电机控制：§2-4 异步电机变频调速理论

1、2021/2/12,电气与信息工程学院 黄守道,1,24 异步电机变频调速理论,变频器所提供的电源含较大的谐波成份，但起决定 作用的还是基波。所以，下面以基波为主进行分析,变频调速控制是本课程学习的重点，其内容十分广泛， 我们将从变频调速理论、变频调速系统、矢量变换控制及 直接转矩控制等方面进行讨论,一、变频调速的基本控制方式,2021/2/12,电气与信息工程学院 黄守道,2,式中,定子供电频率； 定子每相串联匝数； 基波绕组系数； 每极气隙磁通 当电机一旦选定，结构参数确定，则有： 说明只要协调地控制 ，即可到达控制 气隙磁通 的目的，但控制方式随运行频率在基频 以下以及基频以上而不同,2

2、021/2/12,电气与信息工程学院 黄守道,3,1.基频以下的控制：恒磁通控制 恒电压频率比 低频时定子电阻降压补偿 2.基频以上,近似恒功率控制 不变, 升高,气隙磁通 减小,2021/2/12,电气与信息工程学院 黄守道,4,电压源型变频器供电时 异步电机的工作特性,电压源型逆变器,电流源型逆变器,2021/2/12,电气与信息工程学院 黄守道,5,恒频恒压运行时的电磁转矩 (机械特性,2021/2/12,电气与信息工程学院 黄守道,6,特点,s很小时 对应直线a s接近1时 对应双曲线b s为中间数时 曲线 从直线过渡到双曲线,2021/2/12,电气与信息工程学院 黄守道,7,1.恒

3、压频比 控制的机械特性,2021/2/12,电气与信息工程学院 黄守道,8,不同频率时n 相同: n,最大转矩 随频率降低而减小,而,2021/2/12,电气与信息工程学院 黄守道,9,恒压频比 控制的特点,同步转速 随运行频率 变化； 不同频率下机械特性为一组硬度相同的直线； 最大转矩 随频率的降低而减小,2021/2/12,电气与信息工程学院 黄守道,10,2.恒气隙电势/频率比 控制,机械特性线性段的范围比恒压频比 控制更宽即调速范围更广,2021/2/12,电气与信息工程学院 黄守道,11,低频下起动转矩比额定频率下的起动转矩大,而起动电流并不大,转子功率因数高,这是变频调速的重要优点

4、,即在任何运行频 率下的最大转矩 恒定不变,2021/2/12,电气与信息工程学院 黄守道,12,实现途径: 是电机内部量,无法直接控制.必须随着频率的降低,适当提高定子电压 ,以补偿定子漏阻抗压降(主要是定子电阻压降)对气隙电势的影响.补偿量,式中,定子电阻越大,即Q值越小,定子电压所需 补偿的程度也就越大(直线斜率变小,2021/2/12,电气与信息工程学院 黄守道,13,注意,采取电流反馈控制使轻载时电压 降低,克服“过补偿”(只考虑最大 转矩恒定,风机、水泵等负载反而常常采用 减小电压/频率比的运行方式,降 低轻载时的电机损耗(低速时不 要求满载,2021/2/12,电气与信息工程学院

5、 黄守道,14,3.恒转子电势/频率比 控制,特点,与他励直流电机一样为直线型机械特性 与 控制, 控制相比,稳态特性最好,2021/2/12,电气与信息工程学院 黄守道,15,实现途径,将电压频率协调控制中低频段 值再提高一点,且随时补偿转子上的漏抗压降. 这是高性能交流电机变频调速最终追求的目标; (转子全磁通幅值 为常数)的控制是矢量控制要实现的目标之一,以上3种控制方式适合于恒转矩负载,2021/2/12,电气与信息工程学院 黄守道,16,4.恒功率运行,电气车辆牵引要求低速时输出大转矩. 高速时输出小转矩即要求恒功率运行,实现途径,注意: 因 所以,电机气隙磁通将随功 率的减小而增大

6、,在设计恒 功率负载的电机时,应按运 行中最低频率来考虑它的 磁路状态,2021/2/12,电气与信息工程学院 黄守道,17,电流源型变频器供电时, 异步电机的工作特性,电流源: 逆变器因大电感滤波,电流维持基本恒定,恒流源供电时异步电机等值电路,戴维宁定律,2021/2/12,电气与信息工程学院 黄守道,18,电磁转矩(机械特性,2021/2/12,电气与信息工程学院 黄守道,19,特点（恒流源供电时,恒转矩调速 临界转差率 很小 起动转矩小 稳定运行的 转速范围窄,2021/2/12,电气与信息工程学院 黄守道,20,注意,应控制转差率,避免在极低转差率下运行(轻载时励磁电 势很高),使主

7、磁路不致饱和； 在恒流源供电时,过载能力低,只适合于负载变化不大 的场合,加电压、电流闭环控制后，获得与电压源供电时完全相 同的特性，变得实用,2021/2/12,电气与信息工程学院 黄守道,21,四、变频器非正弦供电时 对异步电机运行性能的影响,1.变频电源的 非正弦特性,波形 a) 6阶梯波 b) 12阶梯波 c) PWM波,2021/2/12,电气与信息工程学院 黄守道,22,三相系统不存在3及3,的倍数次谐波,电机谐波转差率,k次谐波电压有效值 ：k次谐波电压初相位 ：基波角频率,2021/2/12,电气与信息工程学院 黄守道,23,异步电机谐波等值电路,因 很小，可以忽略,额定电流有

8、效 值增大2%10,2021/2/12,电气与信息工程学院 黄守道,24,2. 电源非正弦 对电机运行性能的影响,气隙最大磁密增加,（6阶时大10%， 磁饱和）,磁化电流增大。 定子漏抗因磁饱和而减小（15%20%）。 转子集肤效应相当强，使得电抗值增大几 倍；而槽漏感则减小到直流时的1/3，电流 集中于槽口，转子谐波损耗成为重要问题,2021/2/12,电气与信息工程学院 黄守道,25,功率因数明显下降（谐波和饱和） 损耗和效率； 谐波转矩（恒定谐波转矩和脉动转矩）； 电应力问题； 轴电流问题,2021/2/12,电气与信息工程学院 黄守道,26,2021/2/12,电气与信息工程学院 黄守道,27,2021/2/12,电气与信息工程学院 黄守道,28,2021/2/12,电气与信息工程学院 黄守道,29,1）谐波转矩表现为恒定谐波转矩和脉动转矩。前者小于基波的 1%，可忽略；后者以转子5，7次谐波