【知识点总结】电力拖动系统——交流调速系统

电力拖动系统——交流调速系统

三相异步电动机的起动、调速、制动、变压变频调速、SPWM、SVPWM 、CHBPWM调制、VC系统、FOC系统、DTC系统、3/2变换、2r/2s变换、双馈调速、串级调速。

---

文章目录

• 电力拖动系统——交流调速系统
• 前言
• 第一章——异步电动机变压调速系统
• • 一、三相异步电动机的起动
  • • 1.笼型异步电动机的降压起动
    • 2.线绕型异步电动机的起动
  • 二、三相异步电动机的调速
  • • 1.变频调速
    • 2.变极调速（笼型）
    • 3.改变转差率调速
  • 三、三相异步电动机的制动
  • 四、异步电动机变压调速原理及电路
  • • 1.交流调速系统的主要类型
    • 2.异步电动机的变压调速原理
    • 3.异步电动机改变电压时的机械特性
  • 五、闭环控制的变压调速系统及其静特性
  • 六、变压控制在软起动器和轻载降压节能运行中的应用
  • • 1.软起动器
    • 2.轻载降压节能运行
• 第二章——异步电机变压变频调速系统
• • 一、变压变频调速的基本控制方式
  • 二、异步电动机电压－频率协调控制方式下的机械特性
  • • 1.恒压恒频正弦波供电时异步电动机的机械特性
    • 2.基频以下电压-频率协调控制时的机械特性
    • 3.基频以上恒压变频时的机械特性
  • 三、电力电子变压变频器的主要类型
  • • 1.交-直-交和交-交变压变频器
    • 2.电压源型逆变器和电流源型逆变器
    • 3.180o导通型和120o导通型（电压型）逆变器
  • 四、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
    • 2.电流滞环跟踪PWM(CHBPWM)控制技术
    • 3.电压空间矢量PWM(SVPWM)控制技术(或称磁链跟踪控制技术)
    • 4.电压空间矢量的线性组合与SVPWM控制
  • 五、基于异步电动机稳态模型的变压变频调速
  • • 1.一种典型的数字控制通用变频器
    • 2.转速闭环转差频率控制的变压变频调速系统
  • 六、异步电动机的动态数学模型和坐标变换
  • • 1.异步电动机动态数学模型的性质
    • 2.三相异步电动机的多变量非线性数学模型
    • 3.坐标变换和变换矩阵
    • 4.三相异步电动机在两相坐标系上的数学模型
  • 七、基于动态模型按转子磁链定向的矢量控制系统
  • • 1.矢量控制系统的基本思路
    • 2.按转子磁链定向的矢量控制方程及其解耦作用
    • 3.转子磁链模型(转子磁链观测器)
  • 八、基于动态模型按定子磁链控制的直接转矩控制系统
  • • 1.直接转矩控制系统的原理和特点
    • 2.直接转矩控制系统的控制规律和反馈模型
    • 3.直接转矩控制系统与矢量控制系统的比较
• 第三章——绕线转子异步电机双馈调速系统——转差功率馈送型调速系统
• • 一、异步电机双馈调速工作原理
  • • 1.双馈调速的概念和适用范围
    • 2.异步电机转子附加电动势的作用
    • 3.异步电机的功率变换单元
  • 二、异步电机在次同步电动状态下的双馈系统——串级调速系统
  • 三、异步电动机串级调速时的机械特性（不进行推导）
  • 四、串级调速系统的效率分析
• 总结
• 学习附件

---

前言

大家好，接着之前的直流调速，现在我开始总结电力拖动系统中交流调速系统部分。截止到目前为止，算上这篇，数了数我已经写了16篇关于大学知识点总结的文章了，总算是在硬件部分把知识点总结了个遍，虽然还是没找到写这些文章的意义……但最起码感觉对得起自己这几个月以来的付出，今天我将进行本次大规模更新文章的最后一章，也是大学里关于硬件部分的最后一篇。作为电气专业，电力拖动系统可以说是我们的专业课中的必修课程，同时也是我学的最好的、最具有分量的几个课程之一（主要是老师教的好，(^▽)在此特别特别感谢赵红老师对我们的教导），正是因为它尤其的重要，所以我决定好好研究研究。以下便是我对直流调速系统所学知识的理解与总结。

本人学艺不精，有一些知识点地方可能存在瑕疵，希望各位大佬可以多多指教。

---

第一章——异步电动机变压调速系统

一、三相异步电动机的起动

与直流电动机相同，我们希望在起动时有较大起动转矩，较小起动电流。
改善起动性能的方法：笼型：采用特殊结构的转子（深槽、双鼠笼）；绕线型：转子串入附加电阻。

1.笼型异步电动机的降压起动

降压起动方法：起动时，施加低于额定值的定子电压。电动机的转速上升到接近额定转速后，再切换到额定电压下运行。
特点：起动电流下降，且起动转矩亦下降
应用：适用于对起动转矩要求不高的场合，如风机、离心泵等
（1） 自耦变压器降压起动

二、三相异步电动机的调速

异步电动机的公式：n = 60f₁(1 – s) / p

1.变频调速

改变 f₁→改变n（无级调速：n可连续调节），当我们采用变频调速时，通常希望电动机的主磁通Φm保持不变。因为增大Φm将引起磁路过分饱和，激磁电流大大增加，功率
因数降低，若Φm太小，则电机容量得不到充分利用。
根据公式：U₁ ≈ E = 4.44 f₁ N₁K _N1Φm，故当U₁ / f₁ = 常数，Φm不变。

三、三相异步电动机的制动

（1）能耗制动：切掉定子绕组，同时将其中两相通入直流电源。
其原理是通过定子绕组的直流励磁建立一个恒定磁场，旋转转子和恒定磁场间相互作用，产生制动性电磁转矩，使拖动系统快速停车或使位能性负载匀速下放，制动过程中，大部分动能或势能均消耗在转子回路的电阻上。
（2）反接制动：分为转速反向、两相反接两种方法。
转速反向：通过外部条件令转子反转。
两相反接：通过改变外加三相电源的相序。
对于反抗性负载：将三相电源的两相对调。
●对于位能性负载：重物提升时，电机工作在电动机状态，当重物下降时，由于转速反向，导致机械轴上的输出功率反向，此时电机的运行状态与反抗性负载两相绕组反接情况相同。
●反接制动过程中，电机既从转子轴上输入节选功率，又从电 中吸收电磁功率，这两部分功率都最终通过转子回路电阻消耗掉——转子将严重发热，不能长时间运行在此状态。
（3）回馈制动：异步电动机的转子转速超过同步转速的一种制动状态。
在位能性负载作用下，可以产生回馈制动。（与他励直流拖动情况类似），需要说明的是，回馈制动时电机尽管工作在发电状态，但是仍需从电 吸收滞后无功功率。

四、异步电动机变压调速原理及电路

1.交流调速系统的主要类型

异步电机：现有文献中介绍的异步电机调速方法种类繁多，常见的有：
①降电压调速
②转差离合器调速
③转子串电阻调速
④绕线转子电动机串级调速和双馈电动机调速
⑤变极对数调速
⑥变压变频调速
按照交流异步电机的原理，从定子传入转子的电磁功率 P_m可分成两部分：
P_mech : 拖动负载的有效功率，称作机械功率；P_s：传输给转子电路的转差功率,与转差率s成正比，存在以下关系
P_m = P_mech + P_s ；P_mech = (1 – s) P_m ；P_s = sP_m
从能量转换的角度上看，转差功率是否增大，是消耗掉还是得到回收，是评价调速系统效率高低的标志。从这点出发，可以把异步电机的调速系统分成三类。
（1）转差功率消耗型调速系统
此类型的全部转差功率都转换成热能消耗在转子回路中，上述的第①、②、③三种调速方法都属于这一类。
优点：可是这类系统结构简单，设备成本最低，所以还有一定的应用价值。
缺点：在三类异步电机调速系统中，这类系统的效率最低，而且越到低速时效率越低，它是以增加转差功率的消耗来换取转速的降低的（恒转矩负载时）。

（2）转差功率馈送型调速系统
第④种调速方法属于这一类。
优点：在这类系统中，除转子铜损外，大部分转差功率在转子侧通过变流装置馈出或馈入，转速越低，能馈送的功率越多，无论是馈出还是馈入的转差功率，扣除变流装置本身的损耗后，最终都转化成有用的功率，因此这类系统的效率较高。
缺点：复杂，需要增加一些设备，价格贵。

（3）转差功率不变型调速系统
第⑤、⑥两种调速方法属于此类
优点：转差功率只有转子铜损，而且无论转速高低，转差功率基本不变，因此效率更高，其中变极对数调速是有级的，应用场合有限。只有变压变频调速应用最广，可以构成高动态性能的交流调速系统，取代直流调速；
缺点：但在定子电路中须配备与电动机容量相当的变压变频器，相比之下，设备成本最高。

2.异步电动机的变压调速原理

变压调速：就是通过改变定子外加电压来改变电磁转矩，从而在一定的输出转矩下达到改变电动机转速的目的。
不可逆控制：TVC的变压控制方式：相位控制、周期控制
可逆和制动控制：晶闸管1至6控制电动机正转运行，反转时，可由晶闸管1，4 和 7至10 提供逆相序电源，同时也可用于反接制动。
当需要能耗制动时，例如让 1，2，6 三个器件导通，其余均关断，就可使定子绕组中流过半波直流电流，对旋转着的电动机转子产生制动作用。必要时，还可以在制动电路中串入电阻以限制制动电流。

★异步电机闭环调压调速系统与直流电机闭环闭环调压调速系统的不同之处
静特性左右两边都有极限，它们分别是是额定电压下和最小输出电压下的机械特性。当负载变化时，如果电压调节到极限值，闭环系统便失去控制能力，系统的工作点只能沿着极限开环特性变化

六、变压控制在软起动器和轻载降压节能运行中的应用

除了调速系统以外，异步电动机变压控制在软起动器和轻载降压节能运行中也得到了广泛的应用。

1.软起动器

异步电动机起动时起动转矩不大，而起动电流很大，将使电压损失过大，起动转矩不够无法起动；绕组发热，绝缘老化，缩短使用寿命；造成过流保护装置误动作、跳闸；影响其他设备的正常运行。所以，电动机起动时，在保证一定大小起动转矩的前提下，还要求限制起动电流在允许的范围内。

小容量电机：只要供电 络和变压器的容量足够大（一般要求比电机容量大4倍以上），而供电线路并不太长（起动电流造成的瞬时电压降落低于10%~15%），可以直接通电起动。如7.5kW以下的电机可直接启动。
中、大容量电动机：其起动电流大，会使电 压降过大，影响其他用电设备的正常运行，甚至使该电动机本身根本起动不起来。这时，必须采取措施来降低其起动电流，常用的办法是降压起动。
（1）降压起动的矛盾：当电压降低时，起动电流将随电压成正比地降低，从而可以避开起动电流冲击的高峰，但是起动转矩与电压的平方成正比，起动转矩的减小将比起动电流的降低更快，降压起动时又会出现起动转矩够不够的问题。因此降压起动只适用于中、大容量电动机空载（或轻载）起动的场合。
（2）软起动方法
控制目的：限制起动电流并保持恒值，直到转速升高后电流自动衰减下来（图中曲线c）。
使用设备：带电流闭环的电子控制软起动器。主电路采用晶闸管交流调压器，用连续地改变其输出电压来保证恒流起动，稳定运行时可用接触器给晶闸管旁路，以免晶闸管不必要地长期工作

第二章——异步电机变压变频调速系统

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。

一、变压变频调速的基本控制方式

在进行电机调速时，常须考虑的一个重要因素是：希望保持电机中每极磁通量Φm 为额定值不变。对于直流电机，励磁系统是独立的，只要对电枢反应有恰当的补偿，Φm 保持不变是很容易做到的，而在交流异步电机中，磁通Φm 由定子和转子磁势合成产生，要保持磁通恒定就需要费一些周折了。
●异步电机定子每相电动势有效值E_g = 4.44f₁N_sk_NsΦm
E_g——气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值
所以只要控制好 E_g 和 f₁ ，便可达到控制磁通Φm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Φm 不变，当频率f₁ 从额定值f_1N 向下调节时，必须同时降低E_g ，使 E_g / f₁ = 常值，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，但是当电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压U_s ≈ E_g，则得 U_s / f₁ = 常值，这是恒压频比的控制方式。
但是，在低频时 U_s 和 E_g 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。
在实际应用中，由于负载大小的不同，需要补偿的定子压降值也不一样，在控制软件中，需备有不同斜率的补偿特性，以便用户选择。

2.基频以下电压-频率协调控制时的机械特性

（1）恒压频比控制（Us / ω₁ = constant）
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U_s ≈ E_g = 4.44f₁N_sk_NsΦm，则得 U_s / f₁ = 常值，气隙磁通 Φm 近似不变。
●当 U_s / f₁ 为恒值时，对于同一转矩Te，sω₁ 是基本不变的，因而 Δn 也是基本不变的。这就是说，在恒压频比的条件下改变频率ω₁时，机械特性基本上是平行下移。
●恒转矩负载下，转差功率与转速无关，故称作**“转差功率不变型”调速方法**。
●与直流调压调速不同的是，当转矩增大到最大值以后，转速再降低，特性就折回来了，而且频率越低时最大转矩值越小。

（4）几种协调控制方式的比较
综上所述，在正弦波供电时，按不同规律实现电压－频率协调控制可得不同类型的机械特性。
●恒压频比（Us / ω₁ = 恒值 ）控制最容易实现，它的变频机械特性基本上是平行下移，硬度也较好，能够满足一般的调速要求，但低速带载能力有些差强人意，须对定子压降实行补偿。
●恒E_g / ω₁ 控制是通常对恒压频比控制实行电压补偿的标准,可以在稳态时达到Φm = 恒值，从而改善了低速性能。但机械特性还是非线性的，产生转矩的能力仍受到限制。
●恒 E_r / ω₁ 控制可以得到和直流他励电机一样的线性机械特性，按照转子全磁通Φrm恒定进行控制，即得E_r / ω₁ = 恒值，而且，在动态中也尽可能保持Φrm 恒定是矢量控制系统的目标，当然实现起来是比较复杂的。

3.基频以上恒压变频时的机械特性

当角频率提高时，同步转速随之提高，最大转矩减小，机械特性上移，而形状基本不变，如图所示。由于频率提高而电压不变，气隙磁通势必减弱，导致转矩的减小，但转速升高了，可以认为输出功率基本不变。所以基频以上变频调速属于弱磁恒功率调速。

（2）交-交变压变频器
交-交变压变频器只有一个变换环节，把恒压恒频的交流电源直接变换成VVVF输出，因此又称直接式变压变频器。 有时为了突出其变频功能，也称作周波变换器。
常用的交-交变压变频器输出的每一相都是一个由正、反两组晶闸管可控整流装置反并联的可逆线路, 也就是说，每一相都相当于一套直流可逆调速系统的反并联可逆线路。

●交-交变压变频器的控制方式——整半周控制方式
正、反两组按一定周期相互切换，在负载上就获得交变的输出电压 u₀。u₀的幅值决定于各组可控整流装置的控制角α，u₀的频率决定于正、反两组整流装置的切换频率。如果控制角一直不变，则输出平均电压是方波

2.电压源型逆变器和电流源型逆变器

在交-直-交变压变频器中，按照中间直流环节直流电源性质的不同，逆变器可以分成电压源型和电流源型两类，两种类型的实际区别在于直流环节采用怎样的滤波器。
●在交—直—交变压变频装置中，当中间直流环节采用大电容滤波时，直流电压波形比较平直，在理想情况下是一个内阻抗为零的恒压源，输出交流电压是矩形波或阶梯波，这类变频装置叫做电压源型变频器。
●当交—直—交变压变频装置的中间直流环节采用大电感滤波时，直流电流波形比较平直，因而电源内阻抗很大，对负载来说基本上是一个电流源，输出交流电流是矩形波或阶梯波，这类变频装置叫做电流源型变频器。
●电压源型和电流源型逆变器性能比较

●注意：必须防止同一桥臂的上、下两管同时导通，否则将造成直流电源短路，谓之“直通”。
在换流时，必须采取**“先断后通”的方法，即先给应关断的器件发出关断信 ，待其关断后留一定的时间裕量，叫做“死区时间”**，再给应导通的器件发出开通信 。死区时间的长短视器件的开关速度而定，器件的开关速度越快时，所留的死区时间可以越短。
为了安全起见，设置死区时间是非常必要的，但它会造成输出电压波形的畸变。

（2）120°导通型控制方式
定义：换流是在不同桥臂中同一排左、右两管之间进行的。
每个开关器件一次连续导通120°，在同一时刻只有两个器件导通。开关导通顺序：61-12-23-34-45-56-61。如果负载电机绕组是Y联结，则只有两相导电，另一相悬空。

（3）二者对比
●在120°方式中，在同一时刻只有两个器件导通，上下两管之间有60°的间隙，对换流的安全有利，但是管子的利用率较低，并且若电机采用星形接法，则始终有一相绕组断开，在换流时会引起较高的感应电势，应采取过电压保护措施。
●而180°导通方式在同一时刻有三个器件导通，无论电动机在三角形还是星形接法时，正常工作都不会产生过电压，因此对于电压型逆变器，180°导通方式应用较为普遍。

四、变压变频调速系统中的脉宽调制(PWM)技术

（3）SPWM控制方式：
●单极性控制方式：如果在正弦调制波的半个周期内，三角载波只在正或负的一种极性范围内变化，所得到的SPWM波也只处于一个极性的范围内，叫做单极性控制方式。
●双极性控制方式：如果在正弦调制波半个周期内，三角载波在正负极性之间连续变化，则SPWM波也是在正负之间变化，叫做双极性控制方式。

2.电流滞环跟踪PWM(CHBPWM)控制技术

应用PWM控制技术的变压变频器一般都是电压源型的，它可以按需要方便地控制其输出电压，为此前面的SPWM控制技术都是以输出电压近似正弦波为目标的，但是，在交电流电机中，实际需要保证的应该是正弦波电流，因为在交流电机绕组中只有通入三相平衡的正弦电流才能使合成的电磁转矩为恒定值，不含脉动分量。因此，若能对电流实行闭环控制，以保证其正弦波形，显然将比电压开环控制能够获得更好的性能。由此我们引入电流滞环跟踪PWM控制技术。
（1）电流滞环跟踪控制的原理
图中，电流控制器是带滞环的比较器HBC，环宽为2h。将给定电流 i*_a 与输出电流 i_a进行比较，电流偏差 Δi_a超过时 ±h，经滞环控制器HBC控制逆变器 A相上（或下）桥臂的功率器件动作。

（2）电压与磁链空间矢量的关系
三相对称定子绕组由三相平衡电压供电时，每一相都可以写出一个电压平衡方程式。将这三相的电压平衡方程式相加，即得用合成空间矢量表示的定子电压方程式为 u_s = R_si_s + dΨ_s / dt，当电动机转速不是很低时，定子电阻压降在式（6-40）中所占
的成分很小，可忽略不计，则定子合成电压与合成磁链空间矢量的近似关系为 u_s = dΨ_s / dt，或 Ψ_s = ∫ u_sdt + Ψ_s(0)
●磁链运动轨迹：当电动机由三相平衡正弦电压供电时，电动机定子磁链幅值恒定，其空间矢量Ψs以恒速旋转，磁链矢量顶端的运动轨迹呈圆形（一般简称为磁链圆），即 Ψ_s = Ψ_me^jωt。
联立上式，得 u_s ≈ jωΨ_me^jωt = ωΨ_me^j(ωt + π/2)^，上式表明，当磁链幅值一定时，u_s的大小与ω（或供电电压频率f1）成正比，其方向则与磁链矢量正交，即磁链圆的切线方向。
●磁场轨迹与电压空间矢量运动轨迹的关系：如下图所示，当磁链矢量Ψ_s在空间旋转一周时，电压矢量 u_s 也连续地按磁链圆的切线方向运动2π弧度，其轨迹与磁链圆重合。这样，电动机旋转磁场的轨迹问题就可转化为电压空间矢量的运动轨迹问题。

五、基于异步电动机稳态模型的变压变频调速

风机和水泵等负载，并不需要很高的动态性能，只要在一定范围内能实现高效率的调速就行，因此可以只根据电机的稳态模型来设计其控制系统。依据前述异步电机的稳态数学模型来实现电压-频率协调控制，可以采用转速开环恒压频比带低频电压补偿的控制方案，这就是常用的通用变频器控制系统。如果要求更高一些的调速范围和起制动性能，可以采用转速闭环转差频率控制的方案。

1.一种典型的数字控制通用变频器

●主电路——由二极管整流器UR、PWM逆变器UI和中间直流电路三部分组成，一般都是电压源型的，采用大电容C滤波，同时兼有无功功率交换的作用。
●限流电阻——为了避免大电容C在通电瞬间产生过大的充电电流，在整流器和滤波电容间的直流回路上串入限流电阻（或电抗），通