18变频调速系统

当s很小时，忽略分母中含s各项
Te
3npU 1s
2
s1
Rr'
s
转矩近似与s成正比，机械特性Te=f(s)是一段直线。
当s接近于1时，可忽略分母中的Rr’
Te3np U 1 s 2s[R s21 21 (R L r'lsL 'lr)2]1 s
转矩近似与s成反比，这时，Te=f(s)是对称于原点的一段双曲线。 当s为以上两段的中间数值时，机械特性从直线段逐渐过渡到双曲线段
E g 常值 f1
当电动势值较高时，忽略定子绕组的漏磁阻抗压降
Us Eg
U s 常值 f1
恒压频比控制特性
低频时，Us和Eg都较小，定子漏磁阻抗压降所占的份量就比较显著，不 能再忽略。这时，可以人为地把电压Us抬高一些，以便近似地补偿定子压 降。
无补偿的控制特性为a线 带定子压降补偿的恒压频比控制特性(b线) 。
第7章 交流异步电动机变压变频调速系统 ——转差功率不变型调速系统
引言：
异步电动机的变压变频调速系统一般简称为变频调速 系统。 变频调速是通过改变电动机定子供电频率f1来改变电 动机同步转速n0，从而实现交流电动机调速的一种方 法，是一种理想的高效率、高性能的调速手段. 由于在调速时转差功率不随转速而变化，调速范围宽， 效率高，能实现高动态性能，可与直流调速系统媲美。 被认为是交流调速的主要发展方向。
当角频率ω1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
基频以上恒压变频调速的机械特性
n
n0c
1c
n0b
1b
n0a
1a
n0N
1N
1N<1a <1b <1c 恒功率调速
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，但转速却升高了，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。
其中： f1定子频率，Ns定子每相绕组串联匝数， Kns定子基波绕组系数，Φm每极气隙磁通量。
只要控制好Eg和f1，便可达到控制磁通Φm的目的。
异步电动机变频调速的控制方式： • 基频以下调速 • 基频以上调速
1、基频以下调速
(恒压频比的控制方式)
保持Φm不变，当频率f1从额定值f1N向下调节时，采用电 动势频率比为恒值的控制方式。
---主要内容---
▪ 变压变频调速的基本控制方式 ➢ 基频以下调速 ➢ 基频以上调速
▪ 异步电动机电压-频率协调控制时的机械特性 ➢ 恒压恒频正弦波供电时（不变频） ➢ 基频以下电压-频率协调控制时 ➢ 基频以上恒压变频时的机械特性
• 异步电动机的稳态等效电路
根据电机学原理，满足下述三个假定条件：①忽略空间 和时间谐波，②忽略磁饱和，③忽略铁损。
2、基频以上调速
在基频以上调速时，频率从f1N向上升高，保持Us=UsN，这
将迫使磁通与频率成反比地降低，相当于直流电动机弱磁升
速的情况。 异步电机变压变频调速特性
Us Eg
Eg4.4f4 1N skN SΦ m
在基频以下，磁通恒 定，属于“恒转矩调速” 性质; 而在基频以上，转速 升高时磁通降低，基本上 属于“恒功率调速”。
恒Eg /ω1时的机械特性方程式。
T e3 n 1 pIr '2R sr ' 3 n 1 p R sr ' 2 E g 21 2L 'lr 2R sr ' 3 np E 1 g 2R r '2s s1 2 R r '1 2L 'l2r
当s很小时，忽略分母中含s项
Te
3npEg1
n02
12
n03
13
补偿定子压 降后的特性
O Te
•当Us/ ω1为恒值时，对于同一转矩Te，sω1是基本不变的，Δn也是基本不变 的。在恒压频比的条件下改变频率ω1时，机械特性基本上是平行下移 。
•频率越低时最大转矩值越小，最大转矩Temax是随着ω1的降低而减小的。 频率很低时，Temax太小将限制电动机的带载能力，采用定子压降补偿，适 当地提高电压Us，可以增强带载能力。
2
s1
Rr'
s
•机械特性的这一段近似为一条直线。
当s接近于1时，可忽略分母中的Rr’2
Te
3np Eg1
2
Rr'
s1L'l2r
1 s
•这是一段双曲线
dTe /ds0
sm
R
' r
1 L'lr
Tem
ax23npEg1
2
1 L'lr
当Eg /ω1为恒值时，Temax恒定不变。可见恒Eg /ω1控制的稳态性能是 优于恒Us /ω1控制的，它正是恒Us /ω1控制中补偿定子压降所追求的目 标。
分析：同步转速n0带负载时的转速降落
nsno
60
2np
s1
在机械特性近似直线段上，可以导出
s1
R
' r
T
e
3n
p
Eg
1
2
当Eg /ω1为恒值时，对于同一转矩Te，sω1是基本不变的，Δn也是基本 不变的。在恒压频比的条件下改变频率ω1时，机械特性基本上是平行下 移
不同电压－频率 s
协调控制方式时
的机械特性 ：
0
10
恒 Er /1 控制
c
a
b
恒 Eg /1 控制
恒 Us /1 控制
Te
当Eg /ω1为恒值时，对于同一转矩Te，sω1是基本不变的，Δn也是基本不 变的。在恒压频比的条件下改变频率ω1时，机械特性基本上是平行下移
（3）．恒Er/ω1控制
如果把电压-频率协调控制中的电压Us再进一步提高，把
0
c
a
b
恒 Eg /1 控制
恒 Us /1 控制
10
Te
气隙磁通的感应电动势Eg对应于气隙磁通幅值Φm，转子全磁通的感应 电动势Er对应于转子全磁通幅值Φm：
Er4.4f4 1N skN SΦ rm
只要能够按照转子全磁通幅值Φm=恒值进行控制，就可以获得恒Er/ω1。
小结：
恒压频比（Us/ω1=恒值）控制最容易实现，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，但低速带载能力差，须对定子压降实行补偿。
（2）．恒Eg /ω1控制 在电压-频率协调控制中，恰当地提高电压Us，克服定子
阻抗压降以后，能维持Eg /ω1为恒值（基频以下），则无论
频率高低，每极磁通Φm均为常值。
由等效电路得转子电流和电磁转矩
I
' r
Eg
Rr' s
2
12 L'lr 2
T e3 n 1 pIr '2R sr ' 3 n 1 p R sr ' 2 E g 21 2L 'lr 2R sr ' 3 np E 1 g 2R r '2s s1 2 R r '1 2L 'l2r
O Te
The end
保持电动机中每极磁通量Φm为额定值不变。异步电动机
的稳态等效电路图：
Eg—气隙磁通在定子每相绕组中的感应电动势； Es—定子全磁通在定子每相绕组中的感应电动势； Er—转子全磁通在转子绕组中的感应电动势（折合到定子边）
三相异步电动机定子每相电动势的有效值是： Eg4.4f4 1N skN SΦ m
• 图中各参数定义：
R s 、R r'——定子每相电阻和折合到定子侧的转子每相电阻；
L ls
、L L
' ——定子每相漏感和折合到定子侧的转子每相漏感； lr m——定子每相绕组产生气隙主磁通的等效电感，即励磁电感；
U s 、 1 ——定子相电压和供电角频率；
s——转差率。
一、变压变频调速的基本控制方式
恒压恒频时异步电机的 机械特性：
ns n0 0
sm
Temax
Te
1
0
Temax
Te
2、基频以下电压-频率协调控制时（有三种方式）
（1）．恒压频比控制：Us /1 恒值
同步转速n0随频率变化
n0
60 1 2n p
带负载时的转速降落
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
nsno
60
2np
s1
在机械特性近似直线段上，可以导出
Te
3npU 1s
恒Eg/ω1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Φm=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。
恒Er/ω1控制可以得到和直流他励电动机一样的线性机械
特性，按照转子全磁通Φm恒定进行控制即得Er/ω1=恒值， 在动态中也尽可能保持Φm恒定是矢量控制系统所追求的目
标，当然实现起来是比较复杂的
3、基频以上恒压变频时的机械特性
在基频f1N以上变频调速时，由于电压Us=UsN不变。 机械特性方程式
T e 3 n p U s2 N1(ssR R r ')2s s r 'R 21 2(L ls L 'l) r2
T ema x 2 3n p U s2 N1R sR s 2 11 2(L ls L 'l) r2
转子漏抗的压降也抵消掉，得到恒Er/ω1控制
I
' r
Er
R
' r
/
s
Te
3np
1
REsr'r22
Rr' s
3npE1r
2
s1
Rr'
机械特性Te=f(s)完全是一条直线。 恒Er/ω1控制的稳态性能最好，可以获得和直流电动机一样的线性机械特 性。
不同电压－频率协调控制方式时的机械特性
s
恒 Er /1 控制
2
s1
Rr'
s
s1
R
' r
T
e
2
3n
p
Us 1
由此可见，当Us/ ω1为恒值时，对于同一转矩Te，sω1是基本不变的，Δn也 是基本不变的。在恒压频比的条件下改变频率ω1时，机械特性基本上是平行 下移 。
n
恒压频比控制时
变频调速的
n0 N
机械特性:
n 01
1N 11 12 13 1N 11
二、异步电动机电压-频率协调控制时的机械特性
1.恒压恒频正弦波供电时（不变频）
当定子电压Us和电源角频率ω1恒定时，改写异步电动 机的机械特性
Te
Pm
m1
3npUs2Rr' /s
1Rs Rsr' 212 LlsL'lr
2
T e3 np U 1 s 2(ssR R r ')2s s1 2 R r '1 2(L lsL 'lr )2