第29讲 三相异步电动机的调速之二

1、第第28讲讲 三相异步电动机的调速三相异步电动机的调速 之二之二 变频调速变频调速 基于稳态模型的异步电动机调速基于稳态模型的异步电动机调速 稳态数学模型稳态数学模型包括电机稳态运行时的等效电路和机械特性。包括电机稳态运行时的等效电路和机械特性。 1 12 22 2 211 (+) +(+) U II R RXX s 22 2 2 12 22 1 1 12 3 3 2 2 p 12 / (/ )() R I U Rsp s T f fRRsXX 一、变压变频调速一、变压变频调速 1 1 60 11()() f nnss p 由异步电动机转速公式可知，当转差率由异步电动机转速公式可知，当转差率s

2、变化不大时，变化不大时， 转速转速n基本上与电源频率基本上与电源频率f1成正比。连续调节电源频率，就成正比。连续调节电源频率，就 可以平滑地改变电动机的转速。但是，单一地调节电源频可以平滑地改变电动机的转速。但是，单一地调节电源频 率，将导致电动机运行性能的恶化，原因如下：率，将导致电动机运行性能的恶化，原因如下： 电动机正常运行时，定子漏阻抗压降很小，可以认为电动机正常运行时，定子漏阻抗压降很小，可以认为 若端电压若端电压U1不变，则当不变，则当f1减小时，主磁通减小时，主磁通1将增加，这将增加，这 将导致磁路过分饱和，励磁电流增大，功率因数降低，铁心将导致磁路过分饱和，励磁电流增大，功率因

3、数降低，铁心 损耗增大；而当损耗增大；而当f1增大时，增大时， 1将减小，电磁转矩和最大转矩将减小，电磁转矩和最大转矩 下降，过载能力降低，电动机容量得不到充分利用。下降，过载能力降低，电动机容量得不到充分利用。 基频以下调速基频以下调速 l当异步电动机在基频（额定频率）以下运行时，如果磁通当异步电动机在基频（额定频率）以下运行时，如果磁通 太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；如果磁通 过大，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重过大，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重 时还会因绕组过热而损坏电机。时还会因绕组过热而损坏电

4、机。 l最好是保持每极磁通量为额定值不变。最好是保持每极磁通量为额定值不变。 一、变压变频调速一、变压变频调速 1、变压变频调速的基本原理：、变压变频调速的基本原理： l当频率从额定值向下调节时，必须使当频率从额定值向下调节时，必须使 1 4.44 S g sNmN E N k f 常值 l基频以下应采用电动势频率比为恒值的控制方式。基频以下应采用电动势频率比为恒值的控制方式。 基频以下调速基频以下调速 一、变压变频调速一、变压变频调速 l恒压频比的控制方式恒压频比的控制方式 当电动势值较高时，忽略定子电阻和漏感压降，当电动势值较高时，忽略定子电阻和漏感压降， gs EU 基频以下调速基频以下

5、调速 一、变压变频调速一、变压变频调速 l低频补偿（低频转矩提升）低频补偿（低频转矩提升） 低频时，定子电阻和漏感压降所占的份量比较显著，低频时，定子电阻和漏感压降所占的份量比较显著， 不能再忽略。不能再忽略。 人为地把定子电压抬高一些，以补偿定子阻抗压降。人为地把定子电压抬高一些，以补偿定子阻抗压降。 负载大小不同，需要补偿的定子电压也不一样。负载大小不同，需要补偿的定子电压也不一样。 基频以下调速基频以下调速 一、变压变频调速一、变压变频调速 l通常在控制软件中通常在控制软件中 备有不同斜率的补备有不同斜率的补 偿特性，以供用户偿特性，以供用户 选择。选择。 a无补偿无补偿 b带定子电压带

6、定子电压 补偿补偿 恒压频比控制特性恒压频比控制特性 基频以下调速基频以下调速 一、变压变频调速一、变压变频调速 l在基频以上调速时，频率从低向上升高，受到电机在基频以上调速时，频率从低向上升高，受到电机 绝缘耐压和磁路饱和的限制，定子电压不能随之升绝缘耐压和磁路饱和的限制，定子电压不能随之升 高，最多只能保持额定电压不变。高，最多只能保持额定电压不变。 l这将导致磁通与频率成反比地降低，使得异步电动这将导致磁通与频率成反比地降低，使得异步电动 机工作在弱磁状态。机工作在弱磁状态。 基频以上调速基频以上调速 一、变压变频调速一、变压变频调速 异步电动机变压变频调速的控制特性异步电动机变压变频调

7、速的控制特性 一、变压变频调速一、变压变频调速 变压变频调速时的机械特性变压变频调速时的机械特性 l基频以下采用恒压频比控制基频以下采用恒压频比控制 异步电动机机械特性方程式改写为异步电动机机械特性方程式改写为 22 1 22 1 2 1 )()( 3 lrlsrs rs pe LLsRsR RsU nT 一、变压变频调速一、变压变频调速 22 2 2 12 22 1 1 12 3 3 2 2 p 12 / (/ )() R I U Rsp s T f fRRsXX 基频以下调速基频以下调速 l当当s很小时，忽略上式分母中含很小时，忽略上式分母中含s各项，各项， s R sU nT r s p

8、e 1 2 1 3 或或 2 1 1 3 s p er U n TR s 一、变压变频调速一、变压变频调速 基频以下调速基频以下调速 l对于同一转矩，转速降落基本不变对于同一转矩，转速降落基本不变 在恒压频比的条件下把频率向下调节时，机械特性基本上在恒压频比的条件下把频率向下调节时，机械特性基本上 是平行下移的。是平行下移的。 2 1 112 1060 2 re e pps R T nsnsT nnU 一、变压变频调速一、变压变频调速 基频以下调速基频以下调速 l临界转矩临界转矩 随着频率的降低而减小。随着频率的降低而减小。 l当频率较低时，电动机带载能力减弱，采用低频定子压当频率较低时，电动

9、机带载能力减弱，采用低频定子压 降补偿，适当地提高电压，可以增强带载能力。降补偿，适当地提高电压，可以增强带载能力。 2 2 11 2 1 )( 1 2 3 lrls ss s p em LL RR U n T 一、变压变频调速一、变压变频调速 基频以下调速基频以下调速 l转差功率转差功率 与转速无关，故称作转差功率不变型。与转速无关，故称作转差功率不变型。 2 12 1 3 re sme s p R T PsPsT U n 一、变压变频调速一、变压变频调速 基频以上调速基频以上调速 l电压不能从额定值再向上提高，只能保持不变，机电压不能从额定值再向上提高，只能保持不变，机 械特性方程式可写成

10、械特性方程式可写成 l临界转矩表达式临界转矩表达式 22 1 22 1 2 )()( 3 lrlsrs r sNpe LLsRsR sR UnT 22 1 2 1 2 )( 1 2 3 lrlsss sNpem LLRR UnT 一、变压变频调速一、变压变频调速 基频以上调速基频以上调速 l临界转差临界转差 l当当s很小时，忽略上式分母中含很小时，忽略上式分母中含s各项各项 22 1 2 )( lrlss r m LLR R s 2 1 3 sN ep r Us Tn R 或或 2 1 1 2 3 re psN R T s n U 一、变压变频调速一、变压变频调速 基频以上调速基频以上调速 l

11、带负载时的转速降落带负载时的转速降落 l对于相同的电磁转矩，角频率越大，转速降落越大，机对于相同的电磁转矩，角频率越大，转速降落越大，机 械特性越软，与直流电动机弱磁调速相似。械特性越软，与直流电动机弱磁调速相似。 2 1 11 22 1060 2 re ppsN R T nsns nnU 一、变压变频调速一、变压变频调速 基频以上调速基频以上调速 l转差功率转差功率 l带恒功率负载运行时带恒功率负载运行时 22 1 1 2 3 re sme psN R T PsPsT n U 转差功率基本不变。转差功率基本不变。 22 1e T常数 一、变压变频调速一、变压变频调速 2、变压变频调速时的机械

12、特性、变压变频调速时的机械特性 图图5-11 异步电动机变压变频调速机械特性异步电动机变压变频调速机械特性 一、变压变频调速一、变压变频调速 变压变频调速变压变频调速 l在基频以下，由于磁通恒定，允许输出转矩也恒定，在基频以下，由于磁通恒定，允许输出转矩也恒定， 属于属于“恒转矩调速恒转矩调速”方式。方式。 l在基频以上，转速升高时磁通减小，允许输出转矩在基频以上，转速升高时磁通减小，允许输出转矩 也随之降低，由于转速上升，允许输出功率基本恒也随之降低，由于转速上升，允许输出功率基本恒 定，属于定，属于“近似的恒功率调速近似的恒功率调速”方式。方式。 一、变压变频调速一、变压变频调速 3、基频

13、以下电压补偿控制、基频以下电压补偿控制 l在基频以下运行时，采用恒压频比的控制方法具有在基频以下运行时，采用恒压频比的控制方法具有 控制简便的优点。控制简便的优点。 l但负载的变化时定子压降不同，将导致磁通改变，但负载的变化时定子压降不同，将导致磁通改变， 须采用定子电压补偿控制。须采用定子电压补偿控制。 l根据定子电流的大小改变定子电压，以保持磁通恒根据定子电流的大小改变定子电压，以保持磁通恒 定。定。 一、变压变频调速一、变压变频调速 基频以下电压补偿控制基频以下电压补偿控制 异步电动机等值电路和感应电动势异步电动机等值电路和感应电动势 一、变压变频调速一、变压变频调速 三种磁通三种磁通

14、l气隙磁通在定子每相绕组中的感应电动势气隙磁通在定子每相绕组中的感应电动势 1 4.44 S gsmN Ef N k l定子全磁通在定子每相绕组中的感应电动势定子全磁通在定子每相绕组中的感应电动势 l转子全磁通在定子每相绕组中的感应电动势转子全磁通在定子每相绕组中的感应电动势 1 4.44 S ssmsN Ef N k 1 4.44 S rsmrN Ef N k 二、恒定子磁通控制二、恒定子磁通控制 l保持定子磁通恒定：保持定子磁通恒定： 定子电动势不好直接控制，能够直接控制的只有定子电压，定子电动势不好直接控制，能够直接控制的只有定子电压， 按按 l补偿定子电阻压降，就能够得到恒定子磁通。补

15、偿定子电阻压降，就能够得到恒定子磁通。 1 / fEs sss EIRU 1 常值常值 二、恒定子磁通控制二、恒定子磁通控制 l忽略励磁电流，转子电流忽略励磁电流，转子电流 l电磁转矩电磁转矩 22 1 2 )( lrls r s r LL s R E I 22 1 22 1 2 1 22 1 2 2 1 )( 3 )( 3 lrlsr rs p r lrls r s p e LLsR RsE n s R LL s R E n T 二、恒定子磁通控制二、恒定子磁通控制 恒压频比控制时的转矩式恒压频比控制时的转矩式 l两式相比可知，恒定子磁通控制时转矩表达式的分母小于恒两式相比可知，恒定子磁通控

16、制时转矩表达式的分母小于恒 压频比控制特性中的同类项。压频比控制特性中的同类项。 l当转差率当转差率s相同时，采用恒定子磁通控制方式的电磁转矩大于相同时，采用恒定子磁通控制方式的电磁转矩大于 恒压频比控制方式。恒压频比控制方式。 22 1 22 1 2 1 )()( 3 lrlsrs rs pe LLsRsR RsU nT 二、恒定子磁通控制二、恒定子磁通控制 l临界转差率临界转差率 l临界转矩临界转矩 )( 1 lrls r m LL R s )( 1 2 3 2 1lrls s p em LL E n T 频率变化时，恒定子磁通控制的临界转矩恒定不变频率变化时，恒定子磁通控制的临界转矩恒定

17、不变 。 二、恒定子磁通控制二、恒定子磁通控制 l比较可知比较可知 l恒定子磁通控制的临界转差率大于恒压频比控制方恒定子磁通控制的临界转差率大于恒压频比控制方 式。式。 l恒定子磁通控制的临界转矩也大于恒压频比控制方恒定子磁通控制的临界转矩也大于恒压频比控制方 式。式。 三、恒气隙磁通控制三、恒气隙磁通控制 l保持气隙磁通恒定：保持气隙磁通恒定： l定子电压定子电压 l除了补偿定子电阻压降外，还应补偿定子漏抗压降。除了补偿定子电阻压降外，还应补偿定子漏抗压降。 1 / g E glsss EILjRU 11 )( 常值常值 三、恒气隙磁通控制三、恒气隙磁通控制 l转子电流转子电流 l电磁转矩电

18、磁转矩 2 2 1 2 lr r g r L s R E I 2 2 1 22 1 2 1 2 2 1 2 2 1 3 3 lrr r g p r lr r gp e LsR Rs E n s R L s R En T 三、恒气隙磁通控制三、恒气隙磁通控制 l临界转差率临界转差率 l临界转矩临界转矩 l与恒定子磁通控制方式相比较，恒气隙磁通控制方式的临界与恒定子磁通控制方式相比较，恒气隙磁通控制方式的临界 转差率和临界转矩更大，机械特性更硬。转差率和临界转矩更大，机械特性更硬。 1 lr r m L R s 2 1 1 2 3 lr s p em L E n T 四、恒转子磁通控制四、恒转子磁

19、通控制 l保持转子磁通恒定：保持转子磁通恒定： l定子电压定子电压 l除了补偿定子电阻压降外，还应补偿定子和转子漏抗除了补偿定子电阻压降外，还应补偿定子和转子漏抗 压降。压降。 1 / r E 11 () sslslrr URjLLIE 常值常值 四、恒转子磁通控制四、恒转子磁通控制 l转子电流转子电流 l电磁转矩电磁转矩 sR E I r r r / 1 2 1 2 2 1 3 3 r r p r r r p e R sE n s R s R E n T 四、恒转子磁通控制四、恒转子磁通控制 l机械特性完全是一条直线，可以获得和直流电动机机械特性完全是一条直线，可以获得和直流电动机 一样的线

20、性机械特性，这正是高性能交流变频调速一样的线性机械特性，这正是高性能交流变频调速 所要求的稳态性能。所要求的稳态性能。 不同控制方式下的机械特性不同控制方式下的机械特性 异步电动机在不同控制方式下的机械特性异步电动机在不同控制方式下的机械特性 la）恒压频比控制）恒压频比控制 lb）恒定子磁通控制）恒定子磁通控制 lc）恒气隙磁通控制）恒气隙磁通控制 l d）恒转子磁通控制）恒转子磁通控制 不同控制方式的比较不同控制方式的比较 l恒压频比控制最容易实现，它的变频机械特性基本上是恒压频比控制最容易实现，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，低平行下移，硬度也较好

21、，能够满足一般的调速要求，低 速时需适当提高定子电压，以近似补偿定子阻抗压降。速时需适当提高定子电压，以近似补偿定子阻抗压降。 l恒定子磁通、恒气隙磁通和恒转子磁通的控制方式均需恒定子磁通、恒气隙磁通和恒转子磁通的控制方式均需 要定子电压补偿，控制要复杂一些。要定子电压补偿，控制要复杂一些。 l恒定子磁通和恒气隙磁通的控制方式一般通过恒压频比恒定子磁通和恒气隙磁通的控制方式一般通过恒压频比 实行电压补偿来实现。虽然改善了低速性能，但机械特实行电压补偿来实现。虽然改善了低速性能，但机械特 性还是非线性的，仍受到临界转矩的限制。性还是非线性的，仍受到临界转矩的限制。 不同控制方式下的比较不同控制方

22、式下的比较 l以上几种电压以上几种电压-频率协调控制都是指基频以下的恒转矩调频率协调控制都是指基频以下的恒转矩调 速范围而言的，在基频以上则一律采用电压不变，只提速范围而言的，在基频以上则一律采用电压不变，只提 高频率的恒功率弱磁调速。高频率的恒功率弱磁调速。 l恒转子磁通控制方式可以获得和直流他励电动机一样的恒转子磁通控制方式可以获得和直流他励电动机一样的 线性机械特性，性能最佳。在稳态和动态都保持转子全线性机械特性，性能最佳。在稳态和动态都保持转子全 磁通恒定，可以通过矢量控制方法实现，达到变频调速磁通恒定，可以通过矢量控制方法实现，达到变频调速 的目的，控制系统比较复杂。的目的，控制系统

23、比较复杂。 转差频率控制转差频率控制 l异步电动机恒气隙磁通的电磁转矩公式异步电动机恒气隙磁通的电磁转矩公式 2 2 1 22 1 2 1 2 2 1 2 2 1 3 3 lrr r g p r lr r gp e LsR Rs E n s R L s R En T 将将 1 1 1 4.44 1 4.44 22 gsNsm sNsmsNsm Ef N k N k N k 转差频率控制的基本概念及特点转差频率控制的基本概念及特点 l代入电磁转矩公式代入电磁转矩公式 ，得，得 l电机结构常数电机结构常数 222 1 2222 1 3 2 r epsNsm rlr sR Tn N k RsL 22

24、 2 3 Nsspm kNnK 转差频率控制的基本概念及特点转差频率控制的基本概念及特点 l定义转差角频率定义转差角频率 l电磁转矩电磁转矩 1s s 22 2 )( lrsr rs mme LR R KT l转差率转差率s较小，转矩可近似表示较小，转矩可近似表示 2 s emm r TK R 转差频率控制的基本思想转差频率控制的基本思想 l保持气隙磁通不变，在保持气隙磁通不变，在s值较小的稳态运行范围内，异值较小的稳态运行范围内，异 步电动机的转矩就近似与转差角频率成正比。步电动机的转矩就近似与转差角频率成正比。 l在保持气隙磁通不变的前提下，可以通过控制转差角频在保持气隙磁通不变的前提下，

25、可以通过控制转差角频 率来控制转矩，这就是转差频率控制的基本思想。率来控制转矩，这就是转差频率控制的基本思想。 2 s emm r TK R 转差频率控制的基本思想转差频率控制的基本思想 l临界转差临界转差 rr sm lrlr RR LL l最大转矩（临界转矩）最大转矩（临界转矩） 2 2 lr mm em L K T 转差频率控制的基本思想转差频率控制的基本思想 l要保证系统稳定运行，必须使要保证系统稳定运行，必须使 l在转差频率控制系统中，系统允许的最大转差频率小于在转差频率控制系统中，系统允许的最大转差频率小于 临界转差频率临界转差频率 sms lr r sms L R max 转差频

26、率控制的基本规律转差频率控制的基本规律 l用转差频率来控制用转差频率来控制 转矩，是转差频率转矩，是转差频率 控制的基本规律之控制的基本规律之 一。一。 图图5-42 恒气隙磁通控制的机械特性恒气隙磁通控制的机械特性 转差频率控制的基本思想转差频率控制的基本思想 l如何保持气隙磁通恒定，是转差频率控制系统要解决的如何保持气隙磁通恒定，是转差频率控制系统要解决的 第二个问题。第二个问题。 l保持气隙磁通恒定，异步电动机定子电压保持气隙磁通恒定，异步电动机定子电压 l必须采用定子电压补偿控制，以抵消定子电阻和漏抗的必须采用定子电压补偿控制，以抵消定子电阻和漏抗的 压降。压降。 1 1 11 )()

27、( g lsssglssss E LjRIELjRIU 转差频率控制的基本思想转差频率控制的基本思想 l定子电压补偿应该是幅值和相位的补偿，但控制系统复定子电压补偿应该是幅值和相位的补偿，但控制系统复 杂。杂。 l忽略电流相量相位变化的影响，仅采用幅值补偿，则电忽略电流相量相位变化的影响，仅采用幅值补偿，则电 压压频率特性为频率特性为 22 11 1111 1 (,)() ()() ssslssg gN lsslssg N UfIRLIE E ZIZIC 1 gN g N E C 常数其中其中 转差频率控制的基本思想转差频率控制的基本思想 l高频时，定子漏抗压降占主导地位，可忽略定子电阻，高频

28、时，定子漏抗压降占主导地位，可忽略定子电阻， 简化为简化为 1111 ),( gslsgslsss CILEILIfU 电压电压频率特性近似呈线性；频率特性近似呈线性； l低频时，定子电阻的影响不可忽略，曲线呈现非线性性低频时，定子电阻的影响不可忽略，曲线呈现非线性性 质。质。 转差频率控制的基本思想转差频率控制的基本思想 l高频时，近似呈线高频时，近似呈线 性；性； l低频时，呈非线性。低频时，呈非线性。 图图5-43 定子电压补偿控制的电压定子电压补偿控制的电压频率特性频率特性 转差频率控制的规律转差频率控制的规律 l转矩基本上与转差频率成正比，条件是气隙磁通不变，转矩基本上与转差频率成正比，条件是气隙磁通不变， 且且 l在不同的定子电流值时，按定子电压补偿控制的电压在不同的定子电流值时，按定子电压补偿控制的电压频频 率特性关系控制定子电压和频率，就能保持气隙磁通恒定。率特性关系控制定子电压和频率，就能保持气隙磁通恒定。 sms 基于稳态模型的异步电动机调速基于稳态模型的异步电动机调速 l在基于稳态模型的异步电动机调速系统中，采用在基于稳态模型的异步电动机调速系统中，采用 稳态等值电路来分析异步电动机在不