第四讲变频调速的基本控制方式.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,异步电,动,机变压变频调速,理论基础,第,一,章,主讲教师：杜春水,山东大学,3/3/2026,1,概 述,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。,异步电机的变压变频调速系统一般简称为变频调速系统。,因此现在应用面很广，是本篇的重点。,3/3/2026,2,目前，交流变频调速技术以其优异的性能而深受各行业的普遍欢迎，并已取得了显著的社会效益。,电力,轧钢,造纸,化工,煤炭,纺织,船舶,机床,航天航空,广泛应用：,3/3/2026,3,1,.,3,变频调速的基本控制方式,变频调速的基本原理,充分利用电机绕组铁芯和绕组的截面积,主要特征：,T,max,为常数,变频调速光调频行吗？,3/3/2026,4,一、调频与调压协调控制的必要性,异步电机的转速,n,与定子供电频率之间有以下关系：,（,1-29,）,从上式可知，只要平滑地调节异步电机定子的供电频率,f,1,，,同步转速,n,0,随之改变,，,就可以平滑地调节转速,n,，,从而实现异步电机的无级调速，这就是变频调速的基本原理。,3/3/2026,5,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芯，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,。,一、调频与调压协调控制的必要性,3/3/2026,6,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,。,一、调频与调压协调控制的必要性,3/3/2026,7,（,1-30,）,式中,E,s,气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值（,V,）,定子频率（,Hz,）；,f,1,定子每相绕组串联匝数,；,N,s,基波绕组系数；,k,Ns,每极气隙磁通量,(,Wb,),。,m,定子每相电动势,由式,（,1-30,）,可知,，,只要控制好,E,g,和,f,1,，,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。,3/3/2026,8,电压,-,频率协调控制方式,由式（,1-18,）机械特性方程式可以看出，对于同一组转矩,T,e,和转速,n,（,或转差率,s,）,的要求，电压,U,s,和频率,1,可以有多种配合。,在,U,s,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。,（,1-18,）,3/3/2026,9,所谓调速方式：,是指在电机得到充分利用的条件下，电机输出转矩和转速之间的关系。,电机常用的有两种典型调速方式：,恒转矩调速方式和恒功率调速方式,二、基频以下的变频调速控制方式,3/3/2026,10,若输出转矩和转速无关，则为,恒转矩调速方式,。,如：他励直流电机调电枢电压调速，,绕线转子异步电机转子串电阻调速等；,若输出转矩和转速成反比，则为,恒功率调速方式,。,如：他励直流电机的弱磁调速。,二、基频以下的变频调速控制方式,3/3/2026,11,什么叫电机得到充分利用呢？,严格讲，电机的充分利用，应包括电机铁心和导线得到充分利用，即,铁心的磁通密度,和导线的电流密度都保持额定值不变,。,异步电动机的调速分为基频下调和基频上调两种情况，,基频下调,通常采用恒转矩调速方式,，,而,基频上调,通常采用恒功率调速方式。,二、基频以下的变频调速控制方式,3/3/2026,12,常值,即采用恒电动势频率比的控制方式。,二、基频以下的变频调速控制方式,由式（,1-30,）可知，要保持,m,不变，当频率,f,1,从额定值,f,1N,向下调节时，必须同时降低,E,s,，,使,3/3/2026,13,1.,保持 的,严格恒磁通控制,由式（,1-30,）可得,（,1-31,）,由式（,1-31,）可知，要保持磁通,m,不变，,当频率,f,1,从额定频率向下调节时，必须同时降低电动势,E,s,，,即采用,恒定的电动势频率比,的控制方式。这时异步电动机的机械特性将会如何呢？,3/3/2026,14,1.,保持 的,严格恒磁通控制,由图,1-14,可知：,将上式代入电磁转矩基本公式，可得,3/3/2026,15,1.,保持 的,严格恒磁通控制,上式对,s,求导，并令,d,T,e,/d,s,=0,，,可得恒磁通控制转矩最大时的转差率为,将,s,m,代入式（,1-33,）得最大电磁转矩,（,1-34,）,3/3/2026,16,1.,保持 的,严格恒磁通控制,可见，当调速过程中,E,s,/,f,1,为恒值时,T,emax,值是恒定不变的，在低频低速下也能保持这个最大电磁转矩，因此称为恒转矩调速方式。,即：电动机的转矩输出能力是恒定的,3/3/2026,17,2.,保持 常值的近似恒磁通控制,(,恒压频比的控制,),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,U,s,E,g,，,则得,用易于测量和控制的定子输入相电压,U,s,取代电动势,E,s,，,这就是保持 的近似恒磁通控制，,也称为恒压频比控制或,U,/,f,控制,，它是开环变频调速系统常用的控制方式。,3/3/2026,18,2.,保持 常值的近似恒磁通控制,(,恒压频比的控制,),式（,1-18,）的电磁转矩表达式：,当采用恒压频比控制方式时，式（,1-18,）可改写为：,（,1-18,）,（,1-36,）,3/3/2026,19,2.,保持 常值 的近似恒磁通控制,(,恒压频比的控制,),当电动机稳态运行时转差率,s,很小，可以忽略分母中含,s,项，则,式中，,由上式可知，当采用恒压频比控制时，对于同一电磁转矩,T,e,，,sf,1,是基本不变的，即,n,基本不变,，这说明恒压频比条件下改变频率时，,机械特性是平行下移的,。,3/3/2026,20,2.,保持 常值 的近似恒磁通控制,(,恒压频比的控制,),由上节推导的最大转矩表达式,（,1-38,）,(1),当转速较高时，,f,1,在额定频率,f,n,附近变化，定、转子的总漏抗远远大于定子电阻,R,s,：,3/3/2026,21,则最大转矩,上式表明，频率较高时，恒压频比调速时异步电动机的最大转矩与频率无关，基本上保持不变。,（,1-39,）,3/3/2026,22,（,2,）当转速较低时，,f,1,比,f,1n,下降很多，此时定、转子总漏抗随之下降，定子电阻,R,s,不能忽略，对式（,1-38,）稍加整理可得,可见在 不变时，最大转矩,T,emax,是随着定子供电频率,f,1,的下降而减小的。,3/3/2026,23,在低频时,U,s,和,E,S,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,U,s,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。,3/3/2026,24,带定子压降补偿的恒压频比控制特性,3/3/2026,25,低频时适当地提高定子电压,Us,，,使最大电磁转矩有所增大，实质上是对异步电机电磁转矩的补偿，可以增强电动机的带负载能力。,一般变频器调压调频控制方式都有转矩补偿功能，其理论基础就在于此。,3/3/2026,26,机械特性曲线,n,O,N,0,n,图,1-17,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,01,n,12,w,13,w,03,n,02,n,11,w,N,1,w,13,12,11,N,1,w,w,w,w,e,T,可见，,最大转矩,T,emax,是随着的,1,降低而减小,。,频率很低时，,T,emax,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,U,s,，,可增强带载能力。,通风机负载,3/3/2026,27,3/3/2026,28,3.,恒,E,r,/,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,E,r,/,1,控制，那么，机械特性会怎样呢？由此可写出,3/3/2026,29,代入电磁转矩基本关系式，得,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。,3.,恒,E,r,/,1,控制,3/3/2026,30,0,s,1,0,T,e,几种电压频率协调控制方式的特性比较,不同电压频率协调控制方式时的机械特性,恒,E,r,/,1,控制,恒,E,g,/,1,控制,恒,U,s,/,1,控制,a,b,c,3/3/2026,31,显然，,恒,E,r,/,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,E,r,/,1,呢？,3.,恒,E,r,/,1,控制,3/3/2026,32,按照式（,1-30,）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（,1-30,）中，气隙磁通的感应电动势,E,s,对应于气隙磁通幅值,m,，,那么，转子全磁通的感应电动势,E,r,就应该对应于转子全磁通幅值,rm,：,3.,恒,E,r,/,1,控制,由此可见，只要能够按照转子全磁通幅值,rm,=,恒值 进 行控制，就可以获得恒,E,r,/,1,了。这正是矢量控制系统所遵循的原则，第,3.3,节中将详细讨论。,3/3/2026,33,4,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（,U,s,/,1,=,恒值）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。,3/3/2026,34,2,）恒,E,s,/,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,m,=,恒值，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。,3/3/2026,35,3,）恒,E,r,/,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,E,r,/,1,=,恒值,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。,3/3/2026,36,3/3/2026,37,（一）近似恒功率调速方式,事实上，电压不变，升高频率的调速方式是近似恒功率调速方式。,这时由于定子端电压,U,s,=,U,sn,保持不变，式（,1-22,）的最大转矩表达式可改写为,由上式可知，在电压不变的前提下，随着角频率,1,的升高，最大转矩,T,emax,随之下降。,3/3/2026,38,机械特性曲线,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,1-18,基频以上恒压变频调速的机械特性,恒功率调速,O,b,1,w,c,1,w,a,1,w,N,1,w,n,c,0,n,b,0,n,a,0,n,N,0,n,c,1,w,b,1,w,a,1,w,N,1,w,e,T,3/3/2026,39,（二）严格恒功率控制方式,电动机输出的机械功率为：,要实现严格的恒功率控制，必须使基频以上不同频率对应机械特性的额定功率相等,，即,3/3/2026,40,（二）严格恒功率控制方式,可,推导得到,即,（,1-54,）,通过上述分析，可得出如下结论：,（,1,）为了获得严格的恒功率调速，在频率由基频上调时，应使电压与频率的,1/2,次方成正比变化，即 这时过载倍数保持不变。,3/3/2026,41,（,2,）基频上调、电压不变的控制方式，不能实现严格的恒功率调速。,（,3,）把基频下调和基频上调两种情况结合起来，可得异步电动机变频调速的控制特性如图,1-19,所示。在基频,f,n,以下为恒转矩调速区，磁通和转矩恒定，功率与频率（转速）成正比；在基频以上为恒功率调速区，功率恒定，磁通和转矩与频率（转速）成反比。,3/3/2026,42,变压变频控制特性,f,1N,图,1-19,异步电机变压变频调速的控制特性,恒转矩调速,U,s,U,sN,mN,m,恒功率调速,m,U,s,f,1,0,3/3/2026,43,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，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。,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。,3/3/2026,44,小 结,电压,U,s,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,E,r,/,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,3/3/2026,45,