第四讲变频调速的基本控制方式课件

异步电动机变压变频调速理论基础第一章第一章主讲教师：杜春水主讲教师：杜春水山东大学8/4/20241异步电动机变压变频调速理论基础第一章主讲教师：杜春水山东大学 概概 述述 由于在调速时转差功率不随转速而变化，调速范围宽，无论是高速还是低速时效率都较高，在采取一定的技术措施后能实现高动态性能，可与直流调速系统媲美。异步电机的变压变频调速系统一般简称为变频调速系统。因此现在应用面很广，是本篇的重点。8/4/20242 概 述 由于在调速时转差功率不随转速而变目前，交流变频调速技术以其优异的性能而深受各行业的普遍欢迎，并已取得了显著的社会效益。电力轧钢造纸化工煤炭纺织船舶机床航天航空广泛应用：8/4/20243 目前，交流变频调速技术以其优异的性能而深受各1.3 1.3 变频调速的基本控制方式变频调速的基本控制方式 变频调速的基本原理充分利用电机绕组铁芯和绕组的截面积主要特征：Tmax为常数变频调速光调频行吗？8/4/202441.3 变频调速的基本控制方式 变频调速的基本原理充分利用电一、调频与调压协调控制的必要性一、调频与调压协调控制的必要性异步电机的转速n与定子供电频率之间有以下关系：（1-29）从上式可知，只要平滑地调节异步电机定子的供电频率f1，同步转速n0随之改变，就可以平滑地调节转速n，从而实现异步电机的无级调速，这就是变频调速的基本原理。8/4/20245一、调频与调压协调控制的必要性异步电机的转速n与定子供电频率在进行电机调速时，常须考虑的一个重要因素是：-希望保持电机中每极磁通量m为额定值不变。如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁芯，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机。一、调频与调压协调控制的必要性一、调频与调压协调控制的必要性8/4/20246在进行电机调速时，常须考虑的一个重要因素是：-对于直流电机，励磁系统是独立的，只要对电枢反应有恰当的补偿，m保持不变是很容易做到的。在交流异步电机中，磁通m 由定子和转子磁势合成产生，要保持磁通恒定就需要费一些周折了。一、调频与调压协调控制的必要性一、调频与调压协调控制的必要性8/4/20247对于直流电机，励磁系统是独立的，只要对电枢反应有恰当的补偿，（1-30）式中式中 Es气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值（气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值（V）定子频率（定子频率（Hz）；f1定子每相绕组串联匝数定子每相绕组串联匝数；Ns基波绕组系数；基波绕组系数；kNs每极气隙磁通量每极气隙磁通量(Wb)。m 定子每相电动势由式由式（1-30）可知可知，只要控制好只要控制好Eg和和f1，便可达到控制磁，便可达到控制磁通通 m的目的的目的，对此，需要考虑对此，需要考虑基频（额定频率）以下和基基频（额定频率）以下和基频以上频以上两种情况。两种情况。8/4/20248（1-30）式中 Es气隙磁通在定子每相中感应电动势的有电压电压-频率协调控制方式频率协调控制方式由式（1-18）机械特性方程式可以看出，对于同一组转矩Te 和转速n（或转差率s）的要求，电压Us和频率1可以有多种配合。在Us和1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。（1-18）8/4/20249电压-频率协调控制方式 由式n所谓调速方式：所谓调速方式：n是指在电机得到充分利用的条件下，电机输出转矩和转速之间的关系。n电机常用的有两种典型调速方式：电机常用的有两种典型调速方式：n恒转矩调速方式和恒功率调速方式 二、二、基频以下的变频调速控制方式基频以下的变频调速控制方式8/4/202410所谓调速方式：二、基频以下的变频调速控制方式8/19/20n若输出转矩和转速无关，则为恒转矩调速方式恒转矩调速方式。n如：他励直流电机调电枢电压调速，n 绕线转子异步电机转子串电阻调速等；n若输出转矩和转速成反比，则为恒功率调速方式恒功率调速方式。n如：他励直流电机的弱磁调速。二、二、基频以下的变频调速控制方式基频以下的变频调速控制方式8/4/202411若输出转矩和转速无关，则为恒转矩调速方式。二、基频以下的变n什么叫电机得到充分利用呢？n严格讲，电机的充分利用，应包括电机铁心和导线得到充分利用，即铁心的磁通密度铁心的磁通密度和导线的电流密和导线的电流密度都保持额定值不变度都保持额定值不变。n异步电动机的调速分为基频下调和基频上调两种情况，基频下调基频下调通常采用恒转矩调速方式通常采用恒转矩调速方式，而而基频上调基频上调通常采用恒功率调速方式。通常采用恒功率调速方式。二、二、基频以下的变频调速控制方式基频以下的变频调速控制方式8/4/202412什么叫电机得到充分利用呢？二、基频以下的变频调速控制方式8常值即采用恒电动势频率比的控制方式。二、二、基频以下的变频调速控制方式基频以下的变频调速控制方式由式（1-30）可知，要保持m不变，当频率f1从额定值f1N向下调节时，必须同时降低Es，使8/4/202413常值即采用恒电动势频率比的控制方式。二、基频以下的变频调1.1.保持保持 的的严格恒磁通控制严格恒磁通控制 n由式（由式（1-30）可得）可得（1-31）由由式式（1-31）可可知知，要要保保持持磁磁通通 m不不变变，当当频频率率f1从从额额定定频频率率向向下下调调节节时时，必必须须同同时时降降低低电电动动势势Es，即即采采用用恒恒定定的的电电动动势势频频率率比比的的控控制制方方式式。这这时时异异步步电电动动机机的的机机械特性将会如何呢？械特性将会如何呢？8/4/2024141.保持 的严格恒磁通控制 由式（1-30）1.1.保持保持 的的严格恒磁通控制严格恒磁通控制n由图1-14可知：将上式代入电磁转矩基本公式，可得将上式代入电磁转矩基本公式，可得 8/4/2024151.保持 的严格恒磁通控制由图1-14可知：1.1.保持保持 的的严格恒磁通控制严格恒磁通控制n上上式式对对s求求导导，并并令令dTe/ds=0，可可得得恒恒磁磁通通控控制制转转矩矩最最大时的转差率为大时的转差率为将将sm代入式（代入式（1-33）得最大电磁转矩）得最大电磁转矩（1-34）8/4/2024161.保持 的严格恒磁通控制上式对s求导，并令1.1.保持保持 的的严格恒磁通控制严格恒磁通控制n可见，当调速过程中可见，当调速过程中Es/f1为恒值时为恒值时Temax值是值是恒定不变的，在低频低恒定不变的，在低频低速下也能保持这个最大速下也能保持这个最大电磁转矩，因此称为恒电磁转矩，因此称为恒转矩调速方式。转矩调速方式。n即：电动机的转矩输出能力是恒定的8/4/2024171.保持 的严格恒磁通控制可见，当调速过程中 2.保持保持 常值的近似恒磁通控制常值的近似恒磁通控制(恒压频比的控制恒压频比的控制)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UsEg，则得 用易于测量和控制的定子输入相电压用易于测量和控制的定子输入相电压Us取代电动势取代电动势Es，这，这就是保持就是保持 的近似恒磁通控制，的近似恒磁通控制，也称为恒压频比控制也称为恒压频比控制或或U/f控制控制，它是开环变频调速系统常用的控制方式。，它是开环变频调速系统常用的控制方式。8/4/202418 2.保持 常值的近似恒磁通控制(恒压频比的控制)2.保持保持 常值的近似恒磁通控制常值的近似恒磁通控制(恒压频比的控制恒压频比的控制)n式（1-18）的电磁转矩表达式：当采用恒压频比控制方式时，式（1-18）可改写为：（1-18）（1-36）8/4/2024192.保持 常值的近似恒磁通控制(恒压频比的控制)式（2.保持保持 常值常值 的近似恒磁通控制的近似恒磁通控制(恒压频比的控制恒压频比的控制)n当电动机稳态运行时转差率当电动机稳态运行时转差率s很小，可以忽略分母中含很小，可以忽略分母中含s项，则项，则 式中，由上式可知，当采用恒压频比控制时，对于同一电磁转由上式可知，当采用恒压频比控制时，对于同一电磁转矩矩Te，sf1是基本不变的，即是基本不变的，即 n基本不变基本不变，这说明恒压频比，这说明恒压频比条件下改变频率时，条件下改变频率时，机械特性是平行下移的机械特性是平行下移的。8/4/2024202.保持 常值 的近似恒磁通控制(恒压频比的控制)当电2.保持保持 常值常值 的近似恒磁通控制的近似恒磁通控制(恒压频比的控制恒压频比的控制)n由上节推导的最大转矩表达式由上节推导的最大转矩表达式（1-38）(1)当当转转速速较较高高时时，f1在在额额定定频频率率fn附附近近变变化化，定定、转转子子的的总漏抗远远大于定子电阻总漏抗远远大于定子电阻Rs：8/4/2024212.保持 常值 的近似恒磁通控制(恒压频比的控制)由n则最大转矩则最大转矩 上式表明，频率较高时，恒压频比调速时异步电动机的上式表明，频率较高时，恒压频比调速时异步电动机的最大转矩与频率无关，基本上保持不变。最大转矩与频率无关，基本上保持不变。（1-39）8/4/202422则最大转矩 上式表明，频率较高时，恒压频比调速时异步电动n（2）当当转转速速较较低低时时，f1 比比 f1n下下降降很很多多，此此时时定定、转转子子总总漏漏抗抗随随之之下下降降，定定子子电电阻阻Rs不不能能忽忽略略，对对式式（1-38）稍稍加加整理可得整理可得n可见在不变时，最大转矩Temax是随着定子供电频率f1的下降而减小的。8/4/202423（2）当转速较低时，f1 比 f1n下降很多，此时定、转子总在低频时Us和ES都较小，定子阻抗压降所占的份量就比较显著，不再能忽略。这时，需要人为地把电压Us抬高一些，以便近似地补偿定子压降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示于下图中的b线，无补偿的控制特性则为a线。8/4/202424 在低频时 Us 和 ES 都较带定子压降补偿的恒压频比控制特性8/4/202425带定子压降补偿的恒压频比控制特性8/19/202325低频时适当地提高定子电压Us，使最大电磁转矩有所增大，实质上是对异步电机电磁转矩的补偿，可以增强电动机的带负载能力。一般变频器调压调频控制方式都有转矩补偿功能，其理论基础就在于此。8/4/202426 低频时适当地提高定子电压Us，使最大电磁转矩 机械特性曲线nON0n图1-17 恒压频比控制时变频调速的机械特性补偿定子压降后的特性01n121303n02n11N1131211N1 eT 可见，最大转矩Temax是随着的1降低而减小。频率很低时，Temax太小将限制电机的带载能力，采用定子压降补偿，适当地提高电压Us，可增强带载能力。通风机负载8/4/202427 机械特性曲线nON0n图1-17 恒压频比控制时变频调速8/4/2024288/19/2023283.恒 Er/1 控制如果把电压频率协调控制中的电压再进一步提高，把转子漏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？由此可写出8/4/2024293.恒 Er/1 控制 如果把电压频率协代入电磁转矩基本关系式，得 现在，不必再作任何近似就可知道，这时的机械特性完全是一条直线。3.恒 Er/1 控制8/4/202430代入电磁转矩基本关系式，得 现在，不必再作任何近似就0s10Te 几种电压频率协调控制方式的特性比较不同电压频率协调控制方式时的机械特性恒恒 Er/1 控制控制恒恒 Eg/1 控制控制恒恒 Us/1 控制控制abc8/4/2024310s10Te 几种电压频率协调控制方式的特性比较不同电压显然，恒Er/1控制的稳态性能最好，可以获得和直流电机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性能。现在的问题是，怎样控制变频装置的电压和频率才能获得恒定的Er/1呢？3.恒 Er/1 控制8/4/202432 显然，恒 Er/1 控制的稳态性能最好，可以获得和按照式（1-30）电动势和磁通的关系，可以看出，当频率恒定时，电动势与磁通成正比。在式（1-30）中，气隙磁通的感应电动势Es对应于气隙磁通幅值m，那么，转子全磁通的感应电动势Er就应该对应于转子全磁通幅值rm：3.恒 Er/1 控制由此可见，只要能够按照转子全磁通幅值rm=恒值进行控制，就可以获得恒Er/1了。这正是矢量控制系统所遵循的原则，第3.3节中将详细讨论。8/4/202433 按照式（1-30）电动势和磁通的关系，4几种协调控制方式的比较 综上所述，在正弦波供电时，按不同规律实现电压频率协调控制可得不同类型的机械特性。1）恒压频比（Us/1=恒值）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，但低速带载能力有些差强人意，须对定子压降实行补偿。8/4/2024344几种协调控制方式的比较 综上所述，在正弦波供电时2）恒Es/1控制是通常对恒压频比控制实行电压补偿的标准，可以在稳态时达到m=恒值，从而改善了低速性能。但机械特性还是非线性的，产生转矩的能力仍受到限制。8/4/2024352）恒Es/1控制是通常对恒压频比控制实行电压补偿的标准，3）恒Er/1控制可以得到和直流他励电机一样的线性机械特性，按照转子全磁通rm 恒定进行控制，即得Er/1=恒值而且，在动态中也尽可能保持rm恒定是矢量控制系统的目标，当然实现起来是比较复杂的。8/4/202436 3）恒 Er/1 控制可以得到和直流他励电机一样的线8/4/2024378/19/202337（一）近似恒功率调速方式（一）近似恒功率调速方式n事实上，电压不变，升高频率的调速方式是近似恒功事实上，电压不变，升高频率的调速方式是近似恒功率调速方式。率调速方式。n这时由于定子端电压这时由于定子端电压Us=Usn保持不变，式（保持不变，式（1-22）的）的最大转矩表达式可改写为最大转矩表达式可改写为 由上式可知，在电压不变的前提下，随着角频率由上式可知，在电压不变的前提下，随着角频率 1的升高，最大转矩的升高，最大转矩Temax随之下降。随之下降。8/4/202438（一）近似恒功率调速方式事实上，电压不变，升高频率的调速方式 机械特性曲线 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，如图所示。图1-18 基频以上恒压变频调速的机械特性恒功率调速Ob1c1a1N1nc0nb0na0nN0nc1b1a1N1eT8/4/202439 机械特性曲线 当角频率提高时，同步转速随之提高，（二）严格恒功率控制方式（二）严格恒功率控制方式 n电动机输出的机械功率为：电动机输出的机械功率为：要实现严格的恒功率控制，必须使基频以上不同频要实现严格的恒功率控制，必须使基频以上不同频率对应机械特性的额定功率相等率对应机械特性的额定功率相等，即，即 8/4/202440（二）严格恒功率控制方式 电动机输出的机械功率为：要（二）严格恒功率控制方式（二）严格恒功率控制方式n可推导得到可推导得到即即（1-54）通过上述分析，可得出如下结论：通过上述分析，可得出如下结论：（1）为了获得严格的恒功率调速，在频率由基频上调时，）为了获得严格的恒功率调速，在频率由基频上调时，应使电压与频率的应使电压与频率的1/2次方成正比变化，即次方成正比变化，即 这时这时过载倍数保持不变。过载倍数保持不变。8/4/202441（二）严格恒功率控制方式可推导得到即（1-54）通过上述（2）基频上调、电压不变的控制方式，不能实现严格）基频上调、电压不变的控制方式，不能实现严格的恒功率调速。的恒功率调速。（3）把基频下调和基频上调两种情况结合起来，可得）把基频下调和基频上调两种情况结合起来，可得异步电动机变频调速的控制特性如图异步电动机变频调速的控制特性如图1-19所示。在所示。在基频基频fn以下为恒转矩调速区，磁通和转矩恒定，功以下为恒转矩调速区，磁通和转矩恒定，功率与频率（转速）成正比；在基频以上为恒功率调率与频率（转速）成正比；在基频以上为恒功率调速区，功率恒定，磁通和转矩与频率（转速）成反速区，功率恒定，磁通和转矩与频率（转速）成反比。比。8/4/202442（2）基频上调、电压不变的控制方式，不能实现严格的恒功率调速 变压变频控制特性变压变频控制特性f1N图1-19异步电机变压变频调速的控制特性 恒转矩调速恒转矩调速UsUsNmNm恒功率调速恒功率调速mUsf108/4/202443 变压变频控制特性f1N图1-19 异步电机变压变频调速的控 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。如果电压源含有谐波，将使机械特性受到扭曲，并增加电机中的损耗。因此在设计变频装置时，应尽量减少输出电压中的谐波。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。8/4/202444 最后，应该指出，以上所分析的机械特性都是在正弦波小 结n电压Us与频率1是变频器异步电动机调速系统的两个独立的控制变量，在变频调速时需要对这两个控制变量进行协调控制。n在基频以下，有三种协调控制方式。采用不同的协调控制方式，得到的系统稳态性能不同，其中恒Er/1控制的性能最好。n在基频以上，采用保持电压不变的恒功率弱磁调速方法。返回目录返回目录8/4/202445小 结电压Us与频率1是变频器异步电动机调速系统的两