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1、5.3.1变压变频调速的基本控制方式 1.基频以下调速在进行电机调速时，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心，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。第1页/共51页对于直流电机，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。第2页/共51页 定子每相电动势（5-11）式中：Eg 气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值，单位为V；定子频率，单位为Hz；
2、定子每相绕组串联匝数；基波绕组系数；每极气隙磁通量，单位为Wb。f1NskNsm第3页/共51页 由式（5-11）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。第4页/共51页1.基频以下调速 由式（5-11）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 常值 （5-26）即采用恒值电动势频率比的控制方式。第5页/共51页 恒压频比的控制方式 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 Us Eg，则得（5-27）
3、这是恒压频比的控制方式。第6页/共51页 但是，在低频时 Us 和 Eg 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。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。第7页/共51页OUsf 1图5-9 恒压频比控制特性 带压降补偿的恒压频比控制特性UsNf 1Na 无补偿 b 带定子压降补偿 第8页/共51页2.基频以上调速 在基频以上调速时，频率应该从 f1N 向上升高，但定子电压Us 却不可能超过额定电压UsN，最多只能保持Us=UsN，这将迫使磁通与频率成反比地降低，相当于直流电
4、机弱磁升速的情况。把基频以下和基频以上两种情况的控制特性画在一起，如下图所示。第9页/共51页f1N 变压变频控制特性图5-10 异步电机变压变频调速的控制特性 恒转矩调速UsUsNmNm恒功率调速mUsf1O第10页/共51页 如果电机在不同转速时所带的负载都能使电流达到额定值，即都能在允许温升下长期运行，则转矩基本上随磁通变化，按照电力拖动原理，在基频以下，磁通恒定时转矩也恒定，属于“恒转矩调速”性质，而在基频以上，转速升高时转矩降低，基本上属于“恒功率调速”。返回目录第11页/共51页5.3.2 变压变频调速时的机械特性 式（5-5）已给出异步电机在恒压恒频正弦波供电时的机械特性方程式
5、Te=f(s)。当采用恒压频比控制时，可以改写成如下形式：（5-28）第12页/共51页 特性分析当s很小时，可忽略上式分母中含s各项，则（5-29）第13页/共51页第14页/共51页 由此可见，当 Us/1 为恒值时，对于同一转矩 Te，s1 是基本不变的，因而 n 也是基本不变的。这就是说，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。它们和直流他励电机变压调速时的情况基本相似。第15页/共51页 （5-32）第16页/共51页 可见最大转矩 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
6、增强带载能力。第17页/共51页 机械特性曲线On图5-11 a 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第18页/共51页基频以上 在基频以上变频调速时，由于定子电压 Us=UsN 不变，式（5-5）的机械特性方程式可写成 第19页/共51页当s很小时，第20页/共51页由此可见，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。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。第21页/共51页由公式5-38 可知对于相同的电磁转矩，频率越大，转速落降越
7、大，机械特性越软，与直流电动机弱磁升速相似。第22页/共51页 图5-11异步电动机变压变频调速机械特性第23页/共51页5.3.3 基频以下的电压补偿控制在基频以下运行时，采用恒压频比的控制方法具有控制简便的优点，但负载变化时定子压降不同，将导致磁通改变，因此需采用定子电压补偿控制。根据定子电流的大小改变定子电压，以保持磁通恒定。第24页/共51页 下图再次绘出异步电机的稳态等效电路，图中几处感应电动势的意义如下：Eg 气隙（或互感）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）。第25页/共51
8、页图5-12 异步电动机稳态等效电路和感应电动势 Us1RsLlsLlrLmRr/sIsI0Ir 异步电动机等效电路EgEsEr第26页/共51页第27页/共51页1.恒定子磁通控制恰当地提高电压 Us 的数值，使它在克服定子阻抗压降，能维持 Es/f1 为恒值（基频以下），每极磁通 m 均为常值。第28页/共51页忽略励磁电流第29页/共51页将恒定子磁通控制时的转矩表达式与恒压频比时的比较发现，其分母小于恒压频比中的同类项，因此，当转差率相同时，采用恒定子磁通控制方式的电磁转矩大于采用恒压频比控制方式。或者说当负载转矩相同时，恒定子磁通控制方式的转速降落小于恒压频比控制方式。第30页/共5
9、1页对s求导，求出临界转差率第31页/共51页分析可知，当频率发生变化时，恒定子磁通控制的临界转矩恒定不变。恒定子磁通控制的临界转差率大于恒压频比控制方式。恒定子磁通控制的临界转矩也大于恒压频比控制方式。第32页/共51页 2.恒 Eg/1 控制 如果在电压频率协调控制中，恰当地提高电压 Us 的数值，使它在克服定子阻抗压降，补偿定子漏抗压降后，能维持 Eg/1 为恒值（基频以下），无论频率高低，每极磁通 m 均为常值。第33页/共51页 由等效电路可以看出（5-48）代入电磁转矩关系式，得（5-49）第34页/共51页特性分析（续）利用与前相似的分析方法，当s很小时，可忽略式（5-49）分母
10、中含 s 项，则 这表明机械特性的这一段近似为一条直线。第35页/共51页特性分析（续）当 s 接近于1时，可忽略式（5-49）分母中的 Rr2 项，则 s 值为上述两段的中间值时，机械特性在直线和双曲线之间逐渐过渡，整条特性与恒压频比特性相似。第36页/共51页 性能比较 但是，对比式（6-4）和式（6-12）可以看出，恒 Eg/1 特性分母中含 s 项的参数要小于恒 Us/1 特性中的同类项，也就是说，s 值要更大一些才能使该项占有显著的份量，从而不能被忽略，因此恒 Eg/1 特性的线性段范围更宽。第37页/共51页性能比较（续）将式（5-49）对 s 求导，并令 dTe/ds=0，可得恒
11、Eg/1控制特性在最大转矩时的转差率（5-50）和最大转矩（5-51）第38页/共51页性能比较（续）值得注意的是，在式（5-51）中，当Eg/1 为恒值时，Temax 恒定不变，如下图所示，其稳态性能优于恒 Us/1 控制的性能。与恒定子磁通控制方式相比，恒气隙磁通控制方式的临界转差率和临界转矩更大，机械特性更硬。第39页/共51页 机械特性曲线OnTemax恒 Eg/1 控制时变频调速的机械特性第40页/共51页3.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（5-53）第41页/共5
12、1页代入电磁转矩基本关系式，得（5-54）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，见图5-13。第42页/共51页 几种电压频率协调控制方式的特性比较图5-13异步电动机在不同控制方式下的机械特性a恒压频比控制b恒定子磁通控制c 恒气隙磁通控制d恒转子磁通控制第43页/共51页 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？第44页/共51页 按照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。气隙磁通的感应电动势
13、Eg 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：第45页/共51页 由此可见，只要能够按照转子全磁通幅值 rm=Constant 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，下面在第6章中将详细讨论。第46页/共51页4几种控制方式的比较 （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。第47页/共51页 （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r
14、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。第48页/共51页 （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=Constant 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。第49页/共51页小 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，有四种协调控制方式。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。在基频以上，采用保持电压不变的恒功率弱磁调速方法。返回目录第50页/共51页感谢您的观看。第51页/共51页