变频调速的基本控制方式和机械特性

交流调速系统变频器的控制方式与机械特性•变频调速是实现电动机平滑调速的最理想方法。变频调速是通过改变电动机定子绕组的供电频率来改变同步转速来实现交流电动机转速的调速。•为了提供变频电源，人们曾采用多种方法，比如20世纪50年代研究旋转变频机组，重新发电，机械设备庞大，可靠性差，一直没有得到实际应用。20世纪70年代以来，随着电力电子及大功率半导体器件的迅速发展，人们对变频调速技术的研究又重新兴起，并且现在已经成为高科技领域研究和应用的热点之一。•相对于过去的旋转机组而言，由新型功率半导体器件构成的变频器称作静止式变频器。•静止式变频器的出现大大促进了变频调速技术的普及。–在工业发达国家，变频器应用已经非常普遍，变流调速取代直流调调速，已占据调速传动的绝对统治地位。–目前，我国变频调速技术的应用越来越广泛，进口产品几乎统治着整个国内市场，国产变频器正在奋起反击，主要应用于专业领域，如专为印染、纺织产业的配套，专业性较强，关注于一定行业的应用，大有在夹缝中求生存的味道。影响变频技术进一步推广的主要原因是价格昂贵，每kw在一千元左右，大功率的相对便宜一些。变频器的开发设计和变频器的应用都离不开对基础知识的掌握。•异步电动机的转速可表示为：式中：n0－同步转速；f1－定子电源频率；p－极对数；s－转差率。从上式可以看出，异步电动机调速可以通过三条途径进行：变频率f1、改变极对数p和改变转差率s。其中变频就是改变供电电源频率f1，同步转速也随之变化，从而改变电动机转速。变频调速范围宽、平滑性好、效率最高、具有优良的静态及动态性能，是应用最为广泛的一种交流调速方式。p)s1(f60)s1(nn10•恒磁通控制为了充分利用铁芯材料，在设计电动机时，一般将额定工作点选在磁化曲线开始弯曲处，也就是书中提到的“临界值附近”，即磁化曲线的线性区顶部。磁通Φ太小，没有充分利用铁芯材料是一种浪费。磁通大小直接决定着电磁转矩（出力）。若磁通Φ＞ΦN（额定工作点），将引起铁芯过分饱和，励磁电流过大，绕组过热；而励磁减小，将使电动机输出转矩下降，如果负载转矩仍保持不变，势必导致定、转子过电流，也要产生过热，故而希望保持磁通恒定，即实现恒磁通变频调速。异步电动机定子绕组的感应电势为如果忽略定子绕组压降，则感应电动势近似等于定子外加电压式中C1－常数；C1＝4.44N1k1。m1111kNf44.4Em1111fCEU若定子供电电压U1不变，则气隙磁通Φm将随频率变化而变化。如果频率f1从额定值（通常为50Hz）往下降，磁通会增加，造成磁路过饱和，使励磁电流增加，这将使电动机带负载能力降低，功率因数变坏，铁损增加，电动机过热。反之，如果频率从额定值（通常为50H）往上升高，磁通将减少，由异步电动机的转矩公式可以看出，磁通Φm的减小势必导致电动机匀许输出转矩T的下降，使电动机的利用率降低，在一定的负载下有过电流的危险。正是基于上述原因，一般要求磁通保持恒定即Φm＝const。为了保持磁通恒定，必须保持电压/频率比值不变，即恒压频比控制，也就是恒磁通控制方式所要遵循的协调控制条件。22mMcosICT变频调速的恒转矩控制I图1-1E1m+-x1r1U1+-变频调速的恒转矩控制•恒转矩控制由异步电动机的转矩表达式可知，电动机在变频调速过程中，若等于电动机的转子额定有功电流，磁通Φm保持不变，那么电动机的输出转矩也是恒定的，即变频调速前后，输出转矩不变，可实现恒转矩调速。在变频调速过程中，要获得恒转矩调速特性，必须采用电压/频率协调控制。22mMcosICT变频调速的恒转矩控制•E1/f1恒定根据异步电动机定子每相绕组感应电动势式中N1－定子绕组每相串联匝数；k1－基波绕组系数；Φm－每相气隙磁通为保持Φm不变，在改变电源频率f1的同时，必须按比例改变感应电动势E1，亦即这就要求对感应电动势和频率进行协调控制。显然，这是一种理想的保持磁通恒定的控制方法。m1111kNf44.4EconstfE11变频调速的恒转矩控制r1rmjx1jxm图3－1异步电动机稳态等效电路1U1IOI'2E1E'2jxsr'2'2I变频调速的恒转矩控制转子电流式中－折算到定子频率（即s=1）定子绕组和每相感应电动势；－折算到定子频率、定子绕组的转子每相漏抗；－折算到定子绕组的转子每相电阻。电磁功率式中m1－定子相数电磁转矩式中－同步机械角速度2'22'212'22'2'2'2x)sr(Ex)sr(EI'2E'2x'2rsrImP'22'21m2'22'2'2121111m1mx)sr(s/rf)fE(2pmp/f2PPT1变频调速的恒转矩控制为求得最大转矩，令dT/ds=0，由此得到产生最大转矩时的转差率其相应的最大转矩为式中－转子每相漏感（折算到定子绕组）。'221121mL1)fE(8pmT'2L'2'2mxrs变频调速的恒转矩控制结论：（1）保持E1/f1恒定进行变频调速时，最大转矩保持不变。（2）当s很小时，说明s很小时机械特性近似为直线，在此直线上，带负载产生的转速降为上式表明，保持E1/f1恒定进行变频调速时，对应于同一转矩T，转速降基本不变，亦即直线部分斜率不变（硬度相同），机械特性平行地移动。（3）在变频调速过程中，即频率变化前后，电动机的过载能力应相等。srsf)fE(2pmT'2121112111'211)fE(pmTr2p60sfp60snn变频调速的恒转矩控制Tn图3－2保持E1/f1恒定时变频调速的机械特性f1Nf1f2f3f3f2f1f1N变频调速的恒转矩控制（3）在变频调速过程中，即频率变化前后，电动机的过载能力应相等。据电机学过载能力式中TN为额定转矩。设调速前，调速后，按照过载能力相等的条件，保持E1/f1恒定时，，则。表明输出转矩不变，属于恒转矩调速。NmmT/TkNmmT/Tk'Nm'mT/'Tk'mmTT'NNTT变频调速的恒转矩控制•U1/f1恒定实际上由于感应电动势难以直接控制，保持E1/f1恒定只是一种理想的控制方法。当忽略定子漏抗压降时，近似地可以认为定子相电压因此保持U1/f1=const可以近似地维持Φm恒定，从而实现近似的恒磁通调速，这可通过对定子相电压和频率进行协调控制来实现。由异步电动机的稳态等效电路可以导出保持U1/f1恒定时的机械特性方程。m11111kNf44.4EU变频调速的恒转矩控制转子电流式中xm－与气隙主磁通相对应的定子每相绕组励磁电抗；x1－定子绕组每相漏抗；r1－定子绕组每相电阻；电磁转矩2'2112'2111'2)()(xCxsrCrUI1x/x1Cm112'212'21'2121111m)xx()srr(s/rf)fU(2pmPT变频调速的恒转矩控制令dT/ds=0，可以求得产生最大转矩时的转差率最大转矩式中－定子每相漏感；2'2121'2m)xx(rrs2'212111121121m)LL()f2r(f2r1)fU(8pmT1L变频调速的恒转矩控制结论：（1）保持U1/f1恒定进行变频调速时，最大输出转矩将随f1的降低而降低。（2）直线部分斜率不变（硬度相同），这点只在转差率趋近于零（即s→0）时才成立。（3）在负载转矩不变时，电动机的过载能力降低。变频调速的恒转矩控制图3－3保持U1/f1恒定时变频调速的机械特性变频调速的恒转矩控制•带电压补偿（函数发生器补偿）的恒U1/f1控制采用U1≈E1，使控制易于实现，但也带来误差，由异步电动机的稳态等效电路图3－1可知，U1扣除定子漏抗压降之后的部分即由感应电动势E1所平衡。显然，被忽略掉的定子漏抗压降在U1中所占比例的大小决定了它的影响。在低频段提高定子电压U1，目的是补偿定子漏阻抗压降，近似地维持E1/f1恒定。电压补偿虽可有效改善机械特性，但在低频空载时，亦减小补偿，避免Φm较大。变频调速的恒转矩控制f1Nf加补偿n图3－4常用补偿曲线constfU11变频调速的恒功率控制•在额定频率（基频）以上调速时，鉴于电动机绕组是按额定电压等级设计的，超过额定电压运行将受到绕组绝缘强度的限制，另一方面电源电压决定了加到定子上电压的峰值，因此定子电压不可能与频率成正比地升高，只能保持在额定电压，即U1＝U1N。由定子感应电势表达式可知，这时气隙磁通随着频率f1的升高而反比例下降，类似于直流电动机的弱磁升速。变频调速的恒功率控制体现定子电压、供电频率及电动机参数关系的机械特性方程式如下：电磁转矩令dT/ds=0，即可求出最大转矩对应的转差率])xx()srr[(f2s/rpUmT2'212'211'22112'2121'2m)xx(rrs变频调速的恒功率控制相应的最大转矩为可见，保持电压为额定值进行变频调速时，最大转矩将随f1的升高而减小。])LL(f4rr[f14UpmTm2'21212211121N1变频调速的恒功率控制结论：（1）保持电压为额定值进行变频调速时，最大转矩将随f1的升高而减小。（2）当s很小时，有及，转矩公式可进一步简化为此时，T与s关系近似为一条直线，在此直线上有带负载后的转速降为保持U1≈E1进行变频调速时，对应于同一转矩T，转速降Δn随f1的增加而平方倍加大，频率超高，转速降越大，即直线部分的硬度随f1增加而迅速变软。1'2rs/r)xx(s/r'21'2srfs2pUmT'2121121N1'21UpmTrf2s21211'21112060fUpmTrspfsnnNN变频调速的恒功率控制f1Nf2f3f4图3－5保持U1为额定电压时变频调速的机械特性nTf4f3f2f1N变频调速的恒功率控制（3）当保持电压为额定值且s变化范围不大时，如果频率f1增加，则转矩T减小，而同步机械角速度将随频率增加而增加。这就是说，随着频率增加，转矩减小，而转速增加。根据可近似地看作恒功率调速。p/f211TPm恒功率控制与恒转矩控制的结合两种控制方法，在应用中有时需要将两者结合起来使用：当从额定频率往低调速时，采用恒转矩控制（必要时加补偿）；当从额定频率往高调速时，采用恒功率控制方式。恒P时Φm↓，类似于DC机弱磁调速。TTmn0f1f1Nf1f1Nf1Nn图1-3