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1、2022/12/13,1,交流异步电机变压变频调速系统,第六章,2022/12/13,2,概 述,由于在调速时转差功率不随转速而变化，调速范围宽，无论是高速还是低速时效率都较高，在采取一定的技术措施后能实现高动态性能，可与直流调速系统媲美。,异步电机的变压变频调速系统一般简称为变频调速系统。,因此现在应用面很广，是本篇的重点。,2022/12/13,3,异步电机的转速n与定子供电频率之间有以下关系：,（6-1）,从上式可知，只要平滑地调节异步电机定子的供电频率f1，同步转速n1随之改变，就可以平滑地调节转速n，从而实现异步电机的无级调速，这就是变频调速的基本原理。,6.1 变频调速的基本控制方
2、式,2022/12/13,4,变频调速的基本原理,充分利用电机绕组铁芯和绕组的截面积,主要特征：Tmax为常数,变频调速光调频行吗？,2022/12/13,5,在进行电机调速时，常须考虑的一个重要因素是：,-希望保持电机中每极磁通量 m为额定值不变。,如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁芯，是一种浪费；,如果过分增大磁通，又会使铁芯饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。,一、调频与调压协调控制的必要性,2022/12/13,6,对于直流电机，励磁系统是独立的，只要对电枢反应有恰当的补偿， m保持不变是很容易做到的。,在交流异步电机中，磁通 m 由定子和转子磁势合成产生，要保
3、持磁通恒定就需要费一些周折了。,一、调频与调压协调控制的必要性,2022/12/13,7,异步电动机稳态等效电路和感应电动势,Eg,一、调频与调压协调控制的必要性,2022/12/13,8,（6-2）,式中 Eg气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值（V）,定子每相电动势,由式（6-2）可知，只要控制好Eg和f1，便可达到控制磁通m 的目的，对此，需要考虑基频（额定频率）以下和基频以上两种情况。,2022/12/13,9,所谓调速方式：是指在电机得到充分利用的条件下，电机输出转矩和转速之间的关系。 电机常用的有两种典型调速方式：恒转矩调速方式和恒功率调速方式,二、VVVF调速控制方式,2022
4、/12/13,10,若输出转矩和转速无关，则为恒转矩调速方式。如：他励直流电机调电枢电压调速； 绕线转子异步电机转子串电阻调速等。若输出转矩和转速成反比，则为恒功率调速方式。如：他励直流电机的弱磁调速。,2022/12/13,11,异步电动机的调速分为基频下调和基频上调两种情况：基频下调通常采用恒转矩调速方式；基频上调通常采用恒功率调速方式。,2022/12/13,12,由上式可知，要保持 m 不变，当频率 f1 从额定值 f1N 向下调节时，必须同时降低 Eg ，使,C （6-3）,即采用恒值电动势频率比的控制方式。,1、基频以下变频调速,2022/12/13,13,1、基频以下变频调速,由
5、于（U漏漏磁阻抗压降；Us每相电压），当Us很大时，U漏很小；可以认为UsEg 。要改变f1实现调速，则同时应改变Us来保持m不变。 恒压频比控制方式,2022/12/13,14,但当f1太小时，忽略U漏则误差较大，这时可以人为增大Us进行补偿，以减小误差。,带定子压降补偿的恒压频比控制特性,2022/12/13,15,2. 基频以上调速,当f1fN升高时，定子电压Us最大也只能是UsN，从式 来看，显然，f1fN再增大时， 反比例降低（相当于直流调速中的弱磁升速）。,2022/12/13,16,变压变频控制特性,f1N,图6-1 异步电机变压变频调速的控制特性,Us,UsN,mN,m,202
6、2/12/13,17,6.2异步电动机电压频率协调控制时的机械特性,6.2.1恒压恒频正弦波供电时异步电动机的机械特性 6.2.2基频以下电压频率协调控制时的机械特性 6.2.3基频以上恒压变频调速时的机械特性,2022/12/13,18,6.2.1恒压恒频正弦波供电时异步电动机的机械特性,当f1（1）电源频率和Us一定时，电磁转矩为：,2022/12/13,19,当s很小时，可以忽略分母中含s的各项，则,说明当s很小时Tef（s）为一条直线；,1.特性分析,2022/12/13,20,当s1时，可忽略Rr(分母)，则,Tef（s）是对称于原点的双曲线。,1.特性分析,2022/12/13,2
7、1,sm,图6-2 恒压恒频时异步电机的机械特性,当s在0，1的中间数值时，机械特性从直线段逐渐过渡到双曲线。,2.机械特性,2022/12/13,22,6.2基频以下电压频率协调控制时的机械特性,由异步电动机机械特性方程式可以看出，对于同一组转矩 Te 和转速 n（或转差率s）的要求，电压 Us 和频率 1 可以有多种配合。 在 Us 和 1 的不同配合下机械特性也是不一样的，因此可以有不同方式的电压频率协调控制。,2022/12/13,23,1. 恒压频比控制（ Us /1 ）,2022/12/13,24,在恒压频比的条件下改变频率 1 时，机械特性基本上是平行下移,当转矩增大到最大值以后
8、，转速再降低，特性就折回来了。而且频率越低时最大转矩值越小,最大转矩 Temax 是随着的 1 降低而减小的。频率很低时，Temax太小将限制电机的带载能力，采用定子压降补偿，适当地提高电压Us，可以增强带载能力,结论,2022/12/13,25,2.恒Eg/1控制方式,Temax,恒 Eg /1 控制时变频调速的机械特性,2022/12/13,26,结论,恒Eg/1控制方式稳定性能优于恒Us/1控制方式 它正好是Us/1控制方式 中补偿定子压降所追求的目标！,当Eg/1为恒值时，Temax恒定不变，随着频率的降 低，恒Eg/1控制的机械特性是一组形状与恒压恒频机械特性相同，且平行下移的特性。
9、,2022/12/13,27,3两种协调控制方式的比较,综上所述，在正弦波供电时，按不同规律实现电压频率协调控制可得不同类型的机械特性。,（1）恒压频比（ Us /1 = Constant ）控制最容易实现，它的变频机械特性基本上是平行下移，硬度也较好，能够满足一般的调速要求，但低速带载能力有些差强人意，须对定子压降实行补偿。 （2）恒Eg /1 控制是通常对恒压频比控制实行电压补偿的标准，可以在稳态时达到m = Constant，从而改善了低速性能。但机械特性还是非线性的，产生转矩的能力仍受到限制。,2022/12/13,28,6.2.3基频以上恒压变频调速时的机械特性,2022/12/13
10、,29,6.2.3基频以上恒压变频调速时的机械特性,在基频以上恒压变频调速时，UsUsN不变，电机转矩为：,当1增大时，n1增加，且Temax减小！,2022/12/13,30,机械特性曲线,恒功率调速,图6-5 基频以上恒压变频调速的机械特性,可见，当频率1提高时，同步转速n1随之提高，最大转矩减小，机械特性上移；转速降落随频率的提高而增大，特性斜率稍变大，其它形状基本相似。如右图所示。,2022/12/13,31,最后，应该指出，以上所分析的机械特性都是在正弦波电压供电下的情况。如果电压源含有谐波，将使机械特性受到扭曲，并增加电机中的损耗。因此在设计变频装置时，应尽量减少输出电压中的谐波。
11、,由于频率提高而电压不变，气隙磁通势必减弱，导致转矩的减小，但转速升高了，可以认为输出功率基本不变。所以基频以上变频调速属于弱磁恒功率调速。,2022/12/13,32,小结,电压Us与频率1是变频器异步电动机调速系统的两个独立的控制变量，在变频调速时需要对这两个控制变量进行协调控制。在基频以下，有两种协调控制方式。采用不同的协调控制方式，得到的系统稳态性能不同。在基频以上，采用保持电压不变的恒功率弱磁调速方法。,2022/12/13,33,对交流电机实现变频调速的变频电源装置叫变频器，其功能是将电网提供的恒压恒频交流电变换为变压变频交流电，变频伴随变压。 变频器的基本分类如下：,6.3 电力
12、电子变压变频器的主要类型,2022/12/13,34,6.3.1 交-直-交和交-交变压变频器,1.交-直-交变压变频器 交-直-交变压变频器先将工频交流电源通过整流器变换成直流，再通过逆变器变换成可控频率和电压的交流，如下图所示。 由于这类变压变频器在恒频交流电源和变频交流输出之间有一个“中间直流环节”，所以又称间接式的变压变频器。,2022/12/13,35,交-直-交变压变频器基本结构,交-直-交（间接）变压变频器,2022/12/13,36,SCR可控整流器,六 拍逆变器,DC,AC,AC,50Hz,调频,调压,可控整流器调压、六拍逆变器调频的交-直-交变压变频器,间接式变压变频器（1
13、）,2022/12/13,37,用不可控整流器整流、斩波器调压、再用逆变器变频,间接式变压变频器（2）,2022/12/13,38,变压变频(VVVF),中间直流环节,恒压恒频(CVCF),PWM逆变器,DC,AC,AC,50Hz,调压调频,C,用不可控整流器整流、脉宽调制逆变器同时调压调频,间接式变压变频器（3）,2022/12/13,39,2. 交-交变压变频器,交-交变压变频器的基本结构如下图所示，它只有一个变换环节，把恒压恒频（CVCF）的交流电源直接变换成VVVF输出，因此又称直接式变压变频器。,2022/12/13,40,(1)交-交变压变频器的基本结构,交-交（直接）变压变频器,
14、2022/12/13,41,(1)交-交变压变频器的基本电路结构,VR,VF,Id,-Id,+,-,-,+,a) 电路结构,负载,50Hz,50Hz,u0,交-交变压变频器每一相的可逆线路,2022/12/13,42,(2)交-交变压变频器的控制方式, 整半周控制方式 正、反两组按一定周期相互切换，在负载上就获得交变的输出电压 u0 ， u0 的幅值决定于各组可控整流装置的控制角 ， u0 的频率决定于正、反两组整流装置的切换频率。如果控制角一直不变，则输出平均电压是方波，如下图 b 所示。,2022/12/13,43,图6-10 -b 方波型平均输出电压波形,t,u0,正组通,反组通,正组通
15、,反组通,输出电压波形,2022/12/13,44, 调制控制方式 要获得正弦波输出，就必须在每一组整流装置导通期间不断改变其控制角。例如：在正组导通的半个周期中，使控制角 由/2（对应于平均电压 u0 = 0）逐渐减小到 0（对应于 u0 最大），然后再逐渐增加到 /2（ u0 再变为0），如下图所示。,2022/12/13,45,图6-12 交-交变压变频器的单相正弦波输出电压波形,输出电压波形,2022/12/13,46,当角按正弦规律变化时，半周中的平均输出电压即为图中蓝线所示的正弦波。对反组负半周的控制也是这样。,2022/12/13,47,控制角由大到小再变大，如/20/2如右图（
16、a）所示。,控制角由小变大再变小，如/2/2如右图（b）所示。,2022/12/13,48,三相-单相交-交变频电路将两组三相可逆整流器反并联即可构成单相变频电路。,三相半波-单相交-交变频电路,三相桥式-单相交-交变频电路,2022/12/13,49,三相交-交变频电路,交-交变频器主要用于交流调速系统中，因此实际使用的主要是三相交-交变频器。三相交-交变频器电路是由三组输出电压相位互差的单相交-交变频电路组成的。1、电路的接线方式三相交-交变频电路主要有两种接线方式，即公共交流母线进线方式和输出星形联结方式。,2022/12/13,50,（1）公共交流母线进线方式 它由三组彼此独立、输出电
17、压相位互差120度的单相交-交变频电路组成，其电源进线通过电抗器接在公共的交流母线上。由于电源进线端公用，所以三组单相变频电路的输出端必须隔离。为此，交流电机的三个绕组必须拆开，共引出六根线。,2022/12/13,51,（2）输出星形连接方式 由于变频器输出端中点不和负载中点相连接，所以在构成三相变频器的六组桥式电路中，至少要有不同相的两组桥中的四个晶闸管同时导通才能构成回路，形成电流。,2022/12/13,52,2、具体电路结构,三相桥式整流器组成的三相-三相交-交变频电路，采用公共交流母线进线方式,2022/12/13,53,三相桥式整流器组成的三相-三相交-交变频电路，给电动机负载供电，采用输出星形联结方式（负载未画出）,
