§2-4-电机变频调速1课件

§2—4异步电机变频调速理论2023/1/41电气与信息工程学院黄守道§2—4异步电机变频调速理论2022/12/271电气与信

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2023/1/42电气与信息工程学院黄守道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。

2023/1/43电气与信息工程学院黄守道式中：——定子供电频率；2022/12/273电基频以下的控制：恒磁通控制恒电压频率比低频时定子电阻降压补偿基频以上,近似恒功率控制:不变,升高,气隙磁通减小

2023/1/44电气与信息工程学院黄守道基频以下的控制：恒磁通控制2022/12/274电气与信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逆变器L+-逆变器+-C2023/1/45电气与信息工程学院黄守道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恒频恒压运行时的电磁转矩(机械特性)2023/1/46电气与信息工程学院黄守道恒频恒压运行时的电磁转矩(机械特性)2022/12/276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ST001ab2023/1/47电气与信息工程学院黄守道特点:●s很小时对应直线a:ST001ab2022/11.恒压频比控制的机械特性2023/1/48电气与信息工程学院黄守道1.恒压频比控制的机械不同频率时Δn相同:Δn=··最大转矩随频率降低而减小而·2023/1/49电气与信息工程学院黄守道不同频率时Δn相同:Δn=··最大转矩随频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2023/1/410电气与信息工程学院黄守道恒压频比控制的特点同步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2023/1/411电气与信息工程学院黄守道2.恒气隙电势/频率比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即在任何运行频率下的最大转矩恒定不变2023/1/412电气与信息工程学院黄守道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)2023/1/413电气与信息工程学院黄守道实现途径:是电机内部量,无法直接控制.必须随着频注意: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)2023/1/414电气与信息工程学院黄守道注意: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

2023/1/415电气与信息工程学院黄守道3.恒转子电势/频率比控实现途径: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;(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2023/1/416电气与信息工程学院黄守道实现途径:将电压频率协调控制中低频段值再提高一点,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:所以,电机气隙磁通将随功率的减小而增大,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T2023/1/417电气与信息工程学院黄守道4.恒功率运行电气车辆牵引要求低速时输出大转矩.

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2023/1/418电气与信息工程学院黄守道电流源型变频器供电时,异步电机的工作特性电流源:逆电磁转矩(机械特性):2023/1/419电气与信息工程学院黄守道电磁转矩(机械特性):2022/12/2719电气与信息工程特点（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2023/1/420电气与信息工程学院黄守道特点（恒流源供电时）:恒转矩调速2022/12/2720电气注意: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2023/1/421电气与信息工程学院黄守道注意: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2023/1/422电气与信息工程学院黄守道四、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：基波角频率式中2023/1/423电气与信息工程学院黄守道三相系统不存在3及3的倍数次谐波：k次谐波电压有效值式异步电机谐波等值电路（因很小，可以忽略）额定电流有效值增大2%~10%2023/1/424电气与信息工程学院黄守道异步电机谐波等值电路（因很小，可以忽略）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2023/1/425电气与信息工程学院黄守道2.电源非正弦对电机运行性能的影响气隙最大磁密增加,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2023/1/426电气与信息工程学院黄守道功率因数明显下降（谐波和饱和）2022/12/2726电气与2023/1/427电气与信息工程学院黄守道2022/12/2727电气与信息工程学院黄守道2023/1/428电气与信息工程学院黄守道2022/12/2728电气与信息工程学院黄守道2023/1/429电气与信息工程学院黄守道2022/12/2729电气与信息工程学院黄守道（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次谐波电流同气隙磁场相互作用产生的六倍基频脉冲转矩最为严重，可达额定转矩的1/3，或更大（2）浪涌电压幅值达额定电压1.5倍，损坏电机绕组绝缘综上所述，关键是减小和限制电压和电流的谐波，电压源型（电压谐波小）选大漏抗电机；电流源型（电流谐波小）选小漏抗电机。说明：2023/1/430电气与信息工程学院黄守道（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§2—4异步电机变频调速理论2023/1/431电气与信息工程学院黄守道§2—4异步电机变频调速理论2022/12/271电气与信

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2023/1/432电气与信息工程学院黄守道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。

2023/1/433电气与信息工程学院黄守道式中：——定子供电频率；2022/12/273电基频以下的控制：恒磁通控制恒电压频率比低频时定子电阻降压补偿基频以上,近似恒功率控制:不变,升高,气隙磁通减小

2023/1/434电气与信息工程学院黄守道基频以下的控制：恒磁通控制2022/12/274电气与信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逆变器L+-逆变器+-C2023/1/435电气与信息工程学院黄守道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恒频恒压运行时的电磁转矩(机械特性)2023/1/436电气与信息工程学院黄守道恒频恒压运行时的电磁转矩(机械特性)2022/12/276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ST001ab2023/1/437电气与信息工程学院黄守道特点:●s很小时对应直线a:ST001ab2022/11.恒压频比控制的机械特性2023/1/438电气与信息工程学院黄守道1.恒压频比控制的机械不同频率时Δn相同:Δn=··最大转矩随频率降低而减小而·2023/1/439电气与信息工程学院黄守道不同频率时Δn相同:Δn=··最大转矩随频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2023/1/440电气与信息工程学院黄守道恒压频比控制的特点同步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2023/1/441电气与信息工程学院黄守道2.恒气隙电势/频率比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即在任何运行频率下的最大转矩恒定不变2023/1/442电气与信息工程学院黄守道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)2023/1/443电气与信息工程学院黄守道实现途径:是电机内部量,无法直接控制.必须随着频注意: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)2023/1/444电气与信息工程学院黄守道注意: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

2023/1/445电气与信息工程学院黄守道3.恒转子电势/频率比控实现途径: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;(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2023/1/446电气与信息工程学院黄守道实现途径:将电压频率协调控制中低频段值再提高一点,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:所以,电机气隙磁通将随功率的减小而增大,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T2023/1/447电气与信息工程学院黄守道4.恒功率运行电气车辆牵引要求低速时输出大转矩.

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2023/1/448电气与信息工程学院黄守道电流源型变频器供电时,异步电机的工作特性电流源:逆电磁转矩(机械特性):2023/1/449电气与信息工程学院黄守道电磁转矩(机械特性):2022/12/2719电气与信息工程特点（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2023/1/450电气与信息工程学院黄守道特点（恒流源供电时）:恒转矩调速2022/12/2720电气注意: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2023/1/451电气与信息工程学院黄守道注意: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2023/1/452电气与信息工程学院黄守道四、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：基波角频率式中2023/1/453电气与信息工程学院黄守道三相系统不存在3及3的倍数次谐波：k次谐波电压有效值式异步电机谐波等值电路