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交流调速原理及应用
第一单元交流调速的原理
——异步电机变压变频调速系统（VVVF系统）
异步电机的变压变频调速系统一般简称为变频调速系统。
由于在调速时转差功率不随转速而变化，调速范围宽，无论是高速还是低速时效率都较高，在采取一定的技术措施后能实现高动态性能，可与直流调速系统媲美,因此现在应用面很广。
第一节变压变频调速的基本控制方式
定子每相电动势
只要控制好Eg和f1，便可达到控制磁通m的目的，对此，需要考虑基频（额定频率）以下和基频以上两种情况。
1、基频以下调速
要保持m不变，当频率f1从额定值f1N向下调节时，必须同时降低Eg，使
即采用恒值电动势频率比的控制方式。
然而，绕组中的感应电动势是难以直接控制的，当电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压Us≈Eg，则得
这是恒压频比的控制方式。
但是，在低频时Us和Eg都较小，定子阻抗压降所占的份量就比较显著，不再能忽略。
这时，需要人为地把电压Us抬高一些，以便近似地补偿定子压降。
带定子压降补偿的恒压频比控制特性示于图1中的b线，无补偿的控制特性则为a线。
2、基频以上调速
在基频以上调速时，频率应该从f1N向上升高，但定子电压Us却不可能超过额定电压UsN，最多只能保持Us=UsN，这将迫使磁通与频率成反比地降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。
把基频以下和基频以上两种情况的控制特性画在一起，如图2所示。
如果电机在不同转速时所带的负载都能使电流达到额定值，即都能在允许温升下长期运行，则转矩基本上随磁通变化，按照电力拖动原理，在基频以下，磁通恒定时转矩也恒定，属于“恒转矩调速”性质，而在基频以上，转速升高时转矩降低，基本上属于“恒功率调速”。
第二节异步电动机电压－频率协调控制时的机械特性
1、恒压恒频正弦波供电时异步电动机的机械特性
当定子电压Us和电源角频率1恒定时，异步电机在恒压恒频正弦波供电时的机械特性方程式Te=f（s）如下：
当s很小时，转矩近似与s成正比，机械特性Te=f（s）是一段直线。
当s接近于1时，转矩近似与s成反比，机械特性Te=f（s）是一段双曲线。
当s为以上两段的中间数值时，机械特性从直线段逐渐过渡到双曲线段，如图3所示。
2、基频以下电压-频率协调控制时的机械特性
对于同一组转矩Te和转速n（或转差率s）的要求，电压Us和频率1可以有多种配合。
在Us和1的不同配合下机械特性也是不一样的，因此可以有不同方式的电压－频率协调控制。
各种控制方式的机械特性如图4所示。
第三节变压变频调速系统中的脉宽调制（PWM）技术
1、正弦波脉宽调制（SPWM）技术
以正弦波作为逆变器输出的期望波形，以频率比期望波高得多的等腰三角波作为载波（Carrierwave），并用频率和期望波相同的正弦波作为调制波（Modulationwave），当调制波与载波相交时，由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得在正弦调制波的半个周期内呈两边窄中间宽的一系列等幅不等宽的矩形波。
按照波形面积相等的原则，每一个矩形波的面积与相应位置的正弦波面积相等，因而这个序列的矩形波与期望的正弦波等效。
这种调制方法称作正弦波脉宽调制（Sinusoidalpulsewidthmodulation，简称SPWM），这种序列的矩形波称作SPWM波。
如图5所示。
2、电压空间矢量PWM（SVPWM）控制技术（磁链跟踪控制技术）
经典的SPWM控制主要着眼于使变压变频器的输出电压尽量接近正弦波，并未顾及输出电流的波形。
交流电动机需要输入三相正弦电流的最终目的是在电动机空间形成圆形旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩。
如果对准这一目标，把逆变器和交流电动机视为一体，按照跟踪圆形旋转磁场来控制逆变器的工作，其效果应该更好。
这种控制方法称作磁链跟踪控制。
磁链的轨迹是交替使用不同的电压空间矢量得到的，所以又称电压空间矢量PWM（SVPWM，SpaceVectorPWM）控制。
图6给出定子磁链矢量端点的运动轨迹。
第四节基于动态模型按转子磁链定向的矢量控制系统
异步电机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，通过坐标变换，可以使之降阶并化简，但并没有改变其非线性、多变量的本质。
需要高动态性能的异步电机调速系统必须在其动态模型的基础上进行分析和设计，但要完成这一任务并非易事。
经过多年的潜心研究和实践，有几种控制方案已经获得了成功的应用，目前应用最广的就是按转子磁链定向的矢量控制系统。
图7给出异步电动机的坐标变换结构图。
从整体上看，输入为A，B，C三相电压，输出为转速，是一台异步电机。
从内部看，经过3/2变换和同步旋转变换，变成一台由im和it输入，由输出的直流电机。
既然异步电机经过坐标变换可以等效成直流电机，那么，模仿直流电机的控制策略，得到直流电机的控制量，经过相应的坐标反变换，就能够控制异步电机了。
由于进行坐标变换的是电流（代表磁动势）的空间矢量，所以这样通过坐标变换实现的控制系统就叫作矢量控制系统（VectorControlSystem），控制系统的原理结构如图8所示。
第二单元交流调速技术应用
第一节西门子6SE70高性能变频器的应用
一、现场总线测控系统的构造
该装置的控制柜内部包括交流变频调速、全数字直流调速和PLC三大部分，是整个电控系统的主体。
我们主要学习，交流变频调速部分。
对于高性能通用变频器，它主要有三种：
第一种是有速度传感器的矢量控制变频器；第二种是无速度传感器的矢量控制变频器；第三种是无速度传感器的直接转矩控制变频器。
这三种变频器中，第一种的控制精度高且性能好，但变频器系统价格昂贵；第二种和第三种控制精度和性能一般，但变频器系统简单，价格便宜。
西门子6SE70变频器属于第一种。
另外，高性能通用变频器为了满足不同的工程需要，有几种硬件结构：
独立试变频器、公共直流母线式变频器和带能量回馈单元的变频器。
西门子6SE70属于前一种。
出于对系统安全性、可靠性的考虑，装置出厂时被定义为：
交流变频调速子系统为速度闭环矢量控制，运行时需与PLC配合进行部分开关联锁，通过操作台的“6SE70合闸”和“6SE70分闸”按钮对主回路的交流接触器进行操作，通过操作台的“6SE70启动”和“6SE70停止”按钮控制变频器的起停，通过操作台的“6SE70模入”旋钮控制变频器的速度给定，操作台设有“6SE70主回路已合”及“6SE70系统运行”指示灯显示，控制柜的柜门上方设有“交流电机电流”和“交流电机转速”模拟表显示，操作台设有“系统急停”和“故障复位”按钮。
合闸操作：
①合断路器Q0，此为系统总隔离开关；②确保熔断器FU1、FU4、FU5、FU6、FU9通路；③合断路器Q1，为PLC部分和开关电源供电；④确保熔断器1FU1、1FU2、1FU3、FU10通路；⑤合断路器Q3，为6SE70变频器的主回路供电；⑥合断路器Q4，为交流变频电机的风机供电，并确认风机工作正常；⑦按下操作台的“6SE70合闸”按钮合主回路接触器，此时红色“6SE70主回路已合”指示灯应点亮。
转电机操作：
①通过操作台的“6SE70模入”旋钮控制变频器的速度给定；②按下操作台的“6SE70启动”按钮使变频器运行，此时绿色“6SE70系统运行”指示灯应点亮，电机开始按一定的斜坡旋转升速至给定速度并稳定运行；③通过控制柜柜门上方的“交流电机电流”和“交流电机转速”模拟表观察电机电流和电机转速的变化情况，也可通过变频器的PMU面板或PC上的DriveMonitor软件观察到各种详细的运行信息（详见SIMOVERTMASTERDRIVES矢量控制使用大全）；④按下操作台的“6SE70停止”按钮使变频器停机，电机开始按一定的斜坡降速直至停止，此时绿色“6SE70系统运行”指示灯应熄灭。
出现意外或故障时的操作：
①当交流传动发生意外时，应停止正在运行的变频器，正确的停车规程是：
使用“6SE70停止”按钮（带斜坡，仅停变频器）或“系统急停”按钮（零斜坡，全部传动停车）使电机停止运转，待电机静止后，根据需要可断开全部断路器；②变频器内部集成有多种故障检测与保护，在大多数情况下，当交流传动发生故障时，变频器可以检测到故障并立刻作出响应，变频器封锁脉冲并自由停车，在PMU面板上显示故障号，此时请根据故障号处理相应的问题，待问题解除后，应使用“故障复位”按钮确认，PMU面板上显示的故障号应消失，否则系统不能运行。
二、6SE70变频器的原理框图
三、配电系统接线图（见29、30、31页）
四、变频器外围接线图（见31页）
五、6SE70变频器的基本操作说明
六、实验内容
（一）简单应用（开环U/F控制）
1、U/F结构图
2、操作结构示意图
3、参数设置步骤
A、参数恢复工厂设置过程：
B、应用参数设置步骤
（二）、实验二闭环矢量控制设置：
1、闭环控制框图
2、参数设置过程
第二节松下VF-7F变频器的应用
一、VF-7F变频器的构造及控制板功能和外围端子说明
1、另外，外围还有
2、记录相关的实验现象。
实验六停止方式的选择
一、实验目的
掌握不同的停止方式，根据实际运行条件能选择并设定相关的参数
二、实验步骤
1、试验惯性停止，观察现象。
P11=1
2、试验减速停止，观察现象，要求采用直流制动的方法；
相关参数的设定：
P11=0P12=30P13=4P14=20
3、自行设定频率范围及输出频率值
4、要求设定为外部控制变频器的启动和停止，即设定相关的P08的值；
5、接线运行，观察输出显示；
6、按下停止按扭，观察直流制动现象。
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