第1章　快速打开变频器交流调速应用技术的大门

1.1　概述

在电力拖动的发展历史中，交流与直流拖动两种方式始终并存于工业领域中。伴随着科学发展的进程，它们相互竞争，互相促进，推动着历史的发展。

在19世纪80年代以前，利用蓄电池的直流拖动系统占据统治地位。80年代后，随着三相交流电的传输方式的应用产生了笼式交流电动机，并很快在工业生产及人民生活的各个领域获得了广泛的应用，并占据主要地位。之后，随着科学技术的发展，对拖动系统提出了更高的要求，特别是在精密机械、冶金、国防工业等方面，要求调速精度高、调速范围宽、动态性能好，启、制动灵活等。交流拖动则难以满足以上要求。因此，过去很长一段时期，在高性能的电力拖动系统中，一直是直流拖动占主要地位。然而交流电动机与直流电动机相比也具有很多明显的优点。

①交流电动机不存在换向器的转动速度的限制，也不存在电枢元件的电抗电势的限制，其转速可以设计得比相同功率的直流电动机的转速更高。

②直流电动机的电枢电流和电压的值受换向器的限制，交流电动机则无此限制，它的单机功率可以比直流电动机更大。

③直流电动机的换向器制作工艺复杂，成本较高，相比之，交流电动机则成本低廉。

④直流电动机在高速范围内运行时，由于受电抗电势的限制，一般最高速时（额定转速以上），输出功率仅能达到额定功率的80％，交流电动机则不受限制，它可以在高速时以额定功率运行。

⑤交流电动机无换向器之类需要经常保养维护的部分。维护方便，经久耐用。在某些恶劣的环境下，例如，易燃易爆场合，也能可靠地工作。

⑥直流拖动系统的控制设备复杂，机构庞大，造价高。而某些简单的交流调速系统（特别是现在大量使用的变频器的调速系统）则具有设备简单、造价低、维护方便的优点。

⑦现在大量使用的变频器的调速系统在节能方面有明显的优点（特别是在风机、泵类方面的应用中）。

由于交流拖动具有以上优点，过去在一些性能要求不高的场合，仍有人愿意采用交流电动机调速，以求得体积小、系统简单、维护方便的优点。近年来，随着电子计算机的发展及新型电力电子器件的出现，交流变频调速方式获得了广泛的应用，许多过去采用直流电动机的精密设备、大型设备，现在改用交流拖动的例子不胜枚举，目前已有逐渐取代直流拖动的趋势。

1.1.1　交流调速的基本原理

（1）交流电动机的机械特性

由电动机学可知，异步电动机有以下公式：

①转差率S：

　　 （1-1） 　　

式中，n₁为同步转速；n为电动机转速。

②电动机角速度Ω：

　　 （1-2） 　　

③同步角速度Ω₁与速度n₁：

　　 （1-3） 　　

式中，f₁为定子频率；p为定子极对数。

④传给转子的功率（又称电磁功率）P_M与机械功率P_MX、转子铜耗P_M2之间有如下关系式：

P_MX=P_M-P_M2=（1-S）P_M　　（1-4）

⑤电动机的平均转矩M_CP：

　　 （1-5） 　　

⑥电磁功率与转差率S的关系式：

　　 （1-6） 　　

式中，m₁为定子相数；U₁为输入电压；r₁为定子电阻；为折算后的转子电阻；X₁为定子漏感抗；为折算后的转子漏感抗；c₁为系数。

⑦异步电动机的每相等值电路如图1-1所示。

图中，Z₁=r₁+jX₁为定子绕组阻抗；r₁为定子绕组电阻；X₁为定子漏感抗；r_m为励磁电阻；I₀为励磁电流；U₁为定子绕组每相端电压（为U₁的复数形式，）；为主磁通在定子绕组产生的电势。

由以上各公式可解出：

　　 （1-7） 　　

此公式即是异步电动机的M-S（转矩-转差率）关系式。它的M-S曲线如图1-2所示。

由于S=1-n/n₁，因此，图上曲线只要将S轴的刻度改变即可获得异步电动机的机械特性曲线，其中：S=0的点对应同步转速n₁。图上曲线中S=0～1的这一段称为电动状态曲线，曲线峰值M_m称最大转矩，对应的点S_K称为临界转差率。S>1的这一段曲线称制动状态曲线。S<0的这一段曲线称发电状态曲线，电动机转速高于同步转速运行时，处于发电状态。

最大转矩M_m，由解出：

　　 （1-8） 　　

因，近似得：

　　 （1-9） 　　

（2）生产机械的转矩特性

实际的生产机械是多种多样的，一般可将其分成三大类：恒转矩负载、恒功率负载和风机水泵类负载。

①恒转矩负载　它的负载转矩是一个恒值，不随转速n而改变。它又可以分为两类：

a.摩擦类负载　它的特性曲线如图1-3（a）所示，位于1、3象限。例如，传送带、搅拌机、挤压机、采煤机、运输机和机床的进给机构等。

b.位能恒转矩负载　它的特性曲线如图1-3（b）所示，位于1、4象限。例如，提升机、起重机和电梯等。它的负载转矩是由重物重力产生的。

②恒功率负载　这类负载的转矩M与转速n成反比。它的特性曲线如图1-3（c）所示。例如车床的切削负载、轧钢、造纸机和塑料薄膜生产线的卷取机等即是这类负载。

③风机水泵类负载　这类负载的转矩随转速的增大而改变，可表示为M=kn²。例如风机、水泵和油泵等。它的特性曲线如图1-3（d）所示。

（3）常用的交流调速方式及性能比较

由式（1-1）得：n=n₁（1-S），由式（1-3）有：n₁=60f₁/p，由上面的两式解出异步电动机转速的表达式：

　　 （1-10） 　　

式中，f₁为供电电源频率；p为定子绕组极对数；S为转差率。

从上式可看出，对异步电动机的调速有三个途径。即：改变定子绕组极对数p；改变转差率S；改变电源频率f₁。对于同步电动机，转差率S=0，它只具有两种调速方式。实际应用的交流调速方式有多种，现仅介绍如下几种常用的方式。

①变极调速　这种调速方式只适用于专门生产的变极多速异步电动机。通过绕组不同的组合连接方式，可获得二、三、四极三种速度，这种调速方式的速度变化是有级的，只适用于一些特殊应用的场合，只能达到大范围粗调的目的。

②转子串电阻调速　这种调速方式只适用于绕线式转子异步电动机，它通过改变串联于转子电路中电阻阻值的方式，来改变电动机的转差率，进而达到调速的目的。由于外部串联电阻的阻值可以多级改变，故可实现多种速度的调速（原理上，也可实现无级调速）。但由于串联电阻消耗功率，效率较低，同时这种调速方式机械特性较软，只适合于调速性能要求不高的场合。

③串级调速　这种调速方式也只适用于绕线式异步电动机，它是通过一定的电子设备将转差功率反馈到电网中加以利用的方法。在风机水泵类等传动系统上广泛采用。这种调速方法常用以下几种结构方案。

a.电气串级方式　结构见图1-4（a）。MA的转子电流经UR整流后供给直流电动机M，由M传动的交流发电机G将转差功率反馈给交流电源。调节直流电动机M的励磁电源即可改变MA的转速。这种方式具有恒转矩特性。

b.电动机串级方式　结构如图1-4（b）所示。它是由MA的转子电流经UR整流，供给与MA同轴连接的直流电动机M，经M变为机械能施加到主异步电动机轴上的一种调速方式。调节M的励磁电流即可进行调速。这种方式具有恒功率特性。

c.低同步串级调速方式　如图1-5（a）所示。它是在图1-4（a）中接入逆变器和变压器，代替原来的直流电动机M和交流发电动机G，将转子电源变为与电源同频率的交流电，使转子侧的转差功率反馈给电源的一种调速方式。调节有源逆变器晶闸管的控制角即可进行调速。

d.超同步串级调速　如图1-5（b）所示。它是在图1-4（b）中接入一个交-交变频器（或交-直-交变频器），代替原来的不控整流器和逆变器。通过控制交-交变频器（或交-直-交变频器）的工作状态，可以使电动机在同步速度上下进行调速。与低同步串级调速相比，其变流装置小、调速范围大、能够产生制动转矩。

④调压调速　如图1-6所示。它将晶闸管反并联连接，构成交流调速电路，通过调整晶闸管的触发角，改变异步电动机的端电压进行调速。这种方式也改变转差率S，转差功率消耗在转子回路中，效率较低，较适用于特殊转子电动机（例如，深槽电动机等高转差率电动机）中。通常，这种调速方法只有构成转速或电压闭环才能实际应用。

⑤电磁调速异步电动机　这种系统是在异步电动机与负载之间通过电磁耦合来传递机械功率，调节电磁离合器的励磁，可调整转差率S的大小，从而达到调速的目的。该调速系统结构简单、价格便宜，适用于简单的调速系统中。但它的转差功率消耗在离合器上，效率低。

⑥变频调速　改变供电频率，可使异步电动机获得不同的同步转速。采用变频机对异步电动机供电的调速方法已很少使用。目前大量使用的是采用半导体器件构成的静止变频器电源。目前这类调速方式已成为交流调速发展的主流。

各种调速方式性能的比较如表1-1所示。

（4）交流电动机的启动

由图1-7所示的交流电动机的机械特性曲线可知，电动机的启动力矩必须大于电动机静止时的负载转矩，即M₀>M_n，否则电动机无法进入正常运转工作区。

交流电动机的启动电流一般为额定电流的4～6倍，直接启动时，过大的启动电流会使电源电压在启动时下降过大，影响电网其他设备的正常运行，另外一方面还会造成线路及电动机中产生损耗引起发热。

启动时一般要考虑以下几个问题：

①应有足够大的启动力矩和适当的机械特性曲线。

②尽可能小的启动电流。

③启动的操作应尽可能简单、经济。

④启动过程中的功率损耗应尽可能小。

普通交流电动机在启动过程中为了限制启动电流，常用的启动方法有三种。即：串联电抗器启动、自耦变压器降压启动、星形-三角形换接启动。

目前，采用电子器件构成的“交流电动机软启动系统”以其良好的性能和平稳的启动过程而获得了迅速的发展和应用。

对于较高级的调速系统可采用矢量控制方式的电流、速度双闭环系统，能获得令人满意的动、静态性能。

（5）交流电动机的制动

具有良好制动性能的交流电动机可使电动机迅速停止，准确停车，提高控制性能。

交流电动机的制动方式有：机械制动，它采用机械抱闸装置；电磁力制动，采用磁铁抱闸或电磁摩擦片等装置；电力制动，它主要由电气系统的控制装置使电动机本身产生制动力，这种制动无机械磨损问题，减小了维修工作量，因此获得了广泛的应用，它可分为回馈制动、反接制动和能耗制动三类。

①回馈制动　由图1-2所示的机械特性曲线可知，当电动机的转速n>n₁时，电动机处于发电工作状态。此时电动机不消耗电能，而将能量反馈到供电系统中来，因此称为回馈制动，又称再生发电制动。

然而，异步电动机电动状态运行时，转子转速n永远小于同步转速n₁，以转差率0<S<1旋转。这是电动工作状态的正常情况。怎样才能做到n>n₁呢？由公式（1-3）可知n₁=60f₁/p，如改变供电频率f₁可获得不同的机械特性曲线。

下面以供电频率减小为其1/2的情况说明制动过程：由公式（1-7）和（1-8）可知，当f₁减小为原来的1/2时（供电电压不变），同步转速为n₂，M-S曲线在M轴方向放大2倍，分别画出同步转速为n₁、n₂（n₁=2n₂）的M-S曲线如图1-8（a）、（b）所示，利用公式（1-1）变换为M-n曲线后，将两条曲线叠加在一起，如图1-8（c）所示。

如原来电动机以电源频率f₁运行，电动机处于曲线的A点（负载为M_Z），此时如果将电源频率改为f₂，因机械惯性原因，转速不能突变。此时运行状态将转至第二象限的B点，曲线处于S<0的发电工作状态。于是电动机处于回馈制动状态，电磁转矩为负值，与转动方向相反为制动转矩。之后转速迅速下降，由B点运行至C点，达到同步转速n₂，电动机转为电动状态。在负载转矩M_Z的作用下继续减速到D点稳定运行。于是，整个制动过程结束。

以上是利用降低电源频率的方法获得回馈制动。同理，利用改变电动机极对数的方法也可以获得回馈制动，制动的机理与上类同。

②反接制动　众所周知，如将三相交流电动机的三相交流电任意调换两个接线（改变相序，即换相），即可使电动机反转。这是因为换相后产生了反向旋转磁场。也就是说，将正在旋转的电动机的输入电源线任意调换两个接线后，即可产生与旋转方向相反的制动力矩，这就是所谓的反接制动。

如图1-9（a）所示，电动机正转时的机械特性为1、4象限的曲线，反转时的机械特性曲线为2、3象限的曲线，正转和反转时的曲线是以原点对称的。

原来电动机正转时稳定在A点运行，当改变输入电源的相序后，电动机换为第2象限的B点运行。反向电磁力矩M_B与负载转矩M_Z共同作用于电动机产生制动力，使电动机迅速降速，沿曲线移动，由B降至C点，电动机转速n=0。由于此时电动机的电磁转矩｜-M_C｜（绝对值）大于负载转矩｜-M_Z｜（绝对值），因此电动机不会停止，沿曲线继续反向加速到D点后稳定运行。如在BC段运行期间，设法加大负载使其大于｜-M_C｜，那么电动机会停止在n=0处，不再反转（这种方法很少使用）。如在C点及时断开电源，电动机也会停止，常常使用速度继电器来作为C点速度的检测装置控制停车时间。

如果异步电动机是绕线转子式，在转子回路串入电阻后，得到的反转时的机械特性曲线是2、3象限的另一条曲线。可在反转的同时，再在转子回路串入电阻，则电动机由A点转至B′点制动运行。当达到C′点时，由于｜-M_Z｜大于电磁转矩（绝对值），因此电动机不再反向启动。这是反接制动的另一种停车方法。

③能耗制动　能耗制动的电路如图1-9（b）所示。当断开1KM，电动机脱离交流电源，同时闭合2KM，将直流电源通入定子绕组时，电动机内部立即建立了一个静止的固定磁场。而电动机仍以原来的速度n转动，转子导体切割固定磁场的磁力线。可以判断出此时产生的电磁转矩方向与原来电动机转动方向是相反的，产生制动力矩，这即是所谓的能耗制动状态。

由电动机学原理可知，参照图1-1的等效电路，经化简后得到能耗制动的等效电路如图1-10所示。

图中，称为直流励磁电流的等效交流电流；为折合到定子侧的转子漏抗；为折合到定子侧的转子电阻；X_m为电动机励磁电抗；为产生气隙磁通势的励磁电流；为折合的转子感应电势。

此时电动机能耗制动时的电磁转矩表达式为：

　　 （1-11） 　　

由可求出最大电磁转矩为：

　　 （1-12） 　　

式（1-11）与电动状态时的公式（1-7）相比，二者具有相同的形式，由于电动状态时S=（n₁-n）/n₁，而能耗制动时S=n/n₁，所以能耗制动时的机械特性曲线如图1-11所示。曲线的最大转矩取决于制动电流I₁，图中曲线2的电流大于曲线1的电流，对于转子绕线式电动机，当增大转子电阻r₂时，曲线也可以改变形状。图中曲线3的转子电阻大于曲线1的电阻。对于曲线1的能耗制动过程，按A→B→O的方向运行。

1.1.2　开环调速与闭环调速

由式（1-7）可知，当只改变转子电阻r₂时，获得的曲线如图1-12所示。其中：。此时对某一固定的负载M₁，可获得较宽范围的调速状态。此原理即是前面介绍的绕线式异步电动机串电阻调速工作方式的基本原理。具体线路如图1-13所示。同时改变3个电位器的动臂可改变转子电阻，而获得不同的转速。此种工作方式的机械特性很软，当负载增大时，电动机转速会迅速降低。

这种只靠输入量对输出量进行控制的工作方式称开环控制。开环控制在某些特定的工作状态下是可以良好工作的。比如串电阻调速方式如能保证负载的变化不大，完全可以正常使用。在某些机械设备上，比如线材生产线的卷取部分，利用其较软的机械特性会具有良好的保护特性。

要想获得优良的动、静态工作特性，必须采用闭环控制。如在上述开环系统电动机轴上增加一直流测速发电机，它发出的直流电压与电动机的转速成正比，再增加一个控制器及相应电路，即可组成图1-14所示的速度闭环控制系统。输入量R（t）为设定转速，C（t）为测量出的实际电动机转速，二者偏差e（t）为控制量。当系统稳定时，反馈的转速C（t）基本与给定转速相等。偏差e（t）很小或为0（这与采用控制器的结构有关）。当电动机的负载增大造成转速降低时，C（t）减小使e（t）增加，控制器调整电位器阻值减小，使转速上升，直到C（t）基本与R（t）相等，构成新的平衡状态。调速结果是基本维持电动机的转速不变。这种闭环调速系统，可以使系统的机构特性变硬，获得良好的调速性能。

一般来讲，具有无级调速功能的系统，都可用测速元件构成闭环系统。但偏差e（t）与控制输出间一般要加入调节器，才能获得比较理想的动、静态性能。常用的调节器有PID调节器等，对于高级调节器的设计，需要扎实的控制理论知识及工业自动化专业的知识才能完成。

除了上面用测速元件构成的速度闭环系统外，采用位置检测元件，也可构成位置闭环系统。例如，跟踪天线的角位移控制，轧钢设备的“活套装置”的位置控制及水塔的水位控制等。

1.1.3　交流调速的应用及发展

（1）交流电动机调速的应用

由于交流电动机具有便于使用和维护方便、易于实现自动控制等特点。在节能、减少维修、提高质量、保证质量等方面具有明显的经济效益，尤其是交流变频技术已日趋完善，使交流电动机的应用领域不断扩大，在拖动系统中占有明显的优势。目前交流调速在国防、钢铁、造纸、卷烟、高层建筑供水、建材及机械行业的军事装置、机床/金属加工机械、输送与搬运机械、风机与泵类设备、食品加工机械、水泵设备、包装机械、化学机械、冶金机械设备中都得到了广泛的应用。

可以说，交流调速应用不胜枚举，它渗透到了国民经济的各个领域。

（2）近代交流调速的发展

近代交流调速技术正在不断地丰富发展，下面仅举几个方面。

①脉宽调制（PWM）控制　脉宽调制型变频器具有输入功率因数高和输出波形好的特点，近年来发展很快。已发展的调节方法有多种，如SPWM、准SPWM、Delta调制PWM、失量角PWM、最佳开关角PWM、电位跟踪PWM等。从原理上讲，有面积法、图解法、计算法、采样法、优化法、斩波法、角度法、跟踪和次谐波法等。电流型变频器也逐渐开始采用PWM技术了。

②矢量变换控制　矢量变换控制是一种新的控制理论和控制技术。其控制思想是设法模拟直流机的特点对交流电动机进行控制。为使交流电动机控制有和直流机一样的控制特点，必须通过电动机的统一理论和坐标变换理论，把交流电动机的定子电流I₁分解成磁场定向坐标的磁场电流分量I_1m和与之垂直的坐标转矩电流分量I_1T，经过控制量的解耦后，交流电动机便等同于直流机进行控制了。它分有磁场定向式矢量控制和转差频率式矢量控制等，这类系统属高性能交流调速系统。

③磁场控制　这种方法是完全从磁场的观点控制电动机，仅介绍以下几种。

a.磁场轨迹法　一般交流电动机产生圆形旋转磁场。开关型逆变器只能获得步进磁场，180°和120°导通型只能获得六角型旋转磁场。如以这些已有的电压矢量为基础，组成主矢量、辅矢量，分别以不同的导通时间进行PWM调制求矢量和，则可获得许多中间电压矢量使之形成逼近圆形旋转磁场。改变旋转磁场的速度即可调节电动机的转速。

b.异步电动机的磁场加速法　磁场加速法是防止励磁电路发生电磁暂态现象对电动机定子电流进行控制的一种方法。由于消除了暂态现象，因此可提高电动机的响应速度。首先计算出保持励磁电流无暂态过程的定子电流控制条件，利用这一条件来控制电动机。

④微机控制　近年来交流调速领域已基本形成以微机控制为核心的新一代控制系统。并从以往的部分采用微机的模拟数字混合控制向着全面采用微机的全数字化方向发展，除具有控制功能外，还具有多种辅助功能。如监视、显示保护、故障诊断、通信等功能。采用微机的性能也在不断提高，已由8位机向16位、32位方向发展。

⑤现代控制理论的应用　现代控制理论在交流调速中的应用发展得很快。

a.自适应控制　磁通自适应、断续电流自适应等模型参考自适应控制。

b.状态观测器　磁通观测器、转矩观测器。

c.二次型目标函数优化控制、变结构控制、模糊控制等。

⑥直接转矩控制　其特点是不需要坐标变换，将检测来的定子电压和电流信号进行磁通和转矩运算，实现分别的自调整控制。它可以构成转矩与磁通分别独立跟踪自调整的一种高动态的PWM控制系统。

⑦多变量解耦控制　利用现代控制理论中的多变量解耦理论将电动机中的多变量、强耦合非线性系统解耦成两个单变量系统，再用古典控制理论进行调节器的设计。

交流调速的技术发展方兴未艾，各种新型控制技术的发展正在深入的研究之中。交流调速的发展分支也有多个方向，比如：变频调速、串级调速、双馈电动机、无换向器电动机、交流步进拖动系统、交流伺服系统、高频化技术、无功补偿和谐波抑制、节能技术等。