7-异步电动机变频调速基础

n
2
& U1
r′ 2 &′ I2 & Er 1− s r2′ s
& E1
xm rm
s
T = f (s )
0.8
机械特性曲线是一条直线，不再拐弯。 机械特性曲线是一条直线，不再拐弯。不再存在最大转矩 。 n s n s
n0 N 0 n0 N 0
n0 N 0
n01 n02
n03 n04
0.6 0.4 0.2
a a′
f1N
f1
解决办法: 在低频时使变频器的输出电压抬高，补偿定子电阻上的压降， 解决办法 在低频时使变频器的输出电压抬高，补偿定子电阻上的压降，维持磁通 基本不变。这种方法称“定子压降低频补偿的恒压频比控制” 基本不变。这种方法称“定子压降低频补偿的恒压频比控制”。 （2）恒气隙磁通控制 ）
( E1
n
n n0 N n 01 n 02 n 03 n 04
s
0.8 0.6 0.4 0.2 T b)
n0 N 0
αω 1 N m1 p U 1 N Tm ≈ 2 ω 1 N r + r 2 + (α x )2 1 1 KN
（1）理想空载转速 ： ） （2）直线段斜率 ）
0 .6 0 .4 0.2
1 0
b
Tm
T
2．恒压频比控制（ U 1 / f1 = C ）时的机械特性 ．恒压频比控制（ 定义变频比 ：α = f1 f1N 得： U T ≈ m1 p 1N ω1N
2
有：
s
0
0 .8
sαω1N r2′ 2 2 ( sr1 + r2′ ) + ( sα xKN )
2
f1 = α f1 N ω = α ω 1 1N U 1 = α U 1 N xK = α xKN
第7章 异步电动机变频调速基础 章
变频调速时s变化很小，转差功率基本不变，效率最高，性能也最好。 变频调速时 变化很小，转差功率基本不变，效率最高，性能也最好。 变化很小 变频调速是异步电机交流调速系统的主流。 变频调速是异步电机交流调速系统的主流。
7.1 异步电动机变频调速的控制特性与机械特性
7.1.1 变频时的电压控制方式及控制特性
1．变频的同时为什么要变压 ．
定子每相电动势的有效值: 定子每相电动势的有效值
xK r1 & I1 & U1 x1σ ′ x2σ
& Im
r2′ &′ I2 & Er 1− s r2′ s
E1 = 4.44 f1N1kN1Φm ≈ U1
& E1
xm rm
B Φ m , E1
不变， 若f1↓，U1不变，则磁通 ， 不变 则磁通Φm ↑ ，Im ↑ ↑ 。 不变， 若f1↑，U1不变，则磁通 ， 不变 则磁通Φm↓，I不变时 ↓ 。 ， 不变时T 结论：频率变化时，若不同时改变电压， 结论：频率变化时，若不同时改变电压， 则会使电机的磁通 大幅变化，这将使电机运行不正常甚至损坏电机， 大幅变化，这将使电机运行不正常甚至损坏电机，所以变频的 同时必须变压， 基本保持恒定 保持恒定。 同时必须变压，理想的目标是使磁通Φm 基本保持恒定。 变频时, 输出电压也要配合改变，因此， 变频时 输出电压也要配合改变，因此，变频调速系统 常更全面地被称为变压变频（VVVF）调速系统。 常更全面地被称为变压变频（ ）调速系统。 变压变频
采用不同控制方案时，要注意： 采用不同控制方案时，要注意： 理想空载转速n ①理想空载转速 0 ②直线段斜率 最大电磁转矩Tmax ③最大电磁转矩 这三个量的变化情况及原因
e(U1 = U 1N , f1 > f1N )
时的机械特性
n
s
n03 1.6 n02 1.4 n01 1.2
n0 N 0
e Tmax d c
Tmax
T a)
n 01 n 02 n 03 n 04
0 1
0
1
Tmax N
Tmax N
n0 =
60 f1 N 60 f1 60α f1 N = =α = α n0 N p p p
不变。 ( sα ) 不变。而 s = ∆n / n0 ，
略去定子电阻影响： 变频时若要输出转矩T不变 不变， 略去定子电阻影响： 变频时若要输出转矩 不变，就应使 有 ： sα =
U1 Φ m
U 1 = f ( f1 )
U1 N
b
c
Φ mN
Φ m = f ( f1 )
U 1N
a a′
f1N
4．控制特性 U 1 = f ( f1 ) ．
电磁转矩 T ∝ Φ m ∝ 1 f1 ，电动机电磁功率 Pm ≈ T Ω ≈ T 2π f1 = C 电动机能输出的最大功率近似不变。 电动机能输出的最大功率近似不变。 这种能输出的最大功率恒定的调速简称之为“恒功率调速” 这种能输出的最大功率恒定的调速简称之为“恒功率调速”
这种能输出的最大转矩恒定的调速简称之为“恒转矩调速” 这种能输出的最大转矩恒定的调速简称之为“恒转矩调速”
xK
7.1.2 变频调速时的机械特性
& U1
r1
& I1
x1σ
′ x2σ
& Im
r2′ &′ I2 & Er
1− s r2′ s
1．固定电压固定频率时的机械特性 ． r 异步电动机转矩的参数表达式 ： 2 2 U1 sω1r2′ ′ m1 p ′ s P U1 r2 p 2 r2 1 = m1 p ⋅ ′ T= = m1 ( I 2 ) = ⋅ 2 2 2 Ω1 ω1 ω1 ( r1 + r2′ s )2 + xK s ω1 ( sr1 + r2′ ) + ( sxK )
2
2
sαω1 N r2′ 2 2 ′ ( r2′ ) + ( sα x2 N )
平行下移的 一组曲线族
xK r1 & I1 x1σ ′ x2σ
& Im
Tmax
m1 p E1 ω1 m1 p E1 ω1N = = ′ ′ 2 ω1 x2 2 ω1 x2 N
3．恒气隙磁通控制 ．
用E1取 取 代U1求 ： 求
( E1
f1 = C ) 时的机械特性（如图b） 时的机械特性（如图 ）
2
T =
m1 P
ω1
( I 2′ )
E r2′ m1 p E r2′ s = = m1 p 1 s ω1 ( r2′ s )2 + x2 2 ′ ω1
2 1
1．按变换方式分成交-交变频与交 直-交变频 ．按变换方式分成交 交变频与交 交变频与交-直 交变频 直接变换是把工频交流电直接变换成可变频率的交流电， 直接变换是把工频交流电直接变换成可变频率的交流电，称交-交变频 交变频 间接变换是先把交流变换成直流，再把直流逆变成交流， 间接变换是先把交流变换成直流，再把直流逆变成交流，称交-直-交变频 直 交变频 2．按电源特性分成电压源型与电流源型 ． 变频电路最后一级变换器的电源特性分，可分为电压源型与 变频电路最后一级变换器的电源特性分，可分为电压源型与电流源型 电压源型 3．按主开关元器件的类别分成由半可控器件构成与由全可控器件构成 ．按主开关元器件的类别分成由半可控器件构成与由全可控器件构成 半可控器件构成与由全可控器件 4．按工作方式分成六拍型逆变器与SPWM逆变器 ．按工作方式分成六拍型逆变器与 六拍型逆变器 逆变器 这个分类只针对DC/AC变换的逆变器 变换的逆变器 这个分类只针对 的交流电时， 逆变器输出频率 f 2（周期 T2 ）的交流电时，若在一个周期内主开关元 件只经历了6次通断模式转换的工作方式称之为 次通断模式转换的工作方式称之为六拍型 件只经历了 次通断模式转换的工作方式称之为六拍型 5．电压源型逆变器按控制方式可分为电压控制型与电流控制型（电流 ．电压源型逆变器按控制方式可分为电压控制型与电流控制型（ 电压控制型 跟踪型） 跟踪型）
f1 = C )
Φ m = Const.
E1难于直接控制，所控制的仍是变频器的输出电压U1。 难于直接控制，所控制的仍是变频器的输出电压 。 难于直接控制 （3）恒转子全磁通控制 ）
(E r
f1 = C )
补偿后的结 果与上同。 果与上同。
过补偿问题
“转子全磁通”，所以这种控制也称“恒转子全磁通控制”、“恒转子磁链控制”。 转子全磁通” 所以这种控制也称“恒转子全磁通控制” 恒转子磁链控制” 这种状态下电动机的特性最好， 矢量控制”实现。 这种状态下电动机的特性最好，它采用 “矢量控制”实现。
Tmax
T a)
n01 n02 n03 n04
0 1
0.8 0.6 0.4 0.2 T b)
n01
n02 n03 n04
0.8 0.6 0.4 0.2 c) T
0 1
Tmax N
Tmax N
0 1
( 5．基频以上恒电压控制f1 > f1N ,U1 = U1N ) ．
的升高， 随着频率 f1 的升高，最大转矩 Tm 逐 步下降，直线段斜率越来越大， 步下降，直线段斜率越来越大，特性曲 线越来越软 6．比较 ．
a
c
T = f (s ) 是对称于原点（ s = 0 ）的一段双曲线，（如b） 对称于原点（ 的一段双曲线，（ ，（如 ）
s为以上两段的中间数值时，机械特性从直线段过渡 为以上两段的中间数值时， 为以上两段的中间数值时 到双曲线段， 到双曲线段，如 c。最大转矩 Tm ，最大转差率 s m 。 就在过渡线段极值点上
∆n ∆n ∆n α= α= α n0 N n0 n0 N
△n不变 不变
直线段的斜率不变。 直线段的斜率不变。
计及定子电阻影响： 则直线段的斜率略为增大，随着频率的降低， 计及定子电阻影响： 则直线段的斜率略为增大，随着频率的降低，特性曲线越来越软
（3）最大转矩 Tm ）
略去定子电阻的影响， 略去定子电阻的影响，T m = 常数 计及定子电阻影响， 是随着α的降低而降低 计及定子电阻影响，最大转矩 T m 是随着 的降低而降低
0
Φ mN
H
I ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱN
Im
2．基频以下调速时的电压控制方式 ．
异步电动机在变频调速时， 异步电动机在变频调速时，主导变量是频率 f1 常用的电压配合控制方式有如下三种： 常用的电压配合控制方式有如下三种： （1）恒压频比控制 ）
U1 Φ m
U 1 = f ( f1 )
U1N
b
(U 1
f1 = C )
2 r12 + x K
m1 p U12 T ⋅ 最大电磁转矩： 最大电磁转矩：m = 2 2ω1 r1 + r12 + xK 2
′ ：T ≈ m1 p U1 s接近于 时，忽略分母中的 r2 接近于1时 接近于
2
2 2 ω1 s ( r1 + xK )
ω1r2
s
∝
1 s 0
sm
Φ m ≈ Const.
c
E1 = 4.44 f1 N1k N 1Φ m ≈ U1
优点: 容易实现 优点
Φ mN
Φ m = f ( f1 )
缺点: 逐步降低时， 缺点 当 f1 逐步降低时，定子电阻 r 上的压降所占的 1 比重越来越大， 比重越来越大，使 E1 ≈ U1 的关系被破坏 。使低频时 的性能很差 。
2
2
T不变 不变→αs不变 △n不变 直线段的斜率不变 不变→ 不变→直线段的斜率不变 不变 不变 不变
最大电磁转矩与α 最大电磁转矩与α无关
4．恒转子全磁通控制（E r f 1 = C ）时的机械特性（如图 ） ．恒转子全磁通控制（ 时的机械特性（如图c）
E sαω1N mP m p E r′ Er取 2 r′ 用Er取 ′ T = 1 ( I 2 ) 2 = 1 ⋅ r 2 = m1 p r ⋅ 代U1求 ： 求 ω1 s ω1 r2′ s s r2′ ω1
E r 与转子产生转矩的磁通相对应，是气隙磁通Φ m 减去转子漏感所产生的磁通，称为 与转子产生转矩的磁通相对应， 减去转子漏感所产生的磁通，
3．基频以上调速时的电压控制方式 (U 1 = U 1N ) ．
要基本保持磁通不变，应升高电压， 要基本保持磁通不变，应升高电压，但会遇到两个难题 : 可能会使电机及元器件损坏 变频器的直流母线电压基本不变， 变频器的直流母线电压基本不变，经逆变桥输出的 交流电压最大值也是确定的， 交流电压最大值也是确定的，要想再升高很困难 。 这时使电压值保持最高输出值
b a
n
s
n02
n0 N 0
n 01
a(固有特性) b(U 1 / f1 = c ) c ( E1 / f1 = c ) f1 < f1 N ) d ( E r / f1 = c)
T
0 1
Tmax N
T
0 1
Tmax N
7.2 异步电动机变频调速主电路类型
7.2.1 变频调速主电路的分类
m
& E1
xm
对s求导，并令 dT ds = 0 ，得 ：sm = 求导， 求导
r2′
U 1 sω1 ∝s s很小时，略去分母中含 的项，得： T ≈ m1 p 很小时， 的项， 很小时 略去分母中含s的项 ω1 r2′ s很小时， = f (s )是一条与转差 成正比的直线（如a） 很小时， 是一条与转差s成正比的直线 成正比的直线（ 很小时 T ）
f1
f1 > f1N 时， 1 = U 1N ，Φ m ∝ 1 f 1 ，保持转子有功电流 I 2 cos ϕ 2 不变， 不变， U
。
f1 < f1N 时 ，Φm = ΦmN 。保持 (I 2 cos ϕ 2 )N 不变，则 (T )max = CT Φ m ( I 2 cos ϕ2 ) N不变。 不变， 不变。