现代交流电机控制技术基础
现代电机控制技术
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现代电机控制技术
第1章 基础知识 第2章 三相感应电动机矢量控制 第3章 三相永磁同步电动机矢量控制 第4章 三相感应电动机直接转矩控制 第5章 三相永磁同步电动机直接转矩控制 第6章 无速度传感器控制与智能控制
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第1章 基础知识
1.1 电磁转矩 1.2 直、交流电机电磁转矩 1.3 空间矢量 1.4 矢量控制
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a) 三相绕组由逆变器供电
b) 电子开关VT1、VT2、VT6闭合时的电路
图1-29 定子电压矢量 c) 电压矢量us1的构成
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a) 正弦分布磁动势波
b) 正弦分布磁场
图1-30 A相绕组产生的正弦分布磁场
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1.1 电磁转矩
1.1.1 磁场与磁能 1.1.2 机电能量转换 1.1.3 电磁转矩生成 1.1.4 电磁转矩控制
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图1-1 双线圈励磁的铁心
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磁压降
磁压降
磁路的 磁动势
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铁心磁路 主磁通
铁心磁 路磁阻
气隙 磁通
气隙磁 路磁阻
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现代机电设备基础知识
第一章机电设备的发展与分类第一节机电设备的发展机电设备广泛用于国民经济各行业。
机电设备的技术水平，在一定程度上反映了国家工业生产的水平和能力。
所以，采用先进的机电设备，管好、用好机电设备,对提高企业效益，促进国民经济的发展都起着十分重要的作用。
一、机电设备的发展过程机电设备是随着科学技术的发展而不断发展的。
传统的机电设备是以机械技术和电气技术应用为主的设备。
例如,普通机床，其运动的传递、运动速度的变换主要是由机械机构来实现的,而运动的控制则是由开关、接触器、继电器等电器构成的电气系统来实现的,这里的“机”、“电”分别构成各自独立的系统,两者的“融合性”很差，这是传统机电设备的共同特点.虽然,传统的机电设备也能实现自动化，但是自动化程度低，功能有限，耗材多，能耗大，设备的工作效率低，性能水平不高。
为了提高机电设备的自动化程度和性能，从20 世纪60 年代开始，人们自觉或不自觉地将机械技术与电子技术结合，以改善机械产品的性能，结果出现了许多性能优良的机电产品或设备。
到了20 世纪70、80 年代，微电子技术获得了惊人的发展，各种功能的大规模集成电路不断涌现,导致计算机与信息技术广泛使用。
这时人们自觉、主动地利用微电子技术的成果，开发新的机电产品或设备，使得机电产品或设备的发展发生了脱胎换骨的变化，机电产品或设备不再是简单的“机”和“电”相加，而是成为集机械技术、控制技术、计算机与信息技术等为一体的全新技术产品。
到了20 世纪90 年代，这种机电一体化技术迅猛发展,时至今日,机电一体化产品或设备已经透渗到国民经济和社会生活的各个领域。
二、现代机电设备的特点现代机电设备，如电动缝纫机、电子调速器、自动取款机、自动售票机、自动售货机、自动分检机、自动导航装置、数控机床、自动生产线、工业机器人、智能机器人等都是应用机电一体化技术为主的设备。
与传统机电设备相比，现代机电设备具有以下特点：1、体积小,重量轻机电一体化技术使原有的机械结构大大简化，如电动缝纫机的针脚花样主要是由一块单片集成电路来控制的，而老式缝纫机的针脚花样是由350 个零件构成的机械装置控制的.机械结构的简化,使设备的结构减小，重量减轻,用材减少。
电机控制技术手册
电机控制技术手册第一章：引言电机控制技术是现代工业中不可或缺的一部分。
它能够实现对电机系统的全面控制和管理，提高生产效率和产品质量。
本手册旨在介绍电机控制技术的基本原理和常见应用，帮助读者理解和掌握相关知识。
第二章：电机基础知识2.1 电机的工作原理电机是将电能转换为机械能的设备。
根据不同的原理和结构，电机可以分为直流电机、交流电机和步进电机等多种类型。
本节将详细介绍各种电机的工作原理和特点。
2.2 电机控制的基本原则电机控制的基本原则是根据实际需求对电机进行启动、停止、调速等操作。
常见的电机控制方法包括直接启动、星三角启动、变频调速等。
本节将详细介绍各种电机控制方法的原理和适用范围。
2.3 电机控制系统的组成电机控制系统由电源、控制器、传感器和执行器等组成。
每个组成部分都扮演着关键的角色，确保电机能够按照预定要求工作。
本节将逐一介绍各个组成部分的功能和作用。
第三章：电机控制技术的应用3.1 电动机控制系统电动机控制系统广泛应用于机械制造、能源、交通运输等领域。
本节将通过具体案例，介绍电动机控制系统在驱动各类机械设备中的应用和优势。
3.2 电机控制器的选型与调试电机控制器是电机控制系统中最重要的部分，其选择和调试对于系统的稳定性和性能至关重要。
本节将介绍如何根据实际需求选择合适的电机控制器，并对其进行调试和优化。
3.3 电机控制技术在智能制造中的应用随着工业智能化的发展，电机控制技术在智能制造中的应用越来越广泛。
本节将介绍电机控制技术在智能制造中的典型应用案例，包括自动化装配线、机器人等领域。
第四章：电机控制技术的发展趋势4.1 变频调速技术变频调速技术是当前电机控制技术的主流趋势之一。
本节将介绍变频调速技术的原理和应用优势，并展望其未来发展方向。
4.2 无感矢量控制技术无感矢量控制技术是电机控制技术领域的前沿技术。
本节将介绍无感矢量控制技术的原理和应用，并探讨其对电机控制技术的影响和未来发展方向。
现代电机控制技术
现代电机控制技术
现代电机控制技术是电力驱动的系统的核心部分，能够满足现代电机多种要求。
由于发展迅速，越来越多的机械设备被自动化，越来越依赖电机的控制，电机的控制技术有着极其重要的作用。
本文主要介绍现代电机控制技术的基础：
1. 马达控制原理：马达控制通过电源和传动系统来控制电机，由于电源传输的能量可以控制电机驱动的机械元件，所以可以控制机械设备的运动状态。
2. 机器控制内容：机器控制是采用数字化电机控制系统来控制机械设备的运动状态。
它是将电机的控制信号与机器设备的动作联系起来，使机械设备可以根据电源传输的能量实现控制。
3. 电力控制：电力控制是指在指定的电流或功率中对电机进行控制，以实现特定的动作。
它通常是指根据电机控制信号调整电机输出参数，实现电机控制的能力。
4. 电源信号控制：电源信号控制是指用电源传输的信号来控制电机的运动状态，可以实现电机的高精度控制。
综上所述，现代电机控制技术已经发展得相当成熟，取得了很大的成就，它深刻地改变了机械设备的结构，并有效地提升了机械设备的性能，为各种机械设备的自动化提供了有力的支持。
现代电机控制技术
(1-16)
式中， Wm 为主磁路磁场能量，它全部储存在气隙中； Vδ 为气隙体积。
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现代电机控制技术
第1章 基础知识
当励磁电流 iA 变化时，磁链ψ AA 将发生变化。根据法拉第电磁感应 定律，ψ AA 的变化将在线圈 A 中产生感应电动势 eAA 。若设 eAA 的正方 向与 iA 正方向一致， iA 方向与 φmA 和 φσA 方向之间符合右手法则，则有
磁导， Λδ =
1 μ0 S 。 = Rδ δ
将式(1-8a)写为
φδ = Λmδ f A
式中， Λmδ =
(1-8b)
Λm Λδ 1 ， Λmδ 为串联磁路的总磁导， Λmδ = 。 Λm + Λδ Rmδ
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式(1-8b)为磁路欧姆定律的另一种表达形式。
现代电机控制技术
第1章 基础知识
式(1-7)表明，作用在磁路上的总磁动势恒等于闭合磁路内各 段磁压降之和。 对图 1-1 所示的磁路而言，尽管铁心磁路长度比气隙磁路长 得多，但由于 μ Fe >> μ 0 ，气隙磁路磁阻还是要远大于铁心磁路的 磁阻。对于这个具有气隙的串联磁路，总磁阻将取决于气隙磁路 的磁阻，磁动势大部分将降落在气隙磁路中。 在很多情况下，为了问题分析的简化，可将铁心磁路的磁阻 忽略不计，此时磁动势 f A 与气隙磁路磁压降相等，即有
2 NA 2 = iA = N A ΛmδiA Rmδ
(1-10)
定义线圈 A 的励磁电感 LmA 为
LmA =
ψ mA
iA
2 NA 2 = = NA Λmδ Rmδ
(1-11)
LmA 表征了线圈 A 单位电流产生磁链ψ mA 的能力。对于图 1-1，又将 LmA 称
电工技术基础：控制三相交流电动机
电工技术基础：控制三相交流电动机引言在现代工业领域中，三相交流电动机广泛应用于各类机械设备中，如泵、风机、压缩机等。
掌握控制三相交流电动机的基本知识和技术，对于确保工业设备的正常运行和提高生产效率至关重要。
本文将介绍控制三相交流电动机的基础原理和常用的控制方法。
一、三相交流电动机的基本原理三相交流电动机是一种将电能转换为机械能的装置。
它由定子和转子两部分组成。
其中，定子上绕有三相绕组，通过定子绕组中的电流在旋转磁场的作用下，使转子旋转。
三相交流电动机的基本原理可以归结为两个关键概念：磁场旋转和感应电动机原理。
•磁场旋转：三相交流电动机的定子绕组通电后，产生的磁场会随着电流的变化而旋转。
这个旋转的磁场与转子磁铁产生相互作用，从而导致转子旋转。
•感应电动机原理：根据法拉第电磁感应定律，当导体（转子）在变化的磁场中移动时，会在导体中产生感应电动势。
这个感应电动势将导致转子上产生感应电流，感应电流与旋转磁场相互作用，从而推动转子旋转。
二、三相交流电动机的控制方法控制三相交流电动机有多种方法，常见的包括直接启动、自耦变压器启动、起动器控制和变频调速等。
下面将对这些方法一一进行介绍。
1. 直接启动直接启动是最简单的一种控制方法，它适用于小型电动机和起动负载不大的情况。
直接启动的主要步骤如下：•通过接线将电动机的三相绕组与电源连接。
•打开电源开关，给电动机供电。
•电动机直接启动，并开始工作。
然而，直接启动可能会对电网和电动机本身造成较大的冲击。
因此，在大型电动机和重载起动的情况下，需要采用更加先进的控制方法。
2. 自耦变压器启动自耦变压器启动是一种减小启动冲击的方法。
它通过引入自耦变压器来减小启动时的电压冲击。
自耦变压器启动的主要步骤如下：•通过接线将电动机的三相绕组、自耦变压器和电源连接。
•打开电源开关，给电动机和自耦变压器供电。
•首先，通过自耦变压器将电动机的起动电压减小为较低的值。
•待电动机达到正常转速后，通过切换开关去除自耦变压器，使电动机工作于额定电压下。
现代交流调速技术
（）定子部分 定子铁心：由导磁性能很好的硅钢片叠成——导磁部分。 定子绕组：放在定子铁心内圆槽内——导电部分。 机座：固定定子铁心及端盖，具有较强的机械强度和刚度。 （）转子部分 转子铁心：由硅钢片叠成，也是磁路的一部分。 转子绕组： ）鼠笼式转子：转子铁心的每个槽内插入一根裸导 条，形成一个多相对称短路绕组。）绕线式转子：转子绕组为三 相对称绕组，嵌放在转子铁心槽内。
0 n0
临界转差率：sm
R2 R12 ( X1 X 2 )2
正弦波电源供电下运行的功率因数低。
瞬时停电措施 电源供电系统因雷击或其他原因发生接地故障时，将发生
紊乱。从事故发生到瞬时事故消除或通过继电器切断事故回路， 这段时间一般在秒以内，如果变频装置没有瞬时停电措施，会 产生过流或过压，在恢复供电时可能造成逆变器换流失败。
§ 异步电动机的工作原理及机械特性
统分为三类：转差功率消耗型调速系统；转差功率回馈型 调速系统；转差功率不变型调速系统。
类型
调速方法
特点
转差功率消耗型 转差功率回馈型
降压调速;电磁转 差离合器调速;转子回路 串电阻调速;
绕线转子异步电机串级 调速.
消耗全部功率；效率最低； 结构简单；
大部分转差功率回馈利用；效 率较高；需要回馈装置
转差功率不变型
所装转子位置检测器来控制变频装置触发脉冲，使同步电动 机工作在自同步状态。
四、交流调速系统的主要发展方向
.变频调速：是最有发展前途的一种交流调速方式。
交-直-交变频调速系统（在电压型和电流型基础上， 向PWM型变频和多重化技术方向发展） 交-交变频调速系统（在低速大容量应用方面有上升的 趋势）
变频器的电力半导体器件向模块化﹑快速化﹑光控化﹑高电 压﹑大电流﹑自关断和高可靠性方向发展；
交流电机的控制技术与应用
交流电机的控制技术与应用电机是现代工业中最为常见的动力装置之一，广泛应用于各个领域，如制造业、交通运输、能源等。
而交流电机作为电机的一种，具有结构简单、运行可靠、效率高等优点，因此在工业生产中得到了广泛应用。
本文将重点探讨交流电机的控制技术与应用。
1. 交流电机的基本原理交流电机是利用交流电流产生的旋转磁场与电机中的磁场相互作用，从而产生转矩，驱动电机旋转。
交流电机的基本原理可以归纳为两个方面：电磁感应原理和洛伦兹力原理。
电磁感应原理指的是当交流电通过电机绕组时，产生的磁场与电机中的磁场相互作用，产生转矩。
洛伦兹力原理指的是当电机绕组中的电流与磁场相互作用时，会产生力矩，使电机旋转。
2. 交流电机的控制技术交流电机的控制技术主要包括转速控制、转矩控制和位置控制三个方面。
2.1 转速控制转速控制是指通过改变电机输入电压的频率和幅值，来控制电机的转速。
常用的转速控制方法有电压调制控制、频率调制控制和矢量控制等。
其中，电压调制控制是最为常用的方法，通过改变电压的幅值来控制电机的转速。
频率调制控制则是通过改变电压的频率来控制电机的转速。
而矢量控制则是综合了电压调制和频率调制的优点，可以实现更精确的转速控制。
2.2 转矩控制转矩控制是指通过改变电机输入电压和电流的幅值和相位，来控制电机的输出转矩。
常用的转矩控制方法有直接转矩控制和感应电机转矩控制等。
直接转矩控制是一种基于电流反馈的控制方法，通过测量电机电流来实现对转矩的控制。
感应电机转矩控制则是一种基于转子电流的控制方法，通过测量电机转子电流来实现对转矩的控制。
2.3 位置控制位置控制是指通过改变电机输入信号的频率和幅值，来控制电机的位置。
常用的位置控制方法有开环控制和闭环控制等。
开环控制是一种基于输入信号的预设值来控制电机位置的方法，但由于外界干扰和内部参数变化等因素的影响，其控制精度较低。
闭环控制则是一种基于位置反馈的控制方法，通过测量电机位置来实现对位置的控制，具有较高的控制精度。
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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@
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 。
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
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
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。
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
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。
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；
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。
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。
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。
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
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 )
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。
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
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。
（3）E2还可以用来调节异步电动机的功率因 数。
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。
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:
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。