交流调速系统分析

1.异步电动机调速转差功率-sPm从能量转换的角度看，转差功率是否增大，能量是被消耗掉还是得到利用，是评价调速系统效率高低的标志。按转差功率将异步电动机的调速系统分成三类。转差功率消耗型全部转差功率都转换成热能消耗在转子回路中。以增加转差功率的消耗来换取转速降低（恒转矩负载时），越到低速效率越低。结构简单，设备成本少，还有一定的应用价值。转差功率馈送型转差功率一部分被消耗掉，大部分则通过变流装置回馈给电网或转化成机械能予以利用。功率既可以从转子馈入又可以馈出的系统称作双馈调速系统。效率较高，只能采用绕线转子感应电动机。转差功率不变型变压变频调速，转子铜损基本不变，转子电路中没有附加的损耗，效率最高。须配置与电动机容量相当的变压变频器，设备成本最高。变极对数调速也是转差功率不变型调速系统，属于有级调速。2.同步电动机调速同步电动机没有转差，也就没有转差功率，所以同步电动机调速系统只能是转差功率不变型。同步电动机转子极对数是固定的，只能靠变压变频调速。2.同步电动机调速从频率控制的方式来看，同步电动机调速可分为他控变频调速和自控变频调速两类。自控变频调速利用转子磁极位置检测信号来控制变压变频装置换相，又称作无换向器电动机调速，或无刷直流电动机调速。电力拖动自动控制系统—运动控制系统第5章基于稳态模型的异步电动机调速系统基于稳态模型的调速方法常用的基于稳态模型的异步电动机调速方法有调压调速和变压变频调速两类。5.1异步电动机稳态数学模型和调速方法异步电动机稳态数学模型包括异步电动机稳态等效电路和机械特性，两者既有联系，又有区别。稳态等效电路描述了在一定的转差率下电动机的稳态电气特性。机械特性则表征了转矩与转差率（或转速）的稳态关系。异步电动机的机械特性异步电动机的电磁转矩（机械特性方程式）2'2122'1'22'212'1'2'2'113/33lrlsrsrsplrlsrsrsprrpmmeLLsRsRsRUnLLsRRsRUnsRInPT异步电动机的机械特性对s求导，并令0dsdTe最大转矩，又称临界转矩2'21212)(23lrlsssspemLLRRUnT异步电动机的机械特性临界转差率：对应最大转矩的转差率2'212')(lrlssrmLLRRs异步电动机的机械特性图5-3异步电动机的机械特性5.1.2异步电动机的调速方法与气隙磁通异步电动机的调速方法所谓调速，就是人为地改变机械特性的参数，使电动机的稳定工作点偏离固有特性，工作在人为机械特性上，以达到调速的目的。5.2异步电动机调压调速保持电源频率为额定频率，只改变定子电压的调速方法称作调压调速。由于受电动机绝缘和磁路饱和的限制，定子电压只能降低，不能升高，故又称作降压调速。异步电动机调压调速调压调速的基本特征：电动机同步转速保持额定值不变气隙磁通随定子电压的降低而减小，属于弱磁调速。11160NNpfnnn1Φ4.44SsmsNUfNk5.2.2异步电动机调压调速的机械特性可调调压调速的机械特性表达式2'22'22'113psresrlslrnURsTsRRsLLsU电磁转矩与定子电压的平方成正比5.2.2异步电动机调压调速的机械特性临界转差率保持不变（与定子电压无关）理想空载转速保持为同步转速不变01Nnn2'212')(lrlssrmLLRRs5.2.2异步电动机调压调速的机械特性临界转矩2'21212)(23lrlsssspemLLRRUnT随定子电压的减小而成平方比地下降5.2.2异步电动机调压调速的机械特性图5-5异步电动机调压调速的机械特性0.30.30.35.2.2异步电动机调压调速的机械特性带恒转矩负载时，普通笼型异步电动机降压调速时的稳定工作范围为调速范围有限，图中A、B、C为恒转矩负载在不同电压时的稳定工作点。带风机类负载运行，调速范围可以稍大一些，图中D、E为风机类负载在不同电压时的稳定工作点。0mss5.2.2异步电动机调压调速的机械特性转差功率随着转差率的加大（转速越低）而增加。带恒转矩负载的降压调速就是靠增大转差功率、减小输出功率来换取转速的降低。增加的转差功率全部消耗在转子电阻上，这就是转差功率消耗型的由来。1LsmmLpTPsPsTsn5.2.2异步电动机调压调速的机械特性增加转子电阻值，临界转差率加大，可以扩大恒转矩负载下的调速范围，这种高转子电阻电动机又称作交流力矩电动机。缺点是机械特性较软。图5-6高转子电阻电动机（交流力矩电动机）在不同电压下的机械特性开环难以解决5.3异步电动机变压变频调速变压变频调速是改变异步电动机同步转速的一种调速方法，同步转速随频率而变化ppnnfn26060111基频以下调速当频率从额定值向下调节时，必须使14.44ΦSgsNmNENkf常值基频以下应采用电动势频率比为恒值的控制方式。基频以下调速恒压频比的控制方式当电动势值较高时，忽略定子电阻和漏感压降，gsEU基频以下调速低频补偿（低频转矩提升）低频时，定子电阻和漏感压降所占的份量比较显著，不能再忽略。人为地把定子电压抬高一些，以补偿定子阻抗压降。负载大小不同，需要补偿的定子电压也不一样。基频以下调速通常在控制软件中备有不同斜率的补偿特性，以供用户选择。a——无补偿b——带定子电压补偿图5-9恒压频比控制特性基频以上调速在基频以上调速时，频率从向上升高，受到电机绝缘耐压和磁路饱和的限制，定子电压不能随之升高，最多只能保持额定电压不变。这将导致磁通与频率成反比地降低，使得异步电动机工作在弱磁状态。变压变频调速图5-10异步电动机变压变频调速的控制特性5.3.2变压变频调速时的机械特性基频以下采用恒压频比控制异步电动机机械特性方程式改写为2'2122''121)()(3lrlsrsrspeLLsRsRRsUnT基频以下调速对于同一转矩，转速降落基本不变在恒压频比的条件下把频率向下调节时，机械特性基本上是平行下移的。2'111210602reeppsRTnsnsTnnU变压变频调速时的机械特性图5-11异步电动机变压变频调速机械特性基频以下调速临界转矩随着频率的降低而减小。当频率较低时，电动机带载能力减弱，采用低频定子压降补偿，适当地提高电压，可以增强带载能力。2'21121)(123lrlsssspemLLRRUnT基频以下调速转差功率与转速无关，故称作转差功率不变型。'21213resmespRTPsPsTUn基频以上调速电压不能从额定值再向上提高，只能保持不变，机械特性方程式可写成临界转矩表达式2'2122'1'2)()(3lrlsrsrsNpeLLsRsRsRUnT2'21212)(123lrlssssNpemLLRRUnT基频以上调速临界转差当s很小时，忽略上式分母中含s各项2'212')(lrlssrmLLRRs2'13sNeprUsTnR或'21123repsNRTsnU基频以上调速带负载时的转速降落对于相同的电磁转矩，角频率越大，转速降落越大，机械特性越软。同步转速升高、临界转矩减少，输出功率基本不变---弱磁恒功率调速。'21112210602reppsNRTnsnsnnU基频以上调速转差功率带恒功率负载运行时'221123resmepsNRTPsPsTnU转差功率基本不变。221eT常数变压变频调速时的机械特性图5-11异步电动机变压变频调速机械特性0.3图5-5异步电动机调压调速的机械特性转差功率消耗型转差功率不变型变压变频调速在基频以下，由于磁通恒定，允许输出转矩也恒定，属于“恒转矩调速”方式。在基频以上，转速升高时磁通减小，允许输出转矩也随之降低，由于转速上升，允许输出功率基本恒定，属于“近似的恒功率调速”方式。5.3.3基频以下电压补偿控制在基频以下运行时，采用恒压频比的控制方法具有控制简便的优点。但负载的变化时定子压降不同，将导致磁通改变，须采用定子电压补偿控制。根据定子电流的大小改变定子电压，以保持磁通恒定。三种磁通气隙磁通在定子每相绕组中的感应电动势14.44ΦSgsmNEfNk定子全磁通在定子每相绕组中的感应电动势转子全磁通在定子每相绕组中的感应电动势14.44ΦSssmsNEfNk14.44ΦSrsmrNEfNk不同控制方式下的机械特性图5-13异步电动机在不同控制方式下的机械特性a）恒压频比控制b）恒定子磁通控制c）恒气隙磁通控制d）恒转子磁通控制5.4电力电子变压变频器交-直-交变频器：先将恒压恒频的交流电整成直流，再将直流电逆变成电压与频率均为可调的交流，称作间接变频。交-交变频器：将恒压恒频的交流电直接变换为电压与频率均为可调的交流电，无需中间直流环节，称作直接变频。5.4电力电子变压变频器图5-14变频器结构示意图a）交-直-交变频器b）交-交变频器脉冲宽度调制技术现代变频器中用得最多的控制技术是脉冲宽度调制（PulseWidthModulation），简称PWM。基本思想是控制逆变器中电力电子器件的开通或关断，输出电压为幅值相等、宽度按一定规律变化的脉冲序列，用这样的高频脉冲序列代替期望的输出电压。5.4.2正弦波脉宽调制技术以频率与期望的输出电压波相同的正弦波作为调制波，以频率比期望波高得多的等腰三角波作为载波。由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得幅值相等、宽度按正弦规律变化的脉冲序列，这种调制方法称作正弦波脉宽调制（SinusoidalpulseWidthModulation，简称SPWM）。5.4.1PWM变频器主回路图5-15交-直-交变频器主回路结构图5.4.1PWM变频器主回路左边是不可控整流桥，将三相交流电整流成电压恒定的直流电压。右边是逆变器，将直流电压变换为频率与电压均可调的交流电。中间的滤波环节是为了减小直流电压脉动而设置的。图5-15交-直-交变频器主回路结构图三相输出电压共有八个状态5.4.2正弦波脉宽调制技术图5-17三相PWM逆变器双极性SPWM波形a)三相正弦调制波与双极性三角载波b）、c）、d）三相电压e）输出线电压f）电动机相电压5.4.4电流跟踪PWM（CFPWM）控制技术电流跟踪PWM（CFPWM，CurrentFollowPWM）的控制方法是：在原来主回路的基础上，采用电流闭环控制，使实际电流快速跟随给定值。在稳态时，尽可能使实际电流接近正弦波形，这就能比电压控制的SPWM获得更好的性能。5.4.4电流跟踪PWM（CFPWM）控制技术图5-19电流滞环跟踪控制的A相原理图5.4.4电流跟踪PWM（CFPWM）控制技术电流控制器是带滞环的比较器，环宽为2h。将给定电流与输出电流进行比较，电流偏差超过±h时，经滞环控制器HBC控制逆变器上（或下）桥臂的功率器件动作。5.4.4电流跟踪PWM（CFPWM）控制技术电流跟踪控制的精度与滞环的宽度有关，同时还受到功率开关器件允许开关频率的制约。当环宽选得较大时，开关频率低，但电流波形失真较多，谐波分量高；如果环宽小，电流跟踪性能好，但开关频率却增大了。实际使用中，应在器件开关频率允许的前提下，尽可能选择小的环宽。5.4.5电压空间矢量PWM（SVPWM）控制技术把逆变器和交流电动机视为一体，以圆形旋转磁场为目标来控制逆变器的工作，这种控制方法称作“磁链跟踪控制”，磁链轨迹的控制是通过交替使用不同的电压空间矢量实现的，所以又称“电压空间矢量PWM（SVPWM，SpaceVectorPWM）控制”。电压与磁链空间矢量的关系当电动机由