第六章交流异步电动机变频调速系统.

1、第六章交流异步电动机变频调速系统交at谓速的基本方案由电机学的基木公式:VAn711 n0 -5n60力- 可见，异步电动机的调速右案有： 改变极对 数p,改变转速率S （即改变电动机机械特性的 硬度）和改变电源频率f。交流调速的分类如下:J1離调速僚低电氐将删杭馳嫦）殲籽黠肋电动势雌糊駆）k胱黯緒借差电动机）城枝-卜交变辯速变极对数调速足有级的;变转差率调速，不调同步转速，低速时电阻 債皂耳毛大. 效率较低； 只有串级调速书牙况下， 转 差功率才得以利用，效率较高变频调速是调节同步转速，可以从高速到低 速碧戸保扌寺了艮彳、的转差率，效率高、调速范圉大、 精度高，是交流电动机一种匕匕车交理想白

2、勺调速方在变频控制方式上又可分为变压变频调速， 矢量控制 变频调速和直接转矩扌空制 变压变频调 速等几种。第一节凭频调速的心匸控制方式和机械特性 通过改变定子供电频率来改变同步转速实现 对异步电动机白勺调速, 在调速过程中从高速至!J低速都可以保持有卩艮的转差率，因而具有高效 率、宽范围弄口高精度的调速彳生芳邑。可以认为， 变频调速是异步电动机的一种比较合理和理想的调速方法o问按变换力式原理：利用电动机的同步转速随频率变化的牛寺 性，通过改变电动机的供电频率进行调速。保证U/f二定值，可以实现4亘转矩调速或4亘功率调 速。W V )在进行电机调速时，为了保持电动机的负载 負皂力， 应保持气隙主

3、磁通川不变， 这就要求降 低供电频率的同时降低感应电动势，保持 B/f产常数，即保扌扌电动势与频车之上匕为带数 进行控制。如杲石玆通太号号，没有充分利用电机的铁 是一种浪费;如果过分增大磕通， 又会使铁心 饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因 绕组过热而扌员坏电机。对于直流电机，励石玆系统堤独立的，只要对电枢反应有恰当的补偿，m保持不变淫很容易 做到白勺。.对变频调速的基本要求主、嚣翳 /气通子中电保持不变磁回路饱和，严重时将烧毁电机a E产444曲亦川= ！=铁心过饱和=/( fCOS 0*f u! u0 / I =绕组过热7；不变_变频同时要变压在交流异步电机中，石兹通口由定子牙口转子

4、石玆 势合成产生，耍保扌寺石玆通定就需耍费一些周 折了。定子毎相电动势化=4.44/N&Ns%(61)式中：冬一气隙磁通在定子每相中感应电动势的有 效值，单位为V；f 定子频率，单位为Hz；M 定子每相绕组串联匝数；kjJs 基波绕组系数；m每极气隙磁通量，单位为Wb。1. 基频以下调速由式(6-1 )可知，只要控制汝于2和便 可达到控制磁通山 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。E二=常值(6-2)即采用 恒值电动势频平比的控制方式。怛压频比的控制方式绕组中的感应电动势是难以直接控伟U的，当 电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏石雄阻 抗压降，而认为定子相电压

5、 乓 A 佗，(6-3)则得这是恒压频比的 控制 方式。但是，在低频时Us牙口 Eg都较J、，定子阻 抗压降所占白勺份量就上匕较显著，不再負皂忽略。 这时，需要人K地扌巴电压Us抬高一些，決便 近似地补偿定子压降O带定子压降味卜偿的1M压频上匕控制特，|生示于下 图中的匕线，无味卜偿的控制特it贝！J为日线。 2.基频认上谓速在基频以上调速时，频率应该从右“向上升高, 但定子电压& 却不可芳皂超过额定电压&N，最多只能保持亿 二 $，这将迫使磁通 与频率成反匕匕欧L降低，相当于直流电机马与石玆升 速白勺情况。图61怛压频比控制特性扌巴基频以下矛口基频以上两种情况的控制特4生画在一起，如下所示。

6、如果电机在不同转速时所帶的负载渚P矣皂使电 流达到额定值，HP渚p%邑在允许温升下长期运彳亍, 贝!J转矩基本上随石玆通变化。在基频以下，石玆通 恒定时转矩也恒定，电石玆转矩 Te = KmO I o 在 调压调速范围内，励石玆石玆通不变，容许的输出 磺矩也不变，屈于 “q亘转矩调速”片生质，而在 基频以上，在弱石玆调速范區内，转速越高，磁 通越弱，容许输出转矩减力、，而容许输出转矩 与转速的乘积贝u不变，即容许功率不变，为“恒功率调速方式” o图6-2丹步电机变压变频调速的控制待件异步电动机的先压变频调速Jt进行分段控制的:基频以下，采取恒磁恒压频比扌空制方式； 基频以上， 采取4亘压园曷磁

7、升速控伟！J方式。两种调速方式a）基频以下（Uf产恒量）b）基频以上广恒量）图 三相异步电动机变频调速时的机械特性异步电动机电压一频率协调控制时的机械特性(6-4)，1亘压4亘频正弦波供电时异步电动机的机械特性 / 、2 .（s& + R$ + s试（R + L/特性分析当 5艮4、时，可忽略上式分母中含s各项.贝！sen.7- X S&3 丫兀 3竹W丿当$接近于1时，可忽略式 （6-4） 分母中的也就是说，当smi )为了近似地保持气隙磁通不变，以便充利 用电机铁丿，发挥电机产生转矩的另W力，在基 频以下须采用4亘压频上匕控需U。这时，同步转速 自然要随频率变化。(6-7)(6-8)在武(

8、6-5)可以导出所表示 8 机械牛寺性逅似直线段上,匕丁 )当 N/血为晅值时，对于同一转矩因而A/7也是基本不变(6-9)3,7p由此可见，兀，s 雄基本不变 白勺。这就是说，在，1亘压频上匕白勺条件下改变频率6Oz.=-2勿卩带负载时的转速降落为A 60ZA/2 = 57?0 =S3、2码它Y门牙口直流他励电机变压调速时的情况基 时，机械特性基本上淫平彳亍下移，如图6-4所刁弋o本相似。所不同的是，当转矩土曾大到最大值以后，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。、2Tl-nux丿R4- 可见最大转矩7： 频率很低时，T2(6-10)+(4s +EJ丿_ emp是甌着

9、的3)卩幸低而减刀、的o“GX太彳、将卩艮制电机的带载矣皂力,采用 定子压降申卜偿，适当3电捉高电压亿，可以增 弓虽带载另皂力，见图6-4。恒览/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 一 代隙（或互感）石玆通在定子每相绕组中 的感应电动势；Es 定子全石玆通在定子每相绕组中的感应电 动势；4 转子全石玆通在讎子绕组中的感应电动势 （折合到定子边）。特性分析如果在电压一频率协调控制中，洽当地提高U、异步电动机等效电路A)图65开步电动机忌态等效电路和感翎11动外电压U、的数值，使它在克用I定子阻抗压降以后， 矣邑维持Eg/之H亘值(基频以下),贝!J由式

10、 (6- 1) 可知，夭论频率高低，每极磁通川均为 常值。由等效电路可以看出代入电石玆转矩关系式，(6-12)利用与前相似的分析方法，当S很小时, 忽略式 (6-12) 分母中含 S 项，贝！J(6-13)这表明机械特性的这一段近似为一条直线。当s接近于1时，可忽略式(6-12)分母中的心2项，贝耳Tc = 32 Rr 1cos 值为上述两段的中间值时，机械特性在直*一 (6-14) so) Llr s线牙口双曲 线之启1逐渐过渡，整条特q生与q亘压频 比特性相似O但是，对比式(6-4)和式(6-12)可以看出, 恒垃/特巾生分母中含S 项的参数要小于恒 Q/特性中的同类项，电就是说，S 值要

11、更大 一些才矣皂使该项占有显著白勺份疑，从而不矣皂被 忽略，因 此/I亘/特生的线彳生段范围更宽。(6-15)将式(6T2)对s 求导，并令dTe/ds = 0, 可傅恒饥/ 控制特巾生在最大转矩时的转差率和 最大转矩R乙r.nax(6-16)值说注意的是，在式 (6-16)中，当心/为I亘值时，7；max1亘定不变，如下图所示，其爲叟 态片生生皂优于4亘UJ 控帝J的I生鸟皂。这正是，|亘垃/血控制 中补偿定子压降所追求的 目标。恒/控制如果把电压 _ 频率协调控伟U中的电压再进一步 提高，扌巴转子漏抗上的压降也扌氐消掉，彳导至PI亘 份71控制，那么，机械特性会怎样呢？由少匕 可写出， E

12、Ir=(6-17)r RJs机械特性曲线代入电磁转矩基本关系式.得2SCO.(6-18)1 07；图6-6不同电压一频率协调控制方式时的机械特:件3nE2T匸e 一 z 、2 S丿现在，不必再作任何近似就可知道，这时的机械特，1生完全是一条直线，见图6-6o显然，IM Er /co控制的稳态，1生芳旨最咬冗可以获得和直流电机一样白勺线性机械特片生。这正 姥高生矣W交流变频调速所要求的彳生生最现在的问题是，怎样控制变频装置的电压和 频率才育皂获得恒定的 民 /el 呢？几种电压一频率协调控制方式的特性比较按照式 (6-1) 电动势牙口石玆通的关系，可以看 出，当频率4亘定时，电动势与石玆通成正上

13、匕。在 式 (6-1) 中，竺隙石玆通的感应电动势 E,对应 于气隙磁通幅值 , 那么，转子全碇通的感 应电动势 & 就应该对应于转子全石玆通4值 叶：Et = 4.44/；(6-19)由此可见，只要育皂够按照转子全砒Ufi 4值 OConstant 进行控制，就可以莪彳导恒坊/ 了。这正是矢谨控制系统所遵诸的原贝！J。4. 几种协调控制方式的比校(1) 4亘压频上匕(UJcd- Constant)扌空制最容易实现，它的变频机械特I生基本上是平彳亍下移, 硬度也较:$5 矣邑够满足一般的调速要求，但低 速带载省皂力有些差強人愆，须对定子压降实行 补偿。(2) 恒坨/控制淫通常对恒压频比控制实行

14、 电压补偿討标准，可以在稳态时达到冲二 Constant,从而改養了低速4生育皂。但机械特彳生 还淫线彳生白勺， 产生转夫巨白勺身2力仍受至!J卩艮伟U。(3) 片亘厶/控制可以得到牙口直流他励电机一 样的线性机械特性，按照转子全磁通Orm恒定 进彳亍控制，即得EJ(尸 Constant(6-21血（+厶月图67肚频以I:恒压变频调速的机械特:件而且，在动态中尽可負巨保持和亘定是矢量 控制系统的 目 标，当然实现起来長比较复杂的。 基频恒压凭 频时的4M*倚性在基频以上变频调速时，由于定子电压U = U、n不变，式 （6-4） 的机械特4生方程式可写成T = 3n /7収 r, ?2；FI （

15、 6-20 ）1尺+尺）2+工衬（厶+厶円而式 （6-10） 的最大转矩表达式可改写成 T =-nU 2 r1cn,M _ 2p赧+后同步转速的表达式仍和式（6-7） 样。机林轸性曲线由此可见， 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, 而形状基木不 变，如图所示。由于频率提高而电压不变，7隙石玆通势必减 弱，导致转矩的减b, 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 属于弱石玆恒功率调速。最后，应该扌旨出，以上所分析的机械特性都 是在正弦波电压供电下旳I青况。如果电压源含 有谐波, 将使机械特性受到扭曲，并增力口电机 中的损耗。因此在设计变

16、频装置时，应尽量减 少输出电压中的谐波（ 变频器C 直流调速系统具有较优层的静、动态性皂扌旨 标，因此，在过去很长时期内，调速传动领域 大多为直流电动机调速系统。吱口今，由于全控型电力电子器件（如百JT、 IGBT）的发展、SWPM专用集成芯片的开发、交 流电动机矢量变换控制技术以及单片微型计算 机的应用，使诲交流调速的性邑获傅极大的提 高，在许多方面已经可以耳又代直流调速系统， 特另U是各类通用变频器的出现，使交流调速已 逐渐成为 电 P专动中 的主流。5KT,市场主派的3预1种央有：ABB公司ACS系列、西门子公司的MTCROMASTER 系列和6SE70系列、富士电机公司的FRN- G9

17、S/P9S系列、三菱电机公司的FRA540/FR-F540 系列、安川公司的VS-616G5系列、三肯公司的 SAMCO-I/IP 系列等。SJKr,市场主st的奧频4*种洪*ABB公司ACS系列、西门子公司的MTCROMASTER系列和6SE70系列、富士电机公司的FRN-G9S/P9S系列、三菱电机公司的FRA540/FR-F540系列、安川公司的VS-616G5系列、三肯公司的SAMCO-I/IP 系列等。（1）西门子(1)西门子 maMM110MM120MM130MM40图2-1 MICROMASTER 4(MM4)系列(通用型变频器)（1）西门子图2-2 SIMOVERT MASTE

18、RDRIVES 6SE7系列（工程型变频器）M13-7-10(2) ABB图2-3 ACS600、ACS800、ACS 1000系列图2-4 FR-A540. FR-F540、FR-A241E、FR-F700系列M13-7-1039M13-7-10M13-7-10变频调速的优势（与其它交流电机调速方式对比）序号优点1平滑软启动，降低启动冲击电流，减少变压器占有量， 确保电机安全2在机械允许的情况下可通过提髙变频器的输出频率提高 工作速度3无级调速，平滑性好，调速精度大大提高。4提高功率因数.节能5非常方便接入通讯网络控制，实现生产自动化控制M13-7-10变频调速的发展历程60年代70年代80

19、年代90年代00年代电机控制 方式及算法电力电子器件控制技术PWM技术-v/啡制-矢量控制|无速度矢塑控制 电流矢量V/F算法优化SCR : GTRIGBTIGBT大容盘化更大容量 更高开关频率模拟电路数字电路单片机:DSP高速DSP 专用芯片更商速率和容量；PWM技术SPWM技术空间电压矢fi: 调制技术PWM优化 新一代开关技术大功率传变频器体 动使用变积缩小.频器，体开始在中 积大，价小功率电 恪高 机上使用超静音变频器开始流行 解决了 GTR噪声问题 变频器性能大幅提升 大批最使用，取代直流未来发展方向完美无谐波如：矩阵式变频器M13-7-1041变频器分类供电电源低压220V/1PH

20、. 220V/3PH. 380V/3PH中压660V、 1140V高压3000、 6000、 6600、 10000V/3PH按外型塑壳变频器（小功率）铁壳变频器（多为中功率）柜式、变频器（大功率）控制方式通用,内置V/F控制方式，简单，性能一般高性能内置矢量控制方式，复杂，高性能变换方法 （拓朴结 构）交直交电压型（储能环节为电解电容）电流型（储能环节为电抗器）交-交无储能环节“VVVF （交压凭频）异步电动机的变频调速必须按照一定的规律 同时改变其定子的电压和频率，即必须通过变 频装置莪得电压频率均可调节的供电电叭 实 现所谓的VVVF （Variable Voltage Variable Freqency）调速控制。变频器由主电路（整流器、中眉1宜流储負巨环M1