自动控制论文

自动控制原理与系统

——交流变频调速系统

院系：机电工程学院

专业：电气自动化技术

姓名：***

学号：*********

目 录

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

交流调速系统概述 ............................................................................ 3

1、 交流调速系统的特点 .......................................................... 3

2、 交流调速常用的调速方案及其性能比较 .............. 3

变频电机主要特点和变频电机的构造原理 ................................... 6

1、变频专用电动机具有如下特点 ............................................ 6

2、变频电机的构造原理 ............................................................ 7

交流异步电动机 ................................................................................ 7

1、交流异步电动机变频调速基本原理 .................................... 7

2、变频变压（VVVF）调速时电动机的机械特性 .................... 9

3、变压变频运行时机械特性分折 .......................................... 10

SPWM调制技术简介 ......................................................................... 13

总 结 ............................................................................................ 16

参考文献 .......................................................................................... 16

2

摘 要

工业、农业、交通运输和国防各个方面，凡是要求较高的场合,都离不开自

动控制。所谓自动控制，就是在没有人直接参与的情况下，利用控制装置，对生

产过程、工艺参数、目标要求等进行自动的调节与控制，使之按照预定的方案达

到要求的指标。 自动控制系统性能的优劣，将直接影响到产品的产量、质量、

成本、劳动条件和预期目标的完成。

现在流行的异步电动机的调速方法可分为两种：变频调速和变压调速，其中

异步电动机的变频调速应用较多，它的调速方法可分为两种：变频变压调速和矢

量控制法，前者的控制方法相对简单，有二十多年的发展经验。因此应用的比较

多，目前市场上出售的变频器多数都是采用这种控制方法。

交流调速系统概述

1、 交流调速系统的特点

对于可调速的电力拖动系统，工程上往往把它分为直流调速系统和交流调速系统

两类。这主要是根据采用什么电流制型式的电动机来进行电能与机械能的转换而

划分的，所谓交流调速系统，就是以交流电动机作为电能—机械能的转换装置，

并对其进行控制以产生所需要的转速。

纵观电力拖动的发展过程，交、直流两大调速系统一直并存于各个工业领域，

虽然由于各个时期科学技术的发展使得它们所处的地位有所不同，但它们始终是

随着工业技术的发展，特别是随着电力电子元器件的发展而在相互竞争。在过去

很长一段时期，由于直流电动机的优良调速性能，在可逆、可调速与高精度、宽

调速范围的电力拖动技术领域中，几乎都是采用直流调速系统。然而由于直流电

动机其有机械式换向器这一致命的弱点，致使直流电动机制造成本高、价格昂贵、

维护麻烦、使用环境受到限制，其自身结构也约束了单台电机的转速，功率上限，

从而给直流传动的应用带来了一系列的限制。相对于直流电动机来说，交流电动

机特别是鼠笼式异步电动机具有结构简单，制造成本低，坚固耐用，运行可靠，

维护方便，惯性小，动态响应好，以及易于向高压、高速和大功率方向发展等优

点。因此，近几十年以来，不少国家都在致力于交流调速系统的研究，用没有换

向器的交流电动机实现调速来取代直流电动机，突破它的限制。

随着电力电子器件，大规模集成电路和计算机控制技术的迅速发展，以及现

3

代控制理论向交流电气传动领域的渗透，为交流调速系统的开发研究进一步创造

了有利的条件。诸如交流电动机的串级调速、各种类型的变频调速，特别是矢量

控制技术的应用，使得交流调速系统逐步具备了宽的调速范围、较高的稳速精度、

快速的动态响应以及在四象限作可逆运行等良好的技术性能。现在从数百瓦的伺

服系统到数百千瓦的特大功率高速传动系统，从一般要求的小范围调速传动到高

精度、快响应、大范围的调速传动，从单机传动到多机协调运转，已几乎都可采

用交流调速传动。交流调速传动的客观发展趋势已表明，它完全可以和直流传动

相媲美、相抗衡，并有取代的趋势。

2、 交流调速常用的调速方案及其性能比较

由电机学知，交流异步电动机的转速公式如下：

n= 60ƒ1 (1-s) pn (1-1)

式中 Pn——电动机定子绕阻的磁极对数；

f1——电动机定子电压供电频率；

s ——电动机的转差率。

从式（1-1）中可以看出，调节交流异步电动机的转速有三大类方案。

（1）改变电动机的磁极对数

由异步电动机的同步转速

no= 60ƒ1 pn

可知，在供电电源频率f1不变的条件下，通过改接定子绕组的连接方式来改变

异步电动机定子绕组的磁极对数Pn，即可改变异步电动机的同步转速n0，从而

达到调速的目的。这种控制方式比较简单，只要求电动机定子绕组有多个抽头，

然后通过触点的通断来改变电动机的磁极对数。采用这种控制方式，电动机转速

的变化是有级的，不是连续的，一般最多只有三档，适用于自动化程度不高，且

只须有级调速的场合。

（2）变频调速

从式（1—1）中可以看出，当异步电动机的磁极对数Pn一定，转差率s—

定时，改变定子绕组的供电频率f1可以达到调速目的，电动机转速n基本上与

电源的频率f1成正比，因此，平滑地调节供电电源的频率，就能平滑，无级地

调节异步电动机的转速。变频调速调速范围大，低速特性较硬，基频f=50Hz以

4

下，属于恒转矩调速方式，在基频以上，属于恒功率调速方式，与直流电动机的

降压和弱磁调速十分相似。且采用变频起动更能显著改善交流电动机的起动性

能，大幅度降低电机的起动电流，增加起动转矩。所以变频调速是交流电动机的

理想调速方案。

（3）变转差率调速

改变转差率调速的方法很多，常用的方案有：异步电动机定子调压调速，电

磁转差离合器调速和绕线式异步电动机转子回路串电阻调速，串级调速等。

定子调压调速系统就是在恒定交流电源与交流电动机之间接入晶闸管作为

交流电压控制器，这种调压调速系统仅适用于一些属短时与重复短时作深调速运

行的负载。为了能得到好的调速精度与能稳定运行，一般采用带转速负反馈的控

制方式。所使用的电动机可以是绕线式异电动机或是有高转差率的鼠笼式异步电

动机。

电磁转差离台器调速系统，是由鼠笼式异步电动机、电磁转差离合器以及控

制装置组合而成。鼠笼式电动机作为原动机以恒速带动电磁离合器的电枢转动，

通过对电磁离合器励磁电流的控制实现对其磁极的速度调节。这种系统一般也采

用转速闭环控制。

绕线式异步电动机转子回路串电阻调速就是通过改变转子回路所串电阻来

进行调速，这种调速方法简单，但调速是有级的，串入较大附加电阻后，电动机

的机械特性很软，低速运行损耗大，稳定性差。

绕线式异步电动机串级调速系统就是在电动机的转子回路中引入与转子电

势同频率的反向电势Ef，只要改变这个附加的，同电动机转子电压同频率的反

向电势Ef，就可以对绕线式异步电动机进行平滑调速。Ef越大，电动机转速越

低。

上述这些调速的共同特点是调速过程中没有改变电动机的同步转速n0，所

以低速时，转差率s较大。

在交流异步电动机中，从定子传入转子的电磁功率PM可以分成两部分：一

部分P2=（1—s）PM是拖动负载的有效功率，另一部分是转差功率PS=sPM，与

转差率s成正比，它的去向是调速系统效率高低的标志。就转差功率的去向而言，

交流异步电动机调速系统可以分为三种：

5

1）转差功率消耗型

这种调速系统全部转差功率都被消耗掉，用增加转差功率的消耗来换取转

速的降低，转差率s增大，转差功率PS=sPM增大，以发热形式消耗在转子电路

里，使得系统效率也随之降低。定子调压调速、电磁转差离合器调速及绕线式异

步电动机转子串电阻调速这三种方法属于这一类，这类调速系统存在着调速范围

愈宽，转差功率PS愈大，系统效率愈低的问题，故不值得提倡。

2）转差功率回馈型

这种调速系统的大部分转差功率通过变流装置回馈给电网或者加以利用，

转速越低回馈的功率越多，但是增设的装置也要多消耗一部分功率。绕线式异步

电动机转子串级调速即属于这一类，它将转差功率通过整流和逆变作用，经变压

器回馈到交流电网，但没有以发热形式消耗能量，即使在低速时，串级调速系统

的效率也是很高的。

3）转差功率不变型

这种调速系统中，转差功率仍旧消耗在转子里，但不论转速高低，转差功

率基本不变。如变极对数调速，变频调速即属于这一类，由于在调速过程中改变

同步转速n0，转差率s是一定的，故系统效率不会因调速而降低。在改变n0的

两种调速方案中，又因变极对数调速为有极调速，且极数很有限，调速范围窄，

所以，目前在交流调速方案中，变频调速是最理想，最有前途的交流调速方案。

变频电机主要特点和变频电机的构造原理

1、变频专用电动机具有如下特点

B级温升设计，F级绝缘制造。采用高分子绝缘材料及真空压力浸漆制造工

艺以及采用特殊的绝缘结构，使电气绕组采用绝缘耐压及机械强度有很大提高，

足以胜任马达之高速运转及抵抗变频器高频电流冲击以及电压对绝缘之破坏。平

衡质量高，震动等级为R级（降振级）机械零部件加工精度高，并采用专用高

精度进口轴承，可以高速运转。强制通风散热系统，全部采用进口轴流风机超静

音、高寿命，强劲风力。保障马达在任何转速下，得到有效散热，可实现高速或

低速长期运行。经AMCAD软件设计的YP系列电机，与传统变频电机相比较，

具备更宽广的调速范围和更高的设计质量，经特殊的磁场设计，进一步抑制高次

谐波磁场，以满足宽频、节能和低噪音的设计指标。具有宽范围恒转矩与功率调

6

速特性，调速平稳，无转矩脉动。与各类变频器均具有良好的参数匹配，配合矢

量控制，可实现零转速全转矩、低频大力矩与高精度转速控制、位置控制及快速

动态响应控制。YP系列变频专用电机可配制刹车器，编码器供货，这样即可获

得精准停车，和通过转速闭环控制实现高精度速度控制。采用“微电机+变频专

用电机+编码器+变频器”实现超低速无级调速的精准控制。YP系列变频专用电

机通用性好，其安装尺寸符合IEC标准，与一般标准型电机具备可互换性。

2、变频电机的构造原理

电动机的调速与控制，是工农业各类机械及办公、民生电器设备的基础技术

之一。随着电力电子技术、微电子技术的惊人发展，采用“专用变频感应电动机

+变频器”的交流调速方式，正在以其卓越的性能和经济性，在调速领域，引导

了一场取代传统调速方式的更新换代的变革。它给各行各业带来的福音在于：使

机械自动化程度和生产效率大为提高、节约能源、提高产品合格率及产品质量、

电源系统容量相应提高、设备小型化、增加舒适性，目前正以很快的速度取代传

统的机械调速和直流调速方案。

交流异步电动机

1、交流异步电动机变频调速基本原理

从电机及电力拖动中可知，三相交流异步电动机的机械特性可分成两

种：①异步电动机的固有机械特性是指异步电动机工作在额定电压UN和额定频

率f下，按规定的接线方式接线，定子、转子及外接电阻均为0时，讨论转速n

N

与电磁转矩T的关系：n=f（T）（见图1）。②异步电动机的人为机械特性是

emem

指人为地改变电动机参数或电源参数而得的机械特性。电动机参数又可分为三

类：

1．异步电动机的结构参数：

2．异步电动机的运行参数：

3．异步电动机的输入参数：U和f 。

11

异步电动机调速调节转子电阻、定子端电压、磁极对数时的机械特性见图

（2） 。

7

交流异步电动机变频调速时电动机的转速为：

式中：f为电源频率；P为磁极对数；S为转差率。交流异步电动机定子绕

1

组上的感应电动势：

式中：N为定子绕组匝数；k为绕组系数；φm为气隙合成磁通。

11

忽略电动机定子绕组的阻抗压降，交流异步电动机的端电压：

交流异步电动机的电磁转矩：

8

式中：C′为电动机的转矩常数；I′ cosφ转子电流有功分量。

T2

从电磁转距公式可知，连续不断地改变送入异步电动机定子端的的供电电源

频率f，则可连续地改变异步电动机的同步转速： 。但是若U不变，

11

则f 这样会出现电动机的转子电流有功分量I′上升将会导致的φm下降增加，

1

2m

cosφ的变化；电动机效率η会下降及电动机最大转距T会变化等问题，严重的

时候会出现电动机的堵转。或者由于f 的减低会使φm增大，导致电机磁路饱

1

和使I增大，即电动机的铜耗P、和铁耗P增大。

0CuFe

因此在电梯电气控制系统中，要求变频的同时，必须同时改变电动机定子端

输入的端电压，从而保持气隙合成磁通φm 近似不变。

2、变频变压（VVVF）调速时电动机的机械特性

根据端电压和频率不同的比例关系，将会有几种不同的变频调速方式。

（1）、比例控制方式

根据电压公式，在忽略异步电动机定子绕组的阻抗压降后可近似的得

到： ，要维持φm 不变的情况下，只要U和f 成比例的变化即可，从

11

最大转矩公式中可研得知：

在低频段时，由于定子绕组中的X，X，X以及L，L不可忽略，则

m1δ2δ1δ2

δ′′

将会增加使得最大转矩T也将随f 的降低而降低就会将使低频段时异步电动机

m1

的起动转矩T大大减小。这在电梯的电力拖动控制系统中是不希望出现的。

q

（2）、恒磁通控制方式

9

要求调速范围大、恒转矩的电梯负载希望在整个调速范围中保持T= C不变，

em

按公式 进行控制减小时，应适当提高输入定子的端电压U，以补偿异

1

步电动机定子绕组的阻抗压降。按T=C的恒磁通φem=C控制方式，变频时异步

em

电动机机械特性见图（3） 。这是电梯的电力拖动控制系统要求和希望的。

（3）、恒功率控制方式

这种控制方式是在变频调速时，保持异步电动机定子绕组的电流为恒定值。

即通过P调节器和电流闭环系统调节作用而实现的。但这种控制方式仅仅适用

I

负载变化不大的场合，而不适用于电梯的电力拖动控制系统。

由此可见，按T= C的恒磁通变频的异步电动机的机械特性是电梯电力拖动

em

所需求的。

3、变压变频运行时机械特性分折

异步电动机的T 型等效电路见图4。

10

图3 异步电动机变频时特性曲线 图4 异步电动机的T型等效电路

1．电压为额定值时改变频率的机械特性

电源频率f的改变，对异步电动机产生两方面的影响：一是改变同步转速

1

n；二是改变电动机的结构参数。

1

（1）当f 下降时，由于 ，所以f 的下降会造成n上升

111

（2）由于 ，所以f X，X，下降时，

δ1δ21

′

X均会成正比下降。又由于P与f 成正比，所以f下降时会造成X下降。

mFe211m

（3）因为励磁电流

由于f 的下降，会使I的变化为非线性，在低频段I将急剧上升。

100

（4）气隙合成磁通φm同是由励磁电流I所产生的。磁通 大

0

小大小取决于I的大小以及电动机磁路的状况。由于电动机的磁路一般设计在

0

接近饱和的状态，故频率f 下降时，φm 会出现过饱和。这也是I随f 下降

101

急剧上升的原因。

（5）转子电流I的大小决定于负载的大小。在额定负载下，当f下降时，

′

21

φm上升，cosφ上升，所以I会下降。

22

′

（6） 因为定子电流I=I+（-I），因此当f下降时，I可能会出现变化。

10211

′

在低频段重负载下I上升；在较高频率段轻负载下I下降。

11

（7）f的下降对起动转矩T的影响。因为

1q

11

当f 处于较高频率段时，随着f的下降T会出现急剧上升；在低频段时随

11q

着f的下降T的上升将会趋缓。

1q

2．频率为额定值时改变电压的机械特性

改变输入定子电压U，主要影响电动机的运行参数，并会对运行时的I，I

10

′

2

，φm等产生影响。

（1）I的影响。因为

0

当U下降，I也随之下降。

10

（2）气隙合成磁通φm的影响。由于电压U的下降，电机磁路处于非饱和

1

的状态，所以可以认为φm随U正比下降。

1

（3）转子电流I的影响。I的大小取决于负载的大小，在额定负载时，

′′

22

因为T=T，当U下降时，I上升。

Nem12

′

（4）定子电流I的影响。当U下降时，使I上升，造成I的变化，轻负

1121

′

载时I则下降，重负载时I则上升。

11

（5）起动转矩T。因为

q

当U下降时，T随U成正比下降。

12

q1

（6）最大转矩T。因为

m

12

T与U成正比，电压降低，会使电动机过载能力下降。

m1

2

SPWM调制技术简介

脉宽调制(PWM)技术是利用全控型电力电子器件的导通和关断把直流电压变

成一定形状的电压脉冲序列，实现变压、变频控制并消除谐波的技术。

脉宽调制技术在逆变器中的应用，对现代电力电子技术、现代调速系统的发

展起到了极大的促进作用。近几年来。由于场控自关断器件的不断涌现。相应高

频SPWM(正弦脉宽调制)技术在电机调速中得到了广泛应用，不仅能及时、准确地

实现变压变频控制技术，而且更重要地是抑制逆变器输出电压或输出电流中的谐

波分量，从而提高了电机的工作效率，扩大了调速系统的调速范围。实际工程中

目前主要采用的PWM技术是正弦PWM(SPWM)，这是因为变频器输出的电压或电流波

形更接近于正弦波形。

根据电机学原理，交流异步电动机变频调速时，如果按照频率与定子端电压

之比为定值的方式进行控制，则机械特性的硬度变化较小，所以在变频的同时，

也要相应改变定子的端电压。若采用等脉宽PWM调制技术实现变频与变压，由于

输出矩形波中含有较严重的高次谐波，会危害电动机的正常运行。

为减小输出信号中的谐波分量，一种有效的途径是将等脉宽的矩形波变成信

号宽度按正弦规律变化的正弦脉宽调制波，即SPWM调制波。

脉宽调制指的是通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的

波形(含形状和幅值)。在进行脉宽调制时，使脉冲系列的占空比按照正弦规律变

化。当正弦值为最大值时，脉冲的宽度也最大，而脉冲间的间隔最小；当正弦值

较小时，脉冲的宽度也小，而脉冲间的间隔则较大，那么这样的电压脉冲系列就

可以使负载电流中的高次谐波成分大为减小，这种调制方式称为正弦波脉宽调

制。

产生SPWM信号的方法是用一组等腰三角波(称为载波)与一个正弦波(称为

调制波)进行比较，如图4.1所示，两波形的交点作为逆变开关管的开通与关断

时间。当调制波的幅值大于载波的幅值时，开关器件导通，当调制波的幅值小于

13

载波的幅值时，开关器件关断。

虽然正弦脉宽调制波与等脉宽PWM信号相比，谐波成份大大减小，但它毕竟

不是正弦波。提高载波(三角波)的频率，是减小SPWM调制波中谐波分量的有效

方法。而载波频率的提高，受到逆变开关管最高工作频率的限制。第三代绝缘栅

双极型晶体管IGBT的工作频率可达30KHz，用IGBT作为逆变开关管，载波频率

可以大幅度提高，从而使正弦脉宽调制波更接近正弦波。可由模拟电路分别产生

等腰三角波与正弦波，并送入电压比较器，输出即为SPWM调制波。图4.1为SPWM

波生成方法：

u

载波

调制波

0

u

开的时刻

关的时刻

t

0

t

图5 SPWM波生成方法 图6

采用模拟电路的优点是完成三角波与正弦波的比较并确定输出脉冲宽度的

时间很短，几乎瞬间完成。缺点是电路所用硬件较多，改变参数和调试比较困难。

正弦脉宽调制波SPWM)的生成方法可分为硬件电路与软件编程两种方式。

(1)三角波法。其原理是，将等腰三角形载波与正弦控制波通过比较器进行比

较，则在比较器输出端就形成了SPWM波。可见，生成SPWM波的电路必须由三部

分组成：三角波发生器、正弦波发生器和比较器，其框图及波形示意如图6所示。

由图6中的波形可以看出，若等腰三角载波的频率是正弦波频率的N倍时，

N称为载波比，则正弦波形在一个周期内被划分为N等分，并对应着N个宽度不

等的矩形脉冲。当Ⅳ足够大时(例如N＞20)， 这一串矩形脉冲序列的面积将非

常接近正弦波形的面积。各矩形脉冲的宽度是可近似

14

用下式表示

式中，VCM为正弦控制波幅值；VTM为三角载波的幅值。

这种生成SPWM形的方法称为三角波调制法。可以用模拟电路、数字电路

或者两者的混合电路来实现。

(2)SPWM波的软件生成方法。由硬件电路生成SPWM波的方法往往电路复

杂，控制精度难以保证。微型计算机技术的发展和普及，特别是其高集成度和优

异的计算功能，可以方便地对变频器进行直接数字控制，从而获得调节灵活、稳

定可靠、性能优越的控制效果，因而得到普遍应用。

采用微机通过软件编程的方法来生成SPWM波，其原理仍然是基于正弦控

制波和三角载波相交以确定开关通断时刻。随着采样方式的不同，实现的途径也

是多种多样的。所谓采样，就是决定PWM波前后沿出现的时刻，即脉冲宽度与间

隔时间，这些时间在正弦波的不同波段是不同的，并且随着正弦波幅值的变化而

变化。用软件生成PWM波一般有两种方法；查表法和计算法。查表法，即离线由

通用计算机算出对应的脉宽数据，写入EPROM，再由微机通过查表和加减运算得

到脉宽

和间隔时间。计算法，根据理论推导出脉宽函数表达式，由微机进行实时在线计

算以获得相应的脉宽和间隔时间。一般来说，前者将占用大量内存，而后者则需

要大量运算时间；实用中多数是采用两者结合的方法，既可避免全部在线计算造

成的计算量过大、精度受影响的缺点，又使系统因有在线计算而具有相当的灵活

性。

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总 结

随着电力电子器件的自关断化、复合化、模块化，交流电路开关模式的高频

化，控制手段的全数字化，使变频装置的灵活性和适应性不断提高。变频调速技

术的越来越成熟使自控系统节能、省力、易于构成的显著优势更加突出，应用变

频调速技术也是改造挖潜、增加效益的一条有效途径。尤其是在高能耗、低产出

的设备较多的企业，采用变频调速装置将使企业获得巨大的经济利益，同时这也

是国民经济可持续发展的需要。电机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流

程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。变频调速以其优

异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其

它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。深入了解交流传动与控

制技术的走向，具有十分积极的意义．

参考文献

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[2] 孔凡才.自动控制原理与系统 第3版.机械工业出版社 2011年

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