交流变频调速系统

1、交流电机变频调速讲座（-2）第一讲：异步电动机的变压变频调速原理和稳态特性（-2）在异步电动机调速系统中，调速性能最好、应用最广的系统是变压变频调速系统。在这种系统中，要调节电动机的转速， 须同时调节定子供电电源的电压和频率，可以使机械特性平滑地上下移动，并获得很高的运行效率。但是，这种系统需要一台专用的变压变频电源， 增加了系统的成本。近来，由于交流调速日益普及，对变压变频器的需求量不断增长，加上市场竞争的因素，其售价逐渐走低，使得变压变频调速系统的应用与日俱增。下面首先叙述异步电动机的变压变频调速原理。1.1异步电动机变压变频调速原理在进行电动机调速时，常须考虑的一个重要因素就是： 希望保

2、持电动机中每极磁通量为额定值不变。如果磁通太弱，没有充分利用电动机的铁心，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动机。在交流异步电动机中，由于磁通是由定子和转子磁动势合成产生的，需要采取一定的控制方式才能保持磁通恒定。三相异步电动机定子每相电动势的有效值是Eg = 4.44 fiNskNs m（ 1-1）式中 Eg气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值（V ）；fi定子频率（Hz）;N s 定子每相绕组串联匝数；kg 定子基波绕组系数；Om每极气隙磁通量（Wb） o由式（1-1）可知，只要控制好电动势Eg和频率，便可达到控制磁通 的目的

3、，对此，需要考虑基频（额定频率）以下和基频以上两种情况。1.1.1基频以下调速由式（1-1）可知，要保持cm不变，当频率f1从额定值 升“向下调节时，必须同时降低 电动势Eg，使(1-2)-=常值1即采用电动势频率比为恒值的控制方式 。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(1-3)s二常值fl这是恒压频比的控制方式。低频时,Us和Eg都较小，定子漏磁阻抗压降所占的份量就比较显著,不能再忽略。这时，可以人为地把电压 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如 图1-1所示的2线

4、，无补偿的控制特性则为1线。图1-1恒压频比控制特性1 无补偿2 带定子压降补偿在实际应用中，由于负载大小不同，需要补偿的定子压降值也不一样，在控制软件中, 须备有不同斜率的补偿特性，以便用户选择。1.1.2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不可能超过额定电压UsN，最多只能保持 Us二UsN，这将迫使磁通与频率成反比地降低，相当于直流电动机弱磁升速的情况。把基频以下和基频以上两种情况的控制特性画在一起，如图1-2所示。如果电动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，按照电气传动原理， 在基频以下，

5、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”性质。Sf1恒转矩测雀_|_匣功率调速图1-2异步电动机变压变频调速的控制特性1.2异步电动机电压-频率协调控制时的稳态特性1.2.1异步电动机的稳态等效电路和感应电动势按照异步电动机原理， 它的稳态等效电路如图 1-3所示，图中标明了不同磁通所产生的 感应电动势，其意义如下：Eg气隙磁通（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（折合到定子侧）图1-3 异步电动机的稳态等效电路和感应电动势式（1-

6、1）已给出气隙磁通的感应电动势，现再写在下面：Eg =4.44f1NskNS m(1-1)与此相仿Es = 4.44f1NskNssm(1-4)Er =4.44 f1NskN/J rm(1-5)1.2.2恒压恒频正弦波供电时异步电动机的机械特性异步电动机正常工作时，定子由恒压恒频的正弦波电源供电，由于定子电压Us和电源角频率-1均为恒值，这时的机械特性方程式Te二f（s）可写成如式（1-6）所示的形式:Te(1-6)s叫R； 2 2 2 2(SRs+RJ +sCMLis+LQ当s很小时，可忽略上式分母中含s各项，则广U彳Te 俺 3 np 亠 socs(1-7)旧丿Rr也就是说，当s很小时，转

7、矩近似与 s成正比，机械特性Te二f(s)是一段直线，当s逐渐增大后，机械特性呈现明显的非线性，如图1-4所示。图1-4 恒压恒频时异步电动机的机械特性1.2.3基频以下电压-频率协调控制时的机械特性由式(1-6)的机械特性方程式可以看出，当负载要求某一组转矩 Te和转速n (或转差率s)的数值时，电压 Us和频率 宀可以有多种配合。在 Us和的不同配合下，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)恒压频比控制(Us/二恒值)前已指出，为了近似地保持气隙磁通不变,以便充分利用电动机铁心，发挥电动机产生转矩的能力，在基频以下须采用恒压频比控制。这时，同步转速(r/mi

8、n)自然要随频率变化。6001no :2 二 np带负载时，转速降落An (r/min )为(1-8)2 二np(1-9)在式(1-7)所表示的机械特性近似直线段上，可以导出RrTe(1-10)3npUs由此可见，当Us/宀为恒值时，对于同一转矩 Te值，SJ基本不变，因而：n也是基本不变的。这就是说，在恒压频比的条件下，改变频率宀时，机械特性基本上也是平行下移,1-11）所示，频率越如图1-5所示。异步电动机的机械特性上有一个转矩的最大值，如式（低，最大转矩值越小，频率很低时，Temax太小，将限制电动机的带载能力，采用定子压降补偿，适当地提高电压 Us ,可以增强带载能力，如图1-5所示。

9、(1-11)0图1-5恒压频比控制时变频调速的机械特性（2）恒Eg / -1控制 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（1-1）可知，无论频率高低，每极磁通 滋均为常值，且由图1-3所示的等效电路可以看出Ir(1-12)代入电磁转矩关系式，得T 一 ？npI e1EgsR；Rr2 s2(1-13)这就是恒Eg /时的机械特性方程式。机械特性曲线的形状与恒压频比特性相似，图1-6 中给出了不同控制方式时的机械特性。差率图1-6不同电压-频率协调控制方式时的机械特性1恒Us / r控制 2恒Eg / !控制

10、 3恒Er /“控制将式（1-13 ）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R；1 Llr(1-14)和最大转矩Te max1Llr(1-15)值得注意的是，在式（1-15 ）中，当Eg/j为恒值时，Temax恒定不变。可见恒 Eg/抗上的压降也抵消掉，得到恒Er/1控制，那么，机械特性会怎样呢？由图1-3可写出IrErRr /s(1-16)代入电磁转矩基本关系式，得3nPTe :1Is丿很明显，这时的机械特性 Te =f（s）完全是一条直线，也把它画在图(1-17)1-6上。显然，恒Er/1控制的稳态性能最好，可以获得和直流电动机一样的线性机械特性

11、。这正是高性能 交流变频调速所要求的性能。问题是，怎样控制变频装置的电压和频率才能获得恒定的Er / 1呢？按照电动势和磁控制的稳态性能是优于恒Us/1控制的，它正是恒 Us A 1控制中补偿定子压降所追求的目标。（3）恒Er r 1控制如果把电压-频率协调控制中的电压 Us再进一步提高，把转子漏通的关系见式（1-5）可以看出，当频率恒定时，电动势Er与转子全磁通幅值 rm成正比。由此可见，只要能够按照转子全磁通幅值Qm二恒值进行控制，就可以获得恒 Er / .1 了。1.2.4基频以上恒压变频控制时的机械特性在基频Jn以上变频调速时，由于电压Us =UsN不变，式（1-6）的机械特性方程式可

12、写成(1-18)T 3n u 2sRT e _ 3n pU sN 22 2 1 (sR + Rr) +s 1 (Lls + Llr) J而式（1-11）的最大转矩表达式可改写成T3 u 2T e max Q n pU sN1 1 Rs. R2 2 (Lis Lir)2 I(1-19)同步转速的表达式仍和式（1-8）一样。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1-7所示。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，但转速却升高了，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。图1-7基频以上恒压变频调速的机械特性最后应该指出，以上所分析的机械特性都是在正弦波电压供电下的情况。