三相交流异步电机的变频控制

变频主电路分为交-直-交变频和交-交变频两大类。 交-直-交变频是先将频率固定的交流电整流成直流电， 再把直流电逆变成频率可变的交流电。 交-交变频不经过中间环节，把频率固定的交流电直接 变换成频率连续可调的交流电。因只需一次电能转换，效 率高，工作可靠，但是频率的变化范围有限。交-直-交变 频虽需两次电能的变换，但频率变化范围不受限制，目前 应用得比较广泛。 我们以交直交变频为例做介绍。
• 本次课的任务： √转速开环恒压频比控制的变频调速系统(掌握) • 转速闭环转差频率控制的变频调速系统(了解) • 按转子磁场定向的矢量控制系统(了解) • 按定子磁场控制的直接转矩控制系统(了解)
• 变频器可把固定电压、固定频率的交流电变换为可调电 压、可调频率的交流电。
一、转速开环恒压频比控制的变频调速系统
交-直-交变频主电路
整流部分把交流电压转换为直流电压； 电容能使直流电压波纹平直； 逆变器把直流逆变为等效交流同时完成调频和调压任务。 控制电路向逆变器发出指令，按规律导通各个器件，使直流变为三相等效 交流。
恒压频比控制的交-直-交变频控制电路
•控制电路的主要作用是为主电路中的逆变器提供控制信号 （即为逆变电路中的6个电力器件提供顺序通断信号）；其次 是对主电路的电压、电流、温度等进行监控。 •首先我们可以确定，主电路逆变器输出的电压波形是三串脉 冲，且这三串脉冲都应等效于正弦波。
• 交直交变频实现恒压频比的方式有三种：
1.可控整流器调压、变频器变频 • 调压和调频分别在两个环节上进行，两者要在控制电路上 协调配合。这种装置结构简单，控制方便，但由于采用可 控整流器，功率因数较低，还易产生较大的谐波成分，一 般用于电压变化不太大的场合。 2.直流斩波器调压、变频器变频 • 采用不可控整流器，在直流环节上设置直流斩波器完成电 压调节。这种调压方法有效地提高了变频器整流侧的功率 因数，并能方便灵活地调节电压，但增加了一个电能变换 环节——斩波器，该方法仍有谐波较大的问题。
由上述分析可知改变频率f1，可平滑调节同步转速。但在实际调速时， 只改变频率是不够的，现在来看一下变频时电动机的机械特性的变化情况， 由电机学知：
E 4 . 44 K f N 1 r 1 1 1 m
式中 E1—感应电势；
(6-5-2)
Kr1—基波绕组系数； N1—定子每相绕组串联匝数； Φm—每极气隙磁通量。
二、基于转速开环恒压频比控制的通用变频器
• 所谓“通用”，包含着两方面的含义： • （1）可以和通用的笼型异步电机配套使用； • （2）具有多种可供选择的功能，适用于各种不 同性质的负载。 • 下页图绘出了一种典型的数字控制通用变频器异步电动机调速系统原理图。
3.变频器自身调压、变频 • 采用不可控整流器，改变输出电压脉冲列的脉冲宽度，便 可达到调节输出电压的目的。其控制信号通常是正弦波脉 宽调制信号(SPWM)。 • 因采用不可控整流，功率因数高；因用PWM逆变，谐波可 以大大减少，且结构简单，性能优良。是应用最广泛的变 频控制方式。 • 我们以变频器自身调压、变频为例，详细介绍。
项目6 数控机床的主轴伺服系统
任务6.5 主轴电机(三相异步电机)的变频控制 数控机床上的主轴电动机通常三相交流异步电动 机。 交流异步电机不但结构简单、坚固耐用、运行可 靠、价格低廉，而且异步电机的变频调速控制节 能且实现无级调速，应用广泛。
交流异步电机的控制策略:
基本上分成两大类：开环控制与闭环控制 开环控制：恒压频比控制方式。 闭环控制：转差频率控制、矢量控制和直接转 矩控制。
交流异步电机的转速表达式为
60f1 1 s n p
(r/min)
(6-5-1)
式中 f1—定子电源频率（Hz）； p—磁极对数； s—转差率。 由转速表达式可知，异步电机的调速有变转差率、变极对数及变频三种。 •改变转差率，实际上是转子绕组串电阻或改变定子电压，有损耗、效率 低，且导致机械特性变软，低速时转差率大。 •变极调速只能产生二种或三种转速，不可能做成无级调速，应用范围较 窄。 •变频调速是从高速到低速都可以保持有限的转差率，故它具有高效率、 宽范围和高精度的调速性能，可以认为是一种理想的调速方法。
主电路逆变器输出电压 属于强电！
•利用的是面积等效原理。
Ud O -U d
wt
源自文库单极性
U
d
O
-
wt
双极性
U
d
思考：如何顺序控制逆变电路中的6个电力全控器件，才能把 直流逆变成UA、UB、UC三相等效于正弦波的脉冲序列呢？
单片机根据 设定值，直 接输出U/f= 恒定的三相 正弦波信号。
我们以控制信号SPWMa为例，分析其通入V1、V4后如何产生在A 向产生等效正弦波： SPWMa的上半周，V1导通时间大于V4导通时间，而很显然V1导 通时A相逆变输出正脉冲，而V4导通时A相逆变输出负脉冲； 即SPWMa控制V1、V4后逆变出的A相脉冲与SPWMa波形一致， 但大小不同，SPWMa是弱电而A相脉冲是强电。实现弱电控制 强电！
当略去定子阻抗压降时，定子相电压U1为
U E K f (6-5-3) 1 1 E 1 m
由式(6-5-3)可见，定子电压不变时，随f1的上升，气隙磁通Φm将减小。 又从转矩公式
T C I cos T m 2 2
(6-5-4)
式中 CT—转矩常数； I2—折算到定子上的转子电流； cosφ2 —转子电路功率因数。 可以看出，Φm减小导致电机允许输出转矩 T下降，则电机利用率下降， 电机的最大转矩也将降低，严重时可能发生负载转矩超过最大转矩，电机 就带不动了，即所谓堵转现象。 又当定子电压U1不变，减小f1时，Φm上升会造成磁路饱合，励磁电流 会上升，铁心过热，功率因数下降，电机带负载能力降低。 故在调频调速中，要求在变频的同时改变定子电压U1，以维持Φm接近 不变，即U1/ f1=常数，这样电机输出转矩T保持不变。 恒 压 频 比 控 制 也 称 为 变 压 变 频 控 制 （ VVVF-Variation Voltage Variation Frequency频率可变、电压可变)