5.2 交流感应电机控制技术

5.2.1 感应电动机调速原理
改变感应电动机输入电源的电压进行调速的方 式称为调压调速，是一种变转差率调速方式；改变 感应电动机的磁极对数，从而改变同步旋转磁场转 速进行调速的方式称为变极调速，其转速阶跃变化； 改变感应电动机输入电源频率，从而改变同步磁场 转速的调速方式称为变频调速，其转速可以均匀变 化。
5.2.3 矢量控制技术
2、矢量控制基本思路 对于交流电机三相对称的静止绕组A，B，C， 通过三相平衡的正弦电流、、时，所产生的合成磁动 势是旋转磁动势F，它在空间呈正弦分布，以同步转 速ω顺着A-B-C的相序旋转。 由电机学可知，在两相、三相、四相等多相对 称绕组中通以多相对称电流时，都能够产生旋转磁动 势，其中以两相最为简单，两相静止绕组α和β，它 们在空间互差90度，通以时间上互差90度的两相平 衡交流电流、，也可以产生旋转磁动势F，该磁动势 与三相对称的静止绕组A，B，C所产生的磁动势的 大小和转速都相等时，即认为二者是等效的。
5.2 交流感应电动机控制技术
交流感应电动机控制系统的主要作用是为电动机 提供变压、变频电源，同时其电压和频率能够按 照一定的控制策略进行调节，以使驱动系统具有 良好的转矩-转速特性。
5.2.1 感应电动机调速原理
交流感应电动机转速控制的基本方程为：
n

ns
1
s

60 f p
1
s
改变s、p和f可以调节电动机转速，因此可以 将交流感应电动机的基本调速方式相应分为三种： 调压调速、变极调速和变频调速。
5.2.2 变压变频控制
• 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， m 保持不变 是很容易做到的。
• 在交流异步电机中，磁通 m 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。
5.2.2 变压变频控制
定子每相电动势
Eg 4.44 f1N1kN1Φm （6-2）
a
N
S

5.2.3 矢量控制技术
一个稳定的正弦变化量可以等效为某个恒 定旋转矢量在静止坐标轴上的投影，并且矢量旋 转的速度等于正弦变化量的角速度。所以稳态下 感应电动机正弦变化的定子电流可以与某个恒定 的电流旋转矢量对应起来，如果感应电动机控制 系统立足于选择电流矢量的位置上，并始终与其 保持同步运行，那么看到的将是一个恒定的直流 电流。即使在动态过程中，看到的也是一个直流 电流，只不过直流电流的大小在变化。
5.2.2 变压变频控制
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，是本篇的重点。
5.2.2 变压变频控制
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 m 为额定值 不变。如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心， 是一种浪费；如果过分增大磁通，又会使铁心饱 和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组 过热而损坏电机。
式中：Eg —气隙磁通在定子每相中感应电动势的有 效值，单位为V；
f1 —定子频率，单位为Hz； N1 —定子每相绕组串联匝数； kN1 —基波绕组系数； m —每极气隙磁通量，单位为Wb。
7
5.2.2 变压变频控制
由上式可知，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。
5.2.2 变压变频控制
1. 基频以下调速
由式（5-5）可知，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
Eg 常值 f1
（6-3）
即采用恒值电动势频率比的控制方式。
5.2.2 变压变频控制
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。
把基频以下和基频以上两种情况的控 制特性画在一起，如下图所示。
5.2Hale Waihona Puke 2 变压变频控制 变压变频控制特性
Us Φm
UsN ΦmN
恒转矩调速
Us
恒功率调速
Φm
O
f1N
f1
图6-1 异步电机变压变频调速的控制特性
13
5.2.3 矢量控制技术
直流电动机内静止的主磁场由定子励磁绕 组产生，在图中为水平方向。电枢绕组中流过的 交变的电枢电流，但在电刷和换向器的作用下， 电枢反应磁场成为静止磁场，并且方向与主磁场 保持垂直，所以直流电动机的转矩公式才会如此 简单。
5.2.3 矢量控制技术
通过把交流感应电动机与直流电动机对比分析， 可以看出矢量控制的基本思路是：模拟直流电动机的 控制方法对感应电动机进行控制，根据线性变换以及 变换前后的磁动势和功率不变的原则，通过正交变换 将三相坐标系下的数学模型变换成二相静止坐标系的 模型，然后通过旋转变换将二相静止坐的模型变换成 二相的旋转坐标系的模型。在/变换下将定子电流矢 量分解成按转子磁场定向的两个直流分量、（为励磁 电流分量，为转矩电流分量），并对其分别加以控制， 控制相当于控制磁通，控制相当于控制转矩。
5.2.3 矢量控制技术
一个稳定的正弦变化量可以等效为某个恒 定旋转矢量在静止坐标轴上的投影，并且矢量旋 转的速度等于正弦变化量的角速度。所以稳态下 感应电动机正弦变化的定子电流可以与某个恒定 的电流旋转矢量对应起来，如果感应电动机控制 系统立足于选择电流矢量的位置上，并始终与其 保持同步运行，那么看到的将是一个恒定的直流 电流。即使在动态过程中，看到的也是一个直流 电流，只不过直流电流的大小在变化。
带定子压降补偿的恒压频比控制特性示 于下图中的 b 线，无补偿的控制特性则为a 线。
5.2.2 变压变频控制 带压降补偿的恒压频比控制特性
Us
UsN
b —带定子压降补偿
a —无补偿
O
f 1N
f1
恒压频比控制特性
5.2.2 变压变频控制
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。