交流异步电动机变压变频调速系统

1交流异步电动机变压变频调速系统（VVVF系统）——转差功率不变型调速系统电力拖动控制系统第6章2•概述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，是本篇的重点。36.1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。4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。5•定子每相电动势1g11Nm4.44ΦEfNk（6-2）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。f1N1kN1m6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。71.基频以下调速由式（6-2）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（6-3）即采用恒值电动势频率比的控制方式。8•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（6-3）这是恒压频比的控制方式。常值1fUs异步电动机稳态等效电路和感应电动势Us1RsLlsL’lrLmR’r/sIsI0I’rEg9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。10OUsf1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112.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。12f1N•变压变频控制特性图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ΦmUsf1O13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”。146.2异步电动机电压－频率协调控制时的机械特性本节提要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156.2.1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：2'rs2122'rs'r121spe)()(3llLLsRsRRsUnT（6-5）恒US/1时的机械特性16•特性分析当s很小时，可忽略上式分母中含s各项，则（6-6）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，见图6-2。sRsUnT'r121spe317特性分析（续）当s接近于1时，可忽略式（6-5）分母中的Rr'，则sLLRsRUnTll1])([32'rs212s'r121spe（6-6）即s接近于1时转矩近似与s成反比，这时，Te=f（s）是对称于原点的一段双曲线。18•机械特性当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。smnn1sTe010TeTemaxTemax图6-2恒压恒频时异步电机的机械特性196.2.2基频以下电压-频率协调控制时的机械特性由式（6-5）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。201.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。11p602nn（6-8）21由式（6-6）可以导出21sper13UnTRs'（6-10）带负载时的转速降落为11p602nsnsn（6-9）22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，如图6-3所示。它们和直流他励电机变压调速时的情况基本相似。23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，可参看第5章式（5-5），对式（5-5）稍加整理后可得2'rs21s1s21spmaxe)(123llLLRRUnT（6-11）24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，见图6-3。25•机械特性曲线eTOnN0n03n02n01nN1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262.恒Eg/1控制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）。27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EgEsEr28•特性分析如果在电压－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（6-2）可知，无论频率高低，每极磁通m均为常值。29特性分析（续）由等效电路可以看出2'r212'rg'rlLsREI（6-12）代入电磁转矩关系式，得2'r2122'r'r121gp'r2'r212'r2g1pe33llLsRRsEnsRLsREnT（6-13）恒Eg/1时的机械特性30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（6-13）分母中含s项，则sRsEnT'r121gpe3（6-14）这表明机械特性的这一段近似为一条直线。31特性分析（续）当s接近于1时，可忽略式（6-13）分母中的Rr'2项，则sLsREnTl132'r1'r21gpe（6-14）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。32•性能比较但是，对比式（6-5）和式（6-13）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。33性能比较（续）将式（6-13）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（6-16）和最大转矩'r21gpmaxe123lLEnT（6-17）34性能比较（续）值得注意的是，在式（6-17）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Us/1控制中补偿定子压降所追求的目标。35•机械特性曲线eTOn1Nn13n12n11nN1111213131211N1Temax恒Eg/1控制时变频调速的机械特性363．两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。37（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。386.2.3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（6-5）的机械特性方程式可写成2'rs2122'rs1'r2sNpe)()(3llLLsRsRsRUnT（6-18）恒压便变频时的机械特性39性能分析（续）而式（6-11）的最大转矩表达式可改写成（6-19）同步转速的表达式仍和式（6-8）一样。2'rs212ss12sNpmaxe)(123llLLRRUnT40•机械特性曲线恒功率调速eTOn1Nn1cn1bn1anN1a1b1c1c1b1a1N1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6-5基频以上恒压变频调速的机械特性41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，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。42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。返回目录43如前所述，对于异步电机的变压变频调速，必须具备能够同时控制电压幅值和频率的交流电源，而电网提供的是恒压恒频的电源，因此应该配置变压变频器，又称VVVF（VariableVoltageVariableFrequency）装置。6.3电力电子变压变频器的主要类型44最早的VVVF装置是旋转变频机组，即由直流电动机拖动交流同步发电机，调节直流电动机的转速就能控制交流发电机输出电压和频率。自从电力电子器件获得广泛应用以后，旋转变频机组已经无例外地让位给静止式的变压变频器了。456.3.1交-直-交和交-交变压变频器从整体结构上看，电力电子变压变频器可分为交-直-交和交-交两大类。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。46•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47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。具体的整流和逆变电路种类很多，当