電機(jī)調(diào)速的分類

1、1.1 電氣調(diào)速系統(tǒng)性能指標(biāo)機(jī)電傳動控制系統(tǒng)調(diào)速方案的選擇，主要是根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械對調(diào)速系統(tǒng)提出的調(diào)速技術(shù)指標(biāo)來決定的，技術(shù)指標(biāo)又靜態(tài)指標(biāo)和動態(tài)指標(biāo)。 靜態(tài)技術(shù)指標(biāo) 靜差度 靜差度指電動機(jī)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí),負(fù)載由理想空載增加到額定值時(shí)所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降n與理想空載轉(zhuǎn)速n0之比。 調(diào)速范圍 調(diào)速范圍是指系統(tǒng)在額定負(fù)載時(shí)電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比。動態(tài)指標(biāo) 跟隨性能指標(biāo)在給定信號作用下，系統(tǒng)輸出量變化的情況用跟隨性能指標(biāo)來描述。當(dāng)給定信號的變化方式不同時(shí)，輸出 響應(yīng)也不同。具體的跟隨指標(biāo)如下：（1）上升時(shí)間tr在階躍響應(yīng)時(shí)間中，輸出量從零起第一次上升到穩(wěn)定值C￥所需時(shí)間，它反映動態(tài)響應(yīng)的快速性。（2）

2、超調(diào)量在階躍響應(yīng)時(shí)間中，輸出量超出穩(wěn)態(tài)值的最大偏差與穩(wěn)態(tài)值之比的百分值。（3）調(diào)節(jié)時(shí)間ts在階躍響應(yīng)過程中，輸出衰減到與穩(wěn)態(tài)值之差進(jìn)入5或2 允許誤差范圍之內(nèi)所需的最小時(shí)間，稱為調(diào)節(jié)時(shí)間，又稱為過渡過程時(shí)間。調(diào)節(jié)時(shí)間用來衡量系統(tǒng)整個(gè)調(diào)節(jié)過程的快慢，ts小，表示系統(tǒng)的快速性好。抗擾性能指標(biāo) 控制系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行中，由于電動機(jī)負(fù)載的變化，電網(wǎng)電壓的波動等干擾因素的影響，都會引起輸出量的變化，經(jīng)歷一段動態(tài)過程后，系統(tǒng)總能達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)。這就是系統(tǒng) 的抗擾過程。具體的跟隨指標(biāo)如下：(1)動態(tài)降落Cmax 系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，突加一定數(shù)值的階躍擾動(例如額定負(fù)載擾動)后所引起的輸出量最大 降落，用原穩(wěn)態(tài)值C￥l

3、的百分?jǐn)?shù)表示，叫做動態(tài)降落。 (2)恢復(fù)時(shí)間tv 從階躍擾動作用開始，到輸出量恢復(fù)到與新穩(wěn)態(tài)值C￥2之差進(jìn)入某基準(zhǔn)量Cb的5(或2)范圍之內(nèi)所需的時(shí)間，定義為恢復(fù)時(shí)間tv 。其中Cb稱為抗擾指標(biāo)中輸出量的基準(zhǔn)值，視具體情況選定。一、 單閉環(huán)有靜差直流調(diào)速系統(tǒng)1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 該系統(tǒng)的主電路采用晶閘管三相全控橋式整流電路。 其輸出電壓為：Ud0=2.34U2cos圖中，放大器為比例放大器(或比例調(diào)節(jié)器)，直流電動機(jī)M由晶閘管可控整流器經(jīng)過平波電抗器L供電。整流器整流電壓Ud可由控制角來改變。觸發(fā)器的輸入控制電壓為Uk。為使速度調(diào)節(jié)靈敏，使用放大器來把輸入信號U加以擴(kuò)大， U為給定電壓Ug與速度反饋信

4、號Uf的差值。2、調(diào)速性能1）系統(tǒng)的靜特性可控整流器的輸出電壓為于電動機(jī)電樞回路，若忽略晶閘管的管壓降，則有可得帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的晶閘管電動機(jī)有靜差調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性方程：Kp放大器的電壓放大倍數(shù)；轉(zhuǎn)速反饋倍數(shù)； Ce=Ke 電磁常數(shù)；K0=KpKs從放大器輸入端到可控整流電路輸出端的電壓放大倍數(shù)；K=KpKs/Ce閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)。 2）開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)與閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的比較（1）在給定電壓一定時(shí)，有閉環(huán)系統(tǒng)所需的給定電壓Us要比開環(huán)系統(tǒng)高（1K）倍。因此，若突然失去轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，就可能造成嚴(yán)重事故。（2）如果將系統(tǒng)閉環(huán)與開環(huán)的理想空載轉(zhuǎn)速調(diào)得一樣，即n0fn0，則在同一負(fù)載電流下，閉環(huán)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速

5、降僅為開環(huán)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速降的 1/(1+K)倍，從而大大提高了機(jī)械特性的硬度，使系統(tǒng)的靜差度減少。（3）在最大運(yùn)行轉(zhuǎn)速nmax和低速時(shí)的最大允許靜差度S2不變的情況下， 開環(huán)系統(tǒng)的調(diào)速范圍為：閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)速范圍為：閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)速范圍是開環(huán)系統(tǒng)的（1+K）倍。提高系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)K是減小靜態(tài)轉(zhuǎn)速降落、擴(kuò)大調(diào)速范圍的有效措施。但是放大倍數(shù)也不能過分增大，否則系統(tǒng)容易產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象。3、基本特性1）有靜差，系統(tǒng)是利用偏差來進(jìn)行控制的2）轉(zhuǎn)速n（被調(diào)量）緊隨給定量Un*的變化而變化3）對包圍在轉(zhuǎn)速反饋環(huán)內(nèi)的各種干擾都有很強(qiáng)的抑制作用4）系統(tǒng)對給定量Un*和檢測元件的干擾沒有抑制能力 二、 單閉環(huán)無靜差直流調(diào)

6、速系統(tǒng)PI調(diào)節(jié)器特性PI調(diào)節(jié)器的電路 PI調(diào)節(jié)器的輸入輸出特性輸入電壓：輸出電壓：Kpi=R1/R0 PI調(diào)節(jié)器比例部分的放大系數(shù)；=R0C1PI調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間常數(shù)。PI調(diào)節(jié)器的輸出電壓Uex就是比例輸出部分與積分輸出部分的疊加。用PI調(diào)節(jié)器構(gòu)成的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)本系統(tǒng)采用了PI調(diào)節(jié)器后，在穩(wěn)態(tài)時(shí)，有Un Un *Un0PI調(diào)節(jié)器在系統(tǒng)抗負(fù)載干擾中的作用及動態(tài)過程系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，在抗負(fù)載干擾過程中，Un*不變。假定負(fù)載干擾是突加的，由TLl變到TL2，開始時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速將下降，反饋電壓Un也將下降，并產(chǎn)生Un，于是PI調(diào)節(jié)器開始調(diào)節(jié)，其輸出電壓Uct包括了比例與積分兩部分?？刂齐妷篣ct

7、中的比例部分具有快速響應(yīng)的特性，可以立即以速度偏差(Un)起調(diào)節(jié)作用，加快了系統(tǒng)調(diào)節(jié)的快速性；Uct的積分部分可以在轉(zhuǎn)速偏差(Un)為零時(shí)，維持穩(wěn)定的輸出，保證了電機(jī)繼續(xù)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，最終消除了靜差。在調(diào)節(jié)過程的前期比例起主要作用。三、 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)實(shí)際上是不能正常工作的。這是由于直流電動機(jī)在大階躍給定下啟動時(shí)，在啟動瞬間反饋電壓Un=0，若給定電壓Un*全部加在調(diào)節(jié)器輸入端，勢必造成控制電壓Uct很大（調(diào)節(jié)器輸出飽和），晶閘管輸出電壓Ud也很大，而造成電動機(jī)啟動時(shí)的過流。對一般要求不高的調(diào)速系統(tǒng)，常常在系統(tǒng)中加入電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)以限制啟動和運(yùn)行中的過電流。

8、但是這種電路，由于轉(zhuǎn)速反饋信號和電流反饋都加在一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸入端，這兩個(gè)反饋信號互相牽制，使系統(tǒng)動、靜態(tài)特性不夠理想。對于高性能的調(diào)速系統(tǒng)，如要求快速啟動、制動，動態(tài)速降要小等，通常就采用了轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)系統(tǒng)。1、直流電動機(jī)理想啟動過程帶電流截止環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)在啟動時(shí)，由于電流負(fù)反饋的影響，啟動電流上升較慢。該系統(tǒng)不能完全按需要來控制啟動電流或轉(zhuǎn)矩，致使電機(jī)轉(zhuǎn)速上升也較慢，電機(jī)啟動過程也大大地延長。這個(gè)動態(tài)過程曲線如圖（a）所示。理想啟動過程如圖（b）所示。在電動機(jī)最大允許過載電流條件下，充分發(fā)揮其過載能力，使電機(jī)在整個(gè)過和中始終保持這個(gè)最大允許電流值，使電機(jī)以盡可能的最大加速度啟動直到

9、給定轉(zhuǎn)速，再讓啟動電流立即下降到工作電流值與負(fù)載相平衡而進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。這樣的啟動過程其電流呈方形波，而轉(zhuǎn)速是線性上升的。這是在最大允許電流受限制的條件下，調(diào)速系統(tǒng)所能達(dá)到的最快啟動過程。2、轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種反饋分別起作用，系統(tǒng)中設(shè)置了轉(zhuǎn)速（ASR）和電流（ACR）兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別對轉(zhuǎn)速和電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，兩者之間實(shí)行串級聯(lián)接。3、系統(tǒng)的靜、動態(tài)特性1）控制量間的關(guān)系當(dāng)速度調(diào)節(jié)器(ASR)和電流調(diào)節(jié)器(ACR)均不飽和限幅時(shí)，電機(jī)處于穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。 2）系統(tǒng)的大給定啟動過程雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在大給定突加電壓Un*作用下，由靜止開始啟動時(shí)，速度調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和

10、、飽和、退飽和三個(gè)階段，整個(gè)啟動過程也分成了相應(yīng)的三個(gè)階段：第一階段t0t1是電流上升段；第二階段t1t2是恒流升速段；第三階段t2t4是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。3）突加載干擾下的恢復(fù)過程突加載干擾作用點(diǎn)在電流環(huán)之后，故只能靠速度調(diào)節(jié)器ASR來產(chǎn)生抗擾作用。這表明負(fù)載干擾出現(xiàn)后，必然會引起動態(tài)轉(zhuǎn)速變化。如負(fù)載突然增加，轉(zhuǎn)速必然下降，形成動態(tài)速降。Un的產(chǎn)生，使系統(tǒng)ASR、ACR均處于自動調(diào)節(jié)狀態(tài)。只要不是太大的負(fù)載干擾，ASR、ACR均不會飽和。由于它們的調(diào)節(jié)作用，轉(zhuǎn)速在下降到一定值后即開始回升，形成抗擾動的恢復(fù)過程。最終使轉(zhuǎn)速回升到干擾發(fā)生以前的給定值，仍然實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)無靜差的抗擾過程。其轉(zhuǎn)速恢復(fù)過程如

11、圖所示。4）電網(wǎng)電壓波動時(shí)雙閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用在轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓波動的干擾，必將引起轉(zhuǎn)速的變化，然后通過速度調(diào)節(jié)器來調(diào)整轉(zhuǎn)速以達(dá)到抗擾的目的。由于機(jī)械慣性，這個(gè)調(diào)節(jié)過程顯得比較遲鈍。但在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于電網(wǎng)電壓干擾出現(xiàn)在電流環(huán)內(nèi)，當(dāng)電網(wǎng)電壓的波動引起電樞電流Id變化時(shí)，這個(gè)變化立即可以通過電流反饋環(huán)節(jié)使電流環(huán)產(chǎn)生對電網(wǎng)電壓波動的抑制作用。由于這是一個(gè)電磁調(diào)節(jié)過程，其調(diào)節(jié)時(shí)間比機(jī)械轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時(shí)間短得多，所以雙環(huán)系統(tǒng)對電網(wǎng)電壓干擾的抑制比單環(huán)系統(tǒng)快得多，甚至可以在轉(zhuǎn)速n尚未顯著變化以前就被抑制了。4、調(diào)節(jié)器的作用1)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的作用(1)使轉(zhuǎn)速n跟隨給定電壓Un*變化，保證轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)

12、無靜差；(2)對負(fù)載變化起抗擾作用；(3)其輸出限幅值Uim*決定電樞主回路的最大允許電流值Idm。2)電流調(diào)節(jié)器ACR的作用(1)對電網(wǎng)電壓波動起及時(shí)抗擾的作用；(2)啟動時(shí)保證獲得允許的最大電流Idm ；(3)在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程中，使電樞電流跟隨其給定電壓值Ui*變化；(4)當(dāng)電機(jī)過載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí)，即有很大的負(fù)載干擾時(shí)，可以限制電樞電流的最大值，從而起到快速的過流安全保護(hù)作用；如果故障消失，系統(tǒng)能自動恢復(fù)正常工作。PWM的常見形式及特性四、 脈寬調(diào)制調(diào)速系統(tǒng)的控制電路不可逆PWM變換器 無制動作用圖示其原理，它實(shí)際上就是直流斬波器，只是采用了全控式的電力晶體管，以代替必須進(jìn)行強(qiáng)行關(guān)斷的晶閘管。電

13、源電壓Us一般由不可控整流電源提供，采用大電容C濾波，二極管VD在晶體管關(guān)斷時(shí)為電樞回路提供釋放電感儲能的續(xù)流回路。 電動機(jī)得到的平均端電壓為設(shè)連續(xù)的電樞脈動電流id的平均值為Id，與穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速相應(yīng)的反電動勢為E，電樞回路總電阻為R，則由回路平衡電壓方程可推導(dǎo)得機(jī)械特性方程可令 n0=rU/Ce 調(diào)速系統(tǒng)的空載轉(zhuǎn)速，與占空比成正比； n=IdR/Ce 由負(fù)載電流造成的轉(zhuǎn)速降。則有 n = n0 - n電流連續(xù)時(shí)，調(diào)節(jié)占空比大小便可得到一簇平行的機(jī)械特性，與晶閘管供電的調(diào)速系統(tǒng)且電流連續(xù)的情況是一致的。有制動作用圖表示有制動作用的不可逆PWM變換電路。它由兩個(gè)電力晶體管VTl、VT2與二極管VD1

14、、VD2組成，VTl是主控管，起調(diào)制作用；VT2是輔助管。它們的基極驅(qū)動電壓Ubl和Ub2是兩個(gè)極性相反的脈沖電壓。當(dāng)電動機(jī)工作在電動狀態(tài)時(shí)，PWM變換電路有四種工作模態(tài)。0tt1 ，PWM變換電路工作在模態(tài)：電動狀態(tài)t1tT時(shí)， PWM變換電路工作在模態(tài)：續(xù)流（電動）狀態(tài)在t2T期間， PWM變換電路工作在模態(tài)：能耗制動（發(fā)電）狀態(tài)在T t3期間， PWM變換電路工作在模態(tài)：續(xù)流（發(fā)電）狀態(tài)具有制動作用的不可逆GTR-M系統(tǒng)的開環(huán)機(jī)械特性如圖所示，顯然，由于電流可以反向，因而可實(shí)現(xiàn)二象限運(yùn)行，故系統(tǒng)在減速和停車時(shí)具有較好的動態(tài)性能和經(jīng)濟(jì)性。2、可逆PWM變換器1）雙極式可逆PWM變換器四個(gè)電

15、力晶體管的基極驅(qū)動電壓分為兩組。VTl和VT4同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，其驅(qū)動電壓Ubl=Ub4；VT2和VT3同時(shí)動作，其驅(qū)動電壓Ub2=Ub3=-Ub1，這種電路可工作在四種模態(tài)。雙極式H型PWM變換器的四種工作模態(tài)0tt1 ，PWM變換器工作在模態(tài)： 電動機(jī)處于電動狀態(tài)；t1tT時(shí)， PWM變換器工作在模態(tài)： 電動機(jī)處于電動狀態(tài)；在t2T期間， PWM變換器工作在模態(tài)： 電動機(jī)處于反接制動狀態(tài)；在T t3期間， PWM變換器工作在模態(tài)： 電動機(jī)工作在制動狀態(tài)。對于雙極性可逆PWM變換器，無論負(fù)載是輕還是重，電動機(jī)正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，加在電樞上的電壓極性在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，都在+US和-US之間變換一次，故

16、稱為雙極性。電動機(jī)端電壓瞬時(shí)值為：ud=Us (0 t ton)-Us (ton t T)平均端電壓為：其中，當(dāng) 0 時(shí) 電機(jī)正轉(zhuǎn)； 1,它決定一個(gè)周期內(nèi)極電壓的脈沖個(gè)數(shù)。載波幅值Uc與基準(zhǔn)波幅值Ur的比值定義為調(diào)制系數(shù)M,M=Ur/Uc1,它決定極電壓波形中脈沖的寬度。按控制方式分類按控制方式變頻器可分為V/F控制變頻器、轉(zhuǎn)差頻率控制變頻器和矢量控制變頻器。按主開關(guān)器件分類按導(dǎo)通模式分按導(dǎo)通模式分，變頻器有180o導(dǎo)通模式和120o導(dǎo)通模式。（1）180o導(dǎo)通模式 每一器件在180o間隔導(dǎo)通和關(guān)斷。逆變器三個(gè)橋臂中開關(guān)順序之間保持互差120o相移，獲得三相輸出。這種模式的特點(diǎn)是任意（2）12

17、0o導(dǎo)通模式 每一器件導(dǎo)通120，任意時(shí)刻只有兩個(gè)管子同時(shí)導(dǎo)通，換流是在相鄰橋臂之間進(jìn)行的。這種模式的優(yōu)點(diǎn)是在同一橋臂中的兩個(gè)管子之間存在30的導(dǎo)通間隔，因此避免了直通的短路事故發(fā)生。但是，開關(guān)管的利用率較低，換流時(shí)斷開的繞組中會引起較高的感應(yīng)電勢，應(yīng)該采取過壓保護(hù)措施。按逆變器的調(diào)制方式分按逆變器的調(diào)制方式分，變頻器有同步調(diào)制、異步調(diào)制和分段調(diào)制三種 （1）同步調(diào)制 在變頻調(diào)速時(shí)，載波頻率與基準(zhǔn)波頻率同步變化，即載波比 常數(shù)，因此，在逆變器輸出電壓的一個(gè)周期內(nèi)調(diào)制脈沖數(shù)是固定的。若去N等于三的倍數(shù)，則同步調(diào)制能保證逆變器輸出的正、負(fù)半波對稱，也能保證三相平衡。但是，當(dāng)輸出頻率很低時(shí)，相鄰兩脈

18、沖的間距增大，諧波分量增加。這會使電機(jī)常數(shù)較大的轉(zhuǎn)矩脈動和噪聲，低速時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn)。（2）異步調(diào)制 在變頻器的變頻范圍內(nèi)，載波比N不等于常數(shù)。一般在改變基準(zhǔn)波頻率時(shí)保持載波頻率不變，因此提高了低頻時(shí)的載波比，這樣變頻器輸出電壓在一個(gè)周期內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)可隨輸出頻率的降低而增加，相應(yīng)地可以減少電機(jī)地轉(zhuǎn)矩脈動，改善低速性能。但是，隨著載波比地變花，很難保證三相輸出間地對稱關(guān)系，也會影響電機(jī)地平穩(wěn)運(yùn)行。（3）分段同步調(diào)制 將同步調(diào)制和異步調(diào)制結(jié)合起來，相互取長補(bǔ)短，形成分段同步調(diào)制。把變頻器的整個(gè)變頻范圍劃分成若干個(gè)頻段，在每個(gè)頻段內(nèi)固定載波比。在不同的頻段，N的取值不同，頻率越低N越大。用同步調(diào)制保證輸

19、出波形對稱，用分段調(diào)制可以改善低速性能，這就是這種方法的優(yōu)點(diǎn)，也是它廣泛采用的原因。按逆變器輸出電壓波形分按逆變器輸出電壓波形分，有（1）180矩形波（2）120矩形波（3）單脈沖調(diào)制波（4）多漫長調(diào)制波（5）正弦PWM波十、逆變器的電壓空間矢量有源逆變電路變流器工作在逆變狀態(tài)時(shí)，如果把變流器的交流側(cè)接到交流電源上，把直流電逆變?yōu)橥l率的交流電反饋到電網(wǎng)去，叫有源逆變。整流狀態(tài)（0/2） 逆變狀態(tài)（ /2 ）、整流狀態(tài)（0/2）整流輸出電壓為：、逆變狀態(tài)（ /2 ）為便于計(jì)算，對于逆變電路引入?yún)?shù)逆變角。它與控制角的關(guān)系是： =。對于三相半波逆變電路，有當(dāng) 0時(shí)，UdUdmax； /2，Ud0

20、。為使逆變電路工作可靠，一般 min /6，所以，逆變電路角變化范圍是： /6 /2。整流和逆變，交流和直流，在晶閘管變流器中互相聯(lián)系著，并在一定條件下互相轉(zhuǎn)化。在同一套電路中，當(dāng)變流器工作在整流狀態(tài)，就是整流電路；當(dāng)變流器工作在逆變狀態(tài)就為逆變電路。因此，逆變電路在工作原理、參數(shù)計(jì)算及分析方法等方面和整流電路是密切聯(lián)系的，而且在很多方面是一致的。但在分析整流和逆變時(shí)，要考慮能量傳送方向上的特點(diǎn)，進(jìn)而掌握整流與逆變的轉(zhuǎn)化規(guī)律。 要使電路工作于逆變狀態(tài)，必須使Ud及E的極性與整流狀態(tài)相反，并且要求 。只有滿足這個(gè)條件才能將直流側(cè)電能反送到交流電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)有源逆變。例如在電機(jī)拖動系統(tǒng)中，制動過程為逆變

21、狀態(tài)。無源逆變電路如果把變流器的交流側(cè)接到所用的負(fù)載上，把直流電逆變?yōu)槟骋活l率或可變頻率的交流電供給負(fù)載，叫無源逆變。同理可以計(jì)算出各狀態(tài)的電壓空間矢量。從圖中 中可以得到這樣的規(guī)律：（1）逆變器的六個(gè)工作電壓對應(yīng)六個(gè)不同方向的電壓空間矢量，它們周期性的順序出現(xiàn)，相鄰兩個(gè)矢量之間相差60（2）電壓空間矢量的幅值不變，都等于 。因此，六個(gè)電壓空間矢量的頂點(diǎn)構(gòu)成了正六邊形的六個(gè)頂點(diǎn)。（3）六種狀態(tài)一次經(jīng)過123456，空間矢量沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。（4）零狀態(tài)位于六邊形的中心借助于電壓空間矢量的概念，我們將在異步電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制中進(jìn)一步研究電壓空間矢量對定子磁鏈的影響和電壓空間矢量對電機(jī)轉(zhuǎn)矩的影響，

22、為正確選擇電壓空間矢量，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩直接控制打下基礎(chǔ)。在變頻調(diào)速系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖中，我們可以看出，變頻器輸出可變頻率和可變電壓的三相交流電。供給交流電機(jī)變頻調(diào)速。為什么變頻調(diào)速時(shí)還要同時(shí)改變定子電壓？這是因?yàn)殡姍C(jī)調(diào)速時(shí)希望保持每極磁通量為額定值。磁通過大，會使鐵心飽和，勵磁電流過大會使繞組過熱，嚴(yán)重時(shí)會燒壞電機(jī)；磁通過小時(shí)，電機(jī)出力不足，輸出轉(zhuǎn)矩小，電機(jī)的鐵心不能充分利用，造成浪費(fèi)。由異步機(jī)的穩(wěn)態(tài)特性推導(dǎo)出來的恒定壓頻比控制方法和控制轉(zhuǎn)差率控制方法，都是只控制變量的幅值，并且給定量和反饋量都是與相應(yīng)變量成正比的直流量，因此叫標(biāo)量控制，這與既控制變量的幅值又控制其相位的矢量控制不同。標(biāo)量控制是最早在

23、變頻調(diào)速使用的技術(shù)，其控制原理簡單，實(shí)現(xiàn)起來比較容易，也能滿足一定的調(diào)速性能要求。到目前為止，它們在實(shí)踐中仍然有著最廣泛的應(yīng)用，并且得到不斷的完善。十一、 電壓頻率協(xié)調(diào)控制電壓頻率協(xié)調(diào)控制的調(diào)速策略：假設(shè)： （1）忽略空間和時(shí)間諧波； （2）忽略磁飽和（3）忽略鐵損和勵磁電流，由圖 所示的等效電路可知：一般情況下， 因此忽略勵磁電流 ，可以導(dǎo)出：由此可見，當(dāng) 為恒值，且S較小時(shí)，對于同一轉(zhuǎn)矩 ，不同 帶負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速降落 基本時(shí)不變的。這就是說埋在恒壓頻比的條件下改變頻率時(shí)，機(jī)械特性基本是平行移動的。這就是恒壓頻比控制思想的依據(jù)，它與直流他激電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速時(shí)的特性相似。當(dāng)S增大時(shí)，機(jī)械特性變軟。

24、在某一轉(zhuǎn)差率 時(shí)，轉(zhuǎn)矩有一最大值，稱為異步機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩。將式對S求異，并令 ，可以求出最大轉(zhuǎn)矩時(shí)的轉(zhuǎn)差率為：不難看出：頻率越低，最大轉(zhuǎn)矩就越小。低頻時(shí)，最大轉(zhuǎn)矩太小，這就限制了帶載能力。原因就是：低頻低壓時(shí)，定子阻抗壓降已經(jīng)不能忽略，定子電壓不能近似的等于定子電勢，此時(shí)的壓頻比恒定已經(jīng)不能保證磁通恒定。因此，低頻低壓時(shí)引起電勢和磁通的明顯降低，低速時(shí)將發(fā)生嚴(yán)重勵磁不足和轉(zhuǎn)矩減少的問題。為了在低速時(shí)改善機(jī)械特性，需要對電壓給定進(jìn)行補(bǔ)償，即在低速時(shí)抬高壓頻比值。在非線性特性中， 與 在高頻時(shí)是成正比的，但是隨著頻率趨于零，電壓逐漸倍提高。在偏置特性中，電壓補(bǔ)償量與頻率比分量共同決定定子電壓，故：在

25、現(xiàn)有的變頻器工業(yè)產(chǎn)品中， 值可以由用戶根據(jù)不同負(fù)載的需要進(jìn)行調(diào)整恒壓頻比調(diào)速性能分析依據(jù)式 ，只要能提供足夠大的壓頻比，就可以獲得任意小的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)差頻率。因此，從理論上說，只要電壓補(bǔ)償合適，恒壓頻比控制應(yīng)該可以實(shí)現(xiàn)大范圍內(nèi)的調(diào)速。但是，我們往往更關(guān)心調(diào)速的動態(tài)性能。只要調(diào)速過程不是很快，就可以忽略電磁慣性的影響。假設(shè)調(diào)速過程不是很快，就可以利用機(jī)械特性曲線對調(diào)速過程進(jìn)行在直流調(diào)速中正是這樣作的。 從圖中我們可以看到，當(dāng)轉(zhuǎn)速給定從n2升到n1時(shí)，電機(jī)從原有的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)躍遷倒a點(diǎn)，然后沿機(jī)械特性曲線運(yùn)動到新的穩(wěn)定工作點(diǎn)。當(dāng)調(diào)速范圍不大時(shí)，這個(gè)動態(tài)過程應(yīng)該說是較優(yōu)的。但當(dāng)大范圍調(diào)速時(shí)，如圖所示，轉(zhuǎn)速給

26、定從n3升到n1，電機(jī)工作點(diǎn)躍遷到b點(diǎn)，這時(shí)，機(jī)械特性曲線就不能算是較優(yōu)的運(yùn)動曲線。由此可見，對于大范圍調(diào)速，恒壓頻比控制要犧牲一些效率。即電壓活頻率是逐級增加的，緩慢升速， 使電機(jī)工作點(diǎn)沿著較好的調(diào)速曲線運(yùn)動。轉(zhuǎn)速開環(huán)的頻比控制系統(tǒng)一個(gè)恒壓頻比的開環(huán)交流調(diào)速系統(tǒng)示于圖3.33中，它采用的是偏置線性的壓頻比特性，轉(zhuǎn)速的給定信號 ，通過壓控振蕩器（VOC）產(chǎn)生頻率指令信號，電壓指令信號U1按式（3.73）隨轉(zhuǎn)速的給定信號 變化。在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況下，電機(jī)的氣隙磁通，調(diào)節(jié)定子電流可以非常靈敏地調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩，這與直流電機(jī)相似。隨著電機(jī)接近零速，頻率趨于零，定子電壓將趨于零，并且電壓基本上降落在定子電阻上。為

27、此，加入補(bǔ)償電壓U0，以克服定子電阻的影響，這樣，一直到零速都可以達(dá)到額定氣隙磁通和全額的轉(zhuǎn)矩。在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行條件下如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩增大，在穩(wěn)定極限范圍內(nèi)轉(zhuǎn)差將增加，并且在產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩之間維持平衡。如果給定轉(zhuǎn)速超過電機(jī)基速，電動機(jī)電壓將限制在額定電壓，而電機(jī)將從恒轉(zhuǎn)矩區(qū)過渡到弱磁區(qū)。在弱磁區(qū)域內(nèi)，磁通較小，在相同的定子電流限制下，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩小了。為了防止由于逆變器頻率指令的急劇變化而引起的過電流，速度指令需要通過斜坡電路，使頻率與速度同步。轉(zhuǎn)速閉環(huán)的壓頻比控制系統(tǒng)采用與電機(jī)同軸連接的測速發(fā)電機(jī)進(jìn)行實(shí)際轉(zhuǎn)速反饋，這種閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)，示于圖3.36中。 圖中，給定速度與實(shí)際速度比較，確定速度偏差，

28、然后通過速度調(diào)節(jié)器，決定逆變器的頻率和電壓。速度環(huán)的輸出信號通過電流極限控制器，限制變頻器的電壓和頻率的變化。電流反饋只有當(dāng)電動機(jī)電流升到預(yù)置的最大值時(shí)才起作用，它控制逆變器電流和頻率的變化率。因此，速度指令驟然增加，電動機(jī)電流快速增加到預(yù)置極限，然后，在電流極限反饋的作用下使逆變器頻率和電壓逐漸增加，以便電動機(jī)速度跟隨逆變器的頻率增加。在電流限制作用下，電機(jī)以恒轉(zhuǎn)矩加速一直達(dá)到給定值。隨后電流降落到極限以下，并達(dá)到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。整個(gè)過程與直流電機(jī)的帶有電流截至負(fù)反饋系統(tǒng)相似?；僖陨想妷合薹冾l器電壓不增加，但在恒壓增頻下使電動機(jī)進(jìn)入弱磁區(qū)運(yùn)行。恒壓頻比控制可以說是最簡單的交流變頻調(diào)速技術(shù)。如

29、果僅僅要求穩(wěn)態(tài)性能，它可以勝任大范圍內(nèi)的調(diào)速任務(wù)，因而具有很高的適用價(jià)值。由于結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)現(xiàn)容易，恒壓頻比控制仍然是實(shí)踐當(dāng)中使用最廣泛的變頻調(diào)速技術(shù)，并且還在被不斷地發(fā)展。一些學(xué)者針對低速范圍內(nèi)調(diào)速性能較差和帶載能力弱等問題提出了改進(jìn)地電壓頻率協(xié)調(diào)控制方法，而且獲得了較滿意的調(diào)速性能。當(dāng)轉(zhuǎn)速給定從 升到 時(shí)，電機(jī)從原有的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)躍遷到a點(diǎn)，然后沿機(jī)械特性曲線運(yùn)動到新的穩(wěn)定工作點(diǎn)。當(dāng)調(diào)速范圍不大時(shí)，這個(gè)動態(tài)過程應(yīng)該說是較優(yōu)的。但是當(dāng)范圍調(diào)速時(shí)，如圖所示，轉(zhuǎn)速給定從 升到 ，電機(jī)工作點(diǎn)躍遷到b時(shí)，這時(shí)，機(jī)械特性曲線就不能算是較優(yōu)的運(yùn)動曲線了。由此可見，對于大范圍調(diào)速，恒壓頻比控制要犧牲一些效率。

30、即電壓或頻率是逐漸增加的，緩慢升速 使電機(jī)工作點(diǎn)沿著較好的調(diào)速曲線運(yùn)動。十二、轉(zhuǎn)差頻率控制轉(zhuǎn)差頻率調(diào)速的控制律從異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩方程式和穩(wěn)態(tài)電路圖，可以導(dǎo)出：當(dāng)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，S很小時(shí)， 很小，一般為 的25，可得近似得轉(zhuǎn)矩關(guān)系式。上式表明：在S很小的范圍內(nèi)，只要能夠維持氣隙磁通 不變，異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩近似地與轉(zhuǎn)差角頻率成正比。也就是說埋在異步電動機(jī)中控制 ，就和直流電機(jī)中控制電樞電流一樣，能夠達(dá)到間接控制轉(zhuǎn)矩地作用。控制轉(zhuǎn)差頻率就代表了控制轉(zhuǎn)矩，這就是轉(zhuǎn)差率控制地基本概念。當(dāng)磁通 不變時(shí)， 與轉(zhuǎn)差頻率的函數(shù)關(guān)系如圖所示。由圖可以看出如下性質(zhì)：（1） 當(dāng) 0時(shí)， ，在理想空載時(shí)，定子電流等于勵

31、磁電流（2） 如果 增大，也增大（3） 當(dāng) 時(shí)，為漸進(jìn)線，可求出 （4） 該曲線時(shí)左右對稱的歸納轉(zhuǎn)差頻率調(diào)速的控制規(guī)律為：（1） 按滿足式 或圖 的函數(shù)關(guān)系式控制定子電流，以保持氣隙磁通恒定（2） 在轉(zhuǎn)差頻率 的范圍內(nèi)，保證氣隙磁通 恒定，轉(zhuǎn)矩基本上與 成正比。也就是說式 和式就構(gòu)成了轉(zhuǎn)差頻率調(diào)速的控制規(guī)律。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和性能分析實(shí)現(xiàn)上述轉(zhuǎn)差頻率調(diào)速控制律的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖所示。該系統(tǒng)是一個(gè)以轉(zhuǎn)速環(huán)為外環(huán)、電流環(huán)為內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出是轉(zhuǎn)差率給定 ，代表轉(zhuǎn)矩給定。轉(zhuǎn)差頻率 的控制作用分兩路分別作用在可控整流器UR和逆變器CS上。前者通過函數(shù)發(fā)生器GF，按 的大小產(chǎn)生相應(yīng)的

32、信號，再通過電流調(diào)節(jié)器ACR控制定子電流，以保持氣隙磁通 恒定。另一條路按 的規(guī)律，產(chǎn)生對應(yīng)定子頻率 的控制電壓 ，它是由轉(zhuǎn)差頻率信號與實(shí)際轉(zhuǎn)速信號相加得到的，即 ，因此決定逆變器的輸出頻率。當(dāng)轉(zhuǎn)速給定信號 反向時(shí)。用極性鑒別器DPI判斷 的極性，以決定環(huán)形分配器DRC的輸出相序，而 信號本身則經(jīng)過絕對值變換器GAB決定頻率的高低。由此實(shí)現(xiàn)可逆運(yùn)行。在圖 所示的轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的存在可以使轉(zhuǎn)速無靜差，而且可以平滑加減速過程，改善動態(tài)品質(zhì)。依照圖所示的系統(tǒng)構(gòu)建模型進(jìn)行仿真。在仿真中，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器采用PI算法。在各參數(shù)中，勵磁電流 的確定十分關(guān)鍵：如果 取值偏小，則控制器的參數(shù)無論怎樣

33、調(diào)節(jié)都無法保證在滿負(fù)載下的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。獲取 的方法是先短路轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，然后在額定同步轉(zhuǎn)速輸入下，增大 ，直至電動機(jī)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速。此外，逆變器中換流電容的參數(shù)對系統(tǒng)穩(wěn)定也有重要作用。異步電動機(jī)轉(zhuǎn)差頻率控制的啟動、加速和減速過程的仿真結(jié)果于圖所示。圖中，從上而下所描述的各變量依次為：電機(jī)段子電壓 ，定子a相繞組電流 ，轉(zhuǎn)子a相繞組電流 ，電磁轉(zhuǎn)矩 ，電機(jī)機(jī)械角頻率 ?？梢钥闯?，系統(tǒng)能夠做到轉(zhuǎn)速無靜差。另外，由于使用電流源型逆變器，電動機(jī)的端子會被加載很高的尖峰電壓，因此需要使用電壓吸收裝置來保護(hù)電流。在50負(fù)載下低速范圍內(nèi)的調(diào)速性能仿真結(jié)果于圖 中所示。在低速范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)差頻率控制的調(diào)速系統(tǒng)

34、仍然具有一定的調(diào)速能力，但是隨著轉(zhuǎn)速的降低，脈動現(xiàn)象逐漸明顯。這是由于逆變器在低頻下的電流矩形脈動造成的。SPWM逆變器驅(qū)動的轉(zhuǎn)差頻率控制的調(diào)速系統(tǒng)SPWM逆變器驅(qū)動的轉(zhuǎn)差頻率控制的調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 所示，其控制策略與上面討論的電流源變頻器驅(qū)動十分相似。速度調(diào)節(jié)器產(chǎn)生轉(zhuǎn)差頻率指令 ，它與電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)頻率相加，產(chǎn)生逆變器頻率指令 ，轉(zhuǎn)差頻率指令同時(shí)送到發(fā)生器中，按照式（）的函數(shù)關(guān)系式，產(chǎn)生能保持磁通恒定的電流幅值直流 ，這兩個(gè)指令信號 ，送到基波電流是以 為幅值，以 為頻率的三相正弦波。用PWM電流環(huán)產(chǎn)生逆變器橋臂開關(guān)的PWM驅(qū)動信號。在圖 的電流控制驅(qū)動中，氣隙磁通是通過函數(shù)關(guān)系式 恰當(dāng)?shù)慕o

35、定定子電流和轉(zhuǎn)差頻率指令信號來間接控制的?！氨３执磐ê愣ㄊ腔诜€(wěn)態(tài)等效電路和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩公式而得到的結(jié)論。在動態(tài)過程中，磁通不可能保持恒定。加之在實(shí)際中，磁飽和和溫度變化等引起的電機(jī)參數(shù)的變化都將導(dǎo)致氣隙磁通的變化，使驅(qū)動性能降低，這是穩(wěn)態(tài)的函數(shù)關(guān)系所不能自適應(yīng)解決的穩(wěn)態(tài)，在高性能驅(qū)動系統(tǒng)中氣隙磁通的精確控制是必須的，為加快響應(yīng)而加的轉(zhuǎn)矩控制也是不可缺少的這，這些將在矢量控制中詳細(xì)探討。如上所述，可以控制電動機(jī)的速度使其自動地追隨速度指令信號。轉(zhuǎn)差頻率指令信號與速度偏差的比增大（SC的增益提高），則很小的速度偏差可產(chǎn)生大的轉(zhuǎn)矩，使速度很快一致。但同時(shí)由于對速度偏差反應(yīng)敏感，例如容易接受速度檢出信號

36、中干擾的影響等，有時(shí)使穩(wěn)定性降低。轉(zhuǎn)差頻率控制的主要特點(diǎn):1. 與U/F控制相比增加了轉(zhuǎn)差頻率的控制功能，雖然需要調(diào)整轉(zhuǎn)差頻率，但過電流的抑制、速度精度等諸特性比U/F控制有所提高。2. 在低速區(qū)的電壓調(diào)速與U/F控制同樣困難，但采用轉(zhuǎn)差頻率可以限制電流，使用的速度范圍與U/F控制相比，得到了擴(kuò)大。3. 在使用適度范圍內(nèi)可以確保10rad/s左右的響應(yīng)，所以能適用于要求某種程度同步運(yùn)轉(zhuǎn)的用途。小結(jié)：轉(zhuǎn)差頻率控制的基本要點(diǎn)之一是保持磁通恒定，為此需要依照式 對定子電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。這種策略加強(qiáng)了對磁場的控制，有利于系統(tǒng)響應(yīng)的快速和穩(wěn)定性。但是式（0是在穩(wěn)態(tài)的情況下得到的，在動態(tài)過程中，一般說，并不能

37、依此來保證磁通恒定。另外，轉(zhuǎn)差頻率控制仍然沒有對電流的相位進(jìn)行控制，這也會影響它對轉(zhuǎn)矩的控制能力。轉(zhuǎn)差頻率控制在結(jié)構(gòu)上采用了閉環(huán)控制，能夠做到穩(wěn)態(tài)無靜差，這種控制結(jié)構(gòu)成為交流變頻調(diào)速的一種基本結(jié)構(gòu)。另外，它以定子電流為葵花子對象，因而具有更快的動態(tài)響應(yīng)。此外，外環(huán)控制器的設(shè)計(jì)是一個(gè)值得深入研究的穩(wěn)態(tài)。在仿真試驗(yàn)中就發(fā)現(xiàn)，很難著到一組的大范圍內(nèi)調(diào)速都適合的調(diào)節(jié)器參數(shù)。這是由于交流調(diào)速系統(tǒng)具有較強(qiáng)的非線性特性，傳統(tǒng)的PID控制很難勝任其控制任務(wù)，需要采用更先進(jìn)的控制方法和阿策略，例如內(nèi)?？刂?、預(yù)測控制、或者是與智能控制技術(shù)相結(jié)合。同恒壓頻比阻控制一樣，轉(zhuǎn)差頻率控制所依賴的規(guī)律不管是轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差的關(guān)系，還是保持恒磁通時(shí)定子電流與轉(zhuǎn)差的關(guān)系都是在穩(wěn)態(tài)條件下得出的，不能反映動態(tài)特性，因而仍然不能保證最優(yōu)的動態(tài)性能，顯然希望控制的基本原理基于異步機(jī)的真實(shí)動態(tài)模型。矢量控制就是這樣的，下節(jié)我們將介紹矢量控制。異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型是一個(gè)高階、非線性、強(qiáng)耦合、多變量的系統(tǒng)，通過坐標(biāo)變換，可以使之降階并解耦，但是并沒有改變其非線性、多變量的本質(zhì)。在標(biāo)量控制中，動態(tài)性能不夠理想，調(diào)節(jié)器的參數(shù)很難設(shè)計(jì)，究其原因在于仍采用單變量系統(tǒng)的控制思想，而沒有從根本上解決非線性、多變量的特殊問題。矢量控制（vector