6.1-4变频调速的基本控制方式.ppt

交流异步电机变压变频调速系统第第六六章章2024/5/24 周五1 概概 述述 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。2024/5/24 周五2异步电机的转速n与定子供电频率之间有以下关系：（6-1）从上式可知，只要平滑地调节异步电机定子的供电频率f1，同步转速n1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。6.1 6.1 变频调速的基本控制方式变频调速的基本控制方式 2024/5/24 周五3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：Tmax为常数变频调速光调频行吗？2024/5/24 周五4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，又会使铁芯饱和，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一、调频与调压协调控制的必要性2024/5/24 周五5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一、调频与调压协调控制的必要性2024/5/24 周五6异步电动机稳态等效电路和感应电动势异步电动机稳态等效电路和感应电动势 Us1RsLlsLlrLmRr/sIsI0IrEg一、调频与调压协调控制的必要性一、调频与调压协调控制的必要性2024/5/24 周五7（6-2）式中式中 Eg气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值（气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值（V）定子频率（定子频率（Hz）；f1定子每相绕组串联匝数定子每相绕组串联匝数；N1基波绕组系数；基波绕组系数；kN1每极气隙磁通量每极气隙磁通量(Wb)。m 定子每相电动势 由由式式（6-2）可知可知，只要控制好只要控制好Eg和和f1，便可达到控制磁通，便可达到控制磁通 m 的目的的目的，对此，需要考虑对此，需要考虑基频（额定频率）以下和基频基频（额定频率）以下和基频以上以上两种情况。两种情况。2024/5/24 周五8n所谓调速方式：所谓调速方式：n是指在电机得到充分利用的条件下，电机输出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。转矩和转速之间的关系。n电机常用的有两种典型调速方式：电机常用的有两种典型调速方式：n恒转矩调速方式和恒功率调速方式恒转矩调速方式和恒功率调速方式 二二、VVVFVVVF调速调速控制方式控制方式2024/5/24 周五9n若输出转矩和转速无关，则为若输出转矩和转速无关，则为恒转矩调速方式恒转矩调速方式。n如：他励直流电机调电枢如：他励直流电机调电枢电压调速；电压调速；n 绕线绕线转子异步电机转子串电阻转子异步电机转子串电阻调速等。调速等。n若输出转矩和转速成反比，则为若输出转矩和转速成反比，则为恒功率调速方式恒功率调速方式。n如：他励直流电机的弱磁调速。如：他励直流电机的弱磁调速。2024/5/24 周五10n异步电动机异步电动机的调速分为基频下调和基频上调的调速分为基频下调和基频上调两两种情况：种情况：基频基频下调下调通常采用通常采用恒转矩调速方式；恒转矩调速方式；基频基频上调上调通常采用恒功率调速方式。通常采用恒功率调速方式。2024/5/24 周五11 由上式可知，要保持由上式可知，要保持 m 不变，当频率不变，当频率 f1 从额定值从额定值 f1N 向下调节时，必须同时降低向下调节时，必须同时降低 Eg，使，使 C （6-3）即即采用恒值电动势频率比的控制方式采用恒值电动势频率比的控制方式。1 1、基频以下变频调速、基频以下变频调速 2024/5/24 周五121 1、基频以下变频调速、基频以下变频调速 由于由于由于由于（U U漏漏漏漏漏磁阻抗压降；漏磁阻抗压降；漏磁阻抗压降；漏磁阻抗压降；U Us s每相电压），每相电压），每相电压），每相电压），当当当当U Us s很大时，很大时，很大时，很大时，U U漏漏漏漏很小；可以认为很小；可以认为很小；可以认为很小；可以认为U Us sEEg g 。要改变要改变要改变要改变f f1 1实现调速，则同时应改变实现调速，则同时应改变实现调速，则同时应改变实现调速，则同时应改变U Us s来保持来保持来保持来保持mm不变。不变。不变。不变。恒压频比控制方式恒压频比控制方式恒压频比控制方式恒压频比控制方式 2024/5/24 周五13n n但当但当但当但当f f1 1太小时，忽略太小时，忽略太小时，忽略太小时，忽略U U漏漏漏漏则误差较大，这时可以人为增则误差较大，这时可以人为增则误差较大，这时可以人为增则误差较大，这时可以人为增大大大大U Us s进行补偿，以减小误差。进行补偿，以减小误差。进行补偿，以减小误差。进行补偿，以减小误差。带定子压降补偿的恒压频比控制特性带定子压降补偿的恒压频比控制特性2024/5/24 周五142.基频以上调速基频以上调速 n n当当当当f f1 1ffN N升高时，升高时，升高时，升高时，定子电压定子电压定子电压定子电压UsUs最大也只能是最大也只能是最大也只能是最大也只能是U UsNsN，n n从式从式从式从式 来看，显然，来看，显然，来看，显然，来看，显然，f f1 1ffN N再增大时，再增大时，再增大时，再增大时，反比例降低（反比例降低（反比例降低（反比例降低（相当于直流调速中的弱磁升相当于直流调速中的弱磁升相当于直流调速中的弱磁升相当于直流调速中的弱磁升速速速速）。）。）。）。2024/5/24 周五15 变压变频控制特性变压变频控制特性f1N图图6-1 异步电机变压变频调速的控制特性异步电机变压变频调速的控制特性 恒转矩调速恒转矩调速UsUsNmNm恒功率调速恒功率调速mUsf102024/5/24 周五166.26.2异步电动机电压频率协调控制时的机械特性异步电动机电压频率协调控制时的机械特性异步电动机电压频率协调控制时的机械特性异步电动机电压频率协调控制时的机械特性n n6.2.16.2.1恒压恒频正弦波供电时异步电动机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 n n6.2.26.2.2基频以下电压基频以下电压频率协调控制时的机械特性频率协调控制时的机械特性 n n6.2.36.2.3基频以上恒压变频调速时的机械特性基频以上恒压变频调速时的机械特性 2024/5/24 周五176.2.16.2.1恒压恒频正弦波供电时异步电动机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恒压恒频正弦波供电时异步电动机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当当当当f f1 1（1 1）电源频率和电源频率和电源频率和电源频率和U Us s一定时，电磁转矩为：一定时，电磁转矩为：一定时，电磁转矩为：一定时，电磁转矩为：2024/5/24 周五18n n当当当当s s很小时，可以忽略分母中含很小时，可以忽略分母中含很小时，可以忽略分母中含很小时，可以忽略分母中含s s的各项，则的各项，则的各项，则的各项，则 说说明当明当明当明当s s很小很小很小很小时时TeTef f（s s）为一条直线；为一条直线；为一条直线；为一条直线；1.特性分析特性分析2024/5/24 周五19n n当当当当s1s1时，可忽略时，可忽略时，可忽略时，可忽略R R r r(分母分母分母分母)，则，则，则，则 T Te ef f（s s）是是是是对称于原点的双曲线对称于原点的双曲线对称于原点的双曲线对称于原点的双曲线。1.1.特性分析特性分析2024/5/24 周五20smnn1sTe010TeTemaxTemax图图6-2 恒压恒频时异步电机的机械特性恒压恒频时异步电机的机械特性当当当当s s在在在在00，11的中间数值的中间数值的中间数值的中间数值时，时，时，时，机械特性从直线段机械特性从直线段机械特性从直线段机械特性从直线段逐渐过渡到双曲线逐渐过渡到双曲线逐渐过渡到双曲线逐渐过渡到双曲线。2.2.机械特性机械特性2024/5/24 周五216.26.2基频以下电压频率协调控制时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下电压频率协调控制时的机械特性基频以下电压频率协调控制时的机械特性 由异步电动机机械特性方程式可以看出，对于同一组由异步电动机机械特性方程式可以看出，对于同一组转矩转矩 Te 和转速和转速 n（或转差率或转差率s）的要求，电压的要求，电压 Us 和频率和频率 1 可以有多种配合。可以有多种配合。在在 Us 和和 1 的不同配合下机械特性也是不一样的，的不同配合下机械特性也是不一样的，因此因此可以有不同方式的电压频率协调控制。可以有不同方式的电压频率协调控制。2024/5/24 周五221.恒压频比控制恒压频比控制（Us/1）On图图6-3 恒压频比控制时变频调速的机械特性恒压频比控制时变频调速的机械特性补补偿偿定定子子压压降后的特性降后的特性2024/5/24 周五23在恒压频比的条件下改变频率在恒压频比的条件下改变频率 1 时，机械特性基本上是时，机械特性基本上是平行下移平行下移当转矩增大到最大值以后，转速再降低，特性就折回来了。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而且频率越低时最大转矩值越小最大转矩最大转矩 Temax 是随着的是随着的 1 降低而减小的。频率很低降低而减小的。频率很低时，时，Temax太小将限制电机的带载能力，采用太小将限制电机的带载能力，采用定子压降补定子压降补偿，适当地提高电压偿，适当地提高电压Us，可以增强带载能力，可以增强带载能力结论结论2024/5/24 周五242.2.恒恒恒恒E Eg g/1 1控制方式控制方式控制方式控制方式 OnTemax恒恒 Eg/1 控制时变频调速的机械特性控制时变频调速的机械特性2024/5/24 周五25结论结论恒恒Eg/1控制方式稳定性能优于恒控制方式稳定性能优于恒Us/1控制方式控制方式 它正它正好是好是Us/1控制方式控制方式 中补偿定子压降所追求的目标！中补偿定子压降所追求的目标！当当Eg/1为恒值时，为恒值时，Temax恒定不变，随着频率的降恒定不变，随着频率的降 低，恒低，恒Eg/1控制的机械特性是一组形状与恒压恒频机控制的机械特性是一组形状与恒压恒频机械特性相同，且平行下移的特性。械特性相同，且平行下移的特性。2024/5/24 周五263两种协调控制方式的比较两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。压频率协调控制可得不同类型的机械特性。（1）恒压频比（）恒压频比（Us/1=Constant）控制最容易实现，）控制最容易实现，它的变频机械特性基本上是它的变频机械特性基本上是平行下移平行下移，硬度也较好，能，硬度也较好，能够满足一般的调速要求，但够满足一般的调速要求，但低速带载能力有些差强人意，低速带载能力有些差强人意，须对定子压降实行补偿。须对定子压降实行补偿。（2）恒）恒Eg/1 控制是通常对恒压频比控制实行电压补控制是通常对恒压频比控制实行电压补偿的标准，可以在稳态时达到偿的标准，可以在稳态时达到 m=Constant，从而改从而改善了低速性能。善了低速性能。但机械特性还是非线性的，产生转矩的但机械特性还是非线性的，产生转矩的能力仍受到限制。能力仍受到限制。2024/5/24 周五276.2.36.2.3基频以上恒压变频调速时的机械特性基频以上恒压变频调速时的机械特性基频以上恒压变频调速时的机械特性基频以上恒压变频调速时的机械特性 2024/5/24 周五286.2.36.2.3基频以上恒压变频调速时的机械特性基频以上恒压变频调速时的机械特性基频以上恒压变频调速时的机械特性基频以上恒压变频调速时的机械特性 n n在基频以上恒压变频调速时，在基频以上恒压变频调速时，在基频以上恒压变频调速时，在基频以上恒压变频调速时，U Us sU UsNsN不变，不变，不变，不变，电机转矩为：电机转矩为：电机转矩为：电机转矩为：当当 1 1增大时，增大时，n1 1增加，且增加，且Temaxemax减小！减小！2024/5/24 周五29机械特性曲线机械特性曲线恒功率调速恒功率调速O图图6-5 基频以上恒压变频调速的机械特性基频以上恒压变频调速的机械特性 可可见见，当当频频率率1提提高高时时，同同步步转转速速n1随随之之提提高高，最最大大转转矩矩减减小小，机机械械特特性性上上移移；转转速速降降落落随随频频率率的的提提高高而而增增大大，特特性性斜斜率率稍稍变变大大，其其它它形形状状基基本本相相似似。如如右右图图所示。所示。2024/5/24 周五30 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。2024/5/24 周五31小结小结n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。n在基频以下，有两种协调控制方式。采用不同的协调控制方式，得到的系统稳态性能不同。n在基频以上，采用保持电压不变的恒功率弱磁调速方法。2024/5/24 周五32对交流电机实现变频调速的变频电源装置叫变频器，其功能对交流电机实现变频调速的变频电源装置叫变频器，其功能是将电网提供的恒压恒频交流电变换为变压变频交流电，变是将电网提供的恒压恒频交流电变换为变压变频交流电，变频伴随变压。频伴随变压。变频器的基本分类如下：变频器的基本分类如下：变频器变频器 交交-交变频器交变频器 按相数分按相数分单相单相三相三相按输出波形分按输出波形分正弦波正弦波方波方波脉冲宽度调制型脉冲宽度调制型(PWM)交交-直直-交变频器交变频器电流型电流型 电压型电压型6.3 电力电子变压变频器的主要类型电力电子变压变频器的主要类型2024/5/24 周五336.3.1 交交-直直-交和交交和交-交变压变频器交变压变频器 1.交交-直直-交变压变频器交变压变频器 交交-直直-交变压变频器先将交变压变频器先将工频交流电源通过整流器变换工频交流电源通过整流器变换成直流，再通过逆变器变换成可控频率和电压的交流成直流，再通过逆变器变换成可控频率和电压的交流，如，如下图所示。下图所示。由于这类变压变频器在恒频交流电源和变频交流输出之由于这类变压变频器在恒频交流电源和变频交流输出之间有一个间有一个“中间直流环节中间直流环节”，所以又称，所以又称间接式的变压变频间接式的变压变频器器。2024/5/24 周五34交交-直直-交变压变频器基本结构交变压变频器基本结构交交-直直-交（间接）变压变频器交（间接）变压变频器 变压变频变压变频(VVVF)中间直流环节中间直流环节恒压恒频恒压恒频(CVCF)逆变逆变DCACAC50Hz整流整流2024/5/24 周五35SCR可控可控整流器整流器六六 拍拍逆变器逆变器DCACAC50Hz调频调频调压调压 可控整流器调压、六拍逆变器调频的交可控整流器调压、六拍逆变器调频的交-直直-交变压变频器交变压变频器间接式变压变频器（间接式变压变频器（1）2024/5/24 周五36用不可控整流器整流、斩波器调压、再用逆变器变频用不可控整流器整流、斩波器调压、再用逆变器变频间接式变压变频器（间接式变压变频器（2）2024/5/24 周五37变压变频变压变频(VVVF)中间直流环节中间直流环节恒压恒频恒压恒频(CVCF)PWM逆变器逆变器DCACAC50Hz调压调频调压调频C用不可控整流器整流、脉宽调制逆变器同时调压调频用不可控整流器整流、脉宽调制逆变器同时调压调频 间接式变压变频器（间接式变压变频器（3）2024/5/24 周五382.交交-交变压变频器交变压变频器 交交-交变压变频器的基本结构如下图所示，交变压变频器的基本结构如下图所示，它只有一它只有一个变换环节个变换环节，把恒压恒频（，把恒压恒频（CVCF）的交流电源直接变的交流电源直接变换成换成VVVF输出，因此又称输出，因此又称直接式变压变频器直接式变压变频器。2024/5/24 周五39(1)交交-交变压变频器的基本结构交变压变频器的基本结构交交-交（直接）变压变频器交（直接）变压变频器交交变频交交变频AC50HzACCVCFVVVF2024/5/24 周五40(1)交交-交变压变频器的基本电路结构交变压变频器的基本电路结构VRVFId-Id+-+a)电路结构电路结构负负载载50Hz50Hzu0交交-交变压变频器每一相的可逆线路交变压变频器每一相的可逆线路2024/5/24 周五41(2)交交-交变压变频器的控制方式交变压变频器的控制方式 整半周控制方式整半周控制方式 正、反两组按一定周期相互切换，在负载上就获得交正、反两组按一定周期相互切换，在负载上就获得交变的输出电压变的输出电压 u0，u0 的的幅值幅值决定于各组可控整流装置的决定于各组可控整流装置的控制角控制角 ，u0 的的频率频率决定于正、反两组整流装置的切换决定于正、反两组整流装置的切换频率。频率。如果控制角一直不变，则输出平均电压是方波如果控制角一直不变，则输出平均电压是方波，如下图如下图 b 所示。所示。2024/5/24 周五42图图6-10-b 方波型平均输出电压波形方波型平均输出电压波形tu0正组通正组通反组通反组通正组通正组通反组通反组通输出电压波形输出电压波形2024/5/24 周五43 调制控制方式调制控制方式 要获得正弦波输出，就必须在要获得正弦波输出，就必须在每一组整流装置导通期间每一组整流装置导通期间不断改变其控制角不断改变其控制角。例如例如：在正组导通的半个周期中，使控制角：在正组导通的半个周期中，使控制角 由由/2（对应（对应于平均电压于平均电压 u0=0）逐渐减小到逐渐减小到 0（对应于（对应于 u0 最大），然最大），然后再逐渐增加到后再逐渐增加到 /2（u0 再变为再变为0），如下图所示。），如下图所示。2024/5/24 周五442AO ta=a=0 p 2a=p BCDEFu0图图6-12 交交-交变压变频器的单相正弦波输出电压波形交变压变频器的单相正弦波输出电压波形输出电压波形输出电压波形2024/5/24 周五45 当当 角角按按正正弦弦规规律律变变化化时时，半半周周中中的的平平均均输输出出电电压压即即为为图中蓝线所示的正弦波。图中蓝线所示的正弦波。对反组负半周的控制也是这样。对反组负半周的控制也是这样。2024/5/24 周五46控制角控制角由大到小再变由大到小再变大，如大，如/20/2如如右图（右图（a）所示。）所示。控制角由小变大再控制角由小变大再变小，如变小，如/2/2如右图如右图（b）所示。）所示。2024/5/24 周五47 三相三相-单相交单相交-交变频电路交变频电路n将两组三相可逆整流器反并联即可构成单相变频电路。将两组三相可逆整流器反并联即可构成单相变频电路。三相半波三相半波-单相单相交交-交变频电路交变频电路三相桥式三相桥式-单单相交相交-交变频交变频电路电路2024/5/24 周五48三相交三相交-交变频电路交变频电路n交交-交交变变频频器器主主要要用用于于交交流流调调速速系系统统中中，因因此此实实际际使使用用的的主主要要是是三三相相交交-交交变变频频器器。三三相相交交-交交变变频频器器电电路路是是由由三三组组输输出出电电压压相相位位互互差差的的单单相相交交-交交变变频频电电路路组组成的。成的。n1、电路的接线方式、电路的接线方式n三三相相交交-交交变变频频电电路路主主要要有有两两种种接接线线方方式式，即即公公共共交交流母线进线方式和输出星形联结方式。流母线进线方式和输出星形联结方式。2024/5/24 周五49 （1）公共交流母线进线方式）公共交流母线进线方式 它它由由三三组组彼彼此此独独立立、输输出出电电压压相相位位互互差差120度度的的单单相相交交-交交变变频频电电路路组组成成，其其电电源源进进线线通通过过电电抗抗器器接接在在公公共共的的交交流流母母线线上上。由由于于电电源源进进线线端端公公用用，所所以以三三组组单单相相变变频频电电路路的的输输出出端端必必须须隔隔离离。为为此此，交交流流电电机机的的三三个个绕绕组组必必须须拆拆开开，共共引引出六根线。出六根线。2024/5/24 周五50 （2）输出星形连接方式）输出星形连接方式 n由由于于变变频频器器输输出出端端中中点点不不和和负负载载中中点点相相连连接接，所所以以在在构构成成三三相相变变频频器器的的六六组组桥桥式式电电路路中中，至至少少要要有有不不同同相相的的两两组组桥桥中的四个晶闸管同时导通才能构成回路，形成电流。中的四个晶闸管同时导通才能构成回路，形成电流。2024/5/24 周五512、具体电路结构、具体电路结构三相桥式整流器组成的三相三相桥式整流器组成的三相-三相交三相交-交变频电路，交变频电路，采用公共交流母线进线方式采用公共交流母线进线方式2024/5/24 周五52n三三相相桥桥式式整整流流器器组组成成的的三三相相-三三相相交交-交交变变频频电电路路，给给电电动动机负载供电，采用输出星形联结方式（负载未画出）机负载供电，采用输出星形联结方式（负载未画出）2024/5/24 周五53