现代交流电机控制技术基础
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第一代、第二代、第三代等等
Industrial
Communications Computer Consumer Car
Total Solution
IGCT
Biblioteka Baidu
iPowIR Total Solution
集成化智能化
PI-IPM
IGBT
IPM BBI
双极性自关断器件
GTO
DirectFET
Switching
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％。
（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。
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
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。
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：
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。
3I2 E2
P
产 生 附 加 电 势E2 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； （3）E2还可以用来调节异步电动机的功率因 数。
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
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。
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
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
FlipFET MOS+IC+… Controller
LDO
MOSFET Drive IC
BJT
晶闸管
Power Electronics
Power Management
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。
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
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。
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。
（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。
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。
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 。
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.
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PI-IPM
IGBT
IPM BBI
双极性自关断器件
GTO
DirectFET
Switching
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％。
（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。
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
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。
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：
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。
3I2 E2
P
产 生 附 加 电 势E2 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； （3）E2还可以用来调节异步电动机的功率因 数。
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
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。
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
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
FlipFET MOS+IC+… Controller
LDO
MOSFET Drive IC
BJT
晶闸管
Power Electronics
Power Management
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。
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
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。
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。
（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。
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。
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 。
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.