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1、2023/11/1,1,异步电动机变压变频调速理论基础,第一章,主讲教师：杜春水,山东大学,2023/11/1,2,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。,2023/11/1,3,目前，交流变频调速技术以其优异的性能而深受各行业的普遍欢迎，并已取得了显著的社会效益。,电力,轧钢,造纸,化工,煤炭,纺织,船舶,机床,航天航空,广泛应用：,2023/11/1,4,1.3 变频调速的基本控制方式,变频调
2、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？,2023/11/1,5,一、调频与调压协调控制的必要性,异步电机的转速n与定子供电频率之间有以下关系：,（1-29）,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n0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。,2023/11/1,6,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，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严
3、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,2023/11/1,7,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,2023/11/1,8,（1-30）,式中 Es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（1-30）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。,2023/11/1,9,电压-频率协调控制方式,由式（1-18）机
4、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。,（1-18）,2023/11/1,10,常值,即采用恒电动势频率比的控制方式。,二、基频以下的变频调速控制方式,由式（1-30）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 Es，使,2023/11/1,11,1.保持 的严格恒磁通控制,由式（1-30）可得,（1-31）,由式（1-31）可知，要保持磁通m不变，当频率f1从额定频率向下调节时，必须同时降
5、低电动势Es，即采用恒定的电动势频率比的控制方式。这时异步电动机的机械特性将会如何呢？,2023/11/1,12,1.保持 的严格恒磁通控制,由图1-14可知：,将上式代入电磁转矩基本公式，可得,2023/11/1,13,1.保持 的严格恒磁通控制,上式对s求导，并令dTe/ds=0，可得恒磁通控制转矩最大时的转差率为,将sm代入式（1-33）得最大电磁转矩,2023/11/1,14,1.保持 的严格恒磁通控制,可见，当调速过程中Es/f1为恒值时Temax值是恒定不变的，在低频低速下也能保持这个最大电磁转矩，因此称为恒转矩调速方式。,2023/11/1,15,2.保持 常值的近似恒磁通控制(
6、恒压频比的控制),然而，绕组中的感应电动势是难以直接控制的，当电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压 Us Eg，则得,用易于测量和控制的定子输入相电压Us取代电动势Es，这就是保持 的近似恒磁通控制，也称为恒压频比控制或U/f控制，它是开环变频调速系统常用的控制方式。,2023/11/1,16,2.保持 常值的近似恒磁通控制(恒压频比的控制),式（1-18）的电磁转矩表达式：,当采用恒压频比控制方式时，式（1-18）可改写为：,（1-18）,（1-36）,2023/11/1,17,2.保持 常值 的近似恒磁通控制(恒压频比的控制),当电动机稳态运行时转差率s很小，可
7、以忽略分母中含s项，则,式中，,由上式可知，当采用恒压频比控制时，对于同一电磁转矩Te，sf1是基本不变的，即n基本不变，这说明恒压频比条件下改变频率时，机械特性是平行下移的。,2023/11/1,18,2.保持 常值 的近似恒磁通控制(恒压频比的控制),由上节推导的最大转矩表达式,（1-38）,(1)当转速较高时，f1在额定频率fn附近变化，定、转子的总漏抗远远大于定子电阻Rs,2023/11/1,19,则最大转矩,上式表明，频率较高时，恒压频比调速时异步电动机的最大转矩与频率无关，基本上保持不变。,2023/11/1,20,（2）当转速较低时，f1比f1n下降很多，此时定、转子总漏抗随之下
8、降，定子电阻Rs不能忽略，对式（1-38）稍加整理可得,可见在 不变时，最大转矩Temax是随着定子供电频率f1的下降而减小的。,2023/11/1,21,在低频时 Us 和 ES 都较小，定子阻抗压降所占的份量就比较显著，不再能忽略。这时，需要人为地把电压 Us 抬高一些，以便近似地补偿定子压降。,带定子压降补偿的恒压频比控制特性示于下图中的 b 线，无补偿的控制特性则为a 线。,低频时适当地提高定子电压Us，使最大电磁转矩有所增大，实质上是对异步电机电磁转矩的补偿，可以增强电动机的带负载能力。一般变频器调压调频控制方式都有转矩补偿功能，其理论基础就在于此。,2023/11/1,22,带定子
9、压降补偿的恒压频比控制特性,2023/11/1,23,机械特性曲线,n,可见，最大转矩 Temax 是随着的 1 降低而减小。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，可增强带载能力。,2023/11/1,24,2023/11/1,25,3.恒 Er/1 控制,如果把电压频率协调控制中的电压再进一步提高，把转子漏抗上的压降也抵消掉，得到恒Er/1 控制，那么，机械特性会怎样呢？由此可写出,2023/11/1,26,代入电磁转矩基本关系式，得,现在，不必再作任何近似就可知道，这时的机械特性完全是一条直线。,3.恒 Er/1 控制,2023/11/1,2
10、7,0,s,1,0,Te,几种电压频率协调控制方式的特性比较,图 不同电压频率协调控制方式时的机械特性,恒 Er/1 控制,恒 Eg/1 控制,恒 Us/1 控制,a,b,c,2023/11/1,28,显然，恒 Er/1 控制的稳态性能最好，可以获得和直流电机一样的线性机械特性。这正是高性能交流变频调速所要求的性能。现在的问题是，怎样控制变频装置的电压和频率才能获得恒定的Er/1 呢？,3.恒 Er/1 控制,2023/11/1,29,按照式（1-30）电动势和磁通的关系，可以看出，当频率恒定时，电动势与磁通成正比。在式（1-30）中，气隙磁通的感应电动势 Es 对应于气隙磁通幅值 m，那么，
11、转子全磁通的感应电动势 Er 就应该对应于转子全磁通幅值 rm：,3.恒 Er/1 控制,由此可见，只要能够按照转子全磁通幅值 rm=恒值 进 行控制，就可以获得恒 Er/1 了。这正是矢量控制系统所遵循的原则，第3.3节中将详细讨论。,2023/11/1,30,4几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=恒值）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。,2023/11/1,31,2）恒Eg/1控制是通常对恒压频比
12、控制实行电压补偿的标准，可以在稳态时达到m=恒值，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。,2023/11/1,32,3）恒 Er/1 控制可以得到和直流他励电机一样的线性机械特性，按照转子全磁通 rm 恒定进行控制，即得 Er/1=恒值 而且，在动态中也尽可能保持rm恒定是矢量控制系统的目标，当然实现起来是比较复杂的。,2023/11/1,33,2023/11/1,34,（一）近似恒功率调速方式,事实上，电压不变，升高频率的调速方式是近似恒功率调速方式。这时由于定子端电压Us=Usn保持不变，式（1-22）的最大转矩表达式可改写为,由上式可知，在电压不变的前提下
13、，随着角频率1的升高，最大转矩Temax随之下降。,2023/11/1,35,机械特性曲线,当角频率提高时，同步转速随之提高，最大转矩减小，机械特性上移，而形状基本不变，如图所示。,2023/11/1,36,（二）严格恒功率控制方式,电动机输出的机械功率为：,要实现严格的恒功率控制，必须使基频以上不同频率对应机械特性的额定功率相等，即,2023/11/1,37,（二）严格恒功率控制方式,可推导得到,即,（1-54）,通过上述分析，可得出如下结论：（1）为了获得严格的恒功率调速，在频率由基频上调时，应使电压与频率的1/2次方成正比变化，即 这时过载倍数保持不变。,2023/11/1,38,（2）
14、基频上调、电压不变的控制方式，不能实现严格的恒功率调速。（3）把基频下调和基频上调两种情况结合起来，可得异步电动机变频调速的控制特性如图1-19所示。在基频fn以下为恒转矩调速区，磁通和转矩恒定，功率与频率（转速）成正比；在基频以上为恒功率调速区，功率恒定，磁通和转矩与频率（转速）成反比。,2023/11/1,39,变压变频控制特性,f1N,图3-2 异步电机变压变频调速的控制特性,Us,UsN,mN,m,2023/11/1,40,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。,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。,2023/11/1,41,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，有三种协调控制方式。采用不同的协调控制方式，得到的系统稳态性能不同，其中恒Er/1控制的性能最好。在基频以上，采用保持电压不变的恒功率弱磁调速方法。,
