电气调速概述doc文档格式.docx
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3）静差度（S）
静差度即速度的稳定度。
是衡量转速随负载变动程度的静态指标。
它表示电动机在某一转速下运行时，机械负载由理想空载变到额定负载所产生的转速降落Δne，与理想空载转速n0之比，即
式中ne-额定负载下的实际转速。
对一个系统静差度的要求，就是对最低转速静差度的要求，静差度S与调速范围D两项指标是相互制约的。
对S与D必须同时提出才有意义。
4）调速的经济性
调速的经济指标，一般是根据设备费用、能源损耗、运行及维护费用多少来综合评价的。
7.1.2直流电动机的调速控制
（1）直流电动机的基本调速方式
从电工学可知，他激直流电动机有以下方程：
Ud=Ed+IdRd
Ed=CeΦn
T=CtΦId
式中Ud-电动机的电枢电压；
Ed-电动机的反电势；
T-电动机的电磁转矩；
Ce-电动机的电势常数；
Ct-电动机的转矩常数；
Φ-电动机的主磁极的磁通；
Id-电枢电流；
Rd-电枢绕组电阻。
直流电动机的机械特性方程式也就是它的调速公式，即
由上式可知，直流电动机的转速由Ud，Rd，Φ所决定，因此，直流电动机的基本调速方式有两种：
调Ud和Φ。
①调压调速；
改变电枢电压Ud进行调速的方式，其特性为恒转矩调速。
②调磁调速：
改变励磁磁通Φ进行调速的调速方式，其特性为恒功率调速。
与调压调速相比用磁调速除调速范围不宽外，二者均具有调速平滑性好、稳定性好、能耗低和经济性好等特点，由于调压调速范围宽，调节细，因而获得了更为广泛的应用。
（2）直流调速系统的种类
直流调速系统通常有以下几类：
①直流发电机-直流电动机（G-M）系统：
它利用改变控制信号的方法来改变发电机的输出电压，此电压加到电动机上，可使电动机的转速随控制信号而变化。
②交磁放大机-直流电动机（SKK-M）系统；
交磁放大机是一种高放大倍数、高性能特殊结构的直流发电机，由它控制直流电动机的电枢电压，能使电动机的转速随交磁放大机的输入信号而变化。
③晶闸管-直流电动机（SCR-M）系统：
它根据控制信号来改变晶闸管的导通角，输出不同的整流电压，供给直流电动机，使电动机的转速随控制导通角的信号而变化。
④脉定调制-直流电动机（PWM）系统：
该系统用一定频率的三角波或锯齿波，把模拟控制电压切割成与三角波同频率的矩形波。
控制电压的幅值与矩形波的占空比成比例。
利用此矩形波去触发大功率三极管的基极，由于三极管的集电极、发射极与电机绕组串联，因而电机电流受到控制并与控制信号成线性关系。
该调速系统抗干扰能力强，效率高。
直流调速系统具有调速范围宽、调速精度高等优点，因此应用广泛。
但直流电动机依靠整流子和碳刷来进行整流，而对这些机械式整流装置必须经常维护，因而要求的环境条件苛刻，容量有限，成本高，体积大。
7.l.3交流电动机的调速控制
（1）交流电动机的调速原理
与直流电动机相比，交流电动机结构简单，成本低，维护方便。
因此，长期以来人们一直努力研究交流电动机的调速问题。
由电机学可知，异步电动机的同步转速，即旋转磁场的转速为
式中n1-同步转速（r/min）；
f1-定子频率（即电源频率Hz）；
P-磁极对数。
异步电机的转速为：
式中s-转差率。
从上式可知，要调节异步电动机的转速应从改变P，s，f1三个分量入手，因此，异步电动机的调速方式相应可分为3种，即变极调速、变转差率调速和变频调速。
（2）交流电动机的调速方式
1）变极调速
对鼠笼式异步电机可通过改变电机绕组的接线方式，使电机从一种极对数变为另一种极对数，从而实现异步电动机的有级调速。
变极调速所需设备简单，价格低廉，工作也比较可靠。
一般为2种速度，过去应用很普遍的双速电机调速系统就是这种系统。
3种速度以上的变极调速电机统组结构复杂，应用较少。
变极调速电机的关键在于绕组设计，以最少的绕组抽头和改接以达到最好的电机技术性能指标。
2）变转差率调速
对于绕线式异步电动机，可通过调节串联在转子绕组中的电阻值（调阻调速）、在转子电路中引入附加的转差电压（串级调速）、调整电机定子电压（调压调速）以及采用电磁转差离合器（电磁离合器调速）改变气隙磁场等方法均可实现变转差s，从而对电机进行无级调速。
变转差率调速尽管效率不高，但在异步电动机调速技术中仍占有重要的地位，特别是转差功率得到回收利用的串级调速系统，更是现代大容量风机、水泵等调速节能的重要手段。
3）变频调速
通过改变定子供电频率来改变同步转速实现对异步电动机的调速，在调速过程中从高速到低速都可以保持有限的转差率，因而具有高效率、宽范围和高精度的调速性能。
可以认为，变频调速是异步电动机的一种比较合理和理想的调速方法。
7.l.4调速系统的发展
众所周知，直流调速系统具有较为优良的静、动态性能指标，在很长的一个历史时期内，调速传动领域基本上被直流电动机调速系统所垄断。
直流电动机虽有调速性能好的优势，但也有一些固有的难于克服的缺点。
如机械式换向带来的弊端，使其事故率高，无法在大容量的调速领域中应用。
而交流电动机有它固有的优点，其容量、电压、电流和转速的上限不像直流电动机那样受限制，且结构简单，造价低廉，坚固耐用，容易维护。
它的最大缺点是调速困难，简单调速方案的性能指标不佳。
近年来随着电力半导体器件、计算机技术的发展，交流电动机的速度控制产生了一场深刻的革命。
以各种电力半导体器件构成的交流调压调速系统、变频调速系统正在取代着直流电动机调速系统。
在以上诸种交流调速中，变频调速的性能最好。
变频调速电气传动调速范围大，静态稳定性好，运行效率高，调速范围广，是一种理想的调速系统。
随着交流电动机理论问题的突破和调速装置（主要是变频器）性能的完善，交流电动机调速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调速系统相匹敌，甚至可以超过直流调速系统。
因而可以相信，在不久的将来，交流变频调速电气传动将替代包括直流调速传动在内的其他调速电气传动。
限于篇幅，本节主要从实际出发，对变频调速的主要内容进行介绍，其他调速方法可参看其他专门的书籍。
7.2变频调速的原理与调速方式
7.2.1变频调速的基本原理
从某种意义上说，如果能够有一个可以任意改变频率的电源的话，即可以通过改变该电源的频率来实现对异步电动机的调速控制，如图所示。
但是，由于在实际的调速控制过程中，还必须考虑到有效利用电动机磁场，抑制起动电流和得到理想的转矩特性等方面的问题，一个普通的频率可调交流电源并不能满足对异步电动机进行调速控制的需要
由图可知，改变定子电源频率可以改变同步转速和异步电动机的转速。
异步电动机定子绕组每相感应电势为
式中k1-定子绕组等值匝数，k1<
l；
ω1-定子绕组的实际匝数；
f1-定子电源的频率；
Φ-气隙中的磁通量；
U1-电机外加电压；
I1-电机定于电流；
Z1-电机走子阻抗。
如果略去定子阻抗电压降，则感应电动势近似等于定子外加电压
从上式可以看出，若定于端电压U1不变，则随着f1的升高，气隙磁通Φ将减小。
电机转矩为
式中I2-转子电流；
cosφ2-转子电路功率因数；
Ct-转矩常数。
从电机转矩公式可看出Φ的减小势必会导致电机允许输出转矩T下降，使电机的利用率降低，同时，电机的最大转矩也将降低，严重时会使电机堵转。
若维持定子端电压U1不变，而减小f1，则Φ增加，将造成磁路过饱和，励磁电流增加，铁心过热，这是不允许的。
为此在调频的同时需改变定子电压U1，以维持气隙磁通Φ不变。
根据U1和f1的不同比例关系，将有不同的变频调速方式。
7.2.2基频以下恒磁通变频调速
由于E1难于直接检测和直接控制，当E1和f1较高时，可略去定子阻抗压降近似得出
为保持电机输出转矩T不变以保证电动机的负载能力，就要求气隙磁通由不变，因此要求定子端电压与频率成比例地变化。
即U1／f1为常数，这种控制称为近似的恒磁通变频调速（因为忽略了定子电压），属于恒转矩调速方式。
但在低频时，定子电阻的压降已不可忽略，随着定子电压的增加，最大转矩减小，起动转矩也减小。
为了能在低速时输出大的转矩，应当采用
的协调控制。
此时随着f1的降低，应适当提高U1，以补偿定子电阻压降的影响，使气隙磁通基本保持不变。
如图所示，其中1为U1／f1=C时的电压、频率关系，2为有补偿时（近似的U1／f1=C）的电压、频率关系。
实际装置中U1与f1的函数关系并不简单的如曲线2所示。
通用变频器中U1与f1之间的函数关系有很多种（如三菱公司的变频器616G5可提供15种预先设定好的U1／f1曲线，同时可允许用户进行任意设定），使用时可以根据负载性质和运行状况加以选择或设定。
7.2.3基频以上的弱磁变频调速
当电动机转速超过额定转速调速时，即f1＞f1e，若维持U1／f1=C，加在定子上的电压势必会超过电机的额定电压，这当然是不允许的。
由于在f1＞f1e时，往往采用使定子电压不再升高，保持U1=U1e，这样气隙磁通就会小于额定磁通，导致转矩的减小，相当于直流电动机弱磁调速的情况。
从电机学知道，在改变定子供电频率的同时，按关系式
调整定子电压，可使电动机功率等于电动机的额定功率，而转矩随f1/f1e或f1的增加而减小，可有如下关系
这是一种近似恒功率调速方式。
如果将恒转矩调速和恒功率调速结合起来，可得到宽的调速范围。
在电机低于额定转速时，采用但转矩变频调速；
高于额定转速时，采用恒功率调速如图所示。
由上面的讨论可知，异步电动机的变频凋速必须按照一定的规律同时改变其定子电压和频率，即必须通过变频装置获得电压频率的可调电源，实现所谓的VVVF（VariableVoltageVariableFrequency）调速控制，这类实现变频调速功能的变频调速装置被称为变频器。
7.3变频器的基本构成及其分类
最早的VVVF装置是旋转变流机组，现在已经无一例外地让位于应用电子电力技术的静止式变频装置。
从用途上看，可将变频器分为通用变频器和专用变频器，专用变频器是为专门的用途而设计的变频器，本书主要讨论通用变频器。
7.3.1变频器的基本构成
从结构上看，变频器可分为直接变频和间接变频两类。
间接变频器先将工频交流电源通过整流器变成直流，然后再经过逆变器将直流变换为可控频率的交流，因此又称它为有中间直流环节的变频装置或交-直-交变频器。
直接变频器将工频交流一次变换为可控频率交流，没有中间直流环节，即所谓的交-交变频器。
目前应用较多的是间接变频器即交-直-交变频器。
因此，可以认为，变频器的基本构成如图所示。
7.3.2变频器的分类及特点
变频器的分类方法很多、下面就其主要的几种分类进行介绍，以便对变频器有一个整体上的了解。
（1）按直流电源的性质分
当逆变器输出侧的负载为交流电动机时，在负载和直流电源之间将有无功功率交换，用于缓冲中间直流环节的储能元件可以是电容或是电感，据此，变频器可分为电压型和电流型两类。
这两种类型的本质差别在于如上图中的直流中间电路不同。
1）电压型变频器
电压型变频器动力电路的基本结构如图所示。
这种变频器的特点是在直流侧并联了一个大滤波电容，用来存储能量以缓冲直流回路与电机之间的无功功率传输。
从直流输出端看，电源因并联大电容，其等效阻抗变得很小。
大电容又使电源电压稳定，因此具有恒压电源的特性。
对负载电动机而言，变频器是一个交流电压源，在不超过容量的情况下，可驱动多台电机并联运行，具有不选择负载的通用性，因而使用广泛。
通用变频器大多是电压型变频器。
但电压型变频器在深度控制时，电源侧的功率因数低，同时因存在较大的滤波电容，动态响应较慢。
而且当电动机处于再生发电状态时，回馈到直流侧的无功能量难于回到交流电网，只有采用可逆变流器，方可将再生能量回馈电网。
2）电流型变频器
电流型变频器的特点是在直流回路中串联了一个大电感，用来限制电流的变化以吸收无功功率，如图所示。
由于串入了大电感，故电源的内阻很大，直流电流Id驱于平稳，类似于恒流源。
这种电流型变频器，其逆变器中晶闸管每周期工作1200。
该变频器的特点是无须在主回路中附加任何设备，就可将回馈到直流侧的再生能量回馈到交流电网。
这是因为整流和逆变两部分的结构相似，无论变频器工作在任何状态下，滤波器上的电流方向不变，只要改变逆变器的控制角，使电动机上电压极性相反，就能把能量回馈到电网。
这种变频器可用于频繁急加减速的大容量电机的单机拖动。
但它的逆变范围稍窄，不能在空载下工作，它需要最低的负载电流以满足换流的要求。
（2）按逆变器开关方式分
按逆变器开关方式对变频器进行分类时，则变频器可分为PAW方式和PWM方式。
PAM控制是PulseAmplitudeModulation（脉冲振幅调制）控制的简称，由于这种控制方式必须同时对整流电路和逆变电路进行控制，控制电路比较复杂，而且低速运行时转速波动较大，因而现在主要采用PWM方式。
PWM控制是PulseWidthModulation（脉冲宽度调制）控制的简称，是在逆变电路部分同时对输出电压（电流）的幅值和频率进行控制的控制方式。
在这种控制方式中，以较高频率对逆变电路的半导体开关元器件进行开闭，并通过改变输出脉冲的宽度来达到控制电压（电流）的目的。
为了使异步电动机在进行调速运转时能够更加平滑，目前在变频器中多采用正弦波PWM控制方式，即通过改变PWM输出的脉冲宽度，使输出电压的平均值接近正弦波。
这种方式也被称为SPWM控制，如图所示。
（3）按控制方式分类
按控制方式变频器可分为V／F控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器。
（4）按主开关器件分类
逆变器中主开关器件的性能，往往对变频器装置的性能有较大的影响。
这些器件主要有IGBT，BJT，GTO和SCR。
从现代电力电子器件的发展看，20世纪80年代已经进入了第二代即全控时代。
SCR由于没有自关断能力，需要强迫换流电路，并且开关频率低．用于逆变器时输出的波形谐波含量大。
到目前为止，仅在特大容量的变频器中尚占有一席之地。
中小容量通用变频器基本上都采用了自关断器件的PWM方式。
GTO器件具有高电压大电流的特点，但由于其电流增益太低，所需驱动功率大，驱动电路相对复杂，其应用受到一定的限制，多用于功率较大场合。
BJT已经达林顿化，开关频率相对比较高，在通用PWM变频器中的应用最多。
MOSFET具有开关频率高、驱动功率小的特点，但目前器件的功率等级低，导通压降大，在商用通用变频器中应用较少。
IGBT是一种双极型复合器件，它是MOSFET和BJT的复合，兼有两者的优点。
具有MOSFET的输入特性与BJT的输出特性：
驱动功率小，驱动电路简单；
导通电压降低，通态损耗小。
其开关频率介于MOSFET和BJT之间，是一种比较理想的开关器件。
随着该元器件容量的提高和应用开发的进展，有可能在很大范围内取代BJT变频器，逐步使IGBT变频器上升为通用变频器的主流。
下面以通用变频器中最常采用的电压型主电路为例，列出表以比较各主电路的性能。
7.4变频器的控制方式和特点
变频器控制方式是指针对电动机的自身特性、负载特性以及运转速度的要求，控制变频器的输出电压（电流）和频率的方式。
一般可分为V／F（电压／频率）、转差频率、矢量运算3种控制方式。
当从控制理论的观点出发进行分类时，变频器的控制方式可以分为开环控制和闭环控制两种方式。
其中，V／F控制属于开环控制，而转差频率控制和矢量控制则属于闭环控制。
二者的区别主要在于V／F控制方式中没有进行速度反馈，而在转差频率控制方式和矢量控制中利用了速度传感器的速度闭环控制。
7.4V／F控制变频器
按V／F关系对变频器的频率和电压进行控制，称为V／F控制，又称为VVVF控制方式。
其简化原理图如图所示。
主电路中逆变器采用BJT，用PWM进行控制。
控制脉冲发生器同时受控于频率指令f*和电压指令U，而f*与U之间的关系是由U/f曲线发生器决定的。
这样，经PWM控制之后，变频器的输出频率f，输出电压之间的关系就是U／f曲线发生器所确定的关系。
由图可见，转速的改变是靠改变频率的设定值f*来实现的。
基频以下可以实现恒转矩调速，基频以上可以实现恒功率调速。
V／F控制是一种转速开环控制，控制电路简单，负载可以是通用标准异步电机，通用性强，经济性好。
但电机的实际转速要根据负载的大小即转差率的大小来决定。
故负载变化时，在f*不变的条件下，转子速度将随负载转矩变化而变化。
因而常用于速度精度要求不高的场合。
7.4.2转差频率控制变频器
如前所述，在V／F控制方式下，转速会随负载的变化而变化，其变化量与转差率成正比。
为了提高调速精度，就需要控制转差率。
通过速度传感器检测出速度、可以求出转差角频率，再把它与速度设定值叠加以得到新的逆变器的频率设定值，实现转差补偿。
这种实现转差补偿的闭环控制方式称为转差频率控制方式，其原理框图如图所示。
对应于转速频率设定值为f*，经转差补偿后定子频率的实际设定值则为f1*=f*+Δf。
由于转差补偿的作用，大大提高了调速精度。
但是，使用转速传感器求取转差角频率，要针对电机的机械特性调整控制参数，因而这种控制方式通用性较差。
7.4.3矢量控制变频器
对于动特性要求较高的场合，须采用矢量变频器。
这是因为上述的V／F控制方式和转差频率控制方式均基于异步电动机的静态模型基础上，因此动特性能指标都不高。
矢量变换控制是70年代西德Blaschke等人首先提出来的。
其基本思想是把交流异步电动机模拟成直流电动机，能够像直流电动机一样进行控制。
采用矢量控制的目的，主要是为了提高变频调速的动态性能。
根据交流电动机的动态数学模型、利用坐标变换的手段，将交流电动机的定子电流分解为磁场分量电流和转矩分量电流，并分别加以控制，即模仿自然解藕的直流电动机的控制方式，对电动机的磁场和转矩分别进行控制，以获得类似于直流调速系统的动态性能。
在矢量控制方式中，磁场电流im1和转矩电流it1可以根据可测定的电动机定子电压、电流的实际值经计算求得。
磁场电流和转矩电流再与相应的设定值相比较并根据需要进行必要的校正。
高性能速度调节器的输出信号可以作为转矩电流（或称有功电流）的设定值，如图所示。
动态频率前馈控制df/dt可以保证快速动态响应。
图中有“*”的为给定值。
目前在变频器中得到实际应用的矢量控制方式主要有如下两种：
基于转差频率控制的矢量控制方式和无速度传感器的矢量控制方式。
无速度传感器矢量控制方式不需要速度传感器，其基本控制思想是分别对作为基本控制量的励磁电流（或者磁通）和转矩电流进行检测，并通过控制电动机定子绕组上电压的频率使励磁电流（或者磁通）和转矩电流的指令值和检测值一致，从而实现矢量控制。
基于转差频率控制的关量控制变频器的性能优于无速度传感器的矢量控制变频器。
但是，由于采用这种控制方式时需要在异步电动机上安装速度传感器，影响了异步电动机本身具有的结构简单、坚固耐用等特长。
因此，在对控制性能要求不是特别高的情况下往往采用无速度传感器的矢量控制方式的变频器。
矢量控制是一种新的控制思想和控制技术，是交流异步电动机的一种理想调速方法。
矢量控制同闭环控制方式，是异步电动机调速最新的实用化技术。
它可以实现与直流电动机电枢电流控制相匹敌的传动特性，最终能控制电磁转矩，而不像VVVF调速系统只是保持电机气隙磁通恒定。
7.5变频器的内部结构和主要功能
如前所述，变频器的种类很多。
他们的区别仅仅是主电路工作方式不同和控制电路、检测电路等实现的不同而已。
通用变频器的内部结构如图所示，下面对其主要部分及其功能进行说明。
7.5.1变频器的主电路构成
变频器的主电路主要由整流电路、直流中间电路和逆变电路3部分组成，图为三菱公司的VS-616G5变频器主电路。
（1）整流电路
整流电路的主要作用是对电网的交流电源进行整流后给逆变电路和控制电路提供所需的直流电源。
在电流型变频器中整流电路相当于一个直流电流源，而在电压型变频器中整流电路相当于一个直流电压源。
根据所有整流元件的不同，整流电路可有二极管整流电路和晶闸管整流电路。
二极管整流电路主要用于PWM变频器，其输出直流电压决定于电源电压的幅值。
晶闸管整流电路输出的直流电压是可控的。
（2）中间直流电路
整流电路输出的直流电压经中间电路的电容进行平滑处理后送至逆变电路。
电压型变频器中用于直流中间电路的直流电容为大容量铝电解电容，在电源接通时电容中将流过较大的充电电流（浪涌电流），有烧坏二极管及影响处于同一电源系统的其他装置正常工作的可能，因而变频器提供了直流电抗器选件，以抑制浪涌电流。
电抗器选件从+1和+2两端接入。
（3）逆变电路
过变电路是变频器最主要的部分之一。
它在控制电路的作用下将直流中间电路输出的直流电压转换为具有所需频率的交流电压。
逆变器的输出即为变频器的输出，它被用来实现对异步电动机的调速控制。
（4）变频器的制动电路
为了满足电动机制动时的需要，在变频器主电路中还包括制动电路等辅助电路。
在采用变频器对异步电动机进行调速控制时，为了使电动机减速，可以采取降低变频器输出频率的方法降低电动机的同步转速，从而达到使电动机减速的目的、在电动机的减速过程中，由于同步转速低于电动机的实际转速，异步电动机便成为异步发电机，负载机械和电动机所具有的机械能量被馈还给电动机，并在电动机中产生制动力矩。
变频器的电气制动一般分为能耗制动、电源回馈制动、直流制动3种。
直流制动通常用于数赫兹以下的低频区域即电机即将停止之前，且制动力不能太大，时间也不能太长。
电源回馈制动则将能量通过回馈电路反馈到供电电网上。
当然，从节能的角度来看，电源回馈制动是最好的一种方式，但线路复杂，成本高。
对于中、小客量的电压式变频器来说，通常利用电阻R和晶体管组成放电回路，将异步电动机馈还回来的能量在制动电阻上消耗掉，如上图所示。
当检测到直流电压Ed超过规定的电压上限时，晶体管开通并以IR=Ed/R的放电电流值进行放电；
而当检测到的直流电压值Ed达到某一电压的下限时，则晶体管关断，电容重新进入充电过程，从而达到限制直流电压上升过高的目的。
制动电阻器作为选件，使用时须根据系统所要求的制动能力来选择制动电阻的大小。
制动电阻器单元同
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