《异步电机变频调速理论课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《异步电机变频调速理论课件.ppt（50页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、2-6异步电机变频调速理论,异步电机采用变频调速技术后，调速范围广，调速时因滑差功率不变而无附加能量损失，是一种性能优良的高效调速方式，是交流电机调速传动发展的主要方向。变频调速内容十分广泛，主要包括变频调速理论、静止变频器、变频调速系统和高性能控制方式矢量变换控制四个方面。,在变频调速系统中，由变频器提供给电机的频率变化的电压或电流激励均非正弦，除基波外包含有大量的谐波。分析表明，基波是决定异步电机变频运行特性的主要因素，谐波分量只起着使电机电压或电流畸变、产生谐波损耗、恶化力能指标、引起转矩脉动的作用。,一、变频调速的基本控制方式,根据电机原理，一台电机如若希望获得良好的运行性能、力能指标
2、，必须保持其磁路工作点稳定不变，即保持每极磁通量m额定不变。 这是因为若m太强，电机磁路饱和，励磁电流、励磁损耗及发热增大；若m太弱，电机出力不够，铁芯也未充分利用。,根据异步电机定子每相电势有效值公式：,又因为当电机一旦选定，结构参数确定，故：,说明只要协调地控制E1 、 f1 ，即可达到控制气隙磁通m的目的，但控制方式随运行频率 在基频以下及基频以上而不同。,1、基频以下调速,要保持m额定不变，必须采用恒电势频率比的控制方式，即变频过程中须维持E1 / f1=常值。 但是，定子气隙电势为内部量，难以直接量测、控制，根据异步电机定子电压方程式：,当运行频率较高、电势较大时， 可忽略定子绕组漏
3、阻抗压降 ，得U1 E1 ，故只要维持 U1 / f1=常值（恒电压频率比）即可维持气隙磁通m恒定。,当运行在低频时， E1较小，定子电阻压降的影响不能忽略，必须有意抬高U1加以补偿才能近似维持E1 / f1=常值，此时采用带低频定子电阻压降补偿的恒压频比控制，其电压、频率关系如图2-25中曲线b所示。 由于维持了气隙磁通恒定，电机将作恒转矩运行。,2、基频以上调速当运行频率超过基频fN时，由于变频装置半导体元件及电机绝缘的耐压限制，电机电压不能超过额定 ，只能维持U1 U1N 不变。这样，随着运行频率的升高， U1 / f1比值下降，气隙磁通m随之减小，进入弱磁状态。此时电机转矩大体上反比于
4、频率变化，作近似恒功率运行。,决定异步电机变频运行工作特性的是变频电源中的基波，工作特性分析中的电压、电流、磁通均应理解为变频器输出基波成分。由于变频器类型的不同，提供给异步电机端部的激励可能是电压，也可能是电流。不同特性电源供电时电机运行特性有很大差异,二、电压源供电时异步电机的工作特性,根据电机学知识，在忽略空间和时间谐波、忽略磁饱和、忽略铁损的假定下，异步电机稳态等值电路,根据此等值电路，可以导出电压源供电下恒压频比(U1 / 1=C)控制时的电磁转矩表达式:,此时若由某一确定频率1供电，则当转差率s很小时，可忽略上式分母中s各项，得:,说明高速时，恒压频比控制异步电机的机械特性近似为一
5、直线,当s1时，可忽略电磁转矩表达式分母中的，则:,说明s接近于1时，T=f(s)将是为对称于原点的一段双曲线。当s为中间数值时， T=f(s)如图曲线从直线逐渐过渡到双曲线。,1、恒电压频率比(U1 / f1=C) 控制,在U1 / f1=C 控制下，异步电机的气隙磁通m 近似保持恒定，其机械特性如图所示，它具有以下特点：, 同步速ns 随运行频率1变化。, 不同频率下机械特性为一组硬度相同的平行直线。,负载时速度变化为,在s 很小的机械特性直线段上，有:,因此，当恒压频比(U1 / f1=C)控制时，同一转矩 下s1基本相同，因而不同运行频率下的转速降落n 基本不变，这就是恒转矩控制的特征
6、。, 最大转矩随频率降低而减小。,根据电机原理，最大转矩表达式为:,临界转差为:,对于恒压频比控制，则有:,上式说明，虽然U1 / 1=C ，但随着运行频率1降低，最大转矩减小。因此，恒压频比控制方式只适合调速范围不大、最低转速不太低、或负载转矩随转速降低而减小的负载，如负载转矩与转速平方成正比的风机、水泵类负载，如图中虚线所示。如果在低频时适当提高电压以补偿定子电阻压降，则可在局部低频范围内增大最大转矩，增强负载能力。,2、恒气隙电势/频率比（E1 / f1=C）控制,在电压频率控制中，如果在全频率范围内恰当地提高电压U1以克服定子压降，维持恒定气隙电势频率比E1 / f1 不变，则电机每极
7、磁通m能真正保持恒定，电机工作特性将有很大改善。 根据异步电机等值电路，转子电流为:,代入电磁转矩基本关系式，可求得恒气隙电势频率比E1 / f1控制下的转矩表达式为:,此种控制方式下的异步电机机械特性如图所示，它具有以下特点：,整条特性曲线与恒压频时发现比控制时性质相同，但是E1 / f1控制的机械特性的线性段的范围比恒压频比控制更宽，即调速范围更广。,低频下起动时起动转矩比额定频率下的起动转矩大，而起动电流并不大,这是因为低频起动时转子回路中感应电势频率较低，电抗作用较小，转子功率因数较高，从而使较小转子电流就能产生较大转矩，有效地改善了异步电机起动性能，这是变频调速的重要优点。,在恒定E
8、1 / f1值控制时，任何运行频率下的最大转矩恒定不变，稳态工作特性明显优于恒压频比控制，这正是全频范围采用了定子电阻压降补偿的结果。,要实现恒最大转矩运行，必须确保电机内部气隙磁通m在变频运行中大小恒定。由于电势E1是电机内部量无法直接控制，而能控制的外部量是电机端电压U1 ，两者之间相差一个定子漏阻抗压降（主要是定子电阻压降）。为此，必须随着频率的降低，寻找出适当提高定子电压来加以补偿的规律。,定子电压U1随运行频率f1 f1N变化所应遵循的规律：,式中：,其图形如右:,定子电阻R1越大，即Q值越小，定子电压所需补偿的程度也越高。,在低频定子电阻压降补偿中，有两点值得注意：由于定子电阻上的
9、压降随负载大小而变化，若单纯从保持最大转矩恒定的角度出发来考虑定子压降的补偿时，则在正常负载下电机可能会处于过补偿状态，即随着频率的降低，气隙磁通将增大，空载电流会显著增加，甚至出现电机负载愈轻电流愈大的反常现象。为克服这种不希望的情况出现，一般应采取电流反馈控制使轻载时电压降低。在大多数的实际场合下，特别是拖动风机、水泵类负载时并不要求低速下也有满载转矩。相反地为减少轻载时的电机损耗，提高运行效率，此时反而采用减小电压频率比的运行方式。,3、恒转子电势频率比(Er / f1=C)控制,如果将电压频率曲线中低频段U1值再提高一些，且随时补偿转子漏抗上的压降以保持转子电势Er 随频率作线性变化，
10、即可实现恒Er / f1控制，转子电流可表示为：,代入电磁转矩表达式，可求得：, 机械特性T=f(s)为一准确的直线,Er / f1=C控制的特点：, 与E1 / f1=C及 U1 / f1=C控制方式相比， Er / f1=C控制下的稳态工作特性最好，可以获得类似并激直流电机一样的直线型机械特性，没有最大转矩的限制，这是高性能交流电机变频调速所最终追求的目标。,由于气隙磁通m对应气隙电势E1 ，转子全磁通r则对应转子电势Er ，所以若能控制转子全磁通幅值rm=常数，就能获得Er / f1=C的控制效果。这就是矢量变换控制中采 用转子全磁通r定向的道理。,4、恒功率运行,E1 / f1=C、
11、U1 / f1=C及 Er / f1=C控制是在保持气隙磁通不变条件下的运行，适合于恒转矩负载的情况。在实际应用中，还有一种按恒功率进行调速运行的方式，即低速时要求输出大转矩，高速时要求输出小转矩。电气车辆牵引中就有这种特性要求。此外，在交流电机变频调速控制中基频以上的弱磁运行也是近似恒功率运行，其转矩与频率大体上呈反比关系。,恒功率变频调速时异步电机机械特性,为了确保异步电机在恒功率变频运行时具有不变的过载能力Tm/ T，不同性质 负载下电压与频率有不同的协调控制关系。,变频运行中当运行频率较高时，可以忽略定子电阻R1 的影响，异步电机最大转矩:,代入Tm/ T 的关系，则：,于是,或,恒功
12、率负载性质为:,因此，异步电机端电压随频率的变化规律为：,此时，电机中气隙磁通大小为：,恒功率调速时，电机气隙磁通将随频率的减小而增大，所以在设计恒功率负载电机时应按运行中最低频率来考虑它的磁路工作点。,三、电流源供电时异步电机的工作特性,恒流源供电时，异步电机工作特性与恒压源供电时情况有所不同。 电流激励的异步电机等值电路:,与电机内部阻抗相比，恒流源内阻可以看作无穷大,根据戴维宁定律，从转子电阻两端看入的开路电势为:,等效阻抗为:,从而可方便地求得转子电流为:,恒流源供电时异步电机的电磁转矩为:,最大转矩为:,临界转差率为：,恒流源供电异步电机机械特性(图上还同时画出同一电机在电压源供电时
13、的机械特性):,恒流源供电与恒压供电对比：两者形状相似，都有一个最大转矩，但产生最大转矩的临界转差率不同。恒流源供电时临界转差很小，因此机械特性呈陡削的尖峰状，能稳定运行的范围很窄，同时起动电流为恒流所限制，使得起动转矩很小。,计电机饱和，在小转差下励磁支路两端的气隙电势很高，此时主磁路的饱和效应将引起励磁参数的变化，使得临界转差不仅与运行频率有关，同时也将随负载电流而变化，引起机械特性的变化。此时应设法控制转差率，避免在极低转差下运行。,理想恒流源供电下异步电机变频调速运行时的机械特性：,理想恒流源供电与理想电压源供电的恒气隙磁通控制下特性相似，均属恒转矩性质。 但是由于电源的恒流特性限制了
14、定子电流的增长，使得最大转矩Tm比电压源供电时小，过载能力低，只适合于负载变化不大的场合。,实际的电流源型变频装置是由交流电源经过可控整流、再经过平波电抗器滤波后供电，电源的恒流特性是通过大电感的储能维持及可控整流器输出电压的调节来实现的，故称为电压激励（控制）电流源。 异步电机在这种性质电流源供电下通过电压、电流闭环控制改善了理想恒流源供电时的机械特性,加入电流、电压反馈后，调速系统的机械特性就变得和电压源供电时完全相同，特性得到改造而实用。,四、变频器非正弦供电对异步电机运行性能的影响,当采用变频装置对异步电机供电时，电机端输入的电压、电流非正弦，其中谐波分量对异步电机，特别是对鼠笼式电机
15、的运行性能会产生显著影响。如使电机电流增大，损耗增加，效率、功率因数降低，温升增加；还会出现转矩脉动，使振动和噪声增大；绕组绝缘也可能因过大电压梯度而易老化。,电源非正弦对电机运行性能的影响:1、磁路工作点试验表明，在保持基波电压相同的条件下，6阶梯波电压源供电时电机气隙等效磁密一般比正弦供电时增加10%。如果电压波形中有更多的谐波，等效磁密还要增大。所以在设计非正弦电压源供电的调速电机时，其磁路计算和空载试验都必须在适当提高电压下进行。,2、定子漏抗在电压非正弦情况下，绕组中除基波以外还存在许多谐波电流，使槽电流增大，槽漏磁增加，漏磁饱和程度提高。这种情况下定子漏抗一般将比只有基波额定电流时
16、减少15%20%,3、转子回路参数非正弦供电下，高次谐波转差率sk1，所以转子谐波参数相应的频率几乎等于对应定子谐波频率。由于频率较高，转子导体中集肤效应相当强，造成转子电流集中于槽口，使转子有效电阻比相应直流电阻值大 几倍；而转子槽漏感则要减少到只通直流时的1/3，且频率越高，变化越大。这些都大大增大了转子谐波损耗,4、功率因数波形非正弦引起的谐波一方面使电机电流有效值增大，另一方面使气隙最大磁密增大，使磁路饱和程度提高，无功磁化电流增加，所以电机功率因数下降明显。,5、损耗与效率变频器非正弦供电下，异步电机损耗与相应效率的变化与变频器类型有一定的关系。电压源型变频器供电时，谐波的含量比例取
17、决于供电电压，与电机负载大小关系不大，使谐波电流及其所产生的附加损耗几乎大小一定。这就造成轻载时效率下降较多，满载时影响较小,电流源型变频器供电时，电机电流波形确定，电流中各谐波分量所占比例确定，大小则随负载正比变化，负载增加时谐波分量大小显著增加。与正弦波电压供电相比，谐波损耗随负载增大，效率及功率因数将显著下降,6、谐波转矩非正弦供电下谐波电流产生的谐波转矩有两种形式：恒定谐波转矩和脉动转矩。恒定谐波转矩主要是由气隙谐波磁通和它在转子上感应出的同次电流相互作用产生的异步性质转矩。,由于谐波电流频率高，转子对谐波磁场的转差率相当大，就谐波电流而言，转子回路中电抗远大于电阻，谐波电流基本上为无
18、功电流，故产生的谐波转矩很小，通常在基波转矩的以下，影响甚微，可以忽略不计。各次谐波磁场和电流之间相互作用产生的脉动转矩则情况不同。在6阶梯波电源供电时，5、7次谐波电流幅值较大，他们在转子中感应的转子电流与气隙基波磁场相互作用将产生6倍基频的脉动转矩，影响最严重。,这个脉动转矩在低频运行时可能达到额定转矩的1/3 ，而某些PWM变频器由调制引起的谐波分量电流可能更大，它们与基波磁场作用产生的脉动转矩有时甚至达到与额定转矩差不多大小的程度。虽然脉动转矩单方向幅值可能很大，但它是交变的，转矩平均值仍为零。为了减小脉动转矩，对6阶梯波电源供电电机要选择好电机参数，限制谐波电流的大小，适当减小气隙磁
19、密。对PWM变频器供电电机，则要从电源角度设法改善输出特性，如增加调制频率，优化输出波形，限制谐波电流大小等。,7、电应力问题在变频器非正弦供电下，电机电压波形常因供电方式而不同。一般都有很高的瞬间电压变化梯度，特别是在电流源型逆变器供电时，在基波电压之上叠加换流（换相）引起的浪涌（脉冲）电压尖峰浪涌尖峰前沿上升速度在2.525s 之间，幅值高达电机额定电压的1.5倍。由于电机线圈之间有分布电容，浪涌电压侵入的波过程中各线圈之间电压按电容分布，有40%左右的浪涌电压施加在接入电源的第一个线圈上，出现了线圈绝缘能否承受住如此强的电应力问题。所以变频调速电机需要加强绝缘，以确保能长期反复承受较高浪
20、涌电压而不产生电晕和出现绝缘老化现象。,8、轴电流问题在变频器供电电机中，由于变频装置主电路、元器件、连接及回路阻抗可能的不平衡，电源电压不可避免地会产生零点漂移，使电源零点对地电压U0（UAUBUC)/30。此外由于静电耦合，电机各部分间存在大小不等的分布电容，再经由电机轴承就会构成电机的零序回路。零点漂移电压作用在零序回路上就会产生一种流过轴承的轴电流，轴电流是零序阻抗的函数，与零序电压频率有关。,由于通常电网供电电机的工频频率低，电源中点对地阻抗及电机容性电抗较大，有效地抑制了轴电压及轴电流；而对变频器供电电机而言，由于零点漂移电压中含有大量的高次谐波，零序阻抗很小，轴电流大大增加。流过
21、轴承的大电流不但破坏轴承油膜的稳定性，有害于平滑的转动，而且将在滚动轴承的滚子和滚道、滑动轴承的轴颈与轴瓦表面产生电弧放电麻点，破坏轴承的光洁度和油膜的形成条件，导致轴承温度升高甚至烧毁，这就是变频调速电机中的轴电流问题。,消除轴电流的措施：,对于较小的轴电流，可以适当增大电机气隙和选用合适轴承及润滑脂来加以限制。对于过高轴电压，应设法隔断轴电流回路，如采用陶瓷滚子轴承或实现轴承室绝缘。使用隔离变压器并经可靠接地可以消除定子零序电压。在电机定子槽楔上覆以接地金属箔并与铁芯绝缘，可使定子零序电压通过由金属箔形成的旁路电容短路而消失。这是一种“静电屏蔽电机”的新思想，实验证明非常有效。,综上所述，要减小非正弦供电对异步电机运行性能的不良影响，关键是要减小和限制谐波电压和电流。 一般来说，电压源型非正弦电源输出电压谐波确定，需选用漏抗大的电机来限制谐波电流及其影响；电流源型非正弦电源输出电流谐波成分确定，需选用漏抗小的电机来减小所产生的谐波电压及其影响。,
