電機調(diào)速的分類

1、1.1 電氣調(diào)速系統(tǒng)性能指標機電傳動控制系統(tǒng)調(diào)速方案的選擇，主要是根據(jù)生產(chǎn)機械對調(diào)速系統(tǒng)提出的調(diào)速技術指標來決定的，技術指標又靜態(tài)指標和動態(tài)指標。 靜態(tài)技術指標 靜差度 靜差度指電動機在某一轉(zhuǎn)速下運行時,負載由理想空載增加到額定值時所對應的轉(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)在額定負載時電機的最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比。動態(tài)指標 跟隨性能指標在給定信號作用下，系統(tǒng)輸出量變化的情況用跟隨性能指標來描述。當給定信號的變化方式不同時，輸出 響應也不同。具體的跟隨指標如下：（1）上升時間tr在階躍響應時間中，輸出量從零起第一次上升到穩(wěn)定值C￥所需時間，它反映動態(tài)響應的快速性。（2）

2、超調(diào)量在階躍響應時間中，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)時間ts在階躍響應過程中，輸出衰減到與穩(wěn)態(tài)值之差進入5或2 允許誤差范圍之內(nèi)所需的最小時間，稱為調(diào)節(jié)時間，又稱為過渡過程時間。調(diào)節(jié)時間用來衡量系統(tǒng)整個調(diào)節(jié)過程的快慢，ts小，表示系統(tǒng)的快速性好?？箶_性能指標 控制系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運行中，由于電動機負載的變化，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。具體的跟隨指標如下：(1)動態(tài)降落Cmax 系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，突加一定數(shù)值的階躍擾動(例如額定負載擾動)后所引起的輸出量最大 降落，用原穩(wěn)態(tài)值C￥l

3、的百分數(shù)表示，叫做動態(tài)降落。 (2)恢復時間tv 從階躍擾動作用開始，到輸出量恢復到與新穩(wěn)態(tài)值C￥2之差進入某基準量Cb的5(或2)范圍之內(nèi)所需的時間，定義為恢復時間tv 。其中Cb稱為抗擾指標中輸出量的基準值，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)結構 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電樞回路，若忽略晶閘管的管壓降，則有可得帶轉(zhuǎn)速負反饋的晶閘管電動機有靜差調(diào)速系統(tǒng)的機械特性方程：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，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)速負反饋，就可能造成嚴重事故。（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，從而大大提高了機械特性的硬度，使系統(tǒng)的靜差度減少。（3）在最大運行轉(zhuǎn)速nmax和低速時的最大允許靜差度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)器構成的轉(zhuǎn)速負反饋單閉環(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，有Un Un *Un0PI調(diào)節(jié)器在系統(tǒng)抗負載干擾中的作用及動態(tài)過程系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時，在抗負載干擾過程中，Un*不變。假定負載干擾是突加的，由TLl變到TL2，開始時電機轉(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，維持穩(wěn)定的輸出，保證了電機繼續(xù)穩(wěn)定運轉(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)實際上是不能正常工作的。這是由于直流電動機在大階躍給定下啟動時，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，而造成電動機啟動時的過流。對一般要求不高的調(diào)速系統(tǒng)，常常在系統(tǒng)中加入電流截止負反饋環(huán)節(jié)以限制啟動和運行中的過電流。

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調(diào)節(jié)器的輸入端，這兩個反饋信號互相牽制，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，由于電流負反饋的影響，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，致使電機轉(zhuǎn)速上升也較慢，電機啟動過程也大大地延長。這個動態(tài)過程曲線如圖（a）所示。理想啟動過程如圖（b）所示。在電動機最大允許過載電流條件下，充分發(fā)揮其過載能力，使電機在整個過和中始終保持這個最大允許電流值，使電機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載相平衡而進入穩(wěn)定運轉(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)的組成為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種反饋分別起作用，系統(tǒng)中設置了轉(zhuǎn)速（ASR）和電流（ACR）兩個調(diào)節(jié)器，分別對轉(zhuǎn)速和電流進行調(diào)節(jié)，兩者之間實行串級聯(lián)接。3、系統(tǒng)的靜、動態(tài)特性1）控制量間的關系當速度調(diào)節(jié)器(ASR)和電流調(diào)節(jié)器(ACR)均不飽和限幅時，電機處于穩(wěn)定運轉(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，速度調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和

10、、飽和、退飽和三個階段，整個啟動過程也分成了相應的三個階段：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過程突加載干擾作用點在電流環(huán)之后，故只能靠速度調(diào)節(jié)器ASR來產(chǎn)生抗擾作用。這表明負載干擾出現(xiàn)后，必然會引起動態(tài)轉(zhuǎn)速變化。如負載突然增加，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，仍然實現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)無靜差的抗擾過程。其轉(zhuǎn)速恢復過程如

11、圖所示。4）電網(wǎng)電壓波動時雙閉環(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)速以達到抗擾的目的。由于機械慣性，這個調(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)，當電網(wǎng)電壓的波動引起電樞電流Id變化時，這個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。由于這是一個電磁調(diào)節(jié)過程，其調(diào)節(jié)時間比機械轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時間短得多，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)電壓波動起及時抗擾的作用；(2)啟動時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)當電機過載甚至堵轉(zhuǎn)時，即有很大的負載干擾時，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作用；如果故障消失，系統(tǒng)能自動恢復正常工作。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，以代替必須進行強行關斷的晶閘管。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在晶體管關斷時為電樞回路提供釋放電感儲能的續(xù)流回路。 電動機得到的平均端電壓為設連續(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得機械特性方程可令 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 由負載電流造成的轉(zhuǎn)速降。則有 n = n0 - n電流連續(xù)時，調(diào)節(jié)占空比大小便可得到一簇平行的機械特性，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是兩個極性相反的脈沖電壓。當電動機工作在電動狀態(tài)時，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， 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)機械特性如圖所示，顯然，由于電流可以反向，因而可實現(xiàn)二象限運行，故系統(tǒng)在減速和停車時具有較好的動態(tài)性能和經(jīng)濟性。2、可逆PWM變換器1）雙極式可逆PWM變換器四個電

15、力晶體管的基極驅(qū)動電壓分為兩組。VTl和VT4同時導通和關斷，其驅(qū)動電壓Ubl=Ub4；VT2和VT3同時動作，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)： 電動機處于電動狀態(tài)；t1tT時， PWM變換器工作在模態(tài)： 電動機處于電動狀態(tài)；在t2T期間， PWM變換器工作在模態(tài)： 電動機處于反接制動狀態(tài)；在T t3期間， PWM變換器工作在模態(tài)： 電動機工作在制動狀態(tài)。對于雙極性可逆PWM變換器，無論負載是輕還是重，電動機正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，加在電樞上的電壓極性在一個開關周期內(nèi)，都在+US和-US之間變換一次，故

16、稱為雙極性。電動機端電壓瞬時值為：ud=Us (0 t ton)-Us (ton t T)平均端電壓為：其中，當 0 時 電機正轉(zhuǎn)； 1,它決定一個周期內(nèi)極電壓的脈沖個數(shù)。載波幅值Uc與基準波幅值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。按主開關器件分類按導通模式分按導通模式分，變頻器有180o導通模式和120o導通模式。（1）180o導通模式 每一器件在180o間隔導通和關斷。逆變器三個橋臂中開關順序之間保持互差120o相移，獲得三相輸出。這種模式的特點是任意（2）12

17、0o導通模式 每一器件導通120，任意時刻只有兩個管子同時導通，換流是在相鄰橋臂之間進行的。這種模式的優(yōu)點是在同一橋臂中的兩個管子之間存在30的導通間隔，因此避免了直通的短路事故發(fā)生。但是，開關管的利用率較低，換流時斷開的繞組中會引起較高的感應電勢，應該采取過壓保護措施。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，載波頻率與基準波頻率同步變化，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、負半波對稱，也能保證三相平衡。但是，當輸出頻率很低時，相鄰兩脈

18、沖的間距增大，諧波分量增加。這會使電機常數(shù)較大的轉(zhuǎn)矩脈動和噪聲，低速時運轉(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)。一般在改變基準波頻率時保持載波頻率不變，因此提高了低頻時的載波比，這樣變頻器輸出電壓在一個周期內(nèi)的脈沖個數(shù)可隨輸出頻率的降低而增加，相應地可以減少電機地轉(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系，也會影響電機地平穩(wěn)運行。（3）分段同步調(diào)制 將同步調(diào)制和異步調(diào)制結合起來，相互取長補短，形成分段同步調(diào)制。把變頻器的整個變頻范圍劃分成若干個頻段，在每個頻段內(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，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，如果把變流器的交流側接到交流電源上，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 ）為便于計算，對于逆變電路引入?yún)?shù)逆變角。它與控制角的關系是： =。對于三相半波逆變電路，有當 0時，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，當變流器工作在整流狀態(tài)，就是整流電路；當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，要考慮能量傳送方向上的特點，進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 。只有滿足這個條件才能將直流側電能反送到交流電網(wǎng)實現(xiàn)有源逆變。例如在電機拖動系統(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接到所用的負載上，把直流電逆變?yōu)槟骋活l率或可變頻率的交流電供給負載，叫無源逆變。同理可以計算出各狀態(tài)的電壓空間矢量。從圖中 中可以得到這樣的規(guī)律：（1）逆變器的六個工作電壓對應六個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，六個電壓空間矢量的頂點構成了正六邊形的六個頂點。（3）六種狀態(tài)一次經(jīng)過123456，空間矢量沿逆時針方向旋轉(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，我們將在異步電機的直接轉(zhuǎn)矩控制中進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轉(zhuǎn)矩的影響，

22、為正確選擇電壓空間矢量，實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩直接控制打下基礎。在變頻調(diào)速系統(tǒng)的基本結構圖中，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。供給交流電機變頻調(diào)速。為什么變頻調(diào)速時還要同時改變定子電壓？這是因為電機調(diào)速時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，嚴重時會燒壞電機；磁通過小時，電機出力不足，輸出轉(zhuǎn)矩小，電機的鐵心不能充分利用，造成浪費。由異步機的穩(wěn)態(tài)特性推導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變量成正比的直流量，因此叫標量控制，這與既控制變量的幅值又控制其相位的矢量控制不同。標量控制是最早在

23、變頻調(diào)速使用的技術，其控制原理簡單，實現(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，它們在實踐中仍然有著最廣泛的應用，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： （1）忽略空間和時間諧波； （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 ，可以導出：由此可見，當 為恒值，且S較小時，對于同一轉(zhuǎn)矩 ，不同 帶負載時的轉(zhuǎn)速降落 基本時不變的。這就是說埋在恒壓頻比的條件下改變頻率時，機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調(diào)壓調(diào)速時的特性相似。當S增大時，機械特性變軟。

24、在某一轉(zhuǎn)差率 時，轉(zhuǎn)矩有一最大值，稱為異步機的最大轉(zhuǎn)矩。將式對S求異，并令 ，可以求出最大轉(zhuǎn)矩時的轉(zhuǎn)差率為：不難看出：頻率越低，最大轉(zhuǎn)矩就越小。低頻時，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，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，此時的壓頻比恒定已經(jīng)不能保證磁通恒定。因此，低頻低壓時引起電勢和磁通的明顯降低，低速時將發(fā)生嚴重勵磁不足和轉(zhuǎn)矩減少的問題。為了在低速時改善機械特性，需要對電壓給定進行補償，即在低速時抬高壓頻比值。在非線性特性中， 與 在高頻時是成正比的，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)不同負載的需要進行調(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，只要電壓補償合適，恒壓頻比控制應該可以實現(xiàn)大范圍內(nèi)的調(diào)速。但是，我們往往更關心調(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。假設調(diào)速過程不是很快，就可以利用機械特性曲線對調(diào)速過程進行在直流調(diào)速中正是這樣作的。 從圖中我們可以看到，當轉(zhuǎn)速給定從n2升到n1時，電機從原有的穩(wěn)態(tài)工作點躍遷倒a點，然后沿機械特性曲線運動到新的穩(wěn)定工作點。當調(diào)速范圍不大時，這個動態(tài)過程應該說是較優(yōu)的。但當大范圍調(diào)速時，如圖所示，轉(zhuǎn)速給

26、定從n3升到n1，電機工作點躍遷到b點，這時，機械特性曲線就不能算是較優(yōu)的運動曲線。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， 使電機工作點沿著較好的調(diào)速曲線運動。轉(zhuǎn)速開環(huán)的頻比控制系統(tǒng)一個恒壓頻比的開環(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)運行情況下，電機的氣隙磁通，調(diào)節(jié)定子電流可以非常靈敏地調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩，這與直流電機相似。隨著電機接近零速，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到額定氣隙磁通和全額的轉(zhuǎn)矩。在穩(wěn)態(tài)運行條件下如果負載轉(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)矩與負載轉(zhuǎn)矩之間維持平衡。如果給定轉(zhuǎn)速超過電機基速，電動機電壓將限制在額定電壓，而電機將從恒轉(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)采用與電機同軸連接的測速發(fā)電機進行實際轉(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。電流反饋只有當電動機電流升到預置的最大值時才起作用，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，電動機電流快速增加到預置極限，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，以便電動機速度跟隨逆變器的頻率增加。在電流限制作用下，電機以恒轉(zhuǎn)矩加速一直達到給定值。隨后電流降落到極限以下，并達到穩(wěn)態(tài)運行。整個過程與直流電機的帶有電流截至負反饋系統(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進入弱磁區(qū)運行。恒壓頻比控制可以說是最簡單的交流變頻調(diào)速技術。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，因而具有很高的適用價值。由于結構簡單，實現(xiàn)容易，恒壓頻比控制仍然是實踐當中使用最廣泛的變頻調(diào)速技術，并且還在被不斷地發(fā)展。一些學者針對低速范圍內(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。當轉(zhuǎn)速給定從 升到 時，電機從原有的穩(wěn)態(tài)工作點躍遷到a點，然后沿機械特性曲線運動到新的穩(wěn)定工作點。當調(diào)速范圍不大時，這個動態(tài)過程應該說是較優(yōu)的。但是當范圍調(diào)速時，如圖所示，轉(zhuǎn)速給定從 升到 ，電機工作點躍遷到b時，這時，機械特性曲線就不能算是較優(yōu)的運動曲線了。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 使電機工作點沿著較好的調(diào)速曲線運動。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的轉(zhuǎn)矩方程式和穩(wěn)態(tài)電路圖，可以導出：當電機穩(wěn)定運行時，S很小時， 很小，一般為 的25，可得近似得轉(zhuǎn)矩關系式。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中控制 ，就和直流電機中控制電樞電流一樣，能夠達到間接控制轉(zhuǎn)矩地作用?？刂妻D(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。當磁通 不變時， 與轉(zhuǎn)差頻率的函數(shù)關系如圖所示。由圖可以看出如下性質(zhì)：（1） 當 0時， ，在理想空載時，定子電流等于勵

31、磁電流（2） 如果 增大，也增大（3） 當 時，為漸進線，可求出 （4） 該曲線時左右對稱的歸納轉(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 和式就構成了轉(zhuǎn)差頻率調(diào)速的控制規(guī)律。系統(tǒng)結構和性能分析實現(xiàn)上述轉(zhuǎn)差頻率調(diào)速控制律的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結構圖如圖所示。該系統(tǒng)是一個以轉(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)生對應定子頻率 的控制電壓 ，它是由轉(zhuǎn)差頻率信號與實際轉(zhuǎn)速信號相加得到的，即 ，因此決定逆變器的輸出頻率。當轉(zhuǎn)速給定信號 反向時。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。由此實現(xiàn)可逆運行。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)構建模型進行仿真。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 ，直至電動機的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速達到額定轉(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。異步電動機轉(zhuǎn)差頻率控制的啟動、加速和減速過程的仿真結果于圖所示。圖中，從上而下所描述的各變量依次為：電機段子電壓 ，定子a相繞組電流 ，轉(zhuǎn)子a相繞組電流 ，電磁轉(zhuǎn)矩 ，電機機械角頻率 ?？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電流。在50負載下低速范圍內(nèi)的調(diào)速性能仿真結果于圖 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)結構圖如圖 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)差頻率指令同時送到發(fā)生器中，按照式（）的函數(shù)關系式，產(chǎn)生能保持磁通恒定的電流幅值直流 ，這兩個指令信號 ，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)關系式 恰當?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)矩公式而得到的結論。在動態(tài)過程中，磁通不可能保持恒定。加之在實際中，磁飽和和溫度變化等引起的電機參數(shù)的變化都將導致氣隙磁通的變化，使驅(qū)動性能降低，這是穩(wěn)態(tài)的函數(shù)關系所不能自適應解決的穩(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探討。如上所述，可以控制電動機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。但同時由于對速度偏差反應敏感，例如容易接受速度檢出信號

36、中干擾的影響等，有時使穩(wěn)定性降低。轉(zhuǎn)差頻率控制的主要特點: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，得到了擴大。3. 在使用適度范圍內(nèi)可以確保10rad/s左右的響應，所以能適用于要求某種程度同步運轉(zhuǎn)的用途。小結：轉(zhuǎn)差頻率控制的基本要點之一是保持磁通恒定，為此需要依照式 對定子電流進行調(diào)節(jié)。這種策略加強了對磁場的控制，有利于系統(tǒng)響應的快速和穩(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)差頻率控制在結構上采用了閉環(huán)控制，能夠做到穩(wěn)態(tài)無靜差，這種控制結構成為交流變頻調(diào)速的一種基本結構。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。此外，外環(huán)控制器的設計是一個值得深入研究的穩(wěn)態(tài)。在仿真試驗中就發(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)具有較強的非線性特性，傳統(tǒng)的PID控制很難勝任其控制任務，需要采用更先進的控制方法和阿策略，例如內(nèi)模控制、預測控制、或者是與智能控制技術相結合。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)差的關系，還是保持恒磁通時定子電流與轉(zhuǎn)差的關系都是在穩(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的真實動態(tài)模型。矢量控制就是這樣的，下節(jié)我們將介紹矢量控制。異步電機的數(shù)學模型是一個高階、非線性、強耦合、多變量的系統(tǒng)，通過坐標變換，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)很難設計，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