1、第六章 笼型异步电动机变压变频调速系统-转差功率不变型系统,交流调速系统概述,直流电力拖动和交流电力拖动在19世纪先后诞生。在20世纪上半叶的年代里，鉴于直流拖动具有优越的调速性能，高性能可调速拖动都采用直流电机，而约占电力拖动总容量80%以上的不变速拖动系统则采用交流电机。,交流调速系统概述,直到20世纪6070年代，随着电力电子技术的发展，使得采用电力电子变换器的交流拖动系统得以实现，特别是大规模集成电路和计算机控制的出现，高性能交流调速系统便应运而生，一直被认为是天经地义的交直流拖动按调速性能分工的格局终于被打破了。,交流调速系统概述,由于直流电机具有电刷和换相器，因而必须经常检查维修、
2、换向火花使直流电机的应用环境受到限制、以及换向能力限制了直流电机的容量和速度等缺点日益突出起来，因此交流拖动控制系统已经成为当前电力拖动控制的主要发展方向。,交流调速系统概述,应用领域：一般性能的节能调速高性能的交流调速系统和伺服系统特大容量、极高转速的交流调速,交流调速系统概述,在过去大量的所谓“不变速交流拖动”中，风机、水泵等通用机械的容量几乎占工业电力拖动总容量的一半以上，其中有不少场合并不是不需要调速，只是因为过去的交流拖动本身不能调速，不得不依赖挡板和阀门来调节送风和供水的流量，因而把许多电能白白地浪费了。,一般性能的节能调速：,如果换成交流调速系统，把消耗在挡板和阀门上的能量节省下
3、来，每台风机、水泵平均都可以节约20 % 30% 以上的电能，效果是很可观的。但风机、水泵的调速范围和对动态快速性的要求都不高，只需要一般的调速性能。,交流调速系统概述,许多在工艺上需要调速的生产机械过去多用直流拖动，鉴于交流电机比直流电机结构简单、成本低廉、工作可靠、维护方便、惯量小、效率高，如果改成交流拖动，显然能够带来不少的效益。但是，由于交流电机原理上的原因，其电磁转矩难以像直流电机那样通过电枢电流施行灵活的实时控制。,高性能的交流调速系统和伺服系统,20世纪70年代初发明了矢量控制技术，或称磁场定向控制技术，通过坐标变换，把交流电机的定子电流分解成转矩分量和励磁分量，用来分别控制电机
4、的转矩和磁通，就可以获得和直流电机相仿的高动态性能，从而使交流电机的调速技术取得了突破性的进展。,其后，又陆续提出了直接转矩控制、解耦控制等方法，形成了一系列可以和直流调速系统媲美的高性能交流调速系统和交流伺服系统。,视频1 高速国产数控钻机及控制系统,交流调速系统概述,特大容量、极高转速的交流调速 直流电机的换向能力限制了它的容量转速积不超过106 kW r /min，超过这一数值时，其设计与制造就非常困难了。交流电机没有换向器，不受这种限制，因此，特大容量的电力拖动设备，如厚板轧机、矿井卷扬机等，以及极高转速的拖动，如高速磨头、离心机等，都以采用交流调速为宜。,视频2 卷扬机,交流调速系统
5、概述,常见的交流调速方法有： 降电压调速 转差离合器调速 转子串电阻调速 绕线转子电动机串级调速和双馈电动机调速 变极对数调速 变压变频调速等,异步电机的变压变频调速系统一般简称为变频调速系统。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。因此现在应用面很广，是本章的重点。,笼型异步电动机变压变频调速系统,笼型异步电动机结构,笼型异步电动机变压变频调速系统,本章提要,变压变频调速的基本控制方式 异步电动机电压频率协调控制时的机械特性 *电力电子变压变频器的主要类型 变压变频调速系统中的脉宽调制（PW
6、M）技术 基于异步电动机稳态模型的变压变频调速 异步电动机的动态数学模型和坐标变换 基于动态模型按转子磁链定向的矢量控制系统 基于动态模型按定子磁链控制的直接转矩控制系统,6.1 变压变频调速的基本控制方式,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
7、要费一些周折了。,6.1 变压变频调速的基本控制方式,定子每相电动势,（6-1）,6.1 变压变频调速的基本控制方式,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。,6.1 变压变频调速的基本控制方式,1. 基频以下调速,由式（6-1）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,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,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
8、Us Eg，则得（6-3）这是恒压频比的控制方式。,6.1 变压变频调速的基本控制方式,O,Us,f 1,图6-1 恒压频比控制特性,带压降补偿的恒压频比控制特性,a 无补偿,b 带定子压降补偿,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。,6.1 变压变频调速的基本控制方式,2. 基频以上调速,变压变频控制特性,图6-2 异步电机变压变频调速的控制特性,Us,mN,m,6.1 变压变频调速的基本控制方式,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
9、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”。,6.2 异步电动机电压频率协调控制时 的机械特性,恒压恒频正弦波供电时异步电动机的机械特性 基频以下电压-频率协调控制时的机械特性 基频以上恒压变频时的机械特性 恒流正弦波供电时的机械特性,6.2.1 恒压恒频正弦波供电时异步电动机的 机械特性,第5章式（5-3）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)。 当定子电压 Us 和电源角频率 1 恒定时，可以改写成如下形式：,Eg 气隙（或互感）磁通在定子每相绕
10、组的感应电动势；,Es 定子全磁通在定子每相绕组中的感应电 动势,（6-4）,Er 转子全磁通在转子绕组中的感应电动势,机械特性,sm,图6-3 恒压恒频时异步电机的机械特性,当s很小时，可忽略上式分母中含s各项，则也就是说，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,当 s 接近于1时，可忽略式（6-4）分母中的Rr ，则,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，如图所示。,6.2.2 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
11、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。,（6-4）,1. 恒压频比控制（ Us /1 ）,在第6-1节中已经指出，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。,（6-7）,6.2.2 基频以下电压-频率协调控制时的机械特性,在式（6-5）所表示的机械特性近似直线段上，可以导出,（6-9）,带负载时的转速降落为,（6-8）,机械特性曲线,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,当 Us /1 为恒值时，对于同
12、一转矩 Te ，s1 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，,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,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
13、高低，每极磁通 m 均为常值。,2. 恒 Eg /1 控制,6.2.2 基频以下电压-频率协调控制时的机械特性,由等效电路可以看出,（6-11）,代入电磁转矩关系式，得,（6-12）,6.2.2 基频以下电压-频率协调控制时的机械特性,当s很小时，可忽略式（6-12）分母中含 s 项，则,当 s 接近于1时，可忽略式（6-12）分母中的 Rr2 项，则,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
14、更宽。,图6-6 不同电压频率协调控制方式时的机械特性,恒 Eg /1 控制,恒 Us /1 控制,a,b,6.2.2 基频以下电压-频率协调控制时的机械特性,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,（6-15）,6.2.2 基频以下电压-频率协调控制时的机械特性,（6-12）,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。,6.2.2 基频以下电压-频率协调控制时的机械特性,机械特性曲
15、线,Temax,恒 Eg /1 控制时变频调速的机械特性,6.2.2 基频以下电压-频率协调控制时的机械特性,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。,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,（6-17）,6.2.2 基频以下电压-频率协调控制时的机械特性,代入电磁转矩基本关系式，得,（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。,6.2.2 基频以下电压-频率协调控制时的机械特性
16、,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,a,b,c,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。,6.2.2 基频以下电压-频率协调控制时的机械特性,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
17、就应该对应于转子全磁通幅值 rm ：,（6-19）,6.2.2 基频以下电压-频率协调控制时的机械特性,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。,6.2.2 基频以下电压-频率协调控制时的机械特性,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 = 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。,6
18、.2.2 基频以下电压-频率协调控制时的机械特性,（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,6.2.3 基频以上恒压变频时的机械特性,性能分析 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
19、成,（6-20）,（6-4）,而式（6-10）的最大转矩表达式可改写成（6-21）同步转速的表达式仍和式（6-7）一样。,6.2.3 基频以上恒压变频时的机械特性,机械特性曲线,恒功率调速,O,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 基频以上恒压变频调速的机械特性,6.2.3 基频以上恒压变频时的机械特性,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。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
20、，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。,6.2.3 基频以上恒压变频时的机械特性,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。,作业,每个人出一份电子试卷 （填空（5个）、简答（4个）、思考（2）、计算（1-2） 要求：1. 按时交作业，过期不改；2. 书写认真，文字整齐，抄题目；3. 数据精确到小数点后两位；4. 不会做可以空着，不需要抄袭；5. 可以几人讨论后一起答题，作业本上注明。,
