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电力电子器件的发展为交流调速奠定了物质基础。

50年代末出现了晶闸管，由晶闸管构成的静止变频电源输出方波和阶梯波的交变电压，取代旋转变频机组实现了变频调速，然而晶闸管属于半控型器件，可以控制导通，但不能由门极控制关断，因此由普通晶闸管组成的逆变器用于交流调速必须附加强迫换相电路。

70年代以后，功率晶体管（GTR）.门极关断晶闸管（GTO晶闸管）.功率场效应晶闸管（PowerMOSFET）.绝缘栅双极晶体管（IGBT）。

MOS控制晶闸管（MCT）等已经先后问世，这些器件都是既能控制导通又能控制关断的自关断器件，又称全控型器件。

它不再需要强迫换相电路，使得逆变器构成简单.结构紧凑。

IGBT由于兼有MOSFET和GTR的优点，是用于中小功率目前最为流行的器件，MCT则综合了晶闸管的高电压.大电流的特性和MOSFET的快速开关特性，是极有发展前景的大功率.高频率开关器件。

电力电子器件正在向大功率化.高频化.模块化.智能化的方向发展。

80年代以后出现的功率集成电路（PowerIC），集功率开关器件，驱动电路，保护电路，接口电路于一体，目前已应用于交流调速的智能功率模块（IntelligentPowerModuleIPM）采用IGBT作为功率开关，含有电流传感器.驱动电路及过载.短路.超温.欠电压保护电路，实现了信号处理.故障诊断.自我保护等多种智能功能，既减少了体积.减轻了重量，又提高了可靠性，使用.维护都更加方便，是功率器件的重要发展方向。

1绪论

1.1交流电机调速概论

异步电动机调速系统种类很多，常见的有：

（1）降电压调速；

（2）电磁转差离合器调速；

（3）绕线转子异步电机转子串电阻调速；

（4）绕线转子异步电机串级调速，（5）变极对数调速；

（6）变频调速等等。

在开发交流调速系统的时候，人们从多方面进行探索，其种类繁多是很自然的。

现在交流调速的发展已接近成熟，为了深入地掌握其基本原理，就不能满足于这种表面形式的罗列，而要进—步探讨其内在规律，从更高的角度上认识交流调速的本质。

按照交流异步电动机的基本原理，从定子传入转子的电磁功率

可分为两部分：

一部分

，是拖动负载的有效功率，另—部分是转差功率与转差率s成正比。

从能量转换的角度上看，转差功率是否增大。

是消耗掉还是得到回收，显然是评价调速系统效率高低的一种标志。

从这点出发，可以把异步电机的调速系统分成三大类：

1.转差功率消耗型调速系统——全部转差功率都转换成热能的形式而消耗掉。

上述的第

（1），

（2），（3）三种调速方法都属于这—类。

在三类之中，这类调速系统的效率最低。

而从它是以增加转差功率的消耗来换取转速的降低（恒转矩负载时），越向下调速效率越低。

可是这类系统结构最简单，所以还有一定的应用场合。

2.转差功率回馈型调速系统——转差功率的一部分消耗掉，大部分则通过变流装置回馈电网或者转化为机械能予以利用，转速越低时回收的功率也越多，上述第（4）种调速方法——串级调速属于这一类。

这类调速系统的效率显然比第一类要高，但增设的交流装置总要多消耗一部分功率，因此还不及下一类。

3转差功率不变型调速系统——转差功率小转子铜损部分的消耗是不可避免的。

但在这类系统中无论转速高低，转差功率的消耗基本不变，因此致率最高。

上述的第（5），（6）两种调速方法用于此类。

其中变极对数只能有级调速，应用场合有限。

只有变频调速应用最广，可以构成高动态性能的交流调速系统，取代直流调速，最有发展前途。

异步电动机变频调速得到很快发展后，同步电动机的交频调速也就提到日程上来了；

无论是异步电机还是同步电机，变频的结果都是改变旋转磁场的转速，对二者的效果是一样的。

同步电动机变频调速主要分为他控变频调速和自控变频调速两种，后者又称无换向器电机调速。

1.2交流调速技术的发展历史

电动机（尤其是交流电动机）在工业，农业，交通运输，国防军事设施以及日常生活中被广泛的应用。

其中许多的场合有着调速的要求，早期在要求调速的地方多用直流电动机。

这是因为直流电动机调速方便且调速范围广，只要改变电机的输入电压或励磁电流，就可以实现大范围的无级调速，而且在磁场一定的条件下它的转矩和电枢电流成正比，转矩易于控制，因此直流电动机调速系统比较容易得到良好的动态特性。

所以早期直流电动机调速系统一直在传动领域中占主要地位。

但是直流电动机本身在结构上存在严重的问题:

它的机械接触式换向器不但结构复杂，造价高，而且运行中容易产生火花；

换向器的机械强度不高，电刷易于磨损。

这些问题的存在，使运行中需要有经常性的维护检修。

并且直流电动机对环境的要求也比较高，不能用于化工.矿山等周围环境中有粉尘.腐蚀性气体和易燃，易爆气体的场合。

特别是由于换向问题的存在，直流电动机无法做成高速大容量的机组，容量较大的直流电机往往要做成双电枢，甚至三电枢式，远远不能适应现代生产向高速大容量化发展的要求。

交流电动机，特别是鼠笼型异步电动机，由于它结构简单，制造方便，价格低廉，而且坚固耐用，惯量小，运行可靠，很少需要维护，可用于恶劣环境等优点，在工农业生产中得到了极广泛的应用。

但交流调速比较困难，于是从20世纪30年代开始，人们就致力于交流调速技术的研究，认识到变频调速是交流电动机的一种最好的调速方法，它既能在宽广的范围内实现无级调速，而且可以获得良好的启动性能和运行性能，然而进展缓慢。

在相当长的时间内，直流调速一直以性能优良领先于交流调速。

60年代以后，特别是70年代以来，电力电子技术和控制技术的飞速发展，使得交流调速性能可以与交流调速相媲美，相竞争。

1.3交流调速技术的发展现状和趋势

70年代以后，功率晶体管（GTR），门极关断晶闸管（GTO晶闸管），功率场效应晶闸管（PowerMOSFET），绝缘栅双极晶体管（IGBT）。

电力电子器件正在向大功率化，高频化，模块化，智能化的方向发展。

80年代以后出现的功率集成电路（PowerIC），集功率开关器件，驱动电路，保护电路，接口电路于一体，目前已应用于交流调速的智能功率模块（IntelligentPowerModuleIPM）采用IGBT作为功率开关，含有电流传感器，驱动电路及过载，短路，超温，欠电压保护电路，实现了信号处理，故障诊断，自我保护等多种智能功能，既减少了体积，减轻了重量，又提高了可靠性，使用，维护都更加方便，是功率器件的重要发展方向。

随着新型电力电子器件的不断涌现，变频技术获得飞速发展。

以普通晶闸管构成的方波型逆变器被全控型高频率开关器件组成的脉宽调制（PWM）逆变器取代后，SPWM逆变器及其专用芯片得到了普遍应用。

磁通跟踪型PWM逆变器以不同的开关模式在电机中产生的实际磁通去逼近定子磁链的给定轨迹——理想磁通圆，即用空间电压矢量方法决定逆变器的开关状态，形成PWM波型，由于控制简单，数字化方便，有取代传统SPWM的趋势，电流跟踪型PWM逆变器为电流控制型的电压源逆变器，兼有电压和电流控制型逆变器的优点，只是电流跟踪型PWM逆变起更因其电流动态响应快，实现方便，受到重视。

目前，随着器件开关频率的提高，并借助于控制模式的优化消除指定谐波，已使PWM逆变器的输出波形非常逼近正弦波。

但在电网侧，尽管以数控整流器取代了相控整流器，使基波功率因数接近于1，然而电流谐波分量大，总的功率因数仍很低，消除对电网的谐波污染并提高功率因数已构成变频技术不可回避的问题。

为此，PWM整流技术的研究.新型单位功率因数变流器的开发，在国外已引起广泛关注。

PWM逆变器工作频率的进一步提高将受到开关损耗的限制，特别是大功率逆变器，工作频率不取决于器件开关速度而受限于开关损耗。

近年研究出的谐振型逆变器是一种新型开关逆变器，由于应用谐振技术使功率开关在零电压下或零电流下进行开关状态转换，开关损耗几乎为零，使效率提高，体积减小，重量减轻，成本降低，是很有发展前景的变频器。

在变频技术日新月异发展的同时，交流电动机控制技术取得了突破性的进展。

由于交流电动机是多变量.强耦合的非线性系统，与直流电动机相比，转矩控制要困难的多。

70年代提出的矢量控制理论解决了交流电动机的转矩控制问题，应用坐标变换将三相系统等效为两相系统，在经过按转子磁场定向的同步旋转变换实现了定子电流励磁分量与转矩分量之间的解耦，从而达到对交流电动机的磁链和电流分别控制的目的。

这样就可以将一台三相异步电动机等效为直流电动机来控制，因而获得了与直流调速系统同样优良的静，动态性能，开创了交流调速与直流调速相竞争的时代。

直接转矩控制是80年代中期提出的又一转矩控制方法，其思路是把电机与逆变器看作一个整体，采用空间电压矢量分析方法在定子坐标系进行磁通.转矩计算，通过磁通跟踪型PWM逆变器的开关状态直接控制转距。

因此，无需对定子电流进行解耦，免去了矢量变换的复杂计算，控制结构简单，便于实现全数字化，目前正受到各国学者的重视。

近10多年来，各国学者致力于无速度传感器控制系统的研究，利用检测定子电压.电流等容易测量的物理量进行速度估算以取代速度传感器。

其关键在于在线获取速度信息，在保证较高控制精度的同时，满足实时控制的要求。

速度估算的方法，除了根据数学模型计算电动机转速外，目前应用较多的有模型参考自适应法和扩展卡尔曼滤波法。

无传感器控制技术不需要检测硬件，也免去了传感器带来的环境适应性，安装维护等麻烦，提高了系统的可靠性，降低了成本，因而引起了广泛兴趣。

微处理机引入控制系统，促进了模拟控制系统向数字控制系统的转化。

数字化技术使得复杂的矢量控制得以实现，大大简化了硬件，降低了成本，提高了控制精度，而自诊断功能和自调试功能的实现又进，一步提高了系统可靠性，节约了大量人力和实践，操作，维修都更加方便。

微机运算速度的提高，存储器的大容量化，将进一步促进数字控制系统取代模拟控制系统，数字化己成为控制技术的方向。

随着现代控制理论的发展，交流电动机控制技术的发展方兴未艾，非线性解耦控制，人工神经网络自适应控制，模糊控制等各种新的控制策略正在不断涌现，展现出更为广阔的前景，必将进一步推动交流调速技术的发展。

1.4本章小结

早期在要求调速的地方多用直流电动机。

这是因为直流电动机调速方便且调速范围广，只要改变电机的输入电压或励磁电流，就可以实现大范围的无级调速，在相当长的时间内，直流调速一直以性能优良领先于交流调速。

60年代以后，特别是70年代以来，电力电子技术和控制技术的飞速发展，使得交流调速性能可以与交流调速相媲美.相竞争，异步电动机调速系统种类很多，目前，交流调速已进入逐步替代直流调速的时代。

2异步电动机变频调速系统

2.1变频调速概述

随着现代电力电子技术，交流变频调速技术的飞速发展和现代控制理论。

高速微处理器的普及应用，交流调速电气传动系统的应用越来越广泛。

目前国内的大部分变频器还是采用电压空间矢量调制法（SVPWM），并且可以满足大部分负载的要求，但是随着对电机控制性能要求越来越高，矢量控制技术和直接转矩控制技术两种高性能的控制技术，控制性能优良，动态响应快，特别是直接转矩控制技术以其简单高效吸引着广大学者，因此在现代交流电气传动中占有越来越重要的地位。

在电动机调速时，一个重要的因素是希望保持每级的磁通量

为额定值不变，磁通太弱没有充分利用电机的铁心，是一种浪费，若要增大磁通，又会使铁心饱和。

从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。

对于直流电机。

励磁系统是独立的，只要对电枢反应的补偿合适，保持磁通

不变是很容易做到的。

在交流异步电机中，磁通是定子和转子磁势合成产生的。

我们知道，三相异步电机定子每相电动势的有效值是：

（2-1）

式中

——气隙磁通和定子每相中感应电动势有效值，单位为V；

——定子频率，单位为Hz；

——定子每相绕组内联匝数；

——基波绕组系数；

——每极气隙磁通量，单位为Wb；

由式（2-1）可知，只要控制好

和

，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。

2.1.1基频以下调速

由式（2-1）可知，要保持

不变，当频率

从额定值

向下调节时，必须同时降低

，使

常值，即采用恒定的电动势频率比的控制方式。

然而，绕组中的感应电动势是难以直接控制的，当电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认定定子相电压

则得：

常值，这是恒压频比的控制方式。

低频时，

都较小，定子阻抗压降所占的份量就比较显著，不再能忽略。

这时，可以人为地把电压

抬高一些，以便近似地补偿定子压降，带定子压降补偿的恒压频比控制特性见图1。

图1恒压频比控制特性

a——不带定子压降补偿b——带定子压降补偿

2.1.2基频以调上速

在基频以上调速时，频率可以从

往上增高，但电压

却不能增加得比额定电压

还要大，最多只能保持

。

由式（2-1）可知这将迫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。

把基频以下和基频以上两种情况合起来，可得图所示的异步电动机变频调速控制特性。

如果电动机在不同转速下具有额定电流，则电机都能在温升允许条件下长期运行，这时转矩基本上随磁通变化，按照电机拖动原理，在基频以下，属于“恒转矩调速”的性质，而在基频以上，基本上属于“恒功率调速”。

图2异步电动机变频调速控制特性

2.2静止式变频装置

上节讨论的控制方式表明，必须同时改变电源的电压和频率。

才能满足变频调速的要求。

现有的交流供电电源都是恒压恒频的，必须通过变频装置，以获得变压变频的电源。

这样的装置通称变压变频（VVVF）装置，其中VVVF是英文VariableVoltageVariableFrequency的缩写。

最早的VVVF装置是旋转变流机组，现在已经几乎无例外地让位给应用电力电子技术的静止式变频装置。

从结构上看，静止变频装置可分为间接变频和直接变频两类。

间接变频装置先将工频交流电源通过整流器变成直流，然后再经过逆变器将直流变换为可控频率的交流，因此又称有中间直流环节的变频装置。

直接变频装置则将工频交流—次变换成可控频率的交流，没有中间直流环节。

目前应用较多的还是间接变频装置。

2.2.1间接变频装置（交—直—交变频装置）

图2绘出了间接变频装置的主要构成环节。

图3间接变频装置（交——直——交变频装置）

按照不同的控制方式，又可分为以下三种。

1.用可控整流器变压，用逆变器变频的交-直-交变频装置。

调压和调频分别在两个环节上进行，两者要在控制回路上协调配合。

这种装置结构简单.控制方便。

但是，由于输入环节采用可控整流器，当电压和频率调得较低时，电网端的功率因数较小；

输出环节多用由晶闸管组成的三相六拍逆变器（每周换流六次），输出的谐波较大。

这就是这类变频装置的主要缺点。

2.用不控整流器整流，斩波器变压，逆变器变频的交-直-交变频装置。

整流环节采用二极管不控整流器，再增设斩波器，用脉宽调压。

这样虽然多了—个环节。

但输入功率因数高。

克服了用可控整流器变压，用逆变器变频的交-直-交变频装置的第一个缺点。

输出逆变环节不变，仍有谐波较大的问题。

3.用不控整流器整流，SPWM逆变器同时变压变频的交-直-交变频装置。

用不控整流，则功率因数高；

用SPWM逆变，则谐波可以减少。

这样，用可控整流器变压.用逆变器变频的交-直-交变频装置的两个缺点都解决了。

谐波能够减少的程度取决于开关频率，而开关频率则受器件开关时间的限制。

如果仍采用普通晶闸管，开关频率比六拍逆变器也高不了多少，只有采用可控关断的全控式器件以后，开关频率才得以大大提高，输出波形几乎可以得到非常逼真的正弦波，因而又称正弦波脉宽调制（SPWM）逆变器。

成为当前最有发展前途的一种结构形式。

2.2.2直接变频装置（交-交-变频装置）

直接变频装置只用一个变换环节就可以把恒压恒频（CVCF）的交流电源变换成VVVF电源，因此又称交交变频装置或周波变换器。

2.2.3电压源和电流源变频器

从变频电源性质来看，无论是交—交变频，还是交—直—交变频，都可分为电压源变频器器和电流源变频器两大类，它们的主要区别在于用什么储能元件来缓冲无功能量。

1.电压源变频器：

对于交—直—交变频器，当中间直流环节主要采用大电容滤波时，直流电压波形比较平直，在理想情况下是一种内阻为零的恒压源，输出交流电压是矩形波或阶梯波，这叫做电压源变频器。

2.电流源变频器：

对于交—直—交变频器，当中间直流环节主要采用大电感滤波时，直流回路中电流波形比较平直，对负载来说基本是一个恒流源，输出交流电流是矩形波或阶梯波，这叫做电流源变频器。

2.3正弦波脉宽调制（SPWM）逆变器

在一般的交—直—交变频器供电的变压变频调速系统中，为了获得变频调速所要求的电压频率协调控制，整流器必须是可控的，调速时须同时控制整流器UR和逆变器UI，这样就带来了一系列的问题。

主要是：

（1）主电路有两个可控的功率环节。

相对来说比较复杂；

（2）由于中间直流环节有滤波电容或电抗器等大惯性元件存在，使系统的动态响应缓慢；

（3）由于整流器是可控的，使供电电源的功率因数随变频装置输出频率的降低而变差，并产生高次谐波电流；

（4）逆变器输出为六拍阶梯波交变电压（电流）。

在拖动电动机小形成较多的各次谐波，从而产生较大的脉动转矩。

影响电机的稳定工作，低速时尤为严重。

因此，由第一代电力电子器件所组成的变频器已不能令人满意地适应近代交流调速系统对变频电源的需要。

随着第二代电力电子器件（如GTO，GTR，P—MOSFET）的出现以及微电子技米的发展，出现了解决这个问题的良好条件。

图4常规交—直—交变频器原理图

图5SPWM交—直—交变