电气工程及其自动化课件：电机调速与控制技术

电机调速与控制技术电机调速与控制技术是电气工程及其自动化专业的核心课程，它涵盖了电机运行控制的基本理论、方法和应用本课程从电机调速的基本概念出发，系统讲解直流电机和交流电机的各种调速方式，以及现代电机控制技术的发展与应用课程目标和学习内容知识目标能力目标掌握电机调速基本理论与方能够设计基本的电机调速系法，理解各类电机的数学模统，掌握电机控制系统参数调型，熟悉现代电机控制技术原整方法，具备故障诊断与排除理，能够分析电机控制系统的能力，能够应用相关软件进行稳定性和动态特性系统仿真素质目标电机调速的基本概念1电机调速定义电机调速是指通过改变电机的运行参数，使电机的转速按照要求变化的过程主要目的是控制电机的转速、转矩以适应不同工况的需要2调速范围指电机转速能够调节的上限与下限之比，一般用最高转速与最低转速的比值表示现代调速系统可实现宽范围调速，甚至达到100:1以上3调速精度指电机实际转速与给定转速之间的偏差程度，一般用百分比表示高精度调速系统的精度可达到

0.01%以上调速平滑性电机调速的必要性和应用领域生产效率提升能源节约主要应用领域通过精确控制电机转速，可以优化生通过根据负载需求调整电机转速，可电机调速技术广泛应用于工业自动产工艺，提高生产效率和产品质量以显著降低能源消耗例如水泵和风化、机床装备、冶金轧制、纺织印例如在纺织行业，精确的速度控制可机应用中，降低转速10%可节省电能染、石油化工、交通运输、新能源汽确保纱线张力均匀，提高产品一致约27%，实现经济运行车以及现代智能家电等领域性电机调速的分类方法按电机类型分类按调速原理分类直流电机调速包括他励直流电机、机械调速通过变速齿轮、皮带传动串励直流电机和复励直流电机的调速等机械装置实现12交流电机调速包括异步电机、同步电气调速通过改变电气参数如电电机和开关磁阻电机的调速压、频率等实现按应用场合分类按控制方式分类恒转矩调速如机床主轴43开环控制无反馈，控制精度较低恒功率调速如卷扬机闭环控制有反馈，控制精度高变转矩调速如风机水泵直流电机调速原理基本转速方程调速原理调速范围直流电机的转速n与电根据转速方程，可通电枢电压调速调速枢电压Ua、磁通量过改变电枢电压Ua、范围一般为1:2~1:3；Φ、电枢电流Ia以及磁通量Φ或电枢电阻磁场调速调速范围电枢电阻Ra有关，基Ra来实现转速调节一般为1:

1.5~1:2；电本转速方程为n=每种方法都有其特定枢回路电阻调速调Ua-Ia·Ra/K·Φ，其的机械特性曲线和适速范围较小；综合调中K为常数用场合速可达1:1000以上直流电机的数学模型电气方程电枢回路电压方程Ua=E+Ia·Ra+La·dIa/dt，其中E为电动势，Ra为电枢电阻，La为电枢电感，Ia为电枢电流电动势方程E=Ce·Φ·ω，其中Ce为常数，Φ为磁通量，ω为角速度机械方程电磁转矩方程Te=Cm·Φ·Ia，其中Cm为常数机械运动方程Te=J·dω/dt+Bm·ω+TL，其中J为转动惯量，Bm为摩擦系数，TL为负载转矩传递函数通过拉普拉斯变换，可以得到电枢电压控制下的传递函数ωs/Uas=K/[1+sTm1+sTe]，其中Tm为机械时间常数，Te为电气时间常数该传递函数描述了电枢电压变化与转速响应之间的动态关系，为系统设计提供理论基础直流电机的机械特性机械特性定义直流电机的机械特性是指转速n与电磁转矩Te之间的关系曲线，反映了电机在不同负载条件下的运行特性自然特性电机在额定电枢电压、额定励磁电流和不含附加电阻的条件下的机械特性表现为一条近似的直线，转速随转矩的增加而略有下降人为特性通过改变电机参数（如电枢电压、励磁电流或串入附加电阻）获得的机械特性根据调速方法不同，呈现出不同的特性曲线硬特性与软特性硬特性转速变化小，如电枢电压调速；软特性转速变化大，如电枢回路电阻调速不同应用场合需选择合适的特性类型直流电机调速方法电枢电压调节原理实现方式基于n=Ua-Ia·Ra/K·Φ，通过改变1调压装置可采用晶闸管整流器、PWM电枢电压Ua来调节电机转速，励磁电2直流斩波器或双向功率变换器等流保持不变应用场合特点4适用于恒转矩负载，如机床主轴、起3机械特性硬，调速平滑，效率高，适重机等需要硬特性的场合合基速以下调速，可实现降速运行直流电机调速方法磁场调节原理1基于n=Ua-Ia·Ra/K·Φ，通过改变励磁电流If来调节磁通量Φ，进而改变电机转速由于n与Φ成反比，降低磁通量可提高转速实现方式2可通过调节励磁电路中的电阻或使用晶闸管整流器控制励磁电压来实现现代控制系统多采用PWM控制的DC-DC变换器为励磁绕组供电特点3只能实现基速以上调速，即升速运行；调速系统结构简单；弱磁调速时转矩随转速增加而减小，呈现恒功率特性应用场合4适用于需要恒功率特性的场合，如轧钢机，可在较宽的速度范围内保持恒定的功率输出直流电机调速方法电枢回路电阻调节调速原理实现方式基于n=Ua-Ia·Ra/K·Φ，通过传统方式采用可调电阻箱串接在在电枢回路中串入附加电阻电枢回路中；现代方法可使用功Ra，增大电枢回路总电阻，从率电子器件如IGBT构成的电子调而降低电机转速随着Ra值的阻器，通过PWM控制实现连续调增大，电机转速降低节特点与局限特点结构简单，成本低，可实现降速运行；局限机械特性软，能量利用率低，附加电阻消耗的能量以热量形式损失，效率低下，且电机转速随负载变化明显直流电机闭环控制系统基本结构PID控制器反馈元件直流电机闭环控制系统通常包括给定单PID控制器是最常用的调节器类型，由常用的反馈元件包括测速发电机、霍尔元、比较单元、调节器、执行机构、电比例、积分和微分三部分组成比例环传感器、编码器等它们将电机的实际机本体及反馈单元通过负反馈原理，节提高响应速度，积分环节消除静差，转速、位置等信息转换为电信号，与给实现对电机转速、电流或位置的精确控微分环节改善动态性能合理的参数整定信号进行比较，形成闭环控制制定对系统性能至关重要直流电机调速系统的动态特性分析时间秒阶跃响应斜坡响应直流电机调速系统的动态特性反映系统对输入信号变化的响应能力上图展示了系统对阶跃信号和斜坡信号的响应曲线常用的动态特性指标包括上升时间、调节时间、超调量和稳态误差等不同的应用场合对动态特性有不同的要求，例如精密机床要求较小的超调量，而起重设备则更注重快速响应影响系统动态特性的因素包括电机本身的电气和机械时间常数、负载特性、控制器参数以及功率变换器的特性等通过合理的系统设计和参数整定，可以获得满足特定应用需求的动态性能直流电机调速系统的稳定性分析系统稳定的定义1系统在受到扰动后能自动恢复平衡状态常用分析方法2劳斯判据、奈奎斯特判据、频率特性法、根轨迹法影响因素3系统开环增益、时间常数、延迟环节、非线性特性稳定性改善措施4引入适当的补偿网络、减小系统增益、优化控制算法直流电机调速系统的稳定性是系统设计中的关键问题在分析过程中，通常将系统简化为线性模型，利用传递函数描述系统动态特性判断系统稳定性的基本准则是特征方程的所有根都位于复平面的左半平面实际系统中，由于参数变化、非线性因素和外部干扰等因素，稳定性分析变得更加复杂工程上常采用裕度设计法，即保证系统具有足够的相位裕度和幅值裕度，以确保系统在各种条件下都能保持稳定运行直流电机调速系统的设计方法需求分析1确定系统的静态和动态性能指标要求方案选择2选择合适的调速方式和控制结构参数设计3计算系统各环节参数，包括控制器参数仿真验证4利用MATLAB/Simulink等工具进行系统仿真实际调试5系统实现与参数整定优化直流电机调速系统设计通常采用分层设计法，即先设计内环（如电流环），再设计外环（如速度环）这种方法可以简化设计过程，并保证系统的稳定性在控制器设计中，常用的方法包括经典PID控制、最优控制、自适应控制和模糊控制等现代设计方法强调系统的鲁棒性，即系统在参数变化和外部干扰条件下仍能保持良好的性能这对于工业环境中的电机调速系统尤为重要，因为实际工况往往复杂多变交流电机调速概述交流电机类型交流调速的历史发展主要包括异步电机（感应电机）、同从最初的机械调速、电气调速，到现步电机和交流换向器电机等在工业代的变频调速、矢量控制和直接转矩12应用中，笼型异步电机因其结构简控制，交流电机调速技术经历了巨大单、坚固耐用、维护方便而被广泛使的发展变革，控制性能不断提高用交流调速的应用优势交流调速的基本方法与直流调速相比，交流电机结构简改变定子频率、改变极对数、改变转43单、可靠性高、维护成本低，且现代差率等其中，变频调速因其高效节控制技术使其调速性能接近甚至超过能、调速范围宽、控制性能好等优直流电机，应用前景更为广阔点，已成为主流调速方法异步电机的工作原理和数学模型工作原理1异步电机定子绕组通入三相交流电后产生旋转磁场，该磁场切割转子导体，在转子中感应出电动势和电流转子电流与定子旋转磁场相互作用产生电坐标变换磁转矩，驱动转子旋转2为简化分析，通常采用坐标变换将三相静止坐标系转换为两相旋转坐标系d-q坐标系这一变换使复杂的交流变量转化为直流变量，便于控制系统数学模型3设计在d-q坐标系下，异步电机的数学模型包括电压方程、磁链方程、转矩方程和机械运动方程这些方程构成了描述异步电机动态特性的完整模型，是状态空间模型4设计控制系统的理论基础将异步电机的数学模型表示为状态空间形式，便于应用现代控制理论进行分析和设计状态变量通常选择定子和转子磁链或电流分量以及机械角速度异步电机的机械特性

1.04T=fs转差率区域分类特性方程转差率s=n₁-n₂/n₁，其中n₁为同步转速，n₂为转根据转差率s的不同，异步电机工作区域可分为电异步电机的转矩-转差率特性方程为子实际转速转差率反映了转子转速落后于同步转动机区01，分别对应不同的运行状态T=Tₐₓ·2/s/s+s/s，其中Tₐₓ为最大转矩，ₘₖₖₘ速的程度，是分析异步电机特性的重要参数s为临界转差率该方程描述了电机的转矩与转ₖ差率的关系异步电机的机械特性曲线反映了电磁转矩T与转子转速n₂或转差率s之间的关系典型的机械特性曲线呈倒N型，可分为稳定区和不稳定区在稳定区内，转矩随转速下降而增加，具有自稳定性；在不稳定区内，转矩随转速下降而减小，系统不稳定影响异步电机机械特性的因素包括定子电压、定子频率、转子电阻等了解这些因素对机械特性的影响，是选择合适调速方法的理论基础异步电机调速方法频率调速原理V/f控制应用与发展基于n₁=60f₁/p，通过改变定子电源频为保持电机磁通恒定，防止磁路饱和或随着功率电子技术和微处理器技术的发率f₁来改变同步转速n₁，进而调节电机磁通减弱，频率调节的同时需要按一定展，变频调速设备从早期的笨重、昂转速频率调速是目前应用最广泛的异规律调节电压，即保持V/f比值基本恒贵、性能有限，发展到如今的小型化、步电机调速方法，可实现宽范围、高效定这是最基本的变频调速控制策略，低成本、高性能，已成为工业自动化的率调速也称为恒磁通控制标准配置异步电机调速方法电压调速原理基于T∝U₁²，通过改变定子电压U₁来改变电磁转矩，进而在一定范围内调节转速当负载转矩一定时，降低电压会导致转速下降，实现调速目的实现方式常用的电压调节装置包括自耦变压器、晶闸管电压调节器等现代系统多采用功率电子器件如TRIAC或逆变器实现电压调节特点与局限优点设备简单，成本低；缺点调速范围狭窄通常仅为1:2~1:3，效率低，转速随负载变化明显，难以精确控制应用场合主要适用于对调速性能要求不高、运行时间较短的场合，如小型风机、水泵等在现代工业中，随着变频技术的普及，电压调速应用逐渐减少异步电机调速方法转子回路电阻调节1适用电机类型2调速原理此方法仅适用于绕线式异步电机，不适用于笼型异步电机绕线基于转矩特性方程，增大转子回路电阻R₂会使临界转差率s增ₖ式异步电机的转子绕组引出端子连接到滑环，通过碳刷引至外部，大，机械特性曲线变得更加软，在相同负载转矩下，转速将降可接入附加电阻低，从而实现调速目的3优缺点分析4现代应用优点结构简单，启动性能好，可实现平滑调速；缺点能量损传统的机械变阻器已逐渐被电子变阻器取代，后者通过功率电子耗大，转子电阻中消耗的能量以热量形式散失，效率低下；调速开关器件和PWM控制技术，实现更精确的电阻调节在特殊场合范围有限；转速随负载变化明显如起重机、卷扬机等仍有应用异步电机调速方法级数变换调速原理实现方式特点与应用基于同步转速n₁=60f₁/p，通过改变多速电机通常采用达兰德优点结构简单，可靠性高，效率定子绕组的极对数p，改变同步转速，（Dahlander）接线或多绕组结构达高；缺点只能实现有限的几个固定进而实现电机转速的阶梯式变化由兰德接线是一种特殊的定子绕组连接转速，不能连续调速主要应用于对于极对数只能取整数值，因此只能实方式，通过改变绕组的串并联关系，调速连续性要求不高的场合，如多速现阶梯式调速，不能连续调速实现极对数2:1的变换，例如2/4极或风机、水泵、机床主轴驱动等4/8极变频调速系统的基本结构现代变频调速系统主要由整流单元、直流中间电路、逆变单元和控制系统四部分组成整流单元将电网交流电转换为直流电；直流中间电路对整流后的直流电进行滤波、稳压；逆变单元将直流电转换为频率可调的交流电供给电机；控制系统负责协调各单元工作，实现对电机的精确控制根据拓扑结构的不同，变频器可分为电压源型变频器VSI和电流源型变频器CSI两大类其中，电压源型变频器因其性能好、结构简单、适应性强等优点，在工业应用中占据主导地位，特别是IGBT为开关器件的PWM变频器最为常见电压源型变频器的工作原理整流单元直流中间电路逆变单元将交流电网电压整流为直流电压可采由电容和电感组成，起滤波和能量存储将直流电转换为频率可调的交流电主用不控整流（二极管整流桥）或可控整作用电容平滑直流电压，减小电压脉要由IGBT或MOSFET等功率开关器件组流（晶闸管整流桥），也可采用PWM整动；电感限制电流变化率，保护设备成，通过PWM控制策略，合成接近正弦流实现能量双向流动和输入功率因数校在制动时，可通过制动单元将能量消耗波的输出电压波形，供电机使用正在制动电阻上电流源型变频器的工作原理基本结构1电流源型变频器CSI主要由可控整流器、直流电抗器和电流型逆变器组成与电压源型变频器不同，CSI的中间电路为大电感，维持稳定的直流电流，而非稳定的直流电压整流环节2通常采用全控型整流器（如晶闸管整流桥），通过调节晶闸管的触发角，控制输出的直流电流大小这一环节实现了交流电到直流电的转换，并提供了电流调节能力直流环节3包含大电感，用于平滑直流电流，减小电流脉动电感值通常很大，可确保向逆变器输入的是稳定的直流电流，为CSI的正常工作提供基础逆变环节4由开关器件（如晶闸管、GTO或IGCT）组成，负责将直流电流逆变为交流电流每个开关器件的导通时间决定了输出电流的频率和波形通常需要在输出端并联电容，提供换流所需的电压源控制技术在变频调速中PWM的应用PWM基本原理常用PWM策略硬件实现脉宽调制PWM是一正弦PWMSPWM现代变频器大多采用种通过改变脉冲宽度最基本的PWM方式，数字信号处理器DSP来控制开关器件导通简单易实现；空间矢或专用集成电路时间的技术在变频量PWMSVPWM利ASIC实现PWM控器中，通过比较三角用空间矢量理论，提制这些高性能芯片载波与正弦调制波，高直流电压利用率，能够快速计算PWM参生成PWM信号驱动功减小谐波成分；随机数，生成精确控制信率开关器件，合成近PWM随机改变载波号，并实现复杂控制似正弦波的输出电频率，减小噪音算法压矢量控制原理基本思想数学基础矢量控制FOC模仿直流电机控制原1利用坐标变换，将三相静止坐标系下理，将异步电机的转矩控制和磁通控2的电流转换到同步旋转坐标系中制解耦实施步骤控制结构4电流采样坐标变换电流调节逆3通常包含内环电流控制和外环速度控→→→变换→PWM生成→功率驱动制，实现电机转矩和磁通的独立控制异步电机的间接矢量控制原理坐标变换间接矢量控制IFOC是一种基于间接矢量控制的关键是坐标变转子磁场定向的控制方法它换，包括Clarke变换（三相静止通过测量电机的速度和定子电坐标系到两相静止坐标系）和流，利用电机模型计算转子磁Park变换（静止坐标系到旋转链角位置，无需直接测量磁通，坐标系）这些变换使复杂的实现磁通定向控制三相交流量转换为易于控制的直流量转子磁链角位置计算转子磁链角位置θe=θr+θsl，其中θr为转子位置角，θsl为转差角转差角通过转差频率ωsl=Lm·Rr·isq/Lr·λdr积分得到，实现对磁链定向的精确控制异步电机的直接矢量控制基本原理1直接矢量控制DFOC通过直接测量或观测转子磁通，获取磁通幅值和相位角，实现磁场定向控制与间接矢量控制相比，它对电机参数的依赖性较小，控制精度更高磁通检测方法2常用的磁通检测方法包括霍尔传感器检测法、电压-电流模型观测法和扩展卡尔曼滤波器估计法等每种方法都有其适用条件和性能特点，需根据具体应用选择控制结构3直接矢量控制系统通常由磁通观测器、坐标变换器、电流控制器、速度控制器和PWM生成器组成磁通观测是系统的关键环节，其性能直接影响控制效果实现挑战4直接矢量控制的实现面临磁通精确测量或估计的挑战，特别是在低速区域此外，系统对传感器精度和计算能力有较高要求，增加了硬件成本异步电机矢量控制系统的设计硬件设计电流环设计速度环设计矢量控制系统的硬件平台通常包括高性电流环是矢量控制的内环，其带宽应远速度环是矢量控制的外环，通常也采用能微处理器DSP/MCU、功率驱动电高于速度环常采用PI控制器，通过内PI控制器速度环设计需考虑系统的机路、电流电压传感器、位置/速度传感模原理可实现零静差跟踪电流环参数械时间常数、负载特性以及对负载扰动器和通信接口等处理器需具备足够的整定需考虑系统的电气时间常数和PWM的抑制能力为防止积分饱和，通常采计算能力，以实现复杂的矢量控制算周期等因素用带抗饱和措施的PI控制器法直接转矩控制（）原理DTC基本思想1直接控制电磁转矩和定子磁通控制变量2电磁转矩和定子磁通幅值控制方式3基于磁通和转矩误差的开关选择表主要特点4结构简单、动态响应快、无需复杂坐标变换直接转矩控制DTC是一种基于磁场定向原理的高性能交流电机控制方法，由德普勒Depenbrock和诺格Noguchi等人于20世纪80年代提出与矢量控制不同，DTC不需要进行复杂的坐标变换，也不需要精确的电机参数，控制结构更为简单DTC的核心思想是利用逆变器的不同开关状态直接控制电机的转矩和磁通通过对转矩和磁通进行双闭环滞环控制，结合开关状态选择表，选择最优的逆变器开关状态，实现电机转矩的快速精确控制直接转矩控制系统的实现磁通观测器转矩估算开关表设计DSP实现基于电压模型的磁通观测器是电磁转矩可通过定子磁通和电流开关表根据转矩误差、磁通误差现代DTC系统通常采用高性能DSPDTC系统的关键组成部分通过的矢量积计算Te=和磁通扇区信息，确定逆变器的实现，需要高速采样电流和电压积分计算定子磁通ψs=∫us-3/2·p·ψsα·isβ-ψsβ·isα，其中p最优开关状态合理的开关表设信号，快速计算磁通和转矩，并Rs·isdt，其中us为定子电压，is为极对数，ψsα、ψsβ为磁通α、β计是提高DTC性能的关键，需考根据开关表生成PWM信号采样为定子电流，Rs为定子电阻实分量，isα、isβ为电流α、β分量虑转矩响应速度和开关频率等因频率通常在10kHz以上，以保证际系统中需解决积分漂移问题素控制精度矢量控制与直接转矩控制的比较对比项目矢量控制FOC直接转矩控制DTC控制思想模拟直流电机控制，转矩和磁通直接控制转矩和磁通，无需解耦解耦控制坐标变换需要复杂的坐标变换Clark变换和不需要坐标变换，计算量小Park变换参数依赖性对电机参数依赖较大，特别是转主要依赖定子电阻，参数依赖性子时间常数较小控制器使用PI控制器，参数整定相对复使用滞环控制器，结构简单杂动态响应动态响应较好动态响应更快，尤其是转矩响应转矩脉动转矩脉动小转矩脉动较大，尤其在低速区域开关频率固定开关频率，有利于滤波设计可变开关频率，可能产生噪声和谐波问题矢量控制和直接转矩控制都是现代交流电机控制的高性能方法，各有优缺点矢量控制具有稳定的开关频率和较小的转矩脉动，但控制结构复杂，对电机参数依赖性大；直接转矩控制结构简单，动态响应快，但存在转矩脉动大、可变开关频率等问题。