3.1 章 交流变频调速系统原理
第3章 异步电动机变压变频调速3.1-3.2.3
a--无补偿 b--带定子电压补偿
图3-1 恒压频比控制特性
2.基频以上调速
在基频以上调速时，频率从f1N向上升高， 受到电机绝缘耐压和磁路饱和的限制，定 子电压不能随之升高，最多只能保持额定 电压不变。 这将导致磁通与频率成反比地降低，使得 异步电动机工作在弱磁状态。
Us Eg 4.44 f1Ns kNS Φm
/ 1 常值
(R j L )I E U s s 1 ls 1 g
要维持 Eg/1 为恒定，除了补偿定子电阻 压降外，还应补偿定子漏抗压降。
恒气隙磁通控制
转子电流
I r'
Rr'
Eg 2 2 ' 1 Llr s
E
2 g 2
2
第3章 异步电动机变压变频调速
3.1变压变频调速的基本原理、机械特性 及电压补偿控制 3.2电力电子变压变频器 3.3转速开环变压变频调速系统 3.4转速闭环转差频率控制的变压变频调 速系统
3.1变压变频调速的基本原理、 机械特性 及电压补偿控制
变压变频调速是改变异步电动机同步转速的一 种调速方法，同步转速随频率而变化
T 常数
2 e 2 1
转差功率基本不变。
变压变频调速时的机械特性
图3-3异步电动机变压变频调速机械特性
变压变频调速
在基频以下，由于磁通恒定，允许输出转 矩也恒定，属于“恒转矩调速”方式。 在基频以上，转速升高时磁通减小，允许 输出转矩也随之降低，由于转速上升，允 许输出功率基本恒定，属于“近似的恒功 率调速”方式。
3npU s2 Rr' s
Us s1 Rr' Te 3n p ( sR R ' ) 2 s 2 2 ( L L' ) 2 s r 1 ls lr 1
4.交流变频调速系统
交压变频调速系统
第一节 变频调速技术的发展及应用 第二节 变频调速系统的工作原理 第三节 变频调速系统无逆变电路 第四节 晶闸管变频调速系统 第五节 正弦波脉宽调制技术
第一节 变频技术的发展及应用
什么叫变频?变频器有什么特点？
变频调速就是通过变频器将固定频率和固定电压 的交流电源转化为能在宽广的范围内电压和频率 均可调的变频电源。
U1 R1I1 E1 E1 4.44 f1 N1K1
E1 U1 4.44 f1 N1 K1 4.44 f1 N1 K1
由上面推导出来的式子可知，只要控制好 U1 和 f1 ，便可达到控制磁通 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。
a、基频以下的变频控制方式
b、基频以上的变频控制方式 在基频以上时，频率可从f1N往上增高，但电压U1却 不能增加得比额定电压U1N大，一般保持U1=U1N，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。
m
U 1N 4.44 f1 N 1 K N 1
f1 f1 N
恒电压的控制方式用于基频以上的变频系统中，此时 电压恒定，磁通会从额定值ΦN向下调节。
60 f1 n (1 s) 1.异步电动机的转速： n1 (1 s) np
改变电源频率，同步转速发生改变，从而改变电 动机的转速。
2、变频调速的基本控制方式
由电机学知
E1 4.44 f1 N1 K1
/ Te Cm m I 2 cos 2
如果忽略定子上的电阻压降，则有
n
I sb , 1a
I sa , 1a
I sa I sb
1a 1b
I sb , 1b
交流电机变频调速原理
交流电机变频调速原理交流电机变频调速原理引言：交流电机是现代工业生产中广泛使用的一种电动机，其工作原理是根据电流的方向和大小来控制转子的运动方式。
然而，交流电机的转速、效率和精确度往往受到电源频率的限制。
为了克服这些限制，交流电机变频调速技术应运而生。
本文将深入探讨交流电机变频调速的原理、应用和优势，并分享个人对这个主题的观点和理解。
一、交流电机基础知识1.1 交流电机的原理交流电机是一种以电动力为动力，通过转子和定子的相互作用来实现动力转换的设备。
它是利用交流电流的方向和大小来控制转子的旋转速度和方向。
1.2 交流电机的分类交流电机主要分为感应电机和同步电机两类。
感应电机是最常见的交流电机，适用于大多数家用电器和工业设备。
同步电机则适用于高精度运动控制和同步功率传输场景。
二、交流电机变频调速原理2.1 变频调速的概念交流电机变频调速是一种通过改变电源频率来控制电机转速的技术。
它通过将交流电源的频率进行调整，改变电机转子的运动方式，从而实现对电机速度的精确控制。
2.2 变频器的工作原理变频器是交流电机变频调速系统中的核心设备。
其工作原理是将电源的交流电转换为直流电，然后再将其转换为可调频率和可调幅度的交流电。
这样，就能够实现对电机转速的精确控制。
2.3 变频调速的优势交流电机变频调速具有如下优势：- 比传统调速技术更加节能高效，可以根据实际需求调整电机转速，避免能耗的浪费。
- 减小了机械设备的开停次数，延长了设备的使用寿命。
- 实现了电机的平稳启动和停止，减轻了电机的冲击和振动。
- 提高了系统的控制精度和变速范围，更好地适应不同负载和工艺要求。
三、交流电机变频调速的应用3.1 工业生产中的应用交流电机变频调速广泛应用于工业生产中，如风机、泵站、中央空调系统等。
它们的调速需求较高，变频调速技术能够满足这些需求，并提高生产效率和降低能源消耗。
3.2 家用电器中的应用变频调速技术在家用电器中也有广泛应用，如洗衣机、空调和冰箱等。
交流异步电动机变频调速设计
交流异步电动机变频调速设计异步电动机是工业生产过程中广泛使用的一种电机，widely used in industrial production. 它的运转速度受到电源的频率和极数的影响，因此在一些应用场合需要采取变频调速技术，以满足不同负载下的运转需求。
本文将介绍异步电动机变频调速设计的基本原理和具体实现方法。
一、异步电动机变频调速的原理异步电动机通过电源提供的交流电源驱动，其转速 n与电网频率 f 和定子极数 P 相关，公式为：n=60f/P 。
如图1所示，当电网频率为50Hz、极数为4极时，异步电动机的转速为1500 rpm。
当需要在同一台异步电动机下实现不同转速时，可以采用变频调速技术。
变频调速的原理是通过变频器改变电网电源的频率和电压，从而改变异步电动机的转速。
变频器通过将电源中的直流信号转换成相应的交流信号进行调节，例如通过将电源中的50Hz的电信号转换为30~50Hz的交流信号，使得异步电动机的转速得到调节。
二、异步电动机变频调速的实现方法1.输入电源与三相异步电动机连接。
2.将电源中的交流信号转换为直流信号，通过功率恒定的逆变器将直流信号转换为变频输出的交流信号。
3.通过多种控制方法调节电压频率，从而实现异步电动机转速的控制。
通常采用矢量控制和定速控制两种控制方式。
3.1 矢量控制矢量控制是一种高精度、高性能的控制方法，可以使异步电动机在不同的负载下达到相同的速度和扭矩。
矢量控制适用于较高的调速要求，可以在满足较高控制精度的同时，实现更好的动态性能。
3.2 定速控制定速控制是一种简单、常用的变频控制方法。
该方法通过设定电机的运行速度来调节输出频率和电压，使得异步电动机具有稳定的转速和扭矩。
三、结论本文通过介绍异步电动机变频调速的原理和实现方法，可以实现异步电动机在不同负载条件下达到相同的转速和扭矩，提高了运行效率和能源利用率。
异步电动机变频调速技术的应用将得到更加广泛的推广和应用。
交流调压调速
• 参数定义
Rs、Rr′ —定子每相电阻和折合到定子侧的 转子每相电阻；
Lls、Llr′ —定子每相漏感和折合到定子侧的 转子每相漏感；
Lm—定子每相绕组产生气隙主磁通的 等效电感，即励磁电感；
Us、1 —定子相电压和供电角频率；
s —转差率。
•电流公式 由图可以导出
式中
(2-1)
在一般情况下，LmLl1，则，C1 1 这相当于将上述假定条件的第③条改为忽 略铁损和励磁电流。这样，电流公式可简 化成
1.交流调压调速
第二篇 交流调速系统
交流调速系统的主要类型 交流变压调速系统 绕线转子异步电机串级调速系统 ——转差功率馈送型调速系统 交流变频调速系统
• 第一章 •
•概 述
要求
•掌握几种主要的交流调速方法
交流调速系统的主要类型
交流调速系统(AC Speed Regulating System):
• 交流力矩电机的机械特性
•s,n •0 •n0
•恒转矩负载特性 •A •B
•0.5UsN •C
•UsN
•0.7UsN
•1
•0 •TL
•Te
•图2-5 高转子电阻电动机（交流力矩电动机）
•在不同电压下的机械特性
2.3 闭环控制的变压调速系统及其静特性
采用普通异步电机的变电压调速时， 调速范围很窄，采用高转子电阻的力矩电 机可以增大调速范围，但机械特性又变软 ，因而当负载变化时静差率很大（见图2-5 ），开环控制很难解决这个矛盾。
•从定子传入转 子的电磁功率
•定义：转差功率 Ps＝ s Pem
•总机械功率 •转子铜耗 •（转差功率）
按照交流异步电机
的原理，从定子传入转
交直交变频的工作原理
西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作
8.1.1
间接交流变流电路原理
整流和逆变均为PWM控制的电流型间接交流变流电路 通过对整流电路的PWM控制使输入电流为正弦波， 并使输入功率因数为1。
整流 Ld 逆变
VT1
VT3
Hale Waihona Puke VT5M 3 Ca 电源 b c
U V 负载 W
VT4
PENEC
2
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引言
组合变流电路：是将AC/DC、DC/DC、AC/AC和DC/AC 四大类基本变流电路中的某几种基本的变流电路组合起 来，以实现一定的新功能。 间接交流变流电路：先将交流整流为直流，再逆变为交 流，是先整流后逆变的组合。
PENEC
14
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8.1.2
3．矢量控制
交直交变频器
异步电动机的数学模型是高阶、非线性、强耦合的多变量系统。 传统设计方法无法达到理想的动态性能。 矢量控制方式基于异步电机的按转子磁链定向的动态模型，将 定子电流分解为励磁分量和与此垂直的转矩分量，参照直流调 速系统的控制方法，分别独立地对两个电流分量进行控制，类 似直流调速系统中的双闭环控制方式。 控制系统较为复杂，但可获得与直流电机调速相当的控制性能。
给定积分器输出的极性代表电机转向，幅值代表输出电 压、频率。绝对值变换器输出ugt的绝对值uabs，电压频 率控制环节根据uabs及ugt的极性得出电压及频率的指令 信号，经PWM生成环节形成控制逆变器的PWM信号， 再经驱动电路控制变频器中IGBT的通断，使变频器输 出所需频率、相序和大小的交流电压，从而控制交流电 机的转速和转向。
变频调速工作原理
变频调速工作原理
变频调速的工作原理是通过改变电机输入电压的频率来调整电机的转速。
电机的转速与输入电压的频率成正比，所以改变输入电压的频率可以实现对电机转速的调节。
变频调速系统由变频器和电机组成。
变频器是一种电子器件，它能将固定频率和电压的交流电源转换为可调频率和电压的交流电源，用来供给电机。
变频器通过将电源的交流电转换为直流电，并通过逆变器将直流电转换为可调的交流电来实现频率的调节。
变频器通过控制其内部的控制系统，可以调节输出电压的频率和幅值。
当需要调节电机的转速时，控制系统会根据设定值调整输出电压的频率。
通过改变输出电压的频率，变频器可以改变电机的转速。
例如，当输出电压的频率增加时，电机的转速也会增加；当输出电压的频率降低时，电机的转速也会降低。
变频调速具有调节范围广、调速性能好、节能效果显著等优点，在工业生产和家用电器中得到广泛应用。
变频技术
图3-7 可再生制动的变频电路
3.电压型逆变电路输出电压的调节 调节电压型逆变电路输出电压的方式有三种，即 调节直流侧电压、移相调压和脉宽调制调压。 1）调节直流侧电压 （1）采用可控整流器整流，通过对触发脉冲的相 位控制直接得到可调直流电压，见图3-2（a）。 （2）采用二极管整流桥不可控整流，在直流环节 增加斩波器，以实现调压，见图3-2（b）。
3.2.1 PWM技术原理概述
1.PWM控制的基本原理 采样控制理论有这样一个结论：冲量相等而形状 不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本 相同。冲量是指窄脉冲的面积，效果基本相同是指环 节的输出响应波形基本相同。 将如图3-22所示的形状不同而冲量相同的电压窄 脉冲，分别加在如图3-23（a）所示的一阶惯性环节 RL电路上。其输出电流i(t)对不同窄脉冲时的响应波 形如图3-23（b）所示。
图3-24 PWM控制的基本原理
2.单极性PWM和双极性PWM PWM调制按调制脉冲的极性可分为单极性脉冲 调制和双极性脉宽调制两种。 1）单极性脉冲调制 电压型单相桥式PWM逆变电路如图3-25所示。E 为恒值直流电压，V1～V4为功率晶体管GTR，VDl～ VD4为电压型逆变电路必需的反馈二极管。
图3-2 交—直—交变频器的三种控制方式
根据中间直流环节采用滤波器的不同，变频 电路又分为电压型变频电路和电流型变频电路，如 图3-3所示。其中，Ud为整流器的输出电压平均值。
图3-3 变频电路原理图
3.1.2 电压型变频技术
1.电压型逆变电路的主要特点 电压型逆变电路的主要特点有： （1）直流侧并联有大电容，相当于直流电压源， 内阻很小，直流电压波形比较平直，基本无脉动。 （2）由于直流电压源的钳位作用，逆变器的交 流输出电压被钳位为矩形波，与负载阻抗角无关， 而交流侧电流波形和相位因负载阻抗角的变化而变 化，其波形接近三角波或正弦波。
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从而导致过大的励磁电流，严重时还会因绕组过热而损坏电动
机。对于直流电动机，因为励磁是独立的，所以只要对电枢反应的 补偿合适，保持Ф m的不变是很容易做到的。但在交流异步电动机中， 磁通是定子和转子的磁动势合成产生的，怎样才能保持磁通恒定， 是需要进行认真研究的。
1）维持气隙磁通Ф m的恒定 异步电动机定子绕组的感应电动势为
第3章 变频调速原理
交控制方式有三种，即恒磁通控
制方式、恒电流控制方式和恒功率控制方式。
1．恒磁通控制方式及其特性 在进行电动机调速时，通常要考虑的一个重要因素是，希望保
持电动机中每极磁通量为额定值，并保持不变。这样才能充分发挥 电动机的能力，即充分利用铁芯材料，充分利用绕组达到额定电流， 尽可能使电动机的输出达到额定转矩或最大转矩。如果磁通太弱， 没有充分利用电动机的铁芯，这是一种浪费；如果过分增大磁通， 又会使铁芯饱和，
电阻所引起的压降影响。
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U1/f1为常数时电动机调频的机械特 性曲线
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恒通调整时，利用函数发生器的补 偿特性曲线
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采用PAM控制的调速系统原理图
(a)采用相位控制的电压调节
(b)采用斩波器控制的电压调节
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采用PWM控制变频器的原理图及PWM 波形
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采用U/f比例控制的调速系统图
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变频器容量选择(驱动多台电动机)
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变频器内部原理框图
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变频器恒压供水系统。
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一用一备变频器恒压供水系统主电 路
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变频器恒压供水系统接线图
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E
1
4.44 f
1
k
1 1
1
m
如果略去定子阻抗电压降，则感应电动势近似等于定子的外加
电压，即
U
1
E1 C1 f
m
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式中：C1为常数，C1=4.44ω 1k1 。 因此，若定子的供电电压U1保持不变，则气隙磁通Ф m将会随频
率变化而变化。
一般在电动机设计中，为了充分利用铁芯材料，通常把磁通的
1 1 1 1
'
这就要求定子电压随频率成正比变化。上式就是恒磁通控制方
式所要遵循的协调控制条件。在满足这个条件的前提下，由异步电 动机的转矩表达式可知， I cos 等于电动机的转子额定有功电流，
2 2
当Ф m维持不变时，那么电动机的输出转矩也是恒定的，可以获得恒
转矩调速特性。
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异步电动机的等效电路图和电路矢 量图
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脉宽调制式(PWM)变频器电路原理 示意图
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单相逆变器主电路图
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单相逆变器波形图
(a) 180PWM型输出电压波形 (b) PWM型输出电压波形
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正弦波脉宽调制波形
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双极性三相正弦波脉宽调制波形
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三极管通用型三相PWM型逆变器主 电路
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因此，此种采用保持气隙磁通Ф m恒定的交流调速系统，只适用
于调速范围不大的负载。
对于要求调速范围大的恒转矩性质的负载，希望在整个调速范
围中维持最大转矩不变，欲保持磁通Ф m的恒定，应满足E1/ f1＝常 数的关系。但由于电动机的感应电动势E1难以测得和控制，故在实
际应用中通常在控制回路加入一个函数发生器，以补偿低频时定子
在定子供电电源频率较高时，电动机的最大转矩近似保持恒定，
机械特性曲线斜率变化很小。若保持U1/ f1=C不变，异步电动机的 机械特性是一簇平行的曲线，但最大转矩将随频率f1的降低而减少， 当频率较低时，机械特性曲线斜率及最大转矩变化较大。从物理概 念上来说，低频时机械特性斜率的加大以及最大转矩的下降，是由 于定子绕组内阻上引起的电压降在低速时相对影响较大，无法保持 电动机气隙磁通为恒值而造成的。故低频启动时，启动转矩也将减 少，甚至不能带负载。
数值选为接近磁路饱和值。如果频率f1从额定值（通常为50Hz）往
下降低，则磁通会增加，从而造成磁路过饱和，使励磁电流增加。
这将使电动机带负载能力降低，功率因数变坏，铁耗损增加，电动 机过热，这是不允许的。反之，如果频率从额定值往上升高，则磁
通将会减少，由异步电动机的转矩公式 T e C mm I 2 cos 2 可以看出，
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逆变器输出波形（电压、电流）
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同时关断的晶闸管PWM型逆变器主 电路
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模拟正弦波参考信号SPWM型变频 调速系统
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U／f变换器及三相方波发生器实际 电路
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三相方波及其状态
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三角波、正弦波发生器实际电路
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电路中各点的波形
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“△”脉宽调制电路
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变频器容量选择(驱动单台电动机)
磁通Ф m的减少势必导致电动机允许输出转矩Te的下降，
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使电动机的利用率降低，在一定的负载下有过电流的危险。为
此通常要求磁通保持恒定，即Ф m＝常数。为了保持磁通Ф m恒定，必 须使定子电压和频率的比值保持不变，即
U U C f f' 式中：U’1、f’1为变化后的定子电压和频率；C为常数。