第六章-交流异步电动机变频调速系统

第六章交流异步电动机变频调速系统交流调速的基本方案由电机学的基本公式：可见，异步电动机的调速方案有：改变极对数p，改变转速率s（即改变电动机机械特性的硬度）和改变电源频率f1。交流调速的分类如下：变极对数调速是有级的；变转差率调速，不调同步转速，低速时电阻能耗大、效率较低；只有串级调速情况下，转差功率才得以利用，效率较高。变频调速是调节同步转速，可以从高速到低速都保持很小的转差率，效率高、调速范围大、精度高，是交流电动机一种比较理想的调速方案。在变频控制方式上又可分为变压变频调速，矢量控制变频调速和直接转矩控制变压变频调速等几种。第一节变频调速的基本控制方式和机械特性通过改变定子供电频率来改变同步转速实现对异步电动机的调速，在调速过程中从高速到低速都可以保持有限的转差率，因而具有高效率、宽范围和高精度的调速性能。可以认为，变频调速是异步电动机的一种比较合理和理想的调速方法。原理：利用电动机的同步转速随频率变化的特性，通过改变电动机的供电频率进行调速。保证U/f=定值，可以实现恒转矩调速或恒功率调速。在进行电机调速时，为了保持电动机的负载能力，应保持气隙主磁通Φm不变，这就要求降低供电频率的同时降低感应电动势，保持E1/f1=常数，即保持电动势与频率之比为常数进行控制。如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，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，严重时会因绕组过热而损坏电机。对于直流电机，励磁系统是独立的，只要对2020/2/96对变频调速的基本要求主磁通保持不变mmwkNfEU1111144.4铁心过饱和0I1cos1fm1fmTZT不变2I1I绕组过热变频同时要变压磁回路饱和，严重时将烧毁电机气隙磁通在定子绕组中感应电动势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。定子每相电动势mNs1gΦ44.4SkNfE（6-1）式中：Eg—气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值，单位为V；—定子频率，单位为Hz；—定子每相绕组串联匝数；—基波绕组系数；—每极气隙磁通量，单位为Wb。f1NskNsm1.基频以下调速由式（6-1）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。1gfE常值（6-2）即采用恒值电动势频率比的控制方式。恒压频比的控制方式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，常值1fUs则得（6-3）这是恒压频比的控制方式。但是，在低频时Us和Eg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。2.基频以上调速在基频以上调速时，频率应该从f1N向上升高，但定子电压Us却不可能超过额定电压OUsf1图6-1恒压频比控制特性UsNf1Na—无补偿b—带定子压降补偿UsN，最多只能保持Us=UsN，这将迫使磁通与频率成反比地降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。把基频以下和基频以上两种情况的控制特性画在一起，如下图所示。如果电机在不同转速时所带的负载都能使电流达到额定值，即都能在允许温升下长期运行，则转矩基本上随磁通变化。在基频以下，磁通恒定时转矩也恒定，电磁转矩Te=KmI。在调压调速范围内，励磁磁通不变，容许的输出转矩也不变，属于“恒转矩调速”性质，而在基频以上，在弱磁调速范围内，转速越高，磁通越弱，容许输出转矩减小，而容许输出转矩与转速的乘积则不变，即容许功率不变，为“恒功率调速方式”。f1N图6-2异步电机变压变频调速的控制特性恒转矩调速UsUsNΦmNΦm恒功率调速ΦmUsf1O异步电动机的变压变频调速是进行分段控制的：基频以下，采取恒磁恒压频比控制方式；基频以上，采取恒压弱磁升速控制方式。TeNnNnmax变电压调速弱磁调速UNUPPTeUnO两种调速方式a)基频以下(U1/f1=恒量)b)基频以上(U1=恒量)图三相异步电动机变频调速时的机械特性2'rs2122'rs'r121spe)()(3llLLsRsRRsUnT恒压恒频正弦波供电时异步电动机的机械特性（6-4）特性分析当s很小时，可忽略上式分母中含s各项，则sRsUnT'r121spe3也就是说，当s很小时，转矩近似与s成正比，机械特性Te=f（s）是一段直线，见图6-3。异步电动机电压－频率协调控制时的机械特性当s接近于1时，可忽略式（6-4）分母中的Rr'，则sLLRsRUnTll1])([32'rs212s'r121spe（6-6）即s接近于1时转矩近似与s成反比，这时，Te=f（s）是对称于原点的一段双曲线。机械特性当s为以上两段的中间数值时，机械特性从直线段逐渐过渡到双曲线段，如图6-3所示。•机械特性smnn0sTe010TeTemaxTemax图6-3恒压恒频时异步电机的机械特性基频以下电压-频率协调控制时的机械特性由式（6-4）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。1.恒压频比控制（Us/1）为了近似地保持气隙磁通不变，以便充分利用电机铁心，发挥电机产生转矩的能力，在基频以下须采用恒压频比控制。这时，同步转速自然要随频率变化。在式（6-5）所表示的机械特性近似直线段上，可以导出21sper13UnTRs'（6-9）带负载时的转速降落为1p0260snsnn（6-8）p10260nn（6-7）由此可见，当Us/1为恒值时，对于同一转矩Te，s1是基本不变的，因而n也是基本不变的。这就是说，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，如图6-4所示。它们和直流他励电机变压调速时的情况基本相似。所不同的是，当转矩增大到最大值以后，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。2'rs21s1s21spmaxe)(123llLLRRUnT（6-10）可见最大转矩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，见图6-4。eTOnN0n03n02n01nN1111213131211N1图6-4恒压频比控制时变频调速的机械特性补偿定子压降后的特性恒Eg/1控制下图再次绘出异步电机的稳态等效电路，图中几处感应电动势的意义如下：Eg—气隙（或互感）磁通在定子每相绕组中的感应电动势；Es—定子全磁通在定子每相绕组中的感应电动势；Er—转子全磁通在转子绕组中的感应电动势（折合到定子边）。特性分析如果在电压－频率协调控制中，恰当地提高图6-5异步电动机稳态等效电路和感应电动势Us1RsLlsL’lrLmR’r/sIsI0I’r•异步电动机等效电路EgEsEr电压Us的数值，使它在克服定子阻抗压降以后，能维持Eg/1为恒值（基频以下），则由式（6-1）可知，无论频率高低，每极磁通m均为常值。由等效电路可以看出2'r212'rg'rlLsREI（6-11）代入电磁转矩关系式，得2'r2122'r'r121gp'r2'r212'r2g1pe33llLsRRsEnsRLsREnT（6-12）利用与前相似的分析方法，当s很小时，可忽略式（6-12）分母中含s项，则sRsEnT'r121gpe3（6-13）这表明机械特性的这一段近似为一条直线。当s接近于1时，可忽略式（6-12）分母中的Rr'2项，则sLsREnTl132'r1'r21gpe（6-14）s值为上述两段的中间值时，机械特性在直线和双曲线之间逐渐过渡，整条特性与恒压频比特性相似。但是，对比式（6-4）和式（6-12）可以看出，恒Eg/1特性分母中含s项的参数要小于恒Us/1特性中的同类项，也就是说，s值要更大一些才能使该项占有显著的份量，从而不能被忽略，因此恒Eg/1特性的线性段范围更宽。将式（6-12）对s求导，并令dTe/ds=0，可得恒Eg/1控制特性在最大转矩时的转差率和最大转矩'r1'rmlLRs（6-15）'r21gpmaxe123lLEnT（6-16）值得注意的是，在式（6-16）中，当Eg/1为恒值时，Temax恒定不变，如下图所示，其稳态性能优于恒Us/1控制的性能。这正是恒Eg/1控制中补偿定子压降所追求的目标。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sREI/'rr'r（6-17）•机械特性曲线eTOnN0n03n02n01nN1111213131211N1Temax恒Eg/1控制时变频调速的机械特性代入电磁转矩基本关系式，得'r121rp'r2'r2r1pe33RsEnsRsREnT（6-18）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，见图6-6。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？0s10Te•几种电压－频率协调控制方式的特性比较图6-6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abc按照式（6-1）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（6-1）中，气隙磁通的感应电动势Eg对应于气隙磁通幅值m，那么，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：rmNs1rΦ44.4skNfE（6-19）由此可见，只要能够按照转子全磁通幅值rm=Constant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。4．几种协调控制方式的比较（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rm=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。（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=Constant而且，在动态中尽可能保持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。基频以上恒压变频时的机械特性在基频以上变频调速时，由于定子电压Us=UsN不变，式（6-4）的机械特性方程式可写成2'rs2122'rs1'r2sNpe)()(3llLLsRsRsRUnT（6-20）而式（6-10）的最大转矩表达式可改写成2'rs212ss12sNpmaxe)(123llLLRRUnT（6-21）同步转速的表达式仍和式（6-7）一样。•机械特性曲线恒功率调速eTOnN0nc0nb0na0nN1a1b1c1c1b1a1N1由此可见，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。图6-7