自動控制論文

自動控制原理與系統

——交流變頻調速系統

院系：機電工程學院

專業：電氣自動化技術

姓名：***

學號：*********

目 錄

摘 要 ................................................................................................ 3

交流調速系統概述 ............................................................................ 3

1、 交流調速系統的特點 .......................................................... 3

2、 交流調速常用的調速方案及其性能比較 .............. 3

變頻電機主要特點和變頻電機的構造原理 ................................... 6

1、變頻專用電動機具有如下特點 ............................................ 6

2、變頻電機的構造原理 ............................................................ 7

交流異步電動機 ................................................................................ 7

1、交流異步電動機變頻調速基本原理 .................................... 7

2、變頻變壓（VVVF）調速時電動機的機械特性 .................... 9

3、變壓變頻運行時機械特性分折 .......................................... 10

SPWM調制技術簡介 ......................................................................... 13

總 結 ............................................................................................ 16

參考文獻 .......................................................................................... 16

2

摘 要

工業、農業、交通運輸和國防各個方面，凡是要求較高的場合,都離不開自

動控制。所謂自動控制，就是在沒有人直接參與的情況下，利用控制裝置，對生

產過程、工藝參數、目標要求等進行自動的調節與控制，使之按照預定的方案達

到要求的指標。 自動控制系統性能的優劣，將直接影響到產品的產量、質量、

成本、勞動條件和預期目標的完成。

現在流行的異步電動機的調速方法可分為兩種：變頻調速和變壓調速，其中

異步電動機的變頻調速應用較多，它的調速方法可分為兩種：變頻變壓調速和矢

量控制法，前者的控制方法相對簡單，有二十多年的發展經驗。因此應用的比較

多，目前市場上出售的變頻器多數都是采用這種控制方法。

交流調速系統概述

1、 交流調速系統的特點

對于可調速的電力拖動系統，工程上往往把它分為直流調速系統和交流調速系統

兩類。這主要是根據采用什么電流制型式的電動機來進行電能與機械能的轉換而

劃分的，所謂交流調速系統，就是以交流電動機作為電能—機械能的轉換裝置，

并對其進行控制以產生所需要的轉速。

縱觀電力拖動的發展過程，交、直流兩大調速系統一直并存于各個工業領域，

雖然由于各個時期科學技術的發展使得它們所處的地位有所不同，但它們始終是

隨著工業技術的發展，特別是隨著電力電子元器件的發展而在相互競爭。在過去

很長一段時期，由于直流電動機的優良調速性能，在可逆、可調速與高精度、寬

調速范圍的電力拖動技術領域中，幾乎都是采用直流調速系統。然而由于直流電

動機其有機械式換向器這一致命的弱點，致使直流電動機制造成本高、價格昂貴、

維護麻煩、使用環境受到限制，其自身結構也約束了單臺電機的轉速，功率上限，

從而給直流傳動的應用帶來了一系列的限制。相對于直流電動機來說，交流電動

機特別是鼠籠式異步電動機具有結構簡單，制造成本低，堅固耐用，運行可靠，

維護方便，慣性小，動態響應好，以及易于向高壓、高速和大功率方向發展等優

點。因此，近幾十年以來，不少國家都在致力于交流調速系統的研究，用沒有換

向器的交流電動機實現調速來取代直流電動機，突破它的限制。

隨著電力電子器件，大規模集成電路和計算機控制技術的迅速發展，以及現

3

代控制理論向交流電氣傳動領域的滲透，為交流調速系統的開發研究進一步創造

了有利的條件。諸如交流電動機的串級調速、各種類型的變頻調速，特別是矢量

控制技術的應用，使得交流調速系統逐步具備了寬的調速范圍、較高的穩速精度、

快速的動態響應以及在四象限作可逆運行等良好的技術性能。現在從數百瓦的伺

服系統到數百千瓦的特大功率高速傳動系統，從一般要求的小范圍調速傳動到高

精度、快響應、大范圍的調速傳動，從單機傳動到多機協調運轉，已幾乎都可采

用交流調速傳動。交流調速傳動的客觀發展趨勢已表明，它完全可以和直流傳動

相媲美、相抗衡，并有取代的趨勢。

2、 交流調速常用的調速方案及其性能比較

由電機學知，交流異步電動機的轉速公式如下：

n= 60?1 (1-s) pn (1-1)

式中 Pn——電動機定子繞阻的磁極對數；

f1——電動機定子電壓供電頻率；

s ——電動機的轉差率。

從式（1-1）中可以看出，調節交流異步電動機的轉速有三大類方案。

（1）改變電動機的磁極對數

由異步電動機的同步轉速

no= 60?1 pn

可知，在供電電源頻率f1不變的條件下，通過改接定子繞組的連接方式來改變

異步電動機定子繞組的磁極對數Pn，即可改變異步電動機的同步轉速n0，從而

達到調速的目的。這種控制方式比較簡單，只要求電動機定子繞組有多個抽頭，

然后通過觸點的通斷來改變電動機的磁極對數。采用這種控制方式，電動機轉速

的變化是有級的，不是連續的，一般最多只有三檔，適用于自動化程度不高，且

只須有級調速的場合。

（2）變頻調速

從式（1—1）中可以看出，當異步電動機的磁極對數Pn一定，轉差率s—

定時，改變定子繞組的供電頻率f1可以達到調速目的，電動機轉速n基本上與

電源的頻率f1成正比，因此，平滑地調節供電電源的頻率，就能平滑，無級地

調節異步電動機的轉速。變頻調速調速范圍大，低速特性較硬，基頻f=50Hz以

4

下，屬于恒轉矩調速方式，在基頻以上，屬于恒功率調速方式，與直流電動機的

降壓和弱磁調速十分相似。且采用變頻起動更能顯著改善交流電動機的起動性

能，大幅度降低電機的起動電流，增加起動轉矩。所以變頻調速是交流電動機的

理想調速方案。

（3）變轉差率調速

改變轉差率調速的方法很多，常用的方案有：異步電動機定子調壓調速，電

磁轉差離合器調速和繞線式異步電動機轉子回路串電阻調速，串級調速等。

定子調壓調速系統就是在恒定交流電源與交流電動機之間接入晶閘管作為

交流電壓控制器，這種調壓調速系統僅適用于一些屬短時與重復短時作深調速運

行的負載。為了能得到好的調速精度與能穩定運行，一般采用帶轉速負反饋的控

制方式。所使用的電動機可以是繞線式異電動機或是有高轉差率的鼠籠式異步電

動機。

電磁轉差離臺器調速系統，是由鼠籠式異步電動機、電磁轉差離合器以及控

制裝置組合而成。鼠籠式電動機作為原動機以恒速帶動電磁離合器的電樞轉動，

通過對電磁離合器勵磁電流的控制實現對其磁極的速度調節。這種系統一般也采

用轉速閉環控制。

繞線式異步電動機轉子回路串電阻調速就是通過改變轉子回路所串電阻來

進行調速，這種調速方法簡單，但調速是有級的，串入較大附加電阻后，電動機

的機械特性很軟，低速運行損耗大，穩定性差。

繞線式異步電動機串級調速系統就是在電動機的轉子回路中引入與轉子電

勢同頻率的反向電勢Ef，只要改變這個附加的，同電動機轉子電壓同頻率的反

向電勢Ef，就可以對繞線式異步電動機進行平滑調速。Ef越大，電動機轉速越

低。

上述這些調速的共同特點是調速過程中沒有改變電動機的同步轉速n0，所

以低速時，轉差率s較大。

在交流異步電動機中，從定子傳入轉子的電磁功率PM可以分成兩部分：一

部分P2=（1—s）PM是拖動負載的有效功率，另一部分是轉差功率PS=sPM，與

轉差率s成正比，它的去向是調速系統效率高低的標志。就轉差功率的去向而言，

交流異步電動機調速系統可以分為三種：

5

1）轉差功率消耗型

這種調速系統全部轉差功率都被消耗掉，用增加轉差功率的消耗來換取轉

速的降低，轉差率s增大，轉差功率PS=sPM增大，以發熱形式消耗在轉子電路

里，使得系統效率也隨之降低。定子調壓調速、電磁轉差離合器調速及繞線式異

步電動機轉子串電阻調速這三種方法屬于這一類，這類調速系統存在著調速范圍

愈寬，轉差功率PS愈大，系統效率愈低的問題，故不值得提倡。

2）轉差功率回饋型

這種調速系統的大部分轉差功率通過變流裝置回饋給電網或者加以利用，

轉速越低回饋的功率越多，但是增設的裝置也要多消耗一部分功率。繞線式異步

電動機轉子串級調速即屬于這一類，它將轉差功率通過整流和逆變作用，經變壓

器回饋到交流電網，但沒有以發熱形式消耗能量，即使在低速時，串級調速系統

的效率也是很高的。

3）轉差功率不變型

這種調速系統中，轉差功率仍舊消耗在轉子里，但不論轉速高低，轉差功

率基本不變。如變極對數調速，變頻調速即屬于這一類，由于在調速過程中改變

同步轉速n0，轉差率s是一定的，故系統效率不會因調速而降低。在改變n0的

兩種調速方案中，又因變極對數調速為有極調速，且極數很有限，調速范圍窄，

所以，目前在交流調速方案中，變頻調速是最理想，最有前途的交流調速方案。

變頻電機主要特點和變頻電機的構造原理

1、變頻專用電動機具有如下特點

B級溫升設計，F級絕緣制造。采用高分子絕緣材料及真空壓力浸漆制造工

藝以及采用特殊的絕緣結構，使電氣繞組采用絕緣耐壓及機械強度有很大提高，

足以勝任馬達之高速運轉及抵抗變頻器高頻電流沖擊以及電壓對絕緣之破壞。平

衡質量高，震動等級為R級（降振級）機械零部件加工精度高，并采用專用高

精度進口軸承，可以高速運轉。強制通風散熱系統，全部采用進口軸流風機超靜

音、高壽命，強勁風力。保障馬達在任何轉速下，得到有效散熱，可實現高速或

低速長期運行。經AMCAD軟件設計的YP系列電機，與傳統變頻電機相比較，

具備更寬廣的調速范圍和更高的設計質量，經特殊的磁場設計，進一步抑制高次

諧波磁場，以滿足寬頻、節能和低噪音的設計指標。具有寬范圍恒轉矩與功率調

6

速特性，調速平穩，無轉矩脈動。與各類變頻器均具有良好的參數匹配，配合矢

量控制，可實現零轉速全轉矩、低頻大力矩與高精度轉速控制、位置控制及快速

動態響應控制。YP系列變頻專用電機可配制剎車器，編碼器供貨，這樣即可獲

得精準停車，和通過轉速閉環控制實現高精度速度控制。采用“微電機+變頻專

用電機+編碼器+變頻器”實現超低速無級調速的精準控制。YP系列變頻專用電

機通用性好，其安裝尺寸符合IEC標準，與一般標準型電機具備可互換性。

2、變頻電機的構造原理

電動機的調速與控制，是工農業各類機械及辦公、民生電器設備的基礎技術

之一。隨著電力電子技術、微電子技術的驚人發展，采用“專用變頻感應電動機

+變頻器”的交流調速方式，正在以其卓越的性能和經濟性，在調速領域，引導

了一場取代傳統調速方式的更新換代的變革。它給各行各業帶來的福音在于：使

機械自動化程度和生產效率大為提高、節約能源、提高產品合格率及產品質量、

電源系統容量相應提高、設備小型化、增加舒適性，目前正以很快的速度取代傳

統的機械調速和直流調速方案。

交流異步電動機

1、交流異步電動機變頻調速基本原理

從電機及電力拖動中可知，三相交流異步電動機的機械特性可分成兩

種：①異步電動機的固有機械特性是指異步電動機工作在額定電壓UN和額定頻

率f下，按規定的接線方式接線，定子、轉子及外接電阻均為0時，討論轉速n

N

與電磁轉矩T的關系：n=f（T）（見圖1）。②異步電動機的人為機械特性是

emem

指人為地改變電動機參數或電源參數而得的機械特性。電動機參數又可分為三

類：

1．異步電動機的結構參數：

2．異步電動機的運行參數：

3．異步電動機的輸入參數：U和f 。

11

異步電動機調速調節轉子電阻、定子端電壓、磁極對數時的機械特性見圖

（2） 。

7

交流異步電動機變頻調速時電動機的轉速為：

式中：f為電源頻率；P為磁極對數；S為轉差率。交流異步電動機定子繞

1

組上的感應電動勢：

式中：N為定子繞組匝數；k為繞組系數；φm為氣隙合成磁通。

11

忽略電動機定子繞組的阻抗壓降，交流異步電動機的端電壓：

交流異步電動機的電磁轉矩：

8

式中：C′為電動機的轉矩常數；I′ cosφ轉子電流有功分量。

T2

從電磁轉距公式可知，連續不斷地改變送入異步電動機定子端的的供電電源

頻率f，則可連續地改變異步電動機的同步轉速： 。但是若U不變，

11

則f 這樣會出現電動機的轉子電流有功分量I′上升將會導致的φm下降增加，

1

2m

cosφ的變化；電動機效率η會下降及電動機最大轉距T會變化等問題，嚴重的

時候會出現電動機的堵轉。或者由于f 的減低會使φm增大，導致電機磁路飽

1

和使I增大，即電動機的銅耗P、和鐵耗P增大。

0CuFe

因此在電梯電氣控制系統中，要求變頻的同時，必須同時改變電動機定子端

輸入的端電壓，從而保持氣隙合成磁通φm 近似不變。

2、變頻變壓（VVVF）調速時電動機的機械特性

根據端電壓和頻率不同的比例關系，將會有幾種不同的變頻調速方式。

（1）、比例控制方式

根據電壓公式，在忽略異步電動機定子繞組的阻抗壓降后可近似的得

到： ，要維持φm 不變的情況下，只要U和f 成比例的變化即可，從

11

最大轉矩公式中可研得知：

在低頻段時，由于定子繞組中的X，X，X以及L，L不可忽略，則

m1δ2δ1δ2

δ′′

將會增加使得最大轉矩T也將隨f 的降低而降低就會將使低頻段時異步電動機

m1

的起動轉矩T大大減小。這在電梯的電力拖動控制系統中是不希望出現的。

q

（2）、恒磁通控制方式

9

要求調速范圍大、恒轉矩的電梯負載希望在整個調速范圍中保持T= C不變，

em

按公式 進行控制減小時，應適當提高輸入定子的端電壓U，以補償異

1

步電動機定子繞組的阻抗壓降。按T=C的恒磁通φem=C控制方式，變頻時異步

em

電動機機械特性見圖（3） 。這是電梯的電力拖動控制系統要求和希望的。

（3）、恒功率控制方式

這種控制方式是在變頻調速時，保持異步電動機定子繞組的電流為恒定值。

即通過P調節器和電流閉環系統調節作用而實現的。但這種控制方式僅僅適用

I

負載變化不大的場合，而不適用于電梯的電力拖動控制系統。

由此可見，按T= C的恒磁通變頻的異步電動機的機械特性是電梯電力拖動

em

所需求的。

3、變壓變頻運行時機械特性分折

異步電動機的T 型等效電路見圖4。

10

圖3 異步電動機變頻時特性曲線 圖4 異步電動機的T型等效電路

1．電壓為額定值時改變頻率的機械特性

電源頻率f的改變，對異步電動機產生兩方面的影響：一是改變同步轉速

1

n；二是改變電動機的結構參數。

1

（1）當f 下降時，由于 ，所以f 的下降會造成n上升

111

（2）由于 ，所以f X，X，下降時，

δ1δ21

′

X均會成正比下降。又由于P與f 成正比，所以f下降時會造成X下降。

mFe211m

（3）因為勵磁電流

由于f 的下降，會使I的變化為非線性，在低頻段I將急劇上升。

100

（4）氣隙合成磁通φm同是由勵磁電流I所產生的。磁通 大

0

小大小取決于I的大小以及電動機磁路的狀況。由于電動機的磁路一般設計在

0

接近飽和的狀態，故頻率f 下降時，φm 會出現過飽和。這也是I隨f 下降

101

急劇上升的原因。

（5）轉子電流I的大小決定于負載的大小。在額定負載下，當f下降時，

′

21

φm上升，cosφ上升，所以I會下降。

22

′

（6） 因為定子電流I=I+（-I），因此當f下降時，I可能會出現變化。

10211

′

在低頻段重負載下I上升；在較高頻率段輕負載下I下降。

11

（7）f的下降對起動轉矩T的影響。因為

1q

11

當f 處于較高頻率段時，隨著f的下降T會出現急劇上升；在低頻段時隨

11q

著f的下降T的上升將會趨緩。

1q

2．頻率為額定值時改變電壓的機械特性

改變輸入定子電壓U，主要影響電動機的運行參數，并會對運行時的I，I

10

′

2

，φm等產生影響。

（1）I的影響。因為

0

當U下降，I也隨之下降。

10

（2）氣隙合成磁通φm的影響。由于電壓U的下降，電機磁路處于非飽和

1

的狀態，所以可以認為φm隨U正比下降。

1

（3）轉子電流I的影響。I的大小取決于負載的大小，在額定負載時，

′′

22

因為T=T，當U下降時，I上升。

Nem12

′

（4）定子電流I的影響。當U下降時，使I上升，造成I的變化，輕負

1121

′

載時I則下降，重負載時I則上升。

11

（5）起動轉矩T。因為

q

當U下降時，T隨U成正比下降。

12

q1

（6）最大轉矩T。因為

m

12

T與U成正比，電壓降低，會使電動機過載能力下降。

m1

2

SPWM調制技術簡介

脈寬調制(PWM)技術是利用全控型電力電子器件的導通和關斷把直流電壓變

成一定形狀的電壓脈沖序列，實現變壓、變頻控制并消除諧波的技術。

脈寬調制技術在逆變器中的應用，對現代電力電子技術、現代調速系統的發

展起到了極大的促進作用。近幾年來。由于場控自關斷器件的不斷涌現。相應高

頻SPWM(正弦脈寬調制)技術在電機調速中得到了廣泛應用，不僅能及時、準確地

實現變壓變頻控制技術，而且更重要地是抑制逆變器輸出電壓或輸出電流中的諧

波分量，從而提高了電機的工作效率，擴大了調速系統的調速范圍。實際工程中

目前主要采用的PWM技術是正弦PWM(SPWM)，這是因為變頻器輸出的電壓或電流波

形更接近于正弦波形。

根據電機學原理，交流異步電動機變頻調速時，如果按照頻率與定子端電壓

之比為定值的方式進行控制，則機械特性的硬度變化較小，所以在變頻的同時，

也要相應改變定子的端電壓。若采用等脈寬PWM調制技術實現變頻與變壓，由于

輸出矩形波中含有較嚴重的高次諧波，會危害電動機的正常運行。

為減小輸出信號中的諧波分量，一種有效的途徑是將等脈寬的矩形波變成信

號寬度按正弦規律變化的正弦脈寬調制波，即SPWM調制波。

脈寬調制指的是通過對一系列脈沖的寬度進行調制，來等效地獲得所需要的

波形(含形狀和幅值)。在進行脈寬調制時，使脈沖系列的占空比按照正弦規律變

化。當正弦值為最大值時，脈沖的寬度也最大，而脈沖間的間隔最小；當正弦值

較小時，脈沖的寬度也小，而脈沖間的間隔則較大，那么這樣的電壓脈沖系列就

可以使負載電流中的高次諧波成分大為減小，這種調制方式稱為正弦波脈寬調

制。

產生SPWM信號的方法是用一組等腰三角波(稱為載波)與一個正弦波(稱為

調制波)進行比較，如圖4.1所示，兩波形的交點作為逆變開關管的開通與關斷

時間。當調制波的幅值大于載波的幅值時，開關器件導通，當調制波的幅值小于

13

載波的幅值時，開關器件關斷。

雖然正弦脈寬調制波與等脈寬PWM信號相比，諧波成份大大減小，但它畢竟

不是正弦波。提高載波(三角波)的頻率，是減小SPWM調制波中諧波分量的有效

方法。而載波頻率的提高，受到逆變開關管最高工作頻率的限制。第三代絕緣柵

雙極型晶體管IGBT的工作頻率可達30KHz，用IGBT作為逆變開關管，載波頻率

可以大幅度提高，從而使正弦脈寬調制波更接近正弦波。可由模擬電路分別產生

等腰三角波與正弦波，并送入電壓比較器，輸出即為SPWM調制波。圖4.1為SPWM

波生成方法：

u

載波

調制波

0

u

開的時刻

關的時刻

t

0

t

圖5 SPWM波生成方法 圖6

采用模擬電路的優點是完成三角波與正弦波的比較并確定輸出脈沖寬度的

時間很短，幾乎瞬間完成。缺點是電路所用硬件較多，改變參數和調試比較困難。

正弦脈寬調制波SPWM)的生成方法可分為硬件電路與軟件編程兩種方式。

(1)三角波法。其原理是，將等腰三角形載波與正弦控制波通過比較器進行比

較，則在比較器輸出端就形成了SPWM波。可見，生成SPWM波的電路必須由三部

分組成：三角波發生器、正弦波發生器和比較器，其框圖及波形示意如圖6所示。

由圖6中的波形可以看出，若等腰三角載波的頻率是正弦波頻率的N倍時，

N稱為載波比，則正弦波形在一個周期內被劃分為N等分，并對應著N個寬度不

等的矩形脈沖。當Ⅳ足夠大時(例如N＞20)， 這一串矩形脈沖序列的面積將非

常接近正弦波形的面積。各矩形脈沖的寬度是可近似

14

用下式表示

式中，VCM為正弦控制波幅值；VTM為三角載波的幅值。

這種生成SPWM形的方法稱為三角波調制法。可以用模擬電路、數字電路

或者兩者的混合電路來實現。

(2)SPWM波的軟件生成方法。由硬件電路生成SPWM波的方法往往電路復

雜，控制精度難以保證。微型計算機技術的發展和普及，特別是其高集成度和優

異的計算功能，可以方便地對變頻器進行直接數字控制，從而獲得調節靈活、穩

定可靠、性能優越的控制效果，因而得到普遍應用。

采用微機通過軟件編程的方法來生成SPWM波，其原理仍然是基于正弦控

制波和三角載波相交以確定開關通斷時刻。隨著采樣方式的不同，實現的途徑也

是多種多樣的。所謂采樣，就是決定PWM波前后沿出現的時刻，即脈沖寬度與間

隔時間，這些時間在正弦波的不同波段是不同的，并且隨著正弦波幅值的變化而

變化。用軟件生成PWM波一般有兩種方法；查表法和計算法。查表法，即離線由

通用計算機算出對應的脈寬數據，寫入EPROM，再由微機通過查表和加減運算得

到脈寬

和間隔時間。計算法，根據理論推導出脈寬函數表達式，由微機進行實時在線計

算以獲得相應的脈寬和間隔時間。一般來說，前者將占用大量內存，而后者則需

要大量運算時間；實用中多數是采用兩者結合的方法，既可避免全部在線計算造

成的計算量過大、精度受影響的缺點，又使系統因有在線計算而具有相當的靈活

性。

15

總 結

隨著電力電子器件的自關斷化、復合化、模塊化，交流電路開關模式的高頻

化，控制手段的全數字化，使變頻裝置的靈活性和適應性不斷提高。變頻調速技

術的越來越成熟使自控系統節能、省力、易于構成的顯著優勢更加突出，應用變

頻調速技術也是改造挖潛、增加效益的一條有效途徑。尤其是在高能耗、低產出

的設備較多的企業，采用變頻調速裝置將使企業獲得巨大的經濟利益，同時這也

是國民經濟可持續發展的需要。電機交流變頻調速技術是當今節電、改善工藝流

程以提高產品質量和改善環境、推動技術進步的一種主要手段。變頻調速以其優

異的調速和起制動性能，高效率、高功率因數和節電效果，廣泛的適用范圍及其

它許多優點而被國內外公認為最有發展前途的調速方式。深入了解交流傳動與控

制技術的走向，具有十分積極的意義．

參考文獻

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