6.1-4变频调速的基本控制方式

2020/4/61交流异步电机变压变频调速系统第六章2020/4/62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。2020/4/63)1(60)1(p11snfsnn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变频调速的基本控制方式2020/4/64)1(601snfnp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？？2020/4/65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2020/4/66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2020/4/67异步电动机稳态等效电路和感应电动势Us1RsLlsL’lrLmR’r/sIsI0I’rEg一、调频与调压协调控制的必要性2020/4/68mN11g144.4ΦkNfEUs（6-2）式中Eg—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）；f1—定子每相绕组串联匝数；N1—基波绕组系数；kN1—每极气隙磁通量(Wb)。m•定子每相电动势由式（6-2）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。2020/4/69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、VVVF调速控制方式2020/4/610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。2020/4/611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；基频上调通常采用恒功率调速方式。2020/4/612由上式可知，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1gfEmC（6-3）即采用恒值电动势频率比的控制方式。mNs1gS44.4ΦkNfE1、基频以下变频调速2020/4/6131、基频以下变频调速由于（U漏—漏磁阻抗压降；Us—每相电压），当Us很大时，U漏很小；可以认为Us≈Eg。要改变f1实现调速，则同时应改变Us来保持Φm不变。—恒压频比控制方式CfUSm1gsEUU漏2020/4/614但当f1太小时，忽略U漏则误差较大，这时可以人为增大Us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2020/4/6152.基频以上调速当f1fN升高时，定子电压Us最大也只能是UsN，从式来看，显然，f1fN再增大时，反比例降低（相当于直流调速中的弱磁升速）。CfUSm111fm2020/4/616变压变频控制特性f1N图6-1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ΦmUsf102020/4/6176.2异步电动机电压－频率协调控制时的机械特性6.2.1恒压恒频正弦波供电时异步电动机的机械特性6.2.2基频以下电压—频率协调控制时的机械特性6.2.3基频以上恒压变频调速时的机械特性2020/4/6186.2.1恒压恒频正弦波供电时异步电动机的机械特性当f1（ω1）—电源频率和Us一定时，电磁转矩为：2'11212'1'2)()(/3rsrsrspeLLsRRsRUnT2'112122''121)()()(3rsrsrspeLLsRsRRsUnT2020/4/619当s很小时，可以忽略分母中含s的各项，则'121)(3rspeRsUnT说明当s很小时Te＝f（s）为一条直线；1.特性分析2020/4/620当s→1时，可忽略R’r(分母)，则sLLRsRUnTrssrspe1)()(32'11212'121Te＝f（s）是对称于原点的双曲线。1.特性分析2020/4/621smnn1sTe010TeTemaxTemax图6-2恒压恒频时异步电机的机械特性当s在[0，1]的中间数值时，机械特性从直线段逐渐过渡到双曲线。2.机械特性2020/4/6226.2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，对于同一组转矩Te和转速n（或转差率s）的要求，电压Us和频率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。2'11212'1'2)()(/3rsrsrspeLLsRRsRUnT2020/4/6231.恒压频比控制（Us/1）eTOnN1n13n12n11nN1111213131211N1图6-3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2020/4/624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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，可以增强带载能力结论2020/4/6252.恒Eg/ω1控制方式eTOn1Nn13n12n11nN1111213131211N1Temax恒Eg/1控制时变频调速的机械特性2020/4/626结论恒Eg/ω1控制方式稳定性能优于恒Us/ω1控制方式它正好是Us/ω1控制方式中补偿定子压降所追求的目标！当Eg/ω1为恒值时，Temax恒定不变，随着频率的降低，恒Eg/ω1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。2020/4/6273．两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。（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m=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。2020/4/6286.2.3基频以上恒压变频调速时的机械特性2020/4/6296.2.3基频以上恒压变频调速时的机械特性在基频以上恒压变频调速时，Us＝UsN不变，电机转矩为：2'2122'1'2)()(3lrlsrsrsNeLLSRSRSRpUT2'21212max)((123lrlsssNeLLRpUTpn26011当ω1增大时，n1增加，且Temax减小！2020/4/630机械特性曲线恒功率调速eTOn1Nn1cn1bn1anN1a1b1c1c1b1a1N1图6-5基频以上恒压变频调速的机械特性可见，当频率ω1提高时，同步转速n1随之提高，最大转矩减小，机械特性上移；转速降落随频率的提高而增大，特性斜率稍变大，其它形状基本相似。如右图所示。2020/4/631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。2020/4/632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。在基频以上，采用保持电压不变的恒功率弱磁调速方法。2020/4/633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，变频伴随变压。变频器的基本分类如下：变频器交-交变频器按相数分单相三相按输出波形分正弦波方波脉冲宽度调制型(PWM)交-直-交变频器电流型电压型6.3电力电子变压变频器的主要类型2020/4/6346.3.1交-直-交和交-交变压变频器1.交-直-交变压变频器交-直-交变压变频器先将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，如下图所示。由于这类变压变频器在恒频交流电源和变频交流输出之间有一个“中间直流环节”，所以又称间接式的变压变频器。2020/4/635交-直-交变压变频器基本结构交-直-交（间接）变压变频器变压变频(VVVF)中间直流环节恒压恒频(CVCF)逆变DCACAC50Hz~整流2020/4/636SCR可控整流器六拍逆变器DCACAC50Hz~调频调压可控整流器调压、六拍逆变器调频的交-直-交变压变频器间接式变压变频器（1）2020/4/637DC二极管不可控整流器逆变AC恒压恒频变压调频AC斩波器DC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（2）2020/4/638变压变频(VVVF)中间直流环节恒压恒频(CVCF)PWM逆变器DCACAC50Hz~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间接式变压变频器（3）2020/4/6392.交-交变压变频器交-交变压变频器的基本结构如下图所示，它只有一个变换环节，把恒压恒频（CVCF）的交流电源直接变换成VVVF输出，因此又称直接式变压变频器。2020/4/640(1)交-交变压变频器的基本结构交-交（直接）变压变频器交－交变频AC50Hz~ACCVCFVVVF2020/4/641(1)交-交变压变频器的基本电路结构VRVFId-Id+--+a)电路结构负载50Hz~50Hz~u0交-交变压变频器每一相的可逆线路2020/4/642(2)交-交变压变频器的控制方式①整半周控制方式正、反两组按一定周期相互切换，在负载上就获得交变的输出电压u0，u0的幅值决定于各组可控整流装置的控制角，u0的频率决定于正、反两组整流装置的切换频率。如果控制角一直不变，则输出平均电压是方波，如下图b所示。2020/4/643图6-10-b方波型平均输出电压波形tu0正组通反组通正组通反组通•输出电压波形2020/4/644②调制控制方式要获得正弦波输出，就必须在每一组整流装置导通期间不断改变其控制角。例如：在正组导通的半个周期中，使控制角由/2（对应于平均电压u0=0）逐渐减小到0（对应于u0最大），然后再逐渐增加到/2（u0再变为0），如下图所示。2020/4/6452AOt02BCDEFu0图6-12交-交变压变频器的单相正弦波输出电压波形•输出电压波形2020/4/646当角按正弦规律变化时，半周中的平均输出电压即为图中蓝线所示的正弦波。对反组负半周的控制也是这样。2020/4/647tt输出电压输出电压平