现代交流电机控制技术基础

而交流电动机（主要指笼式异步电动机和 同步电动机）主要用于不需要变速的电力 传动系统中. 原因是: （1）不论是异步电动机还是同步电动机， 唯有改变定子供电频率调速最为方便，而 且可以获得优异的调速特性。而大容量的 变频电源却在长时期内没有得到很好的解 决；
(2)异步电动机和直流电动机不同，它只 有一个供电回路—定子绕阻，致使其速度 控制比较困难，不像直流电动机那样通过 控制电枢电压或控制励磁电流均可方便地 控制电动机的转速。
4.我们的机遇与挑战
电力电子与运动控制： 传统产业通向信息社会的桥梁与纽带。

中国正在成为世界电动机的生产基地，机遇与挑战？
• 可持续发展战略下，电机系统节能的巨大市场： 美国： 电动机进步，节电246亿kWh/年 变频供电，节电 606亿kWh/年 中国： 500亿/年的市场，1000亿kWh/年 • 变频调速对电动机发展的推动作用
Power Electronics
G：新型交流电机的出现丰富和推动了交流电 机的应用 （1）无刷直流电机，亦称无换向器电机，70 年代在国外得到应用，它是未来电动汽车等的 首选电机——本质上是同步电动机 （2）开关磁阻电动机，也是70年代兴起的，它 在国外发展迅猛，大有和异步电动机、同步电动 机三分天下之趋势。
E：微电子技术发展极大促进了交流电机调速 技术的发展和应用。
模拟和数字电子技术、集成电路、大规模和超 大规模集成电路、单板机、单片机、 DSP、专 用芯片等等
F：电力电子技术发展为交流电机调速发展和 应用打下坚实的基础 第一代、第二代、第三代等等
Industrial
Communications Computer Consumer Car
压频比恒定控制 转差频率控制 矢量控制
直接转矩控制
1.3
交流电机控制技术的发展趋势
以省电为目的：改原来交流不调速为 交流调速 以减少维护为目的：改直流调速为交 流调速 原直流调速达不到的领域：大功率、 高压、高速场合应用交流调速系统
1 ．现代控制理论的成果在交流电机控制 系统中应用
包括：解耦控制方法、非线性状态反馈、 自适应控制方法、控制、智能控制等等。 因为：我们有了高速发展的微电子技术这 个强有力的工具。
B：直流电机存在严重缺陷：机械接触式换向器
直流电动机致命的弱点：机械式换向器 它给直流传动的应用带来了限制： （1）换向器表面线速度及换向电流、电压有 一极限容许值，约束了单台电机的转速和功率 上限，超过这一极限时就只能采取多电枢方案， 这就增加了电机制造的难度和成本以及调速控 制系统的复杂性。有些特高转速和特大功率的 场合则根本无法用直流电机方案来实现。
4、控制电路

是变频器的核心。
A. 输出电压调节方式:
1)PAM方式：脉冲幅值调节方式（Pulse
Amplitude Modulation--PAM）是通过改变直
流侧的电压幅值进行调压的
2)PWM方式：变频器中的整流器采用不可
控的整流二极管整流电路。变频器
的输出电压和输出频率均由逆变器 按PWM方式调节。
B. 导通模式:
1)
180导通模式:任意时刻有三个管子同时
导通（每个桥臂上有一个管子），换流是在同 一桥臂内上下两个管子之间进行的，不会过电 压，但可能直通。
2)
120导通模式:同一桥臂中的两个管子之
间存在30的导通间隔，因而避免了直通的短路 事故发生。
C. 变频器的控制方法:
转子串电阻，浪费大量能量，很不经 济，若用电源代替电阻，即在转子回路中串 入一个与转子回路频率相同的交流附加电势 E2来取代电阻。
E 3I 2 2
P
产生附加电势 E
2
装置
I2
串级调速原理图
（1）当E2与转子电流同相，E2相当于一个负 电阻，电能输入到电机，电机转速升高；
（2）当E2与转子电流反相，E2相当于一个电 阻，电能从电机流到电网，电机转速降低；
现代交流电机控制技术基础
控制科学与工程系自动化研究所 沈安文 87541547（O） shenanwn@public.wh.hb.cn
第一章 概 论
1.1 交流电机调速技术的发展
1.需要对电机进行调速
A：运行、生产、工艺的需要
高质量的生活，需要高性能的电机调速； B：节能的需要。
2.需要对交流电动机进行调速 A：长期以来，电机调速以直流电机为主 20世纪70年代以前，凡是要求调速范围广速度 控制精度高和动态响应性能好的场合，几乎全 都采用直流电动机调速系统。 原因： 直流电动机易于控制，改变电机的输入电压 或励磁电流，就可在范围内实现无级调速。 交流电机的电流和转矩特性不是固定的，不 易控制 。
三相可逆PWM整流器
ud eL
1
0
3 0 40 80
2 120 160
2、中间直流环节
作用：储能，滤波 可分为电流源型和电压源型两大类 电流源型：

电压源型
3、逆变器
SV U W
在逆变器中定义开关函数SU、SV、SW为： T1通T4截止时SU =1，反之SU =0； T3通T6截止时 SV =1，反之SV =0； T2通T5截止时SW =1，反之SW =0。
（3）E2还可以用来调节异步电动机的功率因 数。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
D：变频调速是交流电动机最好的调速方法
（1）20世纪20年代人们就认识到了，但当时直至本世 纪50年代中期，一直几乎无法实现。
（2）20世纪50年代中期，晶闸管研制成功，不仅开创 了电力电子技术的新时代，同时也带来交流电机控制 技术发展的一个大飞跃。 （3） 20世纪70年代发展起来的矢量控制理论带交流 电机控制技术的革命，使交流电机的控制性能在理论 上和直流电机相当。 （4） 20世纪80年代的直接转矩控制方法，也对交流 电机控制技术发展发展起来推动作用。
3．交流电机调速技术的发展，使交流电机传动 实用化成为现实。
传统的交流电机可分为异步电动机和同 步电机两大类。 A.早期的交流电机调速以以下3种为主
（1）线绕式异步电机的转子外串电阻 （2）笼型异步电动机的变极调速 （3）同步电机的变极调速 后两种极对数改变有限，调速范围不大。
B：50 年代，异步电动机定子串饱和电抗器 调速方法有了一定发展。 C：串级调速的思想：
（2）由于要照顾到换向器的可靠工作，电枢及换 向器的直径一般都做的比较大，因此电机的转动 惯量就大，这对于有快速响应要求的调速场合或 是在安装场地上有尺寸要求的场合是很不利的。
（3）换向器必须定期停机检修，运行中也要经 常注意观察换向器的火花情况。因此在一些恶劣 条件下或人难以接近的工作场所，使用直流电机 就很难保证长期运行的安全性。
1) 交-交变频器（直接变频器）
用于大容量,低速调速系统, 不需减速齿轮箱. 如: 轧钢机,球磨机,水泥回转窑等.
2) 交-直-交变频器（间接变频器）
主要适用于：中小功率、转速较高、负载较平稳的场合， 如：压缩机、挤压机、给水泵等。频率调节范围宽,功率
因数高.
3）两种变频器的比较
两种变频器之比较
结构上交直交变频器可分为四个主要部分
计划学时数：32，其中包括实验学时数4。
第二章 坐标变换与异步电机等值电路
第三章 VVVF变频器原理及PWM方法 第四章 磁场定向矢量控制和直接转矩控制
第五章 同步电机的数学模型
第六章 同步电机的变频调速系统
考查方式：开卷考试，并结合小论文
参考书目
1. 许大中. 交流电机调速理论. 杭州:浙江大学出版社,1991 2. Leonhard W著,吕嗣杰译,陈伯时校. 电气传动控制. 北 京:科学技术出版社,1993 3. 陈坚. 交流电机数学模型及调速系统. 北京:国防大学出 版社,1989 4. 张琛. 直流无刷电动机：原理及应用. 北京:机械工业出 版社,1996 5. 陈伯时，陈敏逊.交流调速系统. 北京：机械工业出版 社,2002 6. 李永东.交流电机数字控制系统. 北京：机械工业出版 社,2002
2．高功率变换性能——绿色交流电机控制 系统
包括：负载侧的高传动性能和电网侧的高 功率交换性能
网侧: (1)高功率因数与能量可递 (2)低谐波
(3)EMC
这是以电力电子技术发展为基础的。
3．信息技术起入传动领域
也就是网络电气传动系统。
RS232/RS485→现场总线→局域网→广
域网
教学内容及考查方式
1.2 变频调速的一般概念

交流电机的转速公式为：
异步电机：n=60 f (1-s) / p
同步电机：n=60 f / p
交流电动机的调速方法实际上只有两大类： 改变ns和改变s。 高效调速方法：变ns 低效调速方法：变S

变频调速是交流电机最理想的调速方式

变频调速的核心是变频器
变频器的分类
iPowIR
Total Solution
PI-IPM IPM
IGCT
Total Solution
Switching Controller LDO
集成化智能化
BBI GTO BJT
DirectFET
IGBT FlipFET
MOS+IC+…
Drive IC
双极性自关断器件
MOSFET
晶闸管
Power Management
1、整流器

不控整流
相控整流器
单相PFC PWM整流器
ud ud
RL
ua ia
三相PFC PWM整流器
ia ua
ud RL
单相可逆PWM整流器
ud+ ud
eL
ud-
eL
i ( 10A /grid ) i
i ( 10A / drid ) i u
u
Time ( 10ms / grid )
Time ( 10ms / grid )
C：交流电机所具有的优越性。
而交流电动机，特别是笼式异步电动机，拥有 结构简单、坚固耐用、价格便宜及不需要经常 维修等特点，使其得到了十分广泛的应用。
如果能控制好，它具有直流电机无法比拟的 优越性。
采用交流调速、方便、节能 一套2050mm的热连轧板机，精轧部分采用 交流传动，比直流传动节电1150万kW· h/年， 节水30％，转动惯量减少77％，响应时间 缩短30％，设备投资少，停机维修时间缩 短75％。 风机水泵类的传动由交流恒速挡板阀门调 节方式改造成交流电机调速方式平均可节 电20％，设备改造费一般可在1年～3年内 回收。