料、通風(fēng)等多種電氣傳動(dòng)設(shè)備上使用交流變頻傳動(dòng)。（5）、有色冶金行業(yè)如冶煉廠對(duì)回轉(zhuǎn)爐、培燒爐、球磨機(jī)、給料等進(jìn)行變頻無(wú)級(jí)調(diào)速控制。（6）、油田利用變頻器拖動(dòng)輸油泵控制輸油管線輸油。此外，在煉油行業(yè)變頻器還被應(yīng)用于鍋爐引風(fēng)、送風(fēng)、輸煤等控制系統(tǒng)。（7）、變頻器用于供水企業(yè)、高層建筑的恒壓供水。（8）、變頻器在食品、飲料、包裝生產(chǎn)線上被廣泛使用，提高調(diào)速性能和產(chǎn)品質(zhì)量。（9）、變頻器在建材、陶瓷行業(yè)也獲得大量應(yīng)用。如水泥廠的回轉(zhuǎn)窯、給料機(jī)、風(fēng)機(jī)均可采用交流無(wú)級(jí)變速。（10）、機(jī)械行業(yè)是企業(yè)最多、分布最廣的基礎(chǔ)行業(yè)。從電線電纜的制造到數(shù)控

4、機(jī)床的制造。電線電纜的拉制需要大量的交流調(diào)速系統(tǒng)。一臺(tái)高檔數(shù)控機(jī)床上就需要多臺(tái)交流調(diào)速甚至精確定位傳動(dòng)系統(tǒng)，主軸一般采用變頻器調(diào)速（只調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速）或交流伺服主軸系統(tǒng)（既無(wú)級(jí)變速又使刀具準(zhǔn)確定位停止），各伺服軸均使用交流伺服系統(tǒng)，各軸聯(lián)動(dòng)完成指定坐標(biāo)位置移動(dòng)。 1.3、交流調(diào)速系統(tǒng)分類(lèi)交流調(diào)速系統(tǒng)分為交流異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)和交流同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)兩大類(lèi)。 1、在交流異步電動(dòng)機(jī)中，從定子傳入轉(zhuǎn)子的電磁功率可以分成兩部分：一部分是拖動(dòng)負(fù)載的有效功率，另一部分是與轉(zhuǎn)差率成正比的轉(zhuǎn)差功率，轉(zhuǎn)差功率的流向是調(diào)速系統(tǒng)效率高低的標(biāo)志。就轉(zhuǎn)差功率的流向向而言，交流異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)可以分為三種：（1）、轉(zhuǎn)差功率消

5、耗型調(diào)速系統(tǒng) 這種調(diào)速系統(tǒng)全部轉(zhuǎn)差功率都被消耗掉，用增加轉(zhuǎn)差功率的消耗來(lái)?yè)Q取轉(zhuǎn)速的降低，轉(zhuǎn)差率增大，轉(zhuǎn)差功率增大，以發(fā)熱形式消耗在轉(zhuǎn)子電路里，使得系統(tǒng)效率也隨之降低。定子調(diào)壓調(diào)速、電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速及繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速這三種方法屬于這一類(lèi)，這類(lèi)調(diào)速系統(tǒng)存在著調(diào)速范圍愈寬，轉(zhuǎn)差功率愈大，系統(tǒng)效率愈低的問(wèn)題，故不值得提倡。（2）、轉(zhuǎn)差功率饋送型調(diào)速系統(tǒng) 這種調(diào)速系統(tǒng)的大部分轉(zhuǎn)差功率通過(guò)變流裝置回饋給電網(wǎng)或者加以利用，轉(zhuǎn)速越低回饋的功率越多，但是增設(shè)的裝置也要多消耗一部分功率。繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串級(jí)調(diào)速即屬于這一類(lèi)，它將轉(zhuǎn)差功率通過(guò)整流和逆變作用，經(jīng)變壓器回饋到交流電網(wǎng)，但沒(méi)有以發(fā)熱形

6、式消耗能量，即使在低速時(shí)，串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的效率也是很高的。（3）、轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速系統(tǒng) 這種調(diào)速系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)差功率仍舊消耗在轉(zhuǎn)子里，但不論轉(zhuǎn)速高低，轉(zhuǎn)差功率基本不變。如變極對(duì)數(shù)調(diào)速，變頻調(diào)速即屬于這一類(lèi)，由于在調(diào)速過(guò)程中改變同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)差率是一定的，故系統(tǒng)效率不會(huì)因調(diào)速而降低。在改變的兩種調(diào)速方案中，又因變極對(duì)數(shù)調(diào)速為有極調(diào)速，且極數(shù)很有限，調(diào)速范圍窄，所以，目前在交流調(diào)速方案中，變頻調(diào)速是最理想，最有前途的交流調(diào)速方案。 2、在交流同步電動(dòng)機(jī)中，由于其轉(zhuǎn)差功率恒為零，從定子傳入的電磁功率全部變?yōu)闄C(jī)械軸上輸出的機(jī)械功率，只能是轉(zhuǎn)差功率不變型的調(diào)速系統(tǒng)。其表達(dá)式為,同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速只能通過(guò)改變同步

7、轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)，由于同步電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)是固定的，只能采用變壓變頻調(diào)速。交流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速 2.1三大調(diào)速方案由電機(jī)與拖動(dòng)技術(shù)知，交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式如下：（1-1） 式中 電動(dòng)機(jī)定子繞阻的磁極對(duì)數(shù)； 電動(dòng)機(jī)定子電壓供電頻率； 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率。由電機(jī)理論知道，三相異步電動(dòng)機(jī)定子每相電動(dòng)勢(shì)的有效值是（1-2） 式中氣隙磁通在定子每相中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的有效值（V）； 定子頻率（Hz）； 定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)； 每極磁通量（Wb）。 從上兩式中可以看出，調(diào)節(jié)交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速有三大類(lèi)方案。 1、變壓變頻調(diào)速 當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)一定，轉(zhuǎn)差率定時(shí)，改變定子繞組的供電頻率可以達(dá)到調(diào)速目的，為了達(dá)到良好的控制效

8、果，常采用電壓頻率協(xié)調(diào)控制，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速基本上與電源的頻率 成正比，因此，就能平滑地調(diào)節(jié)供電電源的頻率，無(wú)級(jí)地調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。變頻調(diào)速調(diào)速范圍大，低速特性較硬，只要控制好和便可達(dá)到控制氣隙磁通的目的，對(duì)此有基頻（額定頻率）以下和基頻以上兩種情況，基頻以下，保持氣隙磁通不變，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式；在基頻以上，保持定子電壓不變，屬于恒功率調(diào)速方式。 （1)、基頻以下調(diào)速在基頻一下調(diào)速時(shí)，為了保持電動(dòng)機(jī)的負(fù)載能力，應(yīng)保持氣隙磁通為額定值不變，這就要求頻率從額定值向下調(diào)節(jié)時(shí)，必須同時(shí)降使 ,即保持電動(dòng)勢(shì)與頻率之比常數(shù)進(jìn)行控制。這種控制又稱為恒磁通變頻調(diào)速，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式。但是，難于直接檢測(cè)和直接

9、控制。（當(dāng)和的值較高時(shí)，定子的漏阻抗壓降相對(duì)比較小，如忽略不計(jì)，則可近似地保持定子相電壓和頻率的比值為常數(shù)，即認(rèn)為，保持常數(shù)即可）,這就是恒壓頻比控制方式，是近似的恒磁通控制。低頻時(shí)，和都較小，定子電阻和漏磁感抗壓降（主要是定子電阻壓降）所占的分量比較顯著，不能再忽略。這時(shí)，可以人為地適當(dāng)提高定子電壓，以便近似地補(bǔ)償定子阻抗壓降，使氣隙磁通基本保持不變。 圖1 基頻以下調(diào)速機(jī)械特性（2） 、基頻以下電流補(bǔ)償控制基頻以下運(yùn)行時(shí)，采用恒壓頻比的控制方法具有控制簡(jiǎn)便的有點(diǎn)，但負(fù)載的變化將導(dǎo)致磁通的改變，因此采用需要采用定子電流補(bǔ)償，根據(jù)電子電流的大小改變電子電壓，保持磁通恒定。有保持定子磁通（曲線a

10、）、氣隙磁通（曲線b）和轉(zhuǎn)子磁通（曲線c）恒定的三種控制方法，以下圖 2 是這三種控制方法的特性曲線 圖2 不同控制方式下，異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性與恒壓頻比控制相比，恒定子磁通、恒氣隙磁通和恒轉(zhuǎn)子磁通的控制方式均需要定子電流補(bǔ)償，控制要復(fù)雜一些。恒定子磁通和恒氣隙磁通的控制方式雖然改善了低速性能，但機(jī)械特性還是非線性的，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的能力受到限制。恒轉(zhuǎn)子磁通的控制方式，可以得到和直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)一樣的線性機(jī)械特性，性能最佳。（3）、基頻以上調(diào)速在基頻以上調(diào)速時(shí)，頻率可以從往上升高，但受電機(jī)絕緣耐壓的限制，定子電壓卻不能超過(guò)額定電壓，最多只能保持額定電壓不變。由式（1-2）可知，這必然會(huì)導(dǎo)致主磁通隨著的

11、上升而降低，使異步電動(dòng)機(jī)工作在弱磁狀態(tài)，允許輸出轉(zhuǎn)矩減小，但轉(zhuǎn)速卻升高了，可以認(rèn)為允許輸出轉(zhuǎn)功率基本不變，屬于近似的恒功率調(diào)速方式。其機(jī)械特性曲線在固有特性曲線之上。2、改變電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)調(diào)速由異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速可知，在供電電源頻率不變的條件下，通過(guò)改接定子繞組的連接方式來(lái)改變異步電動(dòng)機(jī)定子繞組的磁極對(duì)數(shù)，即可改變異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到調(diào)速的目的。這種控制方式比較簡(jiǎn)單，只要求電動(dòng)機(jī)定子繞組有多個(gè)抽頭，然后通過(guò)觸點(diǎn)的通斷來(lái)改變電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)。采用這種控制方式，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化是有級(jí)的，不是連續(xù)的，一般最多只有三檔，適用于自動(dòng)化程度不高，且只需有級(jí)調(diào)速的場(chǎng)合。 3、改變電動(dòng)機(jī)的變轉(zhuǎn)差率

12、調(diào)速由式（1-1）知，可以通過(guò)改變異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率來(lái)改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速的方法很多，常用的方案有：異步電動(dòng)機(jī)定子調(diào)壓調(diào)速、電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速、繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速和串級(jí)調(diào)速等。（1）、異步電動(dòng)機(jī)定子調(diào)壓調(diào)速定子調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)就是在恒定交流電源與交流電動(dòng)機(jī)之間接入晶閘管作為交流電壓控制器，這種調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)僅適用于一些屬短時(shí)與重復(fù)短時(shí)作深調(diào)速運(yùn)行的負(fù)載。為了能得到好的調(diào)速精度與能穩(wěn)定運(yùn)行，一般采用帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的控制方式。所使用的電動(dòng)機(jī)可以是繞線式異電動(dòng)機(jī)或是有高轉(zhuǎn)差率的鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)。（2）、電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速電磁轉(zhuǎn)差離臺(tái)器調(diào)速系統(tǒng)，是由鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)、電磁轉(zhuǎn)差離合器以

13、及控制裝置組合而成。鼠籠式電動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)機(jī)以恒速帶動(dòng)電磁離合器的電樞轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)對(duì)電磁離合器勵(lì)磁電流的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)其磁極的速度調(diào)節(jié)。這種系統(tǒng)一般也采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。（3）、繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速就是通過(guò)改變轉(zhuǎn)子回路所串電阻來(lái)進(jìn)行調(diào)速，這種調(diào)速方法簡(jiǎn)單，但調(diào)速是有級(jí)的，串入較大附加電阻后，電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性很軟，低速運(yùn)行損耗大，穩(wěn)定性差。（4）、繞線式異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速繞線式異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)就是在電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子回路中引入與轉(zhuǎn)子電勢(shì)同頻率的反向電勢(shì)，只要改變這個(gè)附加的，同電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電壓同頻率的反向電勢(shì)，就可以對(duì)繞線式異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行平滑調(diào)速。越大，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)

14、速越低。 上述這些調(diào)速的共同特點(diǎn)是在調(diào)速過(guò)程中沒(méi)有改變電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，所以低速時(shí)轉(zhuǎn)差率較大。 2.2、異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng) 1、 脈沖寬度調(diào)制技術(shù)在異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速時(shí)，為了得到理想的控制效果需要有電壓與頻率均可調(diào)的交流電源，常用的交流可調(diào)電源是由電力電子器件構(gòu)成的靜止式功率變換器，一般稱為變頻器。這就涉及到了交流PWM變頻技術(shù)，即脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，這是現(xiàn)代變頻器中用得最多的控制技術(shù)。脈沖寬度調(diào)制（PWM)的基本思想是：控制逆變器中的電力電子器件的開(kāi)通或關(guān)斷，輸出電壓為高度相等、寬度按一定規(guī)律變化的脈沖序列，用這樣的高頻脈沖序列代替期望的輸出電壓。傳統(tǒng)的交流PWM技術(shù)是用正玄波來(lái)調(diào)制等腰三角

15、波，稱為正弦脈沖寬度調(diào)制（SPWM)，隨著控制技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)生了電流跟蹤PWM(CFPWM)控制技術(shù)和電壓空間矢量PWM(SVPWM)控制技術(shù)。（1）、正弦脈沖寬度調(diào)制（SPWM) SPWM是以頻率與期望值得輸出電壓波相同的正弦波作為調(diào)制波，以頻率與期望波高得多的等腰三角波作為載波，當(dāng)調(diào)制波與載波相交時(shí)，由它們的交點(diǎn)確定逆變器開(kāi)關(guān)器件的通斷時(shí)刻，從而獲得高度相等、寬度按正弦規(guī)律變化的脈沖序列。 SPWM采用三相分別調(diào)制，在調(diào)制度為1時(shí)，輸出相電壓的基波幅值為，輸出線電壓的基波幅值為，直流電壓的利用率為。若調(diào)制度大于1，直流電壓的利用率可以提高，但會(huì)產(chǎn)生失真現(xiàn)象，諧波分量增加。這是普通SPWM變

16、頻器的一個(gè)短處，其輸出電壓帶有一定得諧波分量，為降低諧波分量，減少電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，在SPWM的基礎(chǔ)上衍生出“消除指定次數(shù)諧波”的SHEPWM控制技術(shù)。（2）、電流跟蹤PWM(CFPWM)控制技術(shù) SPWM控制技術(shù)的目的只在于使輸出電壓接近正玄波，并為考慮到電流波形因負(fù)載的性質(zhì)及大小的影響。對(duì)了、交流電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，應(yīng)該保證為正玄波的是電流，穩(wěn)態(tài)時(shí)在繞組中通入三相平衡的正弦電流才能使合成的電磁轉(zhuǎn)矩為恒定值，不產(chǎn)生脈動(dòng)，這就是以正弦波電流為控制目標(biāo)的優(yōu)越性，電流跟蹤PWM就能實(shí)現(xiàn)這種控制。 CFPWM的控制方法是在原有主回路的基礎(chǔ)上，采用電流閉環(huán)控制，使實(shí)際電流快速跟隨給定值，在穩(wěn)態(tài)時(shí)，盡可能使實(shí)際

17、電流接近正弦波形。常用的電流閉環(huán)控制方法是電流滯環(huán)跟蹤PWM。在電流滯環(huán)跟蹤PWM的控制系統(tǒng)中，以PWM變壓變頻器的A相控制原理為例。其中，電流控制器是滯環(huán)的比較器，環(huán)寬為2h，將給定電流與輸出電流進(jìn)行比較，當(dāng)電流偏差超過(guò)時(shí)，經(jīng)滯環(huán)控制器HBC控制逆變器A相上（或下）橋臂的功率器件動(dòng)作。B、C兩相的控制與A相相同。電流跟蹤PWM(CFPWM)控制技術(shù)的特點(diǎn)是精度高、響應(yīng)快，且易于實(shí)現(xiàn)，但功率開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)頻率不定。一般可采用具有恒定開(kāi)關(guān)頻率的電流控制器來(lái)克服。具有電流滯環(huán)跟蹤控制的PWM型變壓變頻器用于調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，只需要改變電流給定信號(hào)的頻率即可實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速，無(wú)需再人為地調(diào)節(jié)逆變器電壓。此時(shí)，

18、電流控制環(huán)只是系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)，外環(huán)仍應(yīng)有轉(zhuǎn)速外環(huán)，才能視不同負(fù)載的需要自動(dòng)控制給定電流的幅值。（3）、電壓空間矢量PWM(SVPWM)控制技術(shù) 交流電動(dòng)機(jī)需要輸入三相正弦電流的最終目的是在電動(dòng)機(jī)空間形成圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，從而產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。把逆變器和交流電動(dòng)機(jī)視為一體，以圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)為目標(biāo)來(lái)控制逆變器的工作，這種控制方法稱作為“磁鏈跟蹤控制”磁鏈軌跡的控制是通過(guò)交替使用不同的電壓空間矢量實(shí)現(xiàn)的，所以又稱為“電壓空間矢量PWM控制”。 電壓空間矢量控制是一種新的控制理論和控制技術(shù)，它的基本思想是：按空間矢量的平行四邊形合成法則，用相鄰的兩個(gè)有效工作矢量合成期望的輸出矢量，設(shè)法摸擬直流電動(dòng)機(jī)的控制特點(diǎn)

19、來(lái)進(jìn)行交流電動(dòng)機(jī)的控制。 調(diào)速的關(guān)鍵問(wèn)題是轉(zhuǎn)矩控制問(wèn)題，為使交流電動(dòng)機(jī)得到和直流電動(dòng)機(jī)一樣的轉(zhuǎn)矩控制性能，必須通過(guò)坐標(biāo)變換理論，按轉(zhuǎn)子磁鏈定向把交流電動(dòng)機(jī)的定子電流分解成磁場(chǎng)定向坐標(biāo)的勵(lì)磁分量和與之相垂直的坐標(biāo)轉(zhuǎn)矩分量，把固定坐標(biāo)系變換為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系解耦后，交流量的控制變?yōu)橹绷髁康目刂票愕韧谥绷麟妱?dòng)機(jī)。即如果在調(diào)速過(guò)程中始終維持定子電流的勵(lì)磁分量不變，而控制轉(zhuǎn)矩分量，它就相當(dāng)于直流電機(jī)中維持勵(lì)磁不變，而通過(guò)控制電樞電流來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩一樣，能使系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)特性。SVPWM控制模式的特點(diǎn): 1）、逆變器共有8個(gè)基本輸出矢量，6個(gè)有效工作矢量和2個(gè)零矢量，在一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)，每個(gè)有效工作矢量只

20、作用1次的方式；只能生成正六邊形的旋轉(zhuǎn)磁鏈，諧波分量大，將導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。 2）、用相鄰的2個(gè)有效工作矢量，可合成任意的期望輸出電壓矢量，使磁鏈軌跡接近于圓。開(kāi)關(guān)周期越小，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)越接近于圓，但功率器件的開(kāi)關(guān)頻率提高。 3）、利用電壓空間矢量直接生成三相PWM波，計(jì)算方便。 4）、與一般的SPWM相比較，SVPWM控制方式的輸出電壓可提高15%。異步電動(dòng)機(jī)按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)通過(guò)坐標(biāo)變換和按轉(zhuǎn)子磁鏈定向，可以得到等效的直流電動(dòng)機(jī)模型，在按轉(zhuǎn)子磁鏈定向坐標(biāo)系中，用直流機(jī)的方法控制電磁轉(zhuǎn)矩與磁鏈，然后將轉(zhuǎn)子磁鏈定向坐標(biāo)系中的控制量經(jīng)逆變換得到三相坐標(biāo)系的對(duì)應(yīng)量，以施以控制。由于變換的是矢量，

21、所以坐標(biāo)變換也可稱作矢量變換，相應(yīng)的控制系統(tǒng)成為矢量控制系統(tǒng)。 圖 3 矢量控制系統(tǒng)控制原理結(jié)構(gòu)圖 按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)的關(guān)鍵是準(zhǔn)確定向，也就是說(shuō)需要獲得轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶康目臻g位置，根據(jù)轉(zhuǎn)子磁鏈的實(shí)際值進(jìn)行矢量變換的方法，稱作直接定向。 轉(zhuǎn)子磁鏈的直接檢測(cè)相當(dāng)困難，實(shí)際的系統(tǒng)中，多采用間接計(jì)算的方法，即利用容易測(cè)得的電壓、電流或轉(zhuǎn)速等信號(hào)，借助于轉(zhuǎn)子磁鏈模型，實(shí)時(shí)計(jì)算磁鏈的幅值與空間位置。在計(jì)算模型中，由于主要實(shí)測(cè)信號(hào)的不同，分為電流模型和電壓模型兩種。電壓模型更適合于中、高速范圍，而電流模型能適應(yīng)低速。有時(shí)為了提高準(zhǔn)確度，把兩種模型結(jié)合起來(lái)，在低速時(shí)采用電流模型，在中、高速時(shí)采用電壓模型

22、。矢量控制系統(tǒng)的特點(diǎn)： （1）、按轉(zhuǎn)子磁鏈定向，實(shí)現(xiàn)了定子電流勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量的解耦，需要電流閉環(huán)控制。 （2）、轉(zhuǎn)子磁鏈系統(tǒng)的控制對(duì)象是穩(wěn)定的慣性環(huán)節(jié)，可以采用磁鏈閉環(huán)控制，也可以是開(kāi)環(huán)控制。 （3）、采用連續(xù)的PI控制，轉(zhuǎn)矩與磁鏈變化平穩(wěn)，電流閉環(huán)控制可有效地限制啟、制動(dòng)電流。異步電動(dòng)機(jī)按定子磁鏈控制的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng) 矢量控制方法的提出使交流傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性得到了顯著的改善，并且具有調(diào)速范圍寬的特點(diǎn)。但是經(jīng)典的矢量控制方法比較復(fù)雜，它要進(jìn)行坐標(biāo)變換，且需精確測(cè)算出轉(zhuǎn)子磁鏈的大小和方向，比較麻煩，且其精度受轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響很大。繼而又出現(xiàn)了一種對(duì)交流電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)直接轉(zhuǎn)矩控制的新方法，它

23、避開(kāi)了矢量控制中的兩次坐標(biāo)變換及求矢量的模與相角的復(fù)雜計(jì)算工作量，直接在它的轉(zhuǎn)速環(huán)里面，利用轉(zhuǎn)矩反饋直接控制電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，其基本原理是根據(jù)定子磁鏈幅值偏差和電磁轉(zhuǎn)矩偏差的符號(hào)，再根據(jù)當(dāng)前定子磁鏈?zhǔn)噶克诘奈恢茫苯舆x取合適的電壓空間矢量，減少定子磁鏈幅值的偏差和電磁轉(zhuǎn)矩的偏差，實(shí)現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩與定子磁鏈的控制，響應(yīng)較快，控制性能比矢量控制還好。 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)簡(jiǎn)稱DTC系統(tǒng)，是繼矢量控制系統(tǒng)之后發(fā)展起來(lái)的另一種高動(dòng)態(tài)性能的交流電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，在它的轉(zhuǎn)速環(huán)里面，利用轉(zhuǎn)矩反饋直接控制電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩。 圖4 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu) 在轉(zhuǎn)速環(huán)里面設(shè)置了轉(zhuǎn)速內(nèi)環(huán)，可以抑制定子磁鏈對(duì)內(nèi)環(huán)控制對(duì)象

24、的擾動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速和磁鏈子系統(tǒng)之間的近似解耦。根據(jù)定子磁鏈幅值偏差的符號(hào)和電磁轉(zhuǎn)矩的符號(hào)，再依據(jù)當(dāng)前定子磁鏈?zhǔn)噶克诘奈恢?，直接選取合適的電壓空間矢量，減小定子磁鏈幅值的偏差和電磁轉(zhuǎn)矩的偏差，實(shí)現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩與定子磁鏈的控制。 轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)：ASR的輸出作為電磁轉(zhuǎn)矩的給定信號(hào)；設(shè)置轉(zhuǎn)矩控制內(nèi)環(huán)，它可以抑制磁鏈變化對(duì)轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)的影響，從而使轉(zhuǎn)速和磁鏈子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了近似的解耦。轉(zhuǎn)矩和磁鏈的控制器：用滯環(huán)控制器取代通常的PI調(diào)節(jié)器。 與VC系統(tǒng)一樣，它也是分別控制異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和磁鏈，但在具體控制方法上，DTC系統(tǒng)與VC系統(tǒng)不同的特點(diǎn)是：（1）、轉(zhuǎn)矩和磁鏈的控制采用雙位式控制器，并在 PWM逆變器中直

25、接用這兩個(gè)控制信號(hào)產(chǎn)生電壓的SVPWM 波形省去了旋轉(zhuǎn)變換和電流控制，簡(jiǎn)化了控制器的結(jié)構(gòu)。（2）、選擇定子磁鏈作為被控量，計(jì)算磁鏈的模型可以不受轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響，提高了控制系統(tǒng)的魯棒性。如果從數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)按定子磁鏈控制的規(guī)律，顯然要比按轉(zhuǎn)子磁鏈定向時(shí)復(fù)雜，但是，由于采用了非線性的雙位式控制，這種復(fù)雜性對(duì)控制器并沒(méi)有影響。（3）、由于采用了直接轉(zhuǎn)矩控制，在加減速或負(fù)載變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程中，可以獲得快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，但必須注意限制過(guò)大的沖擊電流，以免損壞功率開(kāi)關(guān)器件，因此實(shí)際的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)的快速性也是有限的。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)與矢量控制系統(tǒng)的比較性能與特點(diǎn)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)矢量控制系統(tǒng)磁鏈控制定子磁鏈閉環(huán)控制

26、轉(zhuǎn)子磁鏈閉環(huán)控制，間接定向時(shí)是開(kāi)環(huán)控制轉(zhuǎn)矩控制雙位式控制，有轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)連續(xù)控制，比較平滑電流控制無(wú)閉環(huán)控制閉環(huán)控制坐標(biāo)變換靜止坐標(biāo)變換，較簡(jiǎn)單旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，較復(fù)雜磁鏈定向需知道定子磁鏈?zhǔn)噶康奈恢?，但無(wú)須定向按轉(zhuǎn)子磁鏈定向調(diào)速范圍不夠?qū)挶容^寬轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)較快不夠快 2.3同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng) 1、同步電動(dòng)機(jī)的分類(lèi) 與異步電動(dòng)機(jī)相比，在穩(wěn)態(tài)時(shí)同步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速等于同步轉(zhuǎn)速，即；定子除了定子磁動(dòng)勢(shì)外，在轉(zhuǎn)子側(cè)還有獨(dú)立的直流勵(lì)磁或者永久磁鋼勵(lì)磁；同步電動(dòng)機(jī)的氣隙是不均勻的有凸極和隱極之分，異步電動(dòng)機(jī)要靠加大轉(zhuǎn)差后才能提高轉(zhuǎn)矩，而同步電動(dòng)機(jī)只需加大功率角就能增大轉(zhuǎn)矩，同步電動(dòng)機(jī)比異步電動(dòng)機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)具有

27、更強(qiáng)的承受能力，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。 同步電動(dòng)機(jī)按勵(lì)磁方式分為可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)和永久同步電動(dòng)機(jī)。可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)子側(cè)有獨(dú)立的直流勵(lì)磁，可以通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的直流勵(lì)磁電流，改變輸入功率因數(shù)，可以滯后也可以超前。永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子用永磁材料制成，無(wú)需直流勵(lì)磁，具有體積小、重量輕，運(yùn)行效率高，結(jié)構(gòu)緊湊和動(dòng)態(tài)性能好的特點(diǎn)。 2、同步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn) 與異步電動(dòng)機(jī)相比，同步電動(dòng)機(jī)具有以下特點(diǎn)： （1）、交流電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速與定子電源頻率有確定的關(guān)系：異步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速總是低于同步轉(zhuǎn)速的，而同步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速等于同步轉(zhuǎn)速。 （2）、異步電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)僅靠定子供電產(chǎn)生，而同步電動(dòng)機(jī)除定子磁動(dòng)勢(shì)外，在轉(zhuǎn)子側(cè)

28、還有對(duì)立的直流勵(lì)磁，或者靠永久磁鋼勵(lì)磁。 （3）、同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子除直流勵(lì)磁磁阻外，還可能有自身短路的阻尼繞組。 （4）、異步電動(dòng)機(jī)的氣隙是均勻的，而同步電動(dòng)機(jī)則有隱極和凸極之分，隱極式電機(jī)氣隙均勻，凸極式則不均勻。同步電動(dòng)機(jī)按勵(lì)磁方式分為可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)和永磁同步電動(dòng)機(jī)兩種。其中，永磁同步電動(dòng)機(jī)按氣隙磁場(chǎng)分布分為正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)和梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)（無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)）。 分析同步電動(dòng)機(jī)恒頻恒壓時(shí)的穩(wěn)定運(yùn)行問(wèn)題，在的范圍內(nèi)，同步電動(dòng)機(jī)能夠穩(wěn)定運(yùn)行。在的范圍內(nèi)，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩加大時(shí)，轉(zhuǎn)子減速使矩角增加，但隨著增加，電磁轉(zhuǎn)矩反而減小，由于電磁轉(zhuǎn)矩的減小，導(dǎo)致繼續(xù)增加，最終，同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速偏離同步轉(zhuǎn)

29、速，出現(xiàn)失步現(xiàn)象，同步電動(dòng)機(jī)不能穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)在工頻電源下起動(dòng)時(shí)，定子磁動(dòng)勢(shì)以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速具有較大的滯后，不能快速跟上同步轉(zhuǎn)速；在一個(gè)周期內(nèi)，電磁轉(zhuǎn)矩平均值等于零，故同步電動(dòng)機(jī)不能起動(dòng)。同步電動(dòng)機(jī)中轉(zhuǎn)子有起動(dòng)繞組，使電動(dòng)機(jī)按異步電動(dòng)機(jī)的方式起動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時(shí)再通入勵(lì)磁電流牽入同步。 3、同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方式 同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速等于同步轉(zhuǎn)速，即 而同步電動(dòng)機(jī)有確定的極對(duì)數(shù)，同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速只能是改變電源頻率的變頻調(diào)速。由于，同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的電壓頻率特性與異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速相同，基頻以下采用帶定子壓降補(bǔ)償?shù)暮銐侯l比控制方式，基頻以上采用電壓恒定的控制方式。 同步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速方法有三種：用獨(dú)立的變壓變頻裝置給同步電動(dòng)機(jī)供電的稱作他控調(diào)速系統(tǒng)，根據(jù)轉(zhuǎn)子位置直接控制變壓變頻裝置換相時(shí)刻的稱作自控變頻調(diào)速系統(tǒng)，另外還有矢量控制系統(tǒng)。 （1) 、他控變頻同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)他控變頻