第1章变频调速技术概述

交流变频调速技术

何超主编

北京航空航天大学出版社

第1章变频调速技术概述1、何谓交流电动机的变频调速技术？采用电力电子器件，把工频交流电变成频率可调的交流电，供给交流电动机以改变转速的技术。2、调速技术发展简史：

调速技术由直流电动机调速→交流电动机调速。直到20世纪80年代以来，随着电力电子技术、微电子技术和信息技术的发展，变频调速技术获得迅猛发展。

变频调速系统在调速范围、调速精度、动态响应、功率因数

运行效率和使用方便等性能指标超过了直流调速系统，达到取代直流调速的地步。

3、变频调速技术的应用：

在各工业领域，在交通运输（电力机车），在风机、水泵、压缩机的节能控制（我国60﹪的发电量消耗在电动机上，变频调速可节电15﹪～20﹪),在机床设备,在电梯、空调、洗衣机等家用电器中获得广泛应用。4、本课程主要学习的内容：了解变频器的组成、变频调速原理，掌握变频器的选择、维护和调试、变频器的应用。本课程是“电气工程及其自动化专业”的主干专业课程。设置本课程是教育改革的内容之一，其目的是为了更好地培养学生的实际应用能力，更好地与市场经济接轨。本课程特点：突出实践性和应用性,降低理论学习的难度。5、本课程学习方法；1）抓紧时间复习以往学过的课程——电力电子技术、电机与拖动、电力拖动自动控制系统。2）掌握基本理论，重视实践应用，认真听课、自觉复习、独立完成作业和每一次实验。

1.1直流电动机的基础知识回顾1.1.1直流电动机的工作原理N、S是定子励磁绕组产生的磁极。直流电经电刷A、换向片流入转子绕组ab、cd、从电刷B流出。根据左手定则，电枢将在电磁转矩作用下，逆时针旋转。电枢旋转了180°,绕组也旋转了180°,绕组的电流方向虽改变180°，但电磁转矩并没改变，因此电枢仍逆时针旋转。直流电动机的结构有两个特点：1）定子励磁电路与电枢电路相互独立，可以分别进行调节2）励磁电路产生的主磁场与电枢电路产生的电枢磁场相互垂直1.1.2直流电动机的励磁方式（图1-3）1、他激：供给励磁绕组与电枢绕组的直流电源相互独立2、并激：励磁绕组与电枢绕组并联，接在同一个直流电源3、串激：励磁绕组与电枢绕组串联后，接直流电源4、复激：励磁绕组有二组，分别与电枢绕组串联和并联1.1.3直流电动机的机械特性1、感应电动势：直流电动机运行时，电枢绕组R,切割主磁通产生感应电动势

其大小：E=Ke

Φ

n

式中：Ke

电动势常数，Φ每极磁通,n电机转速感应电动势方向（用右手定则）与外加电源电压Ua的方向相反，故称为反电动势。

电压平衡方程式：Ua=E+ΙaR

直流电动机转速：（1）思考题：1）直流电动机全电压启动会产生什么后果？采用什么对策加以预防？

启动瞬间，直流电动机转速n=0E=0Ιa↑↑,造成过电流和机械冲击。

对策：降压启动或电枢串电阻启动。2）直流电动机在启动或运行时，堵转（即电动机因带不动负载而停止转动）会产生什么后果？采用什么对策加以预防？

此时n=0E=0Ιa

↑↑,造成过电流或烧毁电机。对策：应立即停机。或自动检测过电流，切断电枢电压。3）直流电动机在运行时，突然励磁绕组电流为零，会产生什么后果？采用什么对策加以预防？

励磁电源电压为零或励磁绕组断线均会造成励磁绕组电流为零，则每极磁通Φ=0（失磁），将会造成飞车。对策：自动检测励磁电流，一旦失磁，立即切断电枢电压，使电机停转。

2、电磁转矩：

T=KT

ΦΙa（N﹒m）

（2）

式中：KT

转矩常数，Φ每极磁通，Ιa电枢电流直流电动机转矩平衡方程式：T=TL+T0

式中：TL

负载转矩，T0空载转矩3、机械特性：

在电枢电压Ua和磁通Φ保持不变的条件下，转速n和转矩T之间的关系称为直流电动机的机械特性。此机械特性称为“自然机械特性”

直流电动机转速：

（1）电磁转矩：T=KTΦΙa（N﹒m）（2）将（2）式代入（1）式得式中第一项：在一定的电枢电压Ua和磁通Φ下，对应的转速为n0称为理想空载转速。第二项：随着T（即Ιa）的增大，造成的转速降△n因此机械特性接近于水平线，随着T（即Ιa）的增大，转速略有下降，称之为硬特性。n=n0-△n1.1.4直流电动机的调速调速方法有以下三种：1、改变电枢电压调速：在负载转矩TL和磁通Φ保持不变的条件下，降低电枢电压Ua

可降低电机转速n，得到一系列平行的机械特性（图1-5）该方法只能在额定电压以下进行调速。优点：是可实现无级调速，机械特性硬，调速范围大，可达

5-10倍，应用最广泛2、减小磁通调速：

该方法只能降低磁通，使转速在额定转速向上调，调速范围小机械特性如图1-6所示。

3、电枢回路中串电阻调速：

机械特性如图1-7所示。

在在负载转矩TL、磁通Φ、电枢电压Ua保持不变的条件下，电枢绕组串联的电阻RT越大，机械特性越软。优点：简便，成本低。缺点：是能量损耗大，机械特性软。

仅用在小容量电机、对机械特性要求不高的场合

1.2三相异步电动机的基础知识回顾1.2.1三相异步电动机的工作原理

1、定子三相绕组（空间彼此相差120˚电角度）通入三相交流电时，在电机的气隙内产生一个旋转磁场（如顺时针旋转）2、该旋转磁场切割转子绕组（设旋转磁场静止，则转子相对于磁场逆时针旋转），在转子绕组中产生感应电动势和感应电流（其方向用右手定则判断）。3、转子电流与旋转磁场相互作用，产生电磁力、电磁转矩（其方向用左手定则判断），使转子沿旋转磁场方向旋转起来。分析旋转磁场是如何产生？1）t1时刻：ωt=90°iU=Im，iv=iw=－

Im/2，则电流从U1→U2、V2→V1、W2→W1，根据右手螺旋定律，合成磁场如a2）t2时刻：ωt=210°iV=Im，iU=iw=－Im/2，合成磁场如b，顺时针旋转了120°同样分析可知：电流变化360°电角度，合成磁场旋转了一转。旋转磁场的同步转速：n0=60f1/p

式中：f1电流频率；P磁极对数

电动机实际转速为n，n＜n0，其转向与旋转磁场转向相同。转差率S——同步转速与电动机转速之差与同步转速的比值

启动时：n=0，S=1

额定工作状态：额定转速为nN接近n0，SN=0.01-0.06功率与转矩的关系：异步电动机的额定功率为PN是输出的机械功率。由力学知识得知：旋转体的机械功率等于作用在旋转体上的转矩T与它的机械角速度Ω的乘积，即P=TΩ

当电动机在额定状态运行时：额定转矩TN

（N·m）

式中：PN额定功率（KW），nN

额定转速（r/min）功率及效率：

输出功率为：P2=PN

输入的电功率为：（KW）

式中：U1、Ｉ1、cosφ为电动机的线电压、线电流、功率因数

效率：输出功率与输入功率之比1.2.2三相异步电动机的调速转速公式：根据上述公式，异步电动机的调速方法有以下三种：（1）改变磁极对数P：

变极调速只适用多极电动机，属有级调速。（2）改变转差率S：改变定子电压的降压调速、适用于专门设计的较大转子电阻高的转差率电动机，调速范围窄，机械特性软转子回路串电阻、串级调速适用于绕线式电动机（3）改变电源频率f1；无级调速，是交流调速的首选方案1.2.3异步电动机的机械特性曲线1、自然机械特性曲线：

定义：转速n与电磁转矩T之间的关系称为自然机械特性曲线机械特性曲线有四个特殊工作点：1）启动工作点S；

n=0，S=1，Ts为启动转矩（或堵转转矩）

TS=（0.8-2）TN（TN为额定转矩）启动时转子感应电动势E2最大，启动电流Ιst=（4-7）ΙN2）临界工作点K：

该点的转矩最大，称为临界转矩TK

，转速称临界转速nK，

转差率称临界转差率SK3）额定工作点N：

转速为额定转速nN，转矩为额定转矩TN

，转差率S=2%—6%4）理想工作点n0：

转速为同步转速n0，转矩T=0，转差率S=02、人工机械特性曲线：1）降压调速(如降压启动）机械特性曲线如图1-20其特点：同步转速n0不变；启动转矩Ts和临界转矩TK

减少；临界转速nK和临界转差率SK均不变。2）改变转差率调速：（转子回路串电阻）

其特点：

机械特性变软，同步转速n0和临界转矩TK不变；临界转速nK

减小；临界转差率SK和启动转矩Ts变大3）改变电源频率调速：

其特点：

同步转速n0和临界转矩TK

减小；临界转速nK启动转矩Ts减小；但临界转差率SK不变1.2.4异步电动机负载的机械特性异步电动机是用来驱动负载，因此必须对负载性质有所了解常见的负载有以下三类，其主要特点如下：1、恒转矩负载：如起重机械，电梯要求电机调速时均要有恒转矩输出。该类负载有恒定的阻转矩TL，其机械特性如图1-23。负载功率与转速成正比，其功率特性如图1-24。

注意：不能误解为“不管负载轻重（如电梯载1人或载10人）电梯的负载阻转矩都相等”2、恒功率负载：如轧机，机床主轴，电机变速时保持功率恒定。

如车床粗车零件时，切削量大，阻转矩就大，就要求主轴转速降低，机械特性表现为转矩和转速成反比，属恒功率负载

注意：不能误解为“不管负载轻重，电动机都输出相等的功率”其机械特性、功率特性如图1-25、1-263、变转矩负载：（二次方率负载）如风机和水泵都是传送流体的，其流量Q与转速成正比。阻转矩与转速二次方成正比；功率与转速三次方成正比；其机械特性、功率特性如图1-27、1-281.2.5异步电动机拖动系统的工作点分析1、异步电动机拖动系统的工作点

工作点——是指电动机的机械特性与负载机械特性的交点Q

在Q点上电机的电磁转矩TM与负载阻转矩TL相平衡，电机稳定、匀速运行。三种不同负载的工作点见下图2、负载变化时的工作点分析以恒转矩负载为例：系统开始工作在Q点，若负载转矩由TL减小到TL1，

转矩TM＞TL1，电机的转速上升，转差率S↓,Ⅰ2↓.

电磁转矩TM=CmΦmⅠ2

COSΦ2

式中：Cm转矩常数，Φm磁通，Ⅰ2转子电流，

COSΦ2转子电路的功率因数。转矩TM下降，系统工作点由Q→Q1。到达Q1点,TM=TL1系统又将稳定、匀速运行，此时转速升高到nQI。3、电动机的参数变化时的工作点分析以负载转矩恒定、改变电机转差率为例：系统开始工作在机械特性曲线①工作点为Q，若加大转子回路电阻（即增大转差率），则电机的机械特性曲线由①变为人为机械特性②。由于惯性，电机转速n1不变，工作点由Q→Q2，此时TM＜TL，电机的转速下降，转差率S↑,Ⅰ2↑,转矩TM上升，工作点由Q2→Q1。到达Q1点，TM=TL系统又将稳定运行，此时转速下降到n2。1.2.6异步电动机的三种制动方法：（难点）1、回馈制动（再生制动）：定义：当电机转速大于同步转速即n＞n0，电磁转矩变成制动转矩，电机工作在发电机状态。将输入的机械能转换为电能，反馈给电网。＊如电机正向电动运行，工作点Q，负载阻转矩为TL。当电机转速调低时：同步转速由nQ1下降到nQ2。电机的实际转速由于惯性不变，工作点由Q跳变到Q1,电磁转矩变成制动转矩→使电机转速沿特性曲线②下降到纵轴，回到第一象限电动机工作状态，回馈制动结束。此时TM＜TL，转速沿特性曲线②下降，直到Q2，TM=TL系统才稳定运行。结论：回馈制动只能降低电动机的转速，而不能制停。2、直流能耗制动：定义：断开正在运行的电机的三相电源，在定子二相绕组通入直流电，形成一固定磁场，转子因惯性切割直流磁场，产生制动转矩使电机停转。把转子动能转换成电能，消耗在转子的电阻上。＊如工作点由Q跳变到Q3→沿特性曲线③下降，直到电动机转速、制动转矩都为零（坐标原点）。异步电动机的机械特性曲线有四个象限：（图1-32）一象限——工作在正转电动机状态（即n与T同方向）

二象限——工作在正转发电机状态（即n与T异方向）

三象限——工作在反转电动机状态（即n与T同方向）

四象限——工作在反转发电机状态（即n与T异方向）3、反接制动：定义：将正在运行电机的两相电源互换，旋转磁场方向改变。电磁转矩方向随之改变,与转速方向相反，处于制动状态运行。＊如曲线（4）是反转电动机状态的机械特性，BC段是其在第二象限的延长线。曲线（4）与曲线（1）成中心对称电机正向电动运行，工作点Q。反接制动时，工作点由Q

跳变到B，电磁转矩与转速相反，则电机处于制动状态，转速迅速下降到零（C点）。反接制动时注意事项：1）到转速下降到零时（C点），应立即切断电源，否则，电机有可能进入第三象限反转电动机状态（当负载转矩较小时）2）为防止反接制动时的过电流，常在绕线式电动机转子绕组中串入限流电阻。鼠笼式电动机转子绕组因无法串入限流电阻，故不宜频繁进行反接制动。4）*倒拉反转制动（难点）图1-34起重机械，电梯均属于位能性恒转矩负载。当电动机作正向电动运行时，当TM=TL时，重物匀速上升，工作点为Q1。对绕线式电动机转子绕组中串电阻RB进行调速，机械特性向下倾斜，工作点下移到Q2，电机转速下降。当RB超过某数值，工作点不断下移进入第四象限，电机在重物拉动下反转。此时电磁转矩方向不变，对转子起制动作用直到TM=TLI电动机稳定运行在第四象限Q3点，重物平稳下降。（TL1＜TL的原因是考虑到摩檫力矩总是与转向相反）这就称为倒拉反转制动

1.3交流电动机的变频调速技术概述交流电动机变频器的种类1、按变换环节可分为两大类；交-交变频器，交-直-交变频器。

交-交变频器；把工频交流电直接变成频率可调的交流电，又称直接变频。优点：直接变频只有一个变换环节，效率高。缺点：变频范围小，为额定频率的1/2以下，主要用于低速大容量拖动系统（轧机、球磨机、水泥窑炉等）。

单相交交变频电路简介：1）电路构成：由P组和N组反并联的两组晶闸管变流电路构成。P组工作时，负载电流io为正；N组工作时，负载电流io为负。两组变流器交替工作，负载就得到该频率的交流电。（方波）2）工作原理：改变两组变流器的切换频率，就可改变输出电压的频率f改变变流电路的控制角α，就可以改变交流输出电压的幅值

为使输出电压的波形接近正弦波，可按正弦规律对控制角α进行调制；在半个周期内让P组α角按正弦规律从90°减到0°，然后再增加到90°，每个控制间隔内的平