5.3-异步电动机的变压变频调速解析

5.3异步电动机的变压变频调速5.3.1变压变频调速的基本原理变压变频调速：改变异步电动机同步转速的方法11160602ppfnnn5.3.1变压变频调速的基本控制方式1.基频以下调速在进行电机调速时，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（5-11）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m由式（5-11）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。1.基频以下调速由式（5-11）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1gfE常值（5-26）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（5-27）这是恒压频比的控制方式。常值1fUs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。OUsf1图5-9恒压频比控制特性•带压降补偿的恒压频比控制特性UsNf1Na—无补偿b—带定子压降补偿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。f1N•变压变频控制特性图5-10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，按照电力拖动原理，在基频以下，磁通恒定时转矩也恒定，属于“恒转矩调速”性质，而在基频以上，转速升高时转矩降低，基本上属于“恒功率调速”。返回目录5.3.2变压变频调速时的机械特性式（5-5）已给出异步电机在恒压恒频正弦波供电时的机械特性方程式Te=f(s)。当采用恒压频比控制时，可以改写成如下形式：2'rs2122'rs'r121spe)()(3llLLsRsRRsUnT（5-28）•特性分析当s很小时，可忽略上式分母中含s各项，则（5-29）sRsUnT'r121spe3'r12s13epRTsUn2'r1112s10602eeppRTnsnsTnnU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。它们和直流他励电机变压调速时的情况基本相似。2'rs21s1s21spmaxe)(123llLLRRUnT（5-32）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。•机械特性曲线eTOnN0n03n02n01nN1111213131211N1图5-11a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基频以上在基频以上变频调速时，由于定子电压Us=UsN不变，式（5-5）的机械特性方程式可写成2'rs2122'rs1'r2sNpe)()(3llLLsRsRsRUnTp2emax22'211sr312()sNssllnTURRLL2'rs212s'rm)(llLLRRs当s很小时，2ep'1r3sNUsTnR'2r1123epsNRTsnU'2r1112210602eppsNRTnsnsnnU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。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。由公式5-38可知对于相同的电磁转矩，频率越大，转速落降越大，机械特性越软，与直流电动机弱磁升速相似。图5-11异步电动机变压变频调速机械特性5.3.3基频以下的电压补偿控制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，但负载变化时定子压降不同，将导致磁通改变，因此需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。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）。图5-12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EgEsErSSSg1sNms1sNms'1sNmr4.44Φ4.44Φ4.44ΦrEfNkEfNkEfNk1.恒定子磁通控制恰当地提高电压Us的数值，使它在克服定子阻抗压降，能维持Es/f1为恒值（基频以下），每极磁通m均为常值。ssssURIE忽略励磁电流'2'2'21sr()srrllEIRLLs2'p2'12'21sr3()srerllnERTsRLLs2's1rep'222'21sr1sr3()()llUsRTnsRRsLL将恒定子磁通控制时的转矩表达式与恒压频比时的比较发现，其分母小于恒压频比中的同类项，因此，当转差率相同时，采用恒定子磁通控制方式的电磁转矩大于采用恒压频比控制方式。或者说当负载转矩相同时，恒定子磁通控制方式的转速降落小于恒压频比控制方式。对s求导，求出临界转差率2pemax'1312slslrnETLL''1rmlslrRsLL分析可知，当频率发生变化时，恒定子磁通控制的临界转矩恒定不变。恒定子磁通控制的临界转差率大于恒压频比控制方式。恒定子磁通控制的临界转矩也大于恒压频比控制方式。•2.恒Eg/1控制如果在电压－频率协调控制中，恰当地提高电压Us的数值，使它在克服定子阻抗压降，补偿定子漏抗压降后，能维持Eg/1为恒值（基频以下），无论频率高低，每极磁通m均为常值。1()sslssgURjLIE由等效电路可以看出2'r212'rg'rlLsREI（5-48）代入电磁转矩关系式，得2'r2122'r'r121gp'r2'r212'r2g1pe33llLsRRsEnsRLsREnT（5-49）特性分析（续）利用与前相似的分析方法，当s很小时，可忽略式（5-49）分母中含s项，则sRsEnT'r121gpe3这表明机械特性的这一段近似为一条直线。特性分析（续）当s接近于1时，可忽略式（5-49）分母中的Rr'2项，则sLsREnTl132'r1'r21gpe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。•性能比较但是，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。性能比较（续）将式（5-49）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'r1'rmlLRs（5-50）和最大转矩'r21gpmaxe123lLEnT（5-51）性能比较（续）值得注意的是，在式（5-51）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。与恒定子磁通控制方式相比，恒气隙磁通控制方式的临界转差率和临界转矩更大，机械特性更硬。•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sREI/'rr'r（5-53）代入电磁转矩基本关系式，得'r121rp'r2'r2r1pe33RsEnsRsREnT（5-54）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5-13。•几种电压－频率协调控制方式的特性比较图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—c—d—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？按照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。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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，下面在第6章中将详细讨论。4．几种控制方式的比较（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。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，有四种协调控制方式。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。返回目录