鼠笼异步电动机变频调速.docx

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1、第 5 章鼠笼型异步电动机变频调速原理应交流电动机无级调速的需要诞生了变频技术，交-直-交（AC-DC-AC）变频电路是一 种应用最广和最具有发展前景的交流调速方法。例如，在煤矿井下使用的交流电牵引采煤机的牵引系统、交流运煤车的牵引系统等，都采用变频调速控制。到目前为止，变频电路应用的电力电子器件有D（电力二极管）、SCR（晶闸管）、GTO（门极可关断晶闸管）、GTR（电力晶体管）、IGBT（绝缘栅双极型晶体管）和智能模块 IPM（Intelligent Power Module）等，而IGBT 应用的最多。IGBT 的工作频率可在 10kHZ20kHZ 之间，与GTR（工作频为 2kHZ 以

2、下）相比，工作频率高出一个数量极，IGBT 的电流浪涌耐量、导通电流密度、栅极驱动功耗等各相指标均已超过 GTR。新一代的变频器上，其逆变电路部分基本上由 IGBT 所占据。整流部分有采用D，SCR 或IGBT 的。IGBT 在低压变频器中，380V 级，可达 540kVA；600V 级，达 700kVA，Z最高输出频率可达 400HZ650H ，能对中频电动机进行调频控制；3kV/6.3kV，最大容量可达 7000kVA。IPM 智能功率模块，是以IGBT 为开关器件，同时含有驱动电路和保护电路的一种功率集成器件，其上的保护功能有过电流、欠电压、过电压和过热等，还可以实现再生制动。5.1 变

3、频调速的基本概念1. VVVF 控制从变频器控制方式的发展来看，经历了3 代的研发过程。VVVF 控制是第 1 代变频器，290采用恒压频比U/ f 的控制方式。由异步电动机转速方程 n = (1- s )60 f1 （电动机轴输n11p出的转速； s 为转差率； f 为电源的频率； p 是电机的磁极对数）可以看出，改变电源的1频率 f 就可调节异步电机的转速。但是，由三相异步电动机定子每相电压方程的有效值1U E = 4.44 f N kf （U 为定子每相绕组相电压；E 为气隙磁通在定子每相绕组中感1111 N 1 m11应电动势的有效值； N 定子每相绕组串联匝数； k基波绕组系数；f

4、为每极气隙磁通）1N1m看出，在U ， N ， k确定的条件下，调节 f 时磁通f 发生变化，当 f （增加）f 11N11m1m（减小）电磁转矩T 电机拖动负载的能力减弱；当 f f虽然电磁转矩T 有所1m增大，但铁芯饱和励磁电流电机过热，严重时会烧坏电机，这是不允许的。采用“U1 / f1 =常数”的控制方式，在改变频率的同时控制变频器的输出电压，这样使电动机的磁通保持一定，在一定的调速范围内运行，电动机的效率、功率因数都不会下降。但是，改变U1 / f1 只能调节电动机的稳态磁通和转矩，为了提高电动机低频时的电磁转矩， 通常采用提升电压以及随负载变化补偿电动机定子绕组压降的办法来控制。也

5、就是说，在低频时适当提高电压，而U1 / f1 不为常数。通常把上述变频变压的控制方式，俗称 VVVF 控制。这种控制方式在交流电牵引采煤机的变频器上具有一定的应用。由于VVVF 控制未引入转矩的调节，所以系统的性能没有得到根本性的改善。所以科学家们研发了第 2 代变频器，即矢量控制的变频器。2. 交流电动机的矢量控制及优缺点异步电动机的矢量控制，是第2 代变频器主要特征。矢量控制，又称磁场定向控制，它是 20 世纪 70 年代初，德国 F.Blasschke 科学家首先提出的，其原理是控制异步电动机的转子磁链，以转子磁通定向，然后分析定子电流，使之成为转矩和磁场两个分量，经过坐标变换实现正交

6、或解耦控制，最后转换成了等效的直流电机调速系统，实现交流异步电动机的无级调速，这是最大的优点。矢量控制方法的主要缺点是： 交流电动机的转子磁链难于准确观测。 系统特性受电动机参数的影响较大。 在等效直流电动机控制过程中，所用矢量旋转变换较复杂。 装设检测电动机转速信号的传感器。有些产生机械的电动机装设速度传感器是不大方便的。因此，进一步提出无速度传感器矢量控制方法，它是根据异步电动机实际运行的相电压和相电流，以及定子、转子绕组参数推算出转速的观测值，进而计算出转子磁链和转矩电流的观测值，以实现磁场定向的矢量控制。由于转速观测值和转矩电流的观测值的精度，受所用计算参数与电动机实际运行参数之间偏差

7、的影响，无速度传感器矢量控制调速精度和调速范围，均低于带转速传感器的矢量控制系统。但是，无速度传感器的矢量控制系统，不需要装设转速传感器，使用方便。仍然受到很多用户的欢迎。异步电动机的矢量控制，虽然存在一些不足，但是对于三相交流电动机的无级调速，具有划时代的重要意义。3. 电动机的直接转矩控制方式电动机的直接转矩控制方式的变频调速装置，也可以称为第3 代变频器。直接转矩控制思想于 1977 年 A.B.Piunkett 在 IEEE 杂志上首先提出，1985 年德国鲁尔大学的德彭布罗克（Depenbrock）教授首次取得了实际应用的成功，接着1987 年把它推广到弱磁调速范畴。直接转矩控制在很

8、大程度上解决了矢量控制中计算复杂、特性易受电动机参数变化的影响， 实际性能难以达到理论分析结果的一些重要问题。直接转矩控制的原理是以交流电动机的转矩作为被控制量，强调转矩的直接控制效果。用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系下计算与控制交流电动机的转矩，采用定子磁场定向法，借助离散的两点式调节（Band-Band）控制产生 PWM（脉冲宽度调制方式）信号， 直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能。它省去了复杂的矢量变换运算与电动机数学模型的简化处理过程，控制结构简单，控制手段直接。这种控制系统转矩响应快，控制精度高。直接转矩控制系统的主要特点： 在定子坐标系下分析交流电动机

9、的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。与矢量控制相比较，所需要的信号处理工作比较简单。 磁场定向采用的是定子磁链轴，只要知道交流电动机定子电阻，就可以把它观测出来，大大减少了矢量控制技术中控制性能易受参数变化的影响。 采用空间矢量的概念，来分析三相交流电动机的数学模型和控制各物理量。 直接转矩控制强调的是转矩的直接控制效果。4. 变频器控制方式的发展趋势 数字控制变频器。变频器的数字化控制方式，目前采用单片机 MCS51 或 80C196MC等，辅助以SLE4520 或EPLD 液晶显示器来实现控制功能，将来的控制功能更加完善、寿命更长，可靠性更高。 多种控制方式的组合。例如将学习控制与神经网络

10、相结合，自适应控制与模糊控制相结合，直接转矩控制与神经网络控制相结合等，这样取长补短，控制效果更优秀。 实现过程控制。依靠计算机网络进行过程控制及维护。 绿色变频器。现在的变频器产生的高次谐波对电网有一定的污染，而且工作时产生一定的噪声，工作的可靠性和安全性不是很理想。人们试图设计出性能更加完善的变频器， 称为绿色变频器。5. 变频器结构的发展趋势主电路与控制电路一体化，结构小型化，低电磁噪音静音化，专门化，系统化等。6. 异步电动机变压变频调速特性异步电动机的变频调速，特性分为两部分：（1） 恒转矩控制恒压频比： U / f =常值，的控制方式，即在电动机额定频率 f以下时采用的方式，111

11、N在频率较高时，电动机的外施电压U1近似等于气隙磁通在定子每相绕组中感应电动势E ，1定子绕组的阻抗压降可以忽略不计，即U E ， E / f U/ f =常值，保持电压U与频率1111111f 同步变化，就可以近似代替反电动势E 与频率 f 同步变化，从而确保在调速过程中，主111磁通不变，电磁转矩T 不变，即为恒转矩调速。这种控制方式称为恒压频比的控制方式。m但是在频率较低时，由于U1和 E 都比较小，定子阻抗压降与U11和 E 相比，不能忽略，1为了保证 E / f 恒定，可以人为地把U 适当抬高，来补偿定子压降。特性曲线如图 5.1 左111半部分。图 5.1 异步电动机变压变频调速控

12、制特性（2） 恒功率控制电动机在额定频率 f1N （额定转速）以上调速时，如采煤机在调度时，并不截割煤炭， 要求调车速度快些，也就是说空载牵引速度要比截割煤炭时牵引速度大的多，以提高生产效率，这时电动机的实际转速大于额定转速，即 f1 f1N ，变频调速时允许 f1 增加，而外施电压U不允许超过额定值，由式U E = 4.44 f N k f可知， f增加，迫使磁通f 与1111 1 N 1 m1m频率成反比降低。这种升速方式电动机定子电压为额定UN值不变，当频率升高时，主磁通减小，电磁转矩减小，转速升高，所以属于恒功率调速。特性如图5.1 的右半部分。5.2 变频器的分类1. 变频器根据变流

13、环节分类（1） 交-直-交（AC-DC-AC）变频器电路结构如图 5.2 所示。先将频率固定的交流电源整流成直流，再把直流逆变成频率可调的三相交流电。频率的调节范围宽，广泛应用的通用型变频器。图 5.2 交-直-交变频装置交-直-交变频装置，按控制方式的不同，电路结构又分为3 种。1） 用可控整流器整流改变电压，逆变器改变频率的AC-DC-AC 变频器如图 5.3 所示，调节电压与调节频率，分别在可控整流器上和逆变器上进行，通过控制电路的协调配合，使电压和频率在调节过程中保持压频比恒定。其优点：结构简单，控制方便。缺点是：输入环节采用可控整流形式，当电压频率较低时，输出谐波大，功率因数低。图

14、5.3 可控整流器变压，逆变器变频2） 用不控整流器整流、斩波器变电压、逆变器变频率的AC-DC-AC 变频器如图 5.4 所示。整流电路采用电力二极管整流；直流环节增加一斩波器，用于脉宽调压； 逆变器调频。恒压恒频正弦交流电经过整流环节变为恒定的直流电压，再经过直流斩波器转变为可调的直流电压，最后经过逆变环节变为电压和频率都可调，压频比恒定的交流电源， 供给交流电动机，实现调速控制。优点：输入功率因数高；缺点：输出谐波较大。图 5.4 不控整流，斩波器变压，逆变器变频3） 不控整流器整流、SPWM 逆变器变频变压的AC-DC-AC 变频器如图 5.5 所示，整流电路采用电力二极管整流，逆变电

15、路采用可关断的全控器件，称为正弦脉宽调制SPWM 型逆变器。恒压恒频正弦交流电经电力二极管整流器整流为恒定直流电压，经正弦脉宽调制SPWM 逆变器，变为电压和频率可调的正弦交流电，供给交流电动机，实现调速控制。优点：电路功率因数高，输出电压接近正弦波，谐波分量少。是目前使用最多的变频器。图 5.5 不控整流，SPWM 逆变器变频变压（2） 交-交（AC-AC）变频器电路结构如图 5.6 所示。把恒压恒频（ CVCF）的交流电直接转换成电压和频率可调（VVVF）的交流电源，转换前后相数相同。正反两组晶闸管整流装置按一定周期相互切换，在负载上得到了交变的输出电压u ， u 的幅值决定于各组晶闸管的

16、控制角，而负载电压00的频率取决于两组整流装置的切换频率。优点：过载能力强，效率高，输出波形好等；缺点： 是输出频率低，最高频率小于电网频率的1/2，使用器件多，可以驱动同步电动机或异步电动机，目前在轧钢机、船舶主传动、矿石粉碎机等低速大功率传动设备上使用较多。图 5.6 交-交(AC-AC)变频主电路2. 变频器根据直流电路的储能环节分类当逆变器所带的负载为交流电动机时，在电动机和直流电源之间将有无功功率交换，用于缓冲无功功率的中间直流环节可以是电容或电感，又称为滤波（储能）电容或电感。据此， 变频器分为电压型变频器和电流型变频器两大类。（1） 电压型变频器在 AC-DC-AC 电压型变频器

17、如图 5.7a 所示，中间直流环节的储能元件采用大电容，负载的无功功率由它来缓冲，使主回路直流电压的波形比较平直，相当于 1 个理想情况下的阻抗为零的恒压源，所以称为电压形逆变器。电动机端电压波形为矩形波或阶梯波。电压型逆变器优点：对负载电动机来讲，变频器是1 个交流电压源，可以驱动多台电动机并联运行，具有不选择负载的通用性。其缺点：不易实现回馈制动；由于能量回馈给直流中间电路的储能电容，并使直流电压上升，为防止开关元件因过电压而损坏，需要设置放电电路。(a) (b)图 5.7 电压型和电流型变频器a-电压型变频器 b-电流型变频器（2） 电流型变频器电流型逆变器中间直流环节采用大电感作为储能

18、元件，负载的无功功率由电感来缓冲， 如图 5.7b 所示，由于L 的滤波作用使直流回路的电流趋于平稳，电动机的电流波型为矩形波或阶梯形，电压波形接近于正弦波。直流电源的内阻较大，近似于电流源，所以称为电流源型（简称电流型）变频器。电流型变频器的优点：当电动机处于再生发电状态时，回馈到直流侧的再生电能可以方便地回馈到电网，便于四象限运行；直流电压可以迅速改变，故调速系统动态响应比较快。所以电流型变频器适用于频繁急加减速的大容量电动机的传动。电压型变频器与电流型变频器主要特点比较见表5.1.表 5.1 电压型与电流型AC-DC-AC 变频器主要特点比较比较项目 变频器类别中间回路滤波环节（无功功率

19、缓冲环节） 输出电压波形电压型 AC-DC-AC 变频器电容器电流型 AC-DC-AC 变频器电抗器矩形波输出电流波形输出阻抗回馈制动调速动态响应 对开关器件要求适用范围决定于负载，对于异步电动机近似为正弦波决定于负载功率因数，有较大的谐波分量 矩形波小大需在电源侧设置反并联逆变器方便，主回路不需要附加设备较慢快关断时间要短，对耐压要求一般较低耐压高，对开关时间无特殊要求多电动机拖动，稳频稳压电源单机拖动，可逆电源3. 变频器根据控制方式分类（1） U/f 控制对变频器输出电压和频率进行控制，即U/f=常值，称为变压变频控制（VVVF）。在基频（f1N为电动机电源的额定频率）以下以恒转矩调速，

20、基频以上为恒功率调速。低频时适当提高输出电压U，来补偿由于电动机定子绕组压降的影响，使电机气隙磁通基本保持不变； 在基频以上，使变频器输出电压保持在额定电压下，频率升高时，主磁通减小，电磁转矩减小，实现恒功率控制。也就是说，U/f=常值的控制，是在基频以下频率的一个区段内实现的。见图 5.1。U/f 控制的变频器，结构简单，不需要转速传感器，为速度开环控制，通用性强，负载可以使用通用的交流电动机，但控制精度不高。（2） 转差率控制是在 U/f 控制的基础上，增加了转速反馈信号，实现的闭环控制。根据电动机转速传感器检测的信号，求出转差率或转差角频率，再把它与转速设定值叠加，作为变频器的频率设定控

21、制信号，是一种直接控制转矩的控制方式，对电动机急速加减和负载变动具有良好的动态响应。但是，这种控制方式需要增加转速传感器，通用性较差。（3） 矢量控制矢量控制的主要目的提高变频系统的动态性能。它是根据交流异步电动机的动态数学模型，利用坐标变换手段，将交流电动机定子电流分解成磁场分量电流和转矩分量电流，并分别加以控制，也就是说模仿直流电动机的控制方法对三相交流异步电动机控制，获得类似于直流电动机的调速性能。具有转速闭环控制性能优于开环控制系统。但是闭环控制系统需装设转速传感器，其应用受到一定的限制。矢量旋转变换复杂，使实际控制效果达不到理想分析的结果。（4） 直接转矩控制直接转矩控制是检测定子电

22、流和电压值，以定子磁链作为被控制对象，通过磁链观测器和转矩观测器计算出定子磁链和转矩值，与给定的定子磁链和转矩值相比较，得到磁链偏差值和转矩偏差值，根据偏差值的情况确定逆变器 6 个开关器件的通/断状态，使实际输出值等于给定值。与矢量控制相比，计算简单，简化了控制结构，控制性能不易受参数变化的影响，控制精度大为提高，是理想的变频调速控制方式。（5） 矩阵式变频控制矩阵式变频控制是交-交变频方式，没有中间直流环节，采用全控型开关器件，直接把固定频率和固定电压的交流电源，变为另一种频率的交流电源，优点是输入电流可控制为正弦波，且和电压同相，系统功率因数等于1，也可控制为所需要的功率因数。其输出电压

23、也为正弦波，输出频率不受电网频率的限制，能量可双向流动，适合于交流电动机四象限运行。矩阵式变频控制的方式采用的是斩控方式。矩阵式变频电路在性能上相当优良，其缺点是电路复杂，需要的开关元件多，每相至少需要 9 个全控器件，3 相则至少需要 18 个全控器件，第个器件还要并联 1 个电力二极管， 控制也较为复杂。目前，这种电路还未进入实用阶段。4. 变频器按电压的调制方式分类在变频调速过程中，为保证三相异步电动机主磁通不变，需要逆变器输出电压和频率同时调节，对输出电压的调节主要有两种方式，即PAM（脉冲幅值调制）方式和PWM（脉冲宽度调制）方式。（1） PAM（脉冲幅值调制）方式PAM 调制方式是

24、通过改变直流电压的幅值来实现调压的。如图 5.8 所示，变频器中，输出电压的调节由直流斩波器（或相控整流器）通过调节直流电压Ud的幅值来实现；而输出频率则由逆变器控制。采用直流斩波器调压时，供电电源的功率因数，在不考虑谐波影响时，可达到1；而采用相控整流器调压时，供电电源的功率因数随调节电压的变化而变化。图 5.8 采用直流斩波器的 PAM 方式a-主电路结构 c-输出高电压 b-输出低电压（2） PWM（脉冲宽度调制）方式PWM 调制方式常见的主电路如图5.9 所示。(a) (b)图 5.9 SPWM 变频器电路及波形a-PWM 主电路 b-与正弦波等效的等幅矩形脉冲序列波PWM 调制方式的

25、特点是变频器在改变输出频率的同时，也改变了电压的占空比，即改变了输出电压的幅值。也就是说，通过改变脉冲的宽度来改变输出电压的幅值，通过改变调制周期可以控制其输出频率。在脉宽调制中，若脉冲系列的占空比遵循正弦规律，则输出电流的波形接近于正弦波，称为正弦波脉宽调制，简称SPWM。换句话说，SPWM 逆变器输出的电压是正弦波，可以把 1 个正弦波分为 N 等份，如图b 中N=12 份，把每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积，都用1 个与此面积相等的等高矩形脉冲代替，矩形脉冲的中点与正弦波每一等份的中点重合，这样由 N 个等幅而不等宽的矩形脉冲所组成的波形与正弦波的半周等效；正弦波的负半周也用同样的方

26、法来等效。由于各脉冲的幅值相等，所以，逆变器可用恒定的直流电源供电，这样AC-DC-AC 变频器中的整流器可用电力二极管整流，整流器输出的直流电压就是逆变器输出脉冲的幅值。在理想状态下，驱动逆变器开关器件的控制信号，应与图 b 形状相似的一系列脉冲波形，这一系列脉冲波可用调制的方法获得。变频器采用PWM 控制方式，除了上述正弦 SPWM 控制方式外，还有梯形 TPWM 控制方式和鞍形SAPWM 控制方式等。5. 变频器按功能分类（1） 通用变频器。主电路采用电压型逆变器，具有与标准电动机配合使用的通用性， 可获得良好的传动性能，所以应用范围广泛。（2） 高性能专用变频器。它是为专门用途而设计的

27、，应用于专用或特种机械设备上。6. 变频器根据输入电源的相数分类（1） 单相变频器。单相变频器又称为单进三出变频器，变频器输入单相交流电，输出阻抗为三相交流电，主要用于家用电器上，容量较小。（2） 三相变频器。又称为三进三出变频器，变频器输入三相交流电，输出三相交流电， 大多数变频器属于此类。7. 变频器根据主开关器件分类（1） IGBT（绝缘栅双极型晶体管）变频器。变频器的逆变桥或逆变电路采用IGBT 开关器件，电流波形接近正弦波，电动机转矩脉动小，低速转矩大。用于矢量控制时，响应更快。（2） SCR（晶闸管）变频器。属于电压源型，具有不选择电动机的通用性，可以多电动机并联运行，当然变频器容

28、量必须满足要求。在确保换流能力足够的条件下，过载能力强。（3） BJT（双极型功率晶体管）变频器。BJT 变频器与SCR 相比，体积小，重时轻， 不需要换流电路，开关效率高。适用于高频变频和 PWM 变频；也适用于矢量控制，响应快。（4） GTO（门极可关断晶闸管）变频器。与 BJT 相比较，GTO 变频器电压和电流等级高，适用于高电压大电流应用场合。与SCR 相比较，开关频率高，可进行PWM 控制， 低速性能有所提高，控制系统简单。目前，在煤矿采掘机械上应用最多的是IGBT 变频器。8. 变频器调速电动机要解决的问题（1） 电机温升问题。变频器供电，电动机谐波分量增加，温升提高，生产机械与电

29、动机功率的正确匹配。（2） 电动机低速运行时的散热问题。对于调速范围较宽，低速时电动机散热不良，电动机温度升高，设置采用独立风扇冷却。（3） 电动机的绝缘问题。采用滤波技术或加强绝缘。如美国 Phelps Donge 公司等线缆厂已经研制出耐高脉冲电压的电磁线；美国GE 公司和 Reliance 公司等均已生产采用新型电磁线的电动机，可适用于IGBT 变频器供电的场合。（4） 轴承电流问题。对于100kW 以上的IGBT 变频器供电的电动机，电流波形中相当多的谐波分量产生的谐波磁场，交变的谐波磁场产生感应电流，这些感应电流除了通过变频器与电机绕组形成回路外，还要通过定子绕组、铁芯、转轴、端盖、

30、机座和地线之间形成寄生电流回路，当电流的谐波分量较大时，轴承电流可达数十安/mm2。例如，当电动机拖动负载机械振动时，轴承旋转过程中润滑膜局部地方瞬间破坏，谐波电流集中该处放电，从而引起电弧，灼伤轴承滚道表面，从而引起轴承损坏。因此，对于150kW 以上的电动机应采用限制轴承电流的措施来处理轴承电流问题。（5） 性能测试问题。由于电压电流波形中存在着大量高次谐波，因此测量仪表的精度问题较为突出。提高测试变频器仪表的采样频率来解决。目前，IEC 的相关实验标准中明确规定了 10 倍采样频率的要求。例如，对于IGBT 变频装置，若采用 20kHZ 的载波频率，则测试仪表的采样频率至少要在 200k

31、HZ 以上，才能保证一定的测量精度。5.3 异步电动机变频运行原理1. 异步电动机用工频电源驱动时机械特性由电机学可知异步电动机的机械特性，转矩方程为：sR U 2n - npnfT = K2 1； f = 00 = sf ； s = 2 f R2 + (sX )2 2n601f122001如果将电动机转子回路的阻抗折算到定子侧，经计算后，就可得到三相感应电动机电磁转矩T 的通用表达式：R m pU 2 2T =11 sR 2（5.1）2p f R + 2 + (X+ X )2 1 1s s 1s 2式中R 折算后转子每相电阻； X 折算后转子每相的电抗； m 定子绕组相数； p 电动2s21

32、n - n机的极对数；U每相定子绕组电压； s 转差率， s = 0100% ； f 加于定子绕组电源1n10的频率； R 定子绕组的每相电阻； Xs 定子绕组漏磁阻抗。11最大转矩T 的求取：式（5.1）对 s 求导,令 dT = 0 ，即可求得产生最大转矩Tmdsm率 s ，也称为临界转差率mR的转差R2 + (X+ X )221s 1s 2s = m（5.2）将式（5.2）代入式（5.1），即可求得最大转矩Tm4p f R +R2 + (X111 1+ X )2 1s 1s 2T = mm pU 2（5.3）T 是感应电动机可能产生的最大转矩，如果负载转矩大于最大转矩，则电动机将因为承m

33、担不了而停转。为了保证电动机不会因短时过载而停转，一般电动机都具有一定的过载能力。过载能力用最大转矩Tm与额定转矩TN之比来表示：Tl= m（5.4）mTN一般感应电动机的过载能力lm=1.62.2。电动机起动转矩Tst：起动时， n =0， s =1，它是感应电动机接通电源开始起动瞬间的电磁转矩，即m pU 2 RT =11 2（5.5）st2p f (R + R )2 + (X+ X )2 1 12s1s 2由上式可知，电动机的起动转矩仅与电动机本身参数、电源电压及频率有关，而与电动机所带的负载无关。电动机的额定转矩TN，即为轴输出的在额定负载下的转矩，即T = 9550NN（ N m ）

34、（5.6）PnN式中PN为额定功率（kW）； nN额定转速（r/min）。用工频电源驱动时，对于定子电压 U 来说，定子阻抗压降很小，可以认为定子电压1U E （定子一相绕组感应电势），作出工频电源驱动时的机械特性如图5.10 所示。11图 5.10 工频电源驱动时异步电动机的机械特性由图可知，机械特性基本是以同步转速n 点为中心对称，超过同步转速时，电动机处于0发电运行状态，将电能反馈给电源。启动时从转差率s =1 的点沿着箭头方向加速，在与负载转矩TL的交点A 点达到平衡，设负载转矩为额定转矩，则A 点为额定工作点，对应的转速为额定转速n 。 I 为电动机启动电流曲线。N12. 异步电动机

35、用变频电源驱动时机械特性分为基频（工频）以下和基频以上两种情况。（1） 基频以下频率的机械特性对于同一负载转矩TL，可以证明，电动机的转速降Dn = n0- n （ n0为同步转速； n 为电动机的转速）随频率的变化基本不变。也就是说，在恒压频比控制方式下，当频率由基频向下调节时，电动机的机械特性曲线基本上是平行下移的，即随着频率的向下调节，机械特性是一簇平行下移的曲线，如图 5.11a 所示。由式（5.3）看出，在恒压频比控制方式下，机械特性的最大转矩Tmax随着频率的降低而减小，图 5.11a 中的实线所示，这将限制了调速系统的带负载能力。而且启动转矩（启动时 s =1， n =0）在频率

36、很低时变的很小，影响电动机的启动性能。为此，在低频时采用定子压降补偿控制法，适当提高电压U ，获得转矩1提升，以改善低频时的机械特性，如图5.11a 中的虚线所示（a）（b）图 5.11 异步电动机变频电源驱动时的机械特性a-基频以下机械特性（恒转矩调速） b-基频以上机械特性（恒功率调速）（2） 基频以上时的机械特性普通异步电动机电源电压是不能超过额定电压UN的，采用恒压频比控制方式时，也可以证明，机械特性曲线是一簇平行上移的曲线，由式(5.3)可知，最大转矩Tmax随着频率的f1升高而下降。换句话说，只要能保持U /1=常值，就可以比较准确地实现恒功率调速。特性曲线如图 5.11b 所示。

37、5.4 交-直-交变频调速原理变频器是对交流电动机实现无级调速的装置，它将电源的恒压恒频交流电变换成电压可调频率可变的交流电，来控制交流电动机的调速。将变频器的分类大致归纳为：单相按相数分三相交-交变频器按环流情况分有环流（AC-AC）无环流按输出波形分正弦波变频器方波按直流电路储能环节分 电流型电压型交-直-交变频器按调压方式分脉冲幅值调制相位控制调压（AC-DC-AC）（PAM） 直流斩波调压脉冲宽度调制（PWM）在煤矿井下采掘机械中，交流牵引装置大多数采用的是PWM 调制方式，而且PWM 逆变电路几乎都是电压型电路，下面仅对电压型PWM 逆变电路的控制方法作一介绍。1. PWM（脉冲宽度

38、调制）三相电压型逆变器主电路结构及特点图 5.12 为三相电压型PWM 逆变器主电路结构，电感Ld 起限流作用，电感量较小，大容量滤波电容 Cd 使直流输出电压具有电压源特性。由于逆变器的输入电压恒定，所以交流输出电压被钳位为矩形波，与负载性质无关。而交流输出电流的波形和相位由负载功率因数确定。图 5.12 三相电压型 PWM 逆变器的基本电路图中S1S6 是 6 个具有单向导电性的半导体全控型功率开关器件，这 6 个全控型功率开关器件可以是GTR（功率晶体管）或IGBT（绝缘栅双极晶体管）等。每个功率开关器件上反并联 1 个续流二极管，为负载的滞后电流提供一条反馈到电源的通路。开关器件 S1

39、S6按照一定的规律进行通断控制，逆变器就会输出幅值不变宽度可调的三相正负半周的脉冲序列，即形成调频调压的三相交流电。PWM 逆变器的主要特点是：主电路每个桥臂只用1 个全控功率器件，开关元件少；主回路采用电力二极管整流，交流电源侧功率因数高；变频变压在同一环节实现，与中间储能元件无关，变频器动态响应快；适当选择PWM 控制方式，可以抑制或消除谐波，减小转矩的脉动，使逆变器输出的脉冲列形成的交流电流接近正弦波。2. PWM（脉冲宽度调制）的基本思想及实现（1） PWM 控制方式的基本思想是：1） 把图 5.13a 正弦半波分成N 等份，就可以把正弦半波看成是由N 个彼此相连的脉冲序列组成的波形，

40、这些脉冲宽度相等，都等于 /N，但幅值不等，且脉冲顶部是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。2） 如果把上述脉冲序列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积相等，就得到图5.13b 所示的脉冲序列。这就是PWM 波形。可以看出各脉冲的幅值相等，而宽度是按正弦规律变化的。3） 根据面积相等的原理，上述 PWM 波形和正弦半波是等效的。同理，对于正弦的负半波也可以用同样的方法得到PWM 波形。像这种脉冲的幅值相等而宽度按正弦规律变化，又和正弦波等效的PWM 波形，也称为SPWM 波形。图 5.13 PWM 调制方式逆变器

41、输出电压,电流波形a-正弦电压波形 b-逆变器输出电压（2） SPWM 逆变电路的控制思想的实现1） 控制思想：把希望输出的波形作为调制信号，称为调制信号波；把接受调制的信号作为载波，通过信号波的调制得到期望的SPWM 波形。2） 实现方法：计算载波和信号波的交点，来控制逆变电路的开关器件的通断，使逆变器输出波形得到所期望的SPWM 波形。3） 载波和调制信号波：用等腰三角波作为载波信号（也可以用锯齿波），其特点是，等腰三角波上任一点的水平宽度和高度成线性关系，且左右对称。当它与任何 1 个平缓变化的调制信号波相交时，如果在交点时刻对逆变电路中的开关器件的通断进行控制，就可以得到宽度正比于信号

42、波幅值的脉冲，即恰好符合 PWM 控制的要求。调制信号波为正弦波时，所得到的就是SPWM 波形。这种调制方式应用最广。（3） 单相桥式SPWM 逆变电路，单极性SPWM 控制方式的实现这个问题的提出，是为了便于理解三相桥式电压型SPWM 逆变电路控制原理的。单相桥式电压型PWM 逆变电路如图 5.14a 所示，阻感负载，主开关管 VT1VT4 为 IGBT管，工作时VT1 和VT2 的通断状态互补，VT3 和VT4 通断状态也互补。（a）（b）图 5.14 单相桥式 SPWM 逆变电路及波形a-单相桥式 SPWM 逆变电路 b-单极性 SPWM 控制方式波形图012341） 控制规律。输出电压

43、 u 在正半波，让 VT 保持通态，VT 保持断态；VT 和 VT 交1替通断，且工作在几 kHZ 的高频状态下。输出电压 u0 在负半波，让 VT2 保持导通，VT 保和40持断态；VT3VT 交替通断；由于是阻感负载，所以负载电流i 滞后于负载电压。也就12rZ34是说，VT ，VT 的通断是按调制信号 u 的频率进行，通常为 0120H ；VT ，VT 的通断是按载波信号电压 uc 的频率进行控制，通常载波频率为几 kHZ；逆变器输出交流电的频率等于调制信号频率。000在 u 电压正半波，负载电流i 有一段区间为正，一段区间为负。在负载电流i 为正的区间，VT 和 VT 导通时，负载电压

44、 u 等于直流电压 U ；VT 关断时，负载电流通过 VT140d41和 VD 续流，u =0。在负载电流为负区间，仍为VT 和 VT 导通时，因负载电流i 为负，301401和034故i 0实际上从VDVD 流过，也就是续流，仍有u =U；VT4 关断，VT 开通后，负载电流i 0从VT3VD 续流，u =0。这样，u0 总可以得到Ud 和 0 两种电平。和0d21341同样道理，在u0 的负半波，让VT 保持导通，VT 保持断态；VT 和VT 交替通断，负载电压uO 可得到-U 和 0 两种电平。44r2） 单极性 PWM 控制方式。控制VT3 和 VT 管的通断方法如图 5.14b 所示。调制信u 为正弦波，载波信号uc 在调制信号ur 的正半波为正极性的三角波，在ur 的负半波为负极性的三角波。ur 和uc 的交点时刻控制VT3，VT （IGBT）的通断。24在调制信号电压ur 的正半波，VT1 保