变频调速的基本控制方式ppt课件

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机械特性曲线
n
可见，当频率ω1提高 时，同步转速n1随之提 n1c 高，最大转矩减小，机 n1b
械特性上移；转速降落 n1a
1c 1b 1a
随频率的提高而增大， n1N 1N
1N <1a <1b <1c 恒功率调速
特性斜率稍变大，其它
形状基本相似。如右图
所示。
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O Te
图6-5 基频以上恒压变频调速的机械特性29
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结论
➢在恒压频比的条件下改变频率 1 时，机械特性基本上是
平行下移 ➢当转矩增大到最大值以后，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
➢最大转矩 Temax 是随着的 1 降低而减小的。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，可以增强带载能力
（U漏—漏磁阻抗压降；Us—每相电压），
当Us很大时，U漏很小；可以认为Us≈Eg 。
m
US f1
C
要改变f1实现调速，则同时应改变Us来保持Φm不变。
—恒压频比控制方式
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带定子压降补偿的恒压频比控制特性
但当f1太小时，忽略U漏则误差较大，这时可以人为增 大Us进行补偿，以减小误差。
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小结
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。 在基频以下，有两种协调控制方式。采用不同的协调控制方 式，得到的系统稳态性能不同。 在基频以上，采用保持电压不变的恒功率弱磁调速方法。
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I’r I0
R’r /s
异步电动机稳态等效电路和感应电动势
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• 定子每相电动势
U s Eg 4.44 f1N1kN1Φm （6-2） 式中 Eg—气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值（V）
f1 —定子频率（Hz）；
N1 —定子每相绕组串联匝数；
kN1 —基波绕组系数；
m —每极气隙磁通量(Wb)。
f1N
f1
图6-1 异步电机变压变频调速的控制特性
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6.2异步电动机电压－频率协调控制时的机械特性
6.2.1恒压恒频正弦波供电时异步电动机的机械特性 6.2.2基频以下电压—频率协调控制时的机械特性 6.2.3基频以上恒压变频调速时的机械特性
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6.2.1恒压恒频正弦波供电时异步电动机的机械特性 当f1（ω1）—电源频率和Us一定时，电磁转矩为：
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交-直-交变压变频器基本结构
恒压恒频 (CVCF)
中间直流环节
变压变频 (VVVF)
AC 50Hz~
整流
DC 逆变
AC
交-直-交（间接）变压变频器
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间接式变压变频器（1）
SCR可控 整流器
六拍 逆变器
AC 50Hz~
DC
AC
调压
调频
可控整流器调压、六拍逆变器调频的交-直-交变压变频器
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。
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。
VVVF
AC
交－交变频
AC
50Hz~
交-交（直接）变压变频器
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(1)交-交变压变频器的基本电路结构
VF + Id
- VR
50Hz~
负 载
u0
-
-Id +
50Hz~
a) 电路结构 交-交变压变频器每一相的可逆线路
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(2)交-交变压变频器的控制方式
① 整半周控制方式 正、反两组按一定周期相互切换，在负载上就获得交
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2. 基频以上调速
当f1>fN升高时，定子电压Us最大也只能是UsN，
从式 m
m
速）。
1 f1
US C f调速中的弱磁升
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变压变频控制特性
Us Φm 恒转矩调速
UsN
ΦmN
Us
恒功率调速
Φm
0
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。
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1. 恒压频比控制（ Us /1 ）
n
n1N
1N 11 12 13 1N
n11
11
n12
12
n13
13
补偿定子压 降后的特性
O
Te 图6-3 恒压频比控制时变频调速的机械特性
Te
1 (Rs
3n
pU
2 s
Rr'
/
s
Rr' s
)2
12 (L1s
L1' r ) 2
Te
3n
p
(U s
1
)
2
•
(sRs
Rr' )2
s1 Rr'
s
2 2 1
(
L1s
L1' r )2
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1.特性分析 当s很小时，可以忽略分母中含s的各项，则
Te
3n
p
(U s
1
)2
•
s1
Rr'
变的输出电压 u0 ， u0 的幅值决定于各组可控整流装置的 控制角 ， u0 的频率决定于正、反两组整流装置的切换 频率。如果控制角一直不变，则输出平均电压是方波， 如下图 b 所示。
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•输出电压波形
u0
正组通
正组通
反组通
反组通 t
图6-10 -b 方波型平均输出电压波形
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用不可控整流器整流、脉宽调制逆变器同时调压调频
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2. 交-交变压变频器
交-交变压变频器的基本结构如下图所示，它只有一 个变换环节，把恒压恒频（CVCF）的交流电源直接变 换成VVVF输出，因此又称直接式变压变频器。
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(1)交-交变压变频器的基本结构
CVCF
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2.恒Eg/ω1控制方式
n
n1N
1N
n11
11
1N 11 12 13
n12
12
n13
13
O
Temax
Te
恒 Eg /1 控制时变频调速的机械特性
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结论
➢当Eg/ω1为恒值时，Temax恒定不变，随着频率的降 低，恒Eg/ω1控制的机械特性是一组形状与恒压恒频机 械特性相同，且平行下移的特性。 ➢ 恒Eg/ω1控制方式稳定性能优于恒Us/ω1控制方式 它正
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6.3 电力电子变压变频器的主要类型
对交流电机实现变频调速的变频电源装置叫变频器，其功能 是将电网提供的恒压恒频交流电变换为变压变频交流电，变 频伴随变压。 变频器的基本分类如下：
变频器
交-交变频器
单相 按相数分 三相 按输出波形分
脉冲宽度调制型 (PWM)
正弦波 方波
电流型
交-直-交变频器
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② 调制控制方式
要获得正弦波输出，就必须在每一组整流装置导通期间 不断改变其控制角。
例如：在正组导通的半个周期中，使控制角 由/2（对应
在基频以上恒压变频调速时，Us＝UsN不变， 电机转矩为：
Te
3
pU
2 sN
1
(SRs
Rr' )2
SRr'
S
2 2 1
(Lls
L'lr )2
Te max
3 2
pU
2 sN
1
( Rs2
1
12 (Lls
L'lr ) 2
n1
601 2 • p
当ω1增大时，n1增加，且Temax减小！
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电压型
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6.3.1 交-直-交和交-交变压变频器
1.交-直-交变压变频器 交-直-交变压变频器先将工频交流电源通过整流器变换
成直流，再通过逆变器变换成可控频率和电压的交流，如 下图所示。
由于这类变压变频器在恒频交流电源和变频交流输出之 间有一个“中间直流环节”，所以又称间接式的变压变频 器。
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n
n1 (1
s)
60 f1 np
(1
s)
（6-1）
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n1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。
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➢变频调速的基本原理
n 60 f1 (1 s) np
➢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？？
好是Us/ω1控制方式 中补偿定子压降所追求的目标！
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3．两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 = Constant ）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。
ns n1 0
sm
Temax
Te
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0
1
Temax
Te
图6-2 恒压恒频时异步电机的机械特性
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6.2基频以下电压－频率协调控制时的机械特性
Te
1 (Rs
3n
pU
2 s
Rr'
/
s
Rr' s
)2
12 (L1s
L1' r ) 2
由异步电动机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
说明当s很小时Te＝f（s）为一条直线；
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1.特性分析 当s→1时，可忽略R’r(分母)，则
Te
3n
p
U (
s
1
)2
•
s
Rs2
1 Rr' 12 (L1s
L1' r )2
1 s
Te＝f（s）是对称于原点的双曲线。
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2.机械特性
当s在[0，1]的中间数值 时，机械特性从直线段 逐渐过渡到双曲线。
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一、调频与调压协调控制的必要性
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，又会使铁芯饱和，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。
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若输出转矩和转速无关，则为恒转矩调速方式。
如：他励直流电机调电枢电压调速；
绕线转子异步电机转子串电阻调速等。
若输出转矩和转速成反比，则为恒功率调速方式。
如：他励直流电机的弱磁调速。
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异步电动机的调速分为基频下调和基频上调两 种情况：
➢ 基频下调通常采用恒转矩调速方式； ➢ 基频上调通常采用恒功率调速方式。
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一、调频与调压协调控制的必要性
➢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。
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一、调频与调压协调控制的必要性
Rs
Lls
L’lr
Is Us
1
Eg Lm
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1、基频以下变频调速
Eg 4.44 f1NskNSΦm
由上式可知，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 Eg ，使
m
Eg f1
C
（6-3）
即采用恒值电动势频率比的控制方式。
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1、基频以下变频调速
由于 U s U漏 Eg
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间接式变压变频器（2）
AC
DC
DC
二极管不可 控整流器
斩波器
AC 逆变
恒压恒频
变压
调频
用不可控整流器整流、斩波器调压、再用逆变器变频
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间接式变压变频器（3）
恒压恒频 (CVCF)
AC 50Hz~
中间直流环节
DC
C
PWM 逆变器
变压变频 (VVVF)
AC
调压调频
（2）恒Eg /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 = Constant，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。
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6.2.3基频以上恒压变频调速时的机械特性
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6.2.3基频以上恒压变频调速时的机械特性
概述
异步电机的变压变频调速系统一般简称为变频 调速系统。
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。
因此现在应用面很广，是本篇的重点。
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6.1 变频调速的基本控制方式
异步电机的转速n与定子供电频率之间有以下关系：
由式（6-2）可知，只要控制好Eg和f1，便可达到控制磁通
m 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。
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二、VVVF调速控制方式
所谓调速方式：
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。
电机常用的有两种典型调速方式：
恒转矩调速方式和恒功率调速方式