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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目录
第23章 交流电机的电子控制..........................................1
23.0 绪论........................ ...............................1
23.1 交流驱动器的种类............................................2
23.2采用电流源直流环节的同步电机驱动.............................5
23.3 同步电机和交-交变频器.......................................8
23.4交-交变频器的电压和频率控制..................................9
23.5鼠笼式异步电动机与变频器....................................11
23.6鼠笼式电动机及静态电压控制器................................16
23.7 笼式电动机的软起动.........................................18
第23章 交流电机的电子控制
23.0 绪论
在22章中我们了解到直流电机的电子控制能够高效的控制所有转矩和转速。全四象限控制能够满足工业上的精密高速标准。同样的说明也能适用于交流电机的电子控制。因此，我们发现鼠笼式和绕线式感应电机，以及同步电机，都十分适合电子控制。和直流电机是通过改变电压和电流来进行控制的不同，交流电机则是通过改变电压和频率来实现控制。也许有人会问，既然直流电机已经这么出色了，为什么我们还要用交流电机呢？下面列出了一些原因：
- 交流电机没有换向器和电刷，因此它们对维修的需求更低。
- 相比与直流电机，交流电机成本更低（重量也更轻）。
- 交流电机更加耐用，且在恶劣环境下能更好的运行。
- 交流电机能运行在高压下，最高达25kv，而直流电机必须限制在1kv以下。
- 交流电机能有更大的容量，最高达50000kw，而直流电机最高只能为2000kw左右。
- 交流电机能够以100000r/min运行，而直流电机最高只能到2000r/min左右。
在本章中，我们涵盖了三相电机控制，以符合本书电力的重点。但是，读者应先回顾21章和22章所介绍的电子驱动器的基本原理。此外，为了理解交流电机控制的基本原则，读者同样应该回顾20.18节 和 20.20节，它们解释了频率的变化对鼠笼式感应电机的运行的影响。
23.1 交流驱动器的种类
虽然电子驱动器的种类有很多，但大多数可分为以下几个大类：
- 静态变频器
- 静态电压控制器
- 换相整流逆变系统
- 自换相整流逆变系统
- 脉宽调制系统
静态变频器将输入线频率直接转换为所需的负载频率。周波变换器属于这一类，它们用来驱动同步和鼠笼式感应电动机（图23.1）。
静态电压控制器通过改变交流电压来实现速度和转矩控制。它们适用于鼠笼式感应电动机。静态电压控制器也用于软启动感应电动机（图23.2）。
换相整流逆变系统将输入工频信号转换成直流信号，直流信号再由逆变器转换成交流信号。这种系统主要用于控制同步电动机（图23.3）。类似的系统被用来控制绕线式感应电动机的转速（图23.4）。
图23.1 采用交-交流变频器的调速控制系统（见章节23.3和23.5）
图23.2 采用静态开关的调速控制系统（见章节23.6）
图23.3 采用可控整流和有源逆变供电的直流环节电流源的同步电机调速控制系统（见章节23.2）
图23.4 异步电机的调速控制系统（见章节23.12）
自换相整流逆变系统将输入工频信号转换成直流信号，直流信号再由逆变器转换成交流信号。然而这种逆变器采用自换相，产生自己的频率。这种整流器逆变器系统用于控制鼠笼式异步电动机（图23.5和23.6）。
在广泛的工业应用中，脉冲宽度调制系统是一个相对较新的发展方向。它们使变速感应电机的驱动范围从零开始上升。他们在市场上的出现和高速开关器件，如IGBT的应用有着直接的关系（图23.7）。
图23.1至23.7所示的七个框图是这些交流驱动器的实例。
图23.5 采用可控整流和自换流的直流电流源的调速控制系统（见章节23.9）
图23.6 采用可控整流和自换流的直流电压源的调速控制系统（见章节23.10）。
图23.7 采用二极管整流器和自调速换向PWM逆变直流电压源的调速控制系统（见章节23.13）
23.2采用电流源直流环节的同步电机驱动
在第22章，22.14和22.15节中，我们了解到同步电机和位置换相逆变器的组合的运行状态和无刷直流电机一致。这可能有些难以理解，因为通常大型同步电机都被看成交流电机。因此从电力驱动器角度读者可以把同步电机当成一种杂交动物，既可以看成交流电机，也可以看成无刷直流电机，这取决于怎么看。在本章中，当它由三相电源供电时，我们把它看成一台交流电机。
图23.8是典型的同步电动机驱动。它由两个变流器连接在三相源和同步电动机之间。转换器1作为可控整流器，将直流电源馈送到转换器2。后者的运行状态和交流电压和频率是由电机建立的有源逆变器一样。
平滑电感L在两个变流器之间的直流链路上维持一个无纹波电流。电流由转换器1控制，它作为电流源。较小的桥式整流器（变流器3）为转子提供励磁。
转换器2由在电机端点感应产生的电压自然换相。这个电压是由气隙中的旋转磁通量产生的。磁通量取决于定子电流和励磁电流If。它通常是固定的，因此感应电压与电机转速成正比。
图23.8 带直流环节的变流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
转换器1的门触发是在线路频率（60赫兹），而转换器2在电机频率下完成。后者与电机转速成正比。
关于控制，在门触发处理器中吸收各个点上提取的信息，然后向转换器1和2发送适当的门极疲劳脉冲。因此，处理器接收到所需的转速、实际转速、瞬时转子位置、定子电压、定子电流、励磁电流等信息，它们解释这些输入是否代表正常或异常情况，并发出适当的门脉冲来校正情况或满足特定命令
转换器2的栅极脉冲由转子的位置控制。这是由一组感应旋转磁场的传感器完成的。它们安装在空气隙旁边的定子上。其他方法采用安装在轴端的位置传感器。由于这种闸门控制方法，同步电动机的运行方式与无刷直流电机相同。电动机的转速可以通过提高电流或励磁电流来提高。
定子电压产生直流电动势，公式：
(23.1)
其中：
转换器2的直流电压
定子线电压有效值
转换器2的触发角
同样的，转换器1产生的电压也可由公式得：
(23.2)
电压和基本上一致，只在可忽略的电感压降IR上有差异。
定子线电流以的矩形脉冲流动，如图23.9所示。这会产生转矩脉动，但由于转子的惯性，它们几乎完全无阻尼（除了在低速状态下）。因此，轴在额定转速下运转平稳。
电机的中性线电压和线电压基本上是正弦的。励磁电流、线电流和触发都被调整使线电流符合线-中性点电压（图23.9）。其原因是同步电动机必须在主功率因数下工作，以提供变流器2吸收的无功功率。
图23.9 典型的电压及电流波形见图23.8
转换器1设计为在满载条件下，发射角约为15°，以尽量减少60赫兹交流线路的无功功率。
再生制动是通过切换栅极触发脉冲来实现的，使得转换器2充当整流器，而转换器1作为反相器工作。 和 的极性相反，但连接电流继续朝同一方向流动。因此，功率被泵回到三相，60赫兹，电动机减速。在此期间，电动机起交流发电机的作用。
启动电机会产生问题，因为静止时定子电压为零。因此，没有电压可产生变流器2的线路换流。为了绕过这个困难，转换器被触发的方式是短电流脉冲依次在AB、BC和CA中流动。连续的脉冲在定子中产生N个S极，它们总是刚好位于转子的对极上。像一条狗追着自己的尾巴，转子加速，当它达到额定速度的10%左右，转换器2接管和减刑正常发生。这种脉冲操作方式也用于在接近零速时制动电动机。
采用电流源直流环节的同步电动机的速度控制适用于从1千瓦到几兆瓦的电动机。纺织工业用永磁同步电动机和核反应堆循环泵用无刷同步电动机是两个例子。抽水蓄能电站也采用这种方法使大型同步电机提速，使其与线路同步顺畅。
23.3 同步电机和交-交变频器
我们已经了解到，周波变换器可以直接将交流电源从高频转换到低频（21.24节）。这些转换器有时用于驱动额定转速高达数兆瓦的低速同步电动机。如果使用一个60赫兹的电源，交-交变频器输出频率通常是从零到10 Hz可变。晶闸管是换线的，结果使周围每个可控硅电子复杂性大大降低。
图23.10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。每个周波变换器产生一个单相输出，由21.24节的原理可得。对于A相，相关的变频器是由两个三相桥组成的， A和-A，都是由相同的三相60Hz线供电。
A桥产生电压的正半周期，而桥产生产生负半。两桥被防止同时运行，以防止它们之间的环流。由此产生的低频波是由线1, 2, 3之间60Hz电压段组成的。通过适当的门触发，低频电压可接近正弦波（图23.1 1）。然而，减少无功功率的60Hz的线吸收，输出电压通常设计有一个梯形，平顶波形。
以励磁电流作为电流源的三相可控整流器。三个定子电流和的大小被控制，以保持恒定的空气间隙磁通量。此外，门脉冲被定时且励磁被调整，使电机工作在单位功率因数在低频率。然而，即使在单位功率因数（,,分别在相, , ），交-交变频器从60 Hz线路吸收无功功率。原因是在60赫兹线上需要延时触发来产生正弦低频电压。当电机在额定功率和转速下运行时，输入功率因数通常为85%。
图23.12显示了一个大型低速同步电动机，由变频器驱动。速度连续可从零变化以15r/min。低速允许球磨机直接驱动而不使用齿轮减速器。电动机通过改变门的触发停止，使电动机起到发电机的作用，将电能反馈回交流线路
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，一个流行的70吨级邮轮是由两个14兆瓦同步电动机推动。电动机直接连接到传动轴上，驱动轴的转速为零到140 r/min。
23.4交-交变频器的电压和频率控制
回顾图23.11，我们可以看到低频输出电压是由三相60赫兹线路电压的选定部分组成的。本段通过可控硅的栅极触发。触发与一个常规的6脉冲整流器相同，除了每个低频期间触发角连续变化，以此得到接近正弦波连续变化的输出电压。正半周期时，晶闸管Q1到Q6依次触发，然后是晶闸管Q7 到Q12控制负半周期。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，因此具有相同的有效值。在这个图中，频率是1/ 10的线频率，或6赫兹在60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，60赫兹系统的输出频率为20赫兹。60赫兹的线电压，以及触发由对各种可控硅序列表明。虽然得到的波形是锯齿状的，但它事实上遵循理想正弦波的形状（显示为虚线）。栅极触发时间是非常不规则的（不均匀地间隔），以获得所需的输出电压。这就是为什么发射程序必须在计算机控制之下。
如果20Hz的电压施加到图23.10中的电机上，产生的电流将是一个很好的正弦波。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，频率和电压都必须以相同的比例减少。因此，在图23.14中频率不是20Hz而是10Hz，输出电压的幅值也减少了一半。门脉冲相应地被改变，正如我们所看到的，产生一个锯齿电压。然而，在绕组中流动的电流仍然是接近正弦的。低输出电压需要较大的触发角延迟，这反过来又在60Hz的线上产生一个非常低的功率因数。
虽然我们只讨论了A相的运行状况，但同样的情况也适用于B,C相（图23.10）。门触发是定时的，这样低频线电流就互相抵消了。
在需要高起动转矩和低速时，交-交变频器的驱动良好。但是如果频率超过系统频率的一半，就不合适了。
图23.10 交-交变频器驱动大型同步电机。与A相相关的输出电压是一个这是10倍小于电源频率的缓慢变化的6Hz正弦波。晶闸管Q1到Q12触发，以便尽可能接近所需的正弦波。这产生如图23.11所示的锯齿输出电压
输入到电动机的功率因数被假定为是统一的。由于延迟触发角，输入到变频器的相应的功率因数小于1。
图23.11 图23.10中aN线间电压
23.5鼠笼式异步电动机与变频器
图23.15是一个
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