CHAPTER 23
Electronic Control of Alternating-Current Motors
23.0 Introduction
We saw in Chapter 22 that the electronic control of dc motors enables us to obtain high efficiency at all torques and speeds. Full 4-quadrant control is possible to meet precise high-speed industrial standards. The same remarks apply to the electronic control of ac motors. Thus, we find that squirrel-cage and wound-rotor induction motors, as well as synchronous motors, lend themselves well to electronic control. Whereas dc machines are controlled by varying the voltage and current, ac machines are controlled by varying the voltage and frequency. Now, we may ask, if dc machines do such an outstanding job, why do we also use ac machines? There are several reasons:
1. AC machines have no commutators and brushes; consequently, they require less maintenance.
2. AC machines cost less (and weigh less) than dc machines.
3. AC machines are more rugged and work better in hostile environments.
4. AC machines can operate at much higher voltages: up to 25 kV. DC machines are limited to about 1000 V.
5. AC machines can be built in much larger sizes: up to 50 000 kW. DC machines are limited to about 2000 kW
6. AC machines can run at speeds up to 100 000 r/min, whereas large dc machines are limited to about 2000 r/min.
In this chapter we cover 3-phase motor controls in keeping with the power emphasis of the book. However, the reader should first review the basic principles of electronic drives covered in Chapters 21 and 22. Furthermore, to understand the basic principles of ac motor control, the reader should also review Sections 20.18 and 20.20, which explain how variable frequency affects the behavior of a squirrel-cage induction motor.
23.1 Types of ac drives
Although there are many kinds of electronic ac drives, the majority can be grouped under the following broad classes:
1. Static frequency changers
2. Static voltage controllers
3. Rectifier-inverter systems with line commutation
4. Rectifier-inverter systems with self-commutation
5. Pulse-width modulation systems
Static frequency changers convert the incoming line frequency directly into the desired load frequency. Cycloconverters fall into this category, and they are used to drive both synchronous and squirrel-cage induction motors (Fig. 23.1).
Static voltage controllers enable speed and torque control by varying the ac voltage. They are used with squirrel-cage induction motors. Static voltage controllers are also used to soft-start induction motors (Fig. 23.2).
Rectifier-inverter systems with line commutation rectify the incoming line frequency to dc, and the dc is reconverted to ac by an inverter. The inverter, in turn, is line-commutated by the very motor it drives. Such systems are mainly used to control synchronous motors (Fig. 23.3). Similar systems are used to control the speed of wound-rotor induction motors (Fig. 23.4).
Figure 23.1
Variable-speed drive system using a cycloconverter (see Sections 23.3 and 23.5).
Figure 23.2
Variable-speed drive using a static switch (see Section 23.6).
Figure 23.3
Variable-speed synchronous motor drive using a controlled rectifier and a line-commutated inverter fed from a dc link current source (see Section 23.2).
Figure 23.4
Variable-speed drive for a wound-rotor induction motor (see Section 23.12).
Rectifier-inverter systems with self-commutation rectify the incoming line frequency to dc, and the dc is reconverted to ac by an inverter. However, the inverter is self-commutated, generating its own frequency. Such rectifier-inverter systems are used to control squirrel-cage induction motors (Figs. 23.5 and 23.6).
Pulse-width modulation systems are a relatively new development as far as widespread industrial applications are concerned. They enable variable speed induction motor drives ranging from zero speed and up. Their appearance in the marketplace is directly due to the availability of high-speed switching devices such as IGBTs (Fig. 23.7).
The seven block diagrams shown in Figs. 23-1 through 23-7 are examples of these ac drives.
Figure 23.5
Variable-speed drive using a controlled rectifier and a self-commutated inverter fed from a dc link current source (see Section 23.9).
Figure 23.6
Variable-speed drive using a controlled rectifier and a self-commutated inverter fed from a dc link voltage source (see Section 23.10).
Figure 23.7
Variable-speed drive using a diode rectifier and a self-commutated PWM inverter fed from a do link voltage source (see Section 23.13).
23.2 Synchronous motor drive using current-source dc link
In Chapter 22, Sections 22.14 and 22. l5, we saw that the combination of a synchronous motor and its position-commutated inverter behaved like a brushless dc motor. This presents a bit of a dilemma, because large synchronous motors are generally considered to be alternating-current machines. The reader may therefore consider that in electronic drives the synchronous motor is a sort of hybrid animal that can be treated either as an ac machine or as a brushless dc machine, depending upon the point of view. In this chapter, we consider it to be an ac machine when fed from a 3-phase source.
Fig. 23.8 shows a typical synchronous motor drive. It consists of two converters connected between a 3-phase source and the synchronous motor. Converter 1 acts as a controlled rectifier, feeding dc power to converter 2. The latter behaves as a line commutated inverter whose ac voltage and frequency are established by the motor.
A smoothing inductor L maintains a ripple
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章节23
交流电动机的电子控制
在第22章看到直流电动机的电子控制使我们能在任何转矩和转速下得到很高的功率因数。全四象限控制可以满足精密高速工业标准。同样的道理适用于交流电机的电子控制。因此，我们发现，鼠笼和绕线转子感应电机，以及同步电机，使他们自己很好去实现电子控制。虽然直流电机的控制，是通过改变电压和电流，交流电机控制是通过改变电压和频率。现在，我们可能会问，如果直流电机做这么出色的工作，为什么我们也使用交流机？
有以下几个原因：
- 交流电机无换向器和电刷；因此，他们需要较少的维护。
- 交流电机的成本比直流电机低（重量轻）。
- 交流机器更坚固，在恶劣环境下工作更好。
- 交流电机可以工作在高得多的电压：高达25千伏。直流电机仅限于约1000 V.
- 交流电机可以制造更大的规格：高达000千瓦50千瓦。直流电机仅限于约2000千瓦。
- 交流电机可以运行在高达100转/分钟的速度，而大型直流电机仅限于约2000转/分钟。
在这一章中，我们涵盖了这本书中三相电机控制和功率因数研究内容。然而，读者应该首先回顾在第21和第22章电子驱动器的基本原则。此外，为了了解交流电机控制的基本原理，读者还应回顾第20.18和第20.20节，这些章节解释了可变频率如何影响鼠笼式感应电动机工作。
23.1交流驱动器种类
虽然有许多种类的电子交流驱动器，但大多数可以分组以下以下广泛的类别：
- 静态变频器
- 静态电压控制器
- 具有线路换相功能的整流逆变器系统
- 自整流整流逆变器系统
- 脉冲宽度调制系统
静态变频器将输入线路频率直接转换成所需的负载频率。周波变换器属于这一类，他们是用来驱动同步电动机和鼠笼型感应电动机（图23.1）。
静态电压控制器通过改变交流电压使速度和转矩控制得到控制。它们与鼠笼式感应电动机一起使用。静态电压控制器也用于软启动感应电动机（图23.2）。
线路换相整流逆变系统校正输入工频直流，通过逆变器将直流逆变回交流。反过来，是线换向逆变器驱动电机的极。这种系统主要用于控制同步电动机（图23.3）。类似的系统也被用来控制绕组感应电动机的速度（图23.4）。
图23.1
采用交-交变频调速系统（见章节23.3和23.5）。
图23.2
使用静态开关的变速驱动器（见第23.6节）。
图23.3
使用一个可控整流和有源逆变供电的直流环节电流源变频同步电机驱动器（见23.2节）。
图23.4
绕线转子感应电动机的变速驱动（见第23.12节）。
自换相整流逆变系统校正输入的工频直流，逆变器将直流逆变成交流。但是，该逆变器是自换向的，产生自己的频率。这种整流逆变器系统用于控制鼠笼式感应电动机（图23.5和23.6）。
脉冲宽度调制系统是一个相对较新的发展，直到广泛的工业应用后才被关注。他们使变速感应电机驱动器能从零速度和上升。他们在市场上的出现是由于高速开关器件，如IGBT（图23.7）。
从23-1到23-7的七个图是这些交流驱动器的例子。
图23.5
变速驱动器使用一个可控整流电路和一个自换相逆变器的直流电流源环节（见23.9节）。
图23.6
采用可控整流和自调速换向逆变器的直流环节电压源（见23.10节）。
图23.7
使用一个二极管整流器和换向PWM逆变器从做链路电压源环节的变速驱动器（见23.13节）。
23.2 使用直流电流源环节的同步电动机驱动
在第22章，第22.14和第22.15节，我们看到一个同步电机位置换向逆变器工作得像一个无刷直流电机的组合。这有点进退两难，因为大型同步电动机一般被认为是交流电机。因此，根据观点，读者可以认为在电子驱动器中的同步电动机是一种混合物，它可以被视为交流机或无刷直流电机。在本章中，从三相源供电时我们认为它是交流电机。
图23.8显示了典型的同步电机驱动。它由两个转换器之间的三相源和同步电动机连接。转换器1作为一个控制整流器，提供直流电源给转换器2。后者表现为有源逆变器，它的交流电压和频率是由电机提供。
平滑电感器L在两个转换器之间的直流链路中维持一个无纹波电流。电流由作为电流源的变流器1控制。较小的桥式整流器（转换器3）为转子提供励磁。
转换器2通过感应电动机的端子两端电压实现自然换向。这个电压是由旋转磁通在空气间隙产生的。磁通取决于定子电流和励磁电流。磁通通常保持不变，因此，感应电压正比于电机转速。
图23.8
由直流环节转换器驱动的同步电动机。输出频率可以远大于60赫兹，从而允许高速运行。
转换其1的栅极是在线路频率（60赫兹）下触发的，而转换器的2是在电机频率下。后者与电机转速成正比。
关于控制，信息在不同点集中到门触发处理器，然后发送适当的门脉冲信号给转换器1和2。因此，处理器接收信息如旋转速度，实际速度，瞬时的转子位置，定子电压、定子电流、励磁电流等。他们解释这些输入代表正常或异常情况并发出适当的栅极脉冲来改正或满足特定的命令。
转换器2的栅极脉冲由转子的位置控制。这是通过一组传感器来感测旋转磁场。它们安装在靠近空气间隙的定子上。其他方法采用安装在轴端的位置传感器。由于这种方法的栅极控制，使同步电机的工作的像无刷直流电机一样。通过提高电流或励磁电流可提高电机转速。
定子电压产生的直流电动势：
(21 .13)
其中 =转换器2产生的直流电压
=定子两端线电压有效值
=转换器2激励角
同样，由转换器1产生的电压：
链路电压和几乎相等，不同的只有在可忽略不计的IR降落电感。
定子线电流在的矩形脉冲中流动，如图23.9所示。这会产生转矩脉动，但由于转子的惯性它们几乎完全阻尼（除了在低速下）。因此，轴在额定转速时运转平稳。
电机线中性电压和线电压基本上是正弦波。励磁电流、线电流、触发被调整以使线电流超前于中性点电压（fig.23.9）。这个原因是同步电动机必须工作在超前的功率因数，以提供由转换器2吸收的无功功率。
图23.9
在图23.8里典型的电压电流波形
转换器1的设计是使在满负荷条件下，激励角约15°，以尽量减少从60赫兹交流线产生的无功功率。
再生制动是通过改变栅极发射脉冲，使转换器2作为整流器，而转换器1作为逆变器工作。和的极性反转，但链接电流继续在相同的方向流动。因此功率，传输回三相，60赫兹线和电机减速。在此期间电机作为交流发电机工作。
起动电机时出现麻烦，因为在静止状态下定子电压为零。因此，没有电压可用于产生转换器的线换流器2。为了克服这一困难，转换器以一种方式激励，这种方式是短电流脉冲在AB，BC，和CA间依次流动。连续脉冲在定子中创建N，S极，N,S极在转子上始终只是超前于相反磁极。像狗追逐它的尾巴，转子加速，当它达到约百分之10的额定速度，转换器2工作和交换正常实现。这种脉冲的操作模式也用于制动电机，因为它接近零速度。
使用电流源直流母线的同步电动机的速度控制被应用于从1千瓦到几兆瓦的电机中。纺织工业用永磁同步电机和核反应堆循环泵用无刷同步电动机。抽水蓄能电站也使用这种方法，给巨大的同步机升速来使他们可以顺利地与线路同步。
23.3同步电机和变频器
我们已经看到，周波变换器可以直接将电源从一个更高的频率变换到较低的频率（21.24节）。这些转换器有时被用来驱动额定功率高达几兆瓦的低速同步电机。如果使用一个60赫兹的电源，周波变换器输出频率通常是从零到10 Hz可变。晶闸管换线，结果使周围每个可控硅电子复杂性大大降低。
图23。I0显示三周波变换器连接到一个三相同步电动机星形连接的定子。根据在21.24节的原理解释，每个周波变换器产生一个单相输出。在A相中，相关的装置包括两个三相桥 A和-A，连接到相同的三相60赫兹线中。
桥 A产生电压的正半周期的线，而桥-A产生产生负半周期线。禁止止两个桥同时运行是为了防止它们之间的环流。由此产生的低频波包括在线1、2之间的60Hz电压段，3。通过适当的门激励，低频电压可近似为正弦波（fig23.1 1）。然而，为了减少从60赫兹线上吸收的无功功率，输出电压通常设计有一个梯形，平顶波形。
三相控制整流器作为电流源提供电流。控制三相定子电流和的大小，以在空气间隙中保持恒定的磁通。此外，栅极脉冲定时调整和调整励磁使电机工作在低频率的单位功率因数下。然而，即使在单位功率因数（，，分别对应相电压，，)，交-交变频器从60 Hz线路吸收无功功率。其原因是在60 Hz的线上需要延迟触发，以产生正弦的低频电压。输入功率因数通常为百分之85时，电机运行在额定功率和速度。
图23.12显示了一个由变频器驱动大型低速同步电动机。速度可从零到15r/min连续可调。低速下允许球磨机直接驱动而不使用齿轮减速器。电机通过改变栅极激励来停止，使电机作为发电机，供电回AC线。
类似的大功率、低速交-交变频驱动器被广泛应用在船舶推进电动机。例如，受欢迎的70000吨邮轮是由两个14兆瓦同步电机推动。电机直接并行到螺旋桨轴上，螺旋桨轴被速度为零到140转/分钟所驱动。
23.4交-交变频器的电压和频率控制
回到图23.11，我们可以看到，低频输出电压是由选定的段的三相60赫兹线电压。本段通过可控硅的栅极激励决定。触发和一个常规的6脉冲整流器触发角相同，除了每个低频期间得到输出电压接近正弦波连续变化。正半周期时，晶闸管Q1到Q6触发序列，其次是晶闸管Q7 Q12的负半周期。在图23.11中，低频输出电压与三相线电压具有相同的峰值幅度，因此，它具有相同的有效值。在这个数字中，频率是I / 10的线频率，或在一个60赫兹的6赫兹系统。
通过参考图23.13我们可以更好地理解触发过程。在这种情况下，输出频率为20 Hz的60赫兹系统。显示的60赫兹的线电压，以及激励，对各种可控硅装置排序列。虽然得到的波形是锯齿状的，但它遵循理想的正弦波的形状（显示为虚线）。栅极触发时间是相当不规则的（不均匀间隔），以获得所需的输出电压。这就是为什么激励程序必须由计算机控制。
如果将20Hz的电压施加到fig.23.10中的电机，产生的电流将是一个相当好的正弦波。实际上，绕组的电感平滑的粗糙边缘，否则会由锯齿波电压产生。
为了降低速度，频率和电压必须以相同的比例降低。因此，在fig.23.14中实时频率由10赫兹代替20赫兹，输出电压的幅值也减少了一半。栅极脉冲被相应地改变，正如我们所看到的，一个特别的锯齿电压产生。然而，在绕组中流动的电流仍然是正弦的。低输出电压需要较大的激励角延迟，这反过来又产生一个非常低的功率因数在60Hz的线。
虽然我们只讨论了A相的情况，但这同样的观点适用于B相和C相（图23.10）。使栅极激励定时，使低频线电流，，每相相互相差。
交-交变频器驱动性能优秀，特别是在高起动转矩和相对较低的速度时。然而，如果频率超过必需的系统频率的一半，它是不适合的。
图23.10
交-交变频器驱动大型同步电机。A相关联的输出电压是缓慢变化的，频率6 Hz的正弦波，它10倍小于电源频率。晶闸管触发Q1 到Q12被触发以便于尽可能追踪期望的正弦波。这产生的锯齿输出电压如图23.11所示。
输入到电动机的功率因数被假定为1。由于延迟触发角，在输入到变频器的相应的功率因数小于1。
图23.11
图23.10中的A和N之间的电压
23.5鼠笼式异步电动机与变频器
图23.15显示了一个三相鼠笼型感应电动机连接到一个三相交交变频器的输出端。该电路装置与图23.10相似，但绕组直接由三相线路供电。因此，绕组不能连接成星形或三角形并且必须彼此分离。通过施加适当的栅极脉冲到晶闸管来改变输出电压和频率，使电动机的转速是可变的。例如，通过0.1赫兹到25赫兹交-交变频器的输出频率，可以让一个极感应电机的速度可以在60Hz的线上从零变到1500转/分钟。
在所有四个象限可以得到良好的扭矩速度特性。因此，电动机可以启动、停止、反转，并通过再生制动减速。标准60赫兹电机可以被用。定子电压自动调整相关的频率，以保持在电机的恒定磁通。因此，转矩速度曲线遵循相同的模式，并具有如图23.16所示的相同的属性。例如，为了获得再生制动，由变频器产生的频率必须略小于相应的电机转速频率。因此，如果一个四极异步电动机工作在495 r/min转，交-交变频器的频率必须略小于（495times;4）/ 120 = 16.5 Hz以便于提供功率回供电回线。
为了了解交交变频器的运行，我们考虑图23.15的A相。绕组两端的电压是和交流电流。因此，电流是正的和负的。因为鼠笼电机是感性的，滞后约30°角（fig.23.17）。假设变频器产生15Hz的频率。
由于输入和输出之间的不断切换，如图23.17所示
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