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第6章：笼型异步电机变压变频调速系统#

6.0 课件页码与考试重点#

重要度	知识点	课件页码	复习要求
★★★	变压变频基本控制方式	第6章 pp. 4-14	会说明为什么变频必须变压、为什么要保持磁通
★★★	基频以下/以上控制规律	第6章 pp. 8-14, 46-49	必会：基频以下恒转矩，基频以上弱磁恒功率
★★★	电压-频率协调控制机械特性	第6章 pp. 20-45	会比较恒 $U_s/\omega_1$ 、恒 $E_g/\omega_1$ 、恒 $E_r/\omega_1$
★★☆	变频器类型	第6章 pp. 61-90	会区分交-直-交、交-交，电压源型/电流源型
★★★	SPWM、CHBPWM、SVPWM	第6章 pp. 115-219	会说出各自思想，SVPWM要会看空间矢量图
★★★	转差频率控制	第6章 pp. 238-263	会说明控制转差频率代表控制转矩
★★★	动态模型与坐标变换	第6章 pp. 266-390	会解释坐标变换是为了把交流量“直流化”
★★★	矢量控制	第6章 pp. 391-442	会解释转子磁链定向、励磁分量/转矩分量解耦
★★★	直接转矩控制DTC	第6章 pp. 443-469	会比较DTC与矢量控制

6.1 本章主线#

第6章是交流调速的核心。它从最基本的恒压频比控制出发，逐步走向高性能交流控制：

变频调速必须协调变压，以保持磁通合适。
基频以下恒磁通、恒转矩；基频以上弱磁、恒功率。
电压-频率协调方式不同，机械特性不同。
PWM变频器实现可变电压、可变频率交流输出。
转差频率控制利用稳态模型改善动态性能。
坐标变换把三相交流模型变成类似直流模型。
矢量控制按转子磁链定向，实现磁链和转矩解耦。
DTC直接控制定子磁链和电磁转矩，结构更直接。

6.2 变压变频的磁通控制#

气隙电动势：

E_g=4.44f_1N_sk_{N_s}\Phi_m

气隙磁通：

\Phi_m=\frac{E_g}{4.44f_1N_sk_{N_s}}

若希望磁通保持额定，应保持：

\frac{E_g}{f_1}=\mathrm{constant}

工程中 $E_g$ 难直接测量，常用定子电压近似：

\frac{U_s}{f_1}\approx \mathrm{constant}

低频时定子电阻压降不可忽略：

U_s\approx E_g+I_sR_s+jX_sI_s

因此低频要做电压补偿。

异步电机变压变频调速的控制特性

6.3 基频以下与基频以上#

区域	控制规律	磁通	调速性质
基频以下	$U_s/f_1$ 近似恒定	近似恒磁通	恒转矩调速
基频以上	$U_s=U_{sN}$ ， $f_1$ 继续升高	弱磁	恒功率调速

机械功率：

P=T\omega

基频以下 $T\approx \mathrm{constant}$ ，功率随转速升高；基频以上 $P\approx \mathrm{constant}$ ，转矩随转速升高而下降。

6.4 电压-频率协调控制机械特性#

6.4.1 恒 $U_s/\omega_1$ 控制#

恒压频比最容易实现：

\frac{U_s}{\omega_1}=\mathrm{constant}

机械特性基本平行下移，但低频时定子电阻压降影响明显，需要补偿。

恒压频比控制时变频调速的机械特性

6.4.2 恒 $E_g/\omega_1$ 控制#

恒气隙电动势频比：

\frac{E_g}{\omega_1}=\mathrm{constant}

这比恒 $U_s/\omega_1$ 更接近恒气隙磁通，稳态性能更好，但 $E_g$ 不易直接测量。

6.4.3 恒 $E_r/\omega_1$ 控制#

恒转子电动势频比可使机械特性更接近直流电机的线性特性，是矢量控制追求的目标。

三种协调方式的对比见图6-6。

不同电压-频率协调控制方式时的机械特性

记忆：

恒 $U_s/\omega_1$ ：最简单，低频性能差。
恒 $E_g/\omega_1$ ：更接近恒气隙磁通。
恒 $E_r/\omega_1$ ：机械特性最好，是矢量控制目标。

6.5 变频器类型#

6.5.1 交-直-交变频器#

结构：

交流电源 -> 整流器 -> 直流中间环节 -> 逆变器 -> 可变频交流输出

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现代通用变频器多采用交-直-交PWM结构，应用最广。

6.5.2 交-交变频器#

交-交变频器直接把固定频率交流变为可调频率交流，无直流中间环节，适合大功率低速场合，但输出频率受电网频率限制。

6.5.3 电压源型与电流源型#

电压源型中间直流环节为大电容，近似恒压源；电流源型中间直流环节为大电感，近似恒流源。

课件表6-1给出了两类逆变器输出波形比较。

两种逆变器输出波形比较

6.6 PWM技术#

PWM目的：调节输出基波电压和频率，同时减少低次谐波，改善电流波形和转矩脉动。

6.6.1 SPWM#

SPWM用正弦调制波与三角载波比较，生成脉宽按正弦规律变化的开关序列。

调制比：

m_a=\frac{U_{\mathrm{ref}}}{U_{\mathrm{carrier}}}

频率比：

m_f=\frac{f_c}{f_1}

在线性调制区：

U_1\propto m_aU_d

PWM调制原理

6.6.2 CHBPWM#

电流滞环跟踪PWM直接让实际电流跟随给定电流。偏差触及滞环边界时切换开关状态。

优点：电流响应快。缺点：开关频率不固定。

6.6.3 SVPWM#

SVPWM从空间电压矢量角度出发，用基本电压矢量合成目标矢量。

三相两电平逆变器有：

2^3=8

个开关状态，其中6个非零矢量、2个零矢量。每个采样周期：

\vec U_{\mathrm{ref}}T_s =\vec U_1T_1+\vec U_2T_2+\vec U_0T_0

并且：

T_s=T_1+T_2+T_0

电压空间矢量的放射形式和6个扇区

SVPWM重点：

用相邻两个有效矢量和零矢量合成参考矢量。
直流电压利用率高于SPWM。
适合数字控制。
与矢量控制和DTC联系紧密。

6.7 转差频率控制#

异步电机同步角速度与转子角速度、转差角速度关系：

\omega_1=\omega+\omega_s

转差频率：

f_s=sf_1

在保持磁通恒定时，转差频率可以代表转矩控制。转差频率控制规律：

根据转速给定和实测转速形成转差频率给定。
用 $\omega_1=\omega+\omega_s$ 得到定子频率。
按磁通恒定要求确定电压。

局限：它仍基于稳态模型，动态过程中不能完全解耦磁链和转矩。

6.8 坐标变换#

坐标变换的目的：把三相交流量变换为两相静止量，再变换为同步旋转坐标中的近似直流量，从而降低模型复杂度。

异步电动机的坐标变换结构图

Clarke变换：

\begin{bmatrix} i_\alpha\\ i_\beta \end{bmatrix} = \frac{2}{3} \begin{bmatrix} 1 & -\frac{1}{2} & -\frac{1}{2}\\ 0 & \frac{\sqrt{3}}{2} & -\frac{\sqrt{3}}{2} \end{bmatrix} \begin{bmatrix} i_a\\ i_b\\ i_c \end{bmatrix}

Park变换：

\begin{bmatrix} i_d\\ i_q \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} \cos\theta & \sin\theta\\ -\sin\theta & \cos\theta \end{bmatrix} \begin{bmatrix} i_\alpha\\ i_\beta \end{bmatrix}

同步旋转坐标系的突出特点：三相正弦交流电压、电流变换到 $dq$ 坐标系后可成为直流量，便于使用PI调节器。

6.9 矢量控制#

矢量控制的基本思想：通过坐标变换，把异步电机等效为类似直流电机的控制结构。

矢量控制系统原理结构图

按转子磁链定向时：

\psi_{rq}=0,\qquad \psi_r=\psi_{rd}

定子电流分解为：

分量	作用	类比直流电机
$i_{sd}$ 或 $i_{sm}$	控制转子磁链	励磁电流
$i_{sq}$ 或 $i_{st}$	控制电磁转矩	电枢电流

转矩关系：

T_e=K_T\psi_ri_{sq}

若 $\psi_r$ 保持恒定：

T_e\propto i_{sq}

这就是“交流电机像直流电机一样控制”的本质。

矢量控制分类：

直接矢量控制：估算或检测转子磁链，磁链闭环。
间接矢量控制：利用转差频率公式实现磁场定向，不直接检测磁链。

6.10 直接转矩控制DTC#

DTC直接控制定子磁链和电磁转矩，不再先分解定子电流。

按定子磁链控制的直接转矩控制系统

定子磁链估算：

\psi_{s\alpha}=\int(u_{s\alpha}-R_si_{s\alpha})\,dt

\psi_{s\beta}=\int(u_{s\beta}-R_si_{s\beta})\,dt

磁链幅值：

|\psi_s|=\sqrt{\psi_{s\alpha}^2+\psi_{s\beta}^2}

电磁转矩：

T_e=\frac{3}{2}n_p(\psi_{s\alpha}i_{s\beta}-\psi_{s\beta}i_{s\alpha})

6.11 DTC与矢量控制对比#

课件表6-1给出了DTC和矢量控制的特点比较，是第6章后半部分的重点表。

直接转矩控制系统和矢量控制系统特点与性能比较

项目	DTC	矢量控制
控制对象	定子磁链和电磁转矩	转子磁链定向下的电流分量
坐标变换	静止坐标变换，较简单	旋转坐标变换，较复杂
动态响应	很快	快
转矩脉动	较大	较小
主要问题	低速磁链估算、转矩脉动	参数敏感、结构复杂

6.12 本章复习抓手#

会解释为什么变频必须变压：保持磁通不过弱、不过饱和。
会区分基频以下恒转矩、基频以上恒功率。
会比较恒 $U_s/f$ 、恒 $E_g/f$ 、恒 $E_r/f$ 控制。
会说明电压源型和电流源型逆变器区别。
会说清SPWM、CHBPWM、SVPWM的基本思想。
会看SVPWM六扇区图，理解基本矢量合成。
会写Clarke/Park变换的作用。
会解释矢量控制中励磁分量和转矩分量解耦。
会写DTC磁链和转矩估算公式。
会根据表6-1比较DTC和矢量控制。

运动控制系统：变压变频调速