1、2022-6-271異步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速基礎(chǔ)第第 1 1 章章2022-6-272 概概 述述 由于在調(diào)速時轉(zhuǎn)差功率不隨轉(zhuǎn)速而變化，調(diào)速范圍寬，無論是高速還是低速時效率都較高，在采取一定的技術(shù)措施后能實現(xiàn)高動態(tài)性能，可與直流調(diào)速系統(tǒng)媲美。 異步電機(jī)的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)一般簡稱為變頻調(diào)速系統(tǒng)。因此現(xiàn)在應(yīng)用面很廣，是本篇的重點。2022-6-273 目前，交流變頻調(diào)速技術(shù)以其優(yōu)異的性能而深受各行業(yè)的普遍歡迎，并已取得了顯著的社會效益。電力軋鋼造紙化工煤炭紡織船舶機(jī)床航天航空廣泛應(yīng)用：2022-6-274)1 (601snfnp1.3 1.3 變頻調(diào)速的基本控制方式變頻調(diào)速的基本控制方式 變頻調(diào)速的

2、基本原理充分利用電機(jī)繞組鐵芯和繞組的截面積主要特征：Tmax為常數(shù)變頻調(diào)速光調(diào)頻行嗎？2022-6-275)1 (60)1 (p10snfsnn一、調(diào)頻與調(diào)壓協(xié)調(diào)控制的必要性一、調(diào)頻與調(diào)壓協(xié)調(diào)控制的必要性異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速n與定子供電頻率之間有以下關(guān)系：（1-29） 從上式可知，只要平滑地調(diào)節(jié)異步電機(jī)定子的供電頻率f1，同步轉(zhuǎn)速n0隨之改變，就可以平滑地調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速n，從而實現(xiàn)異步電機(jī)的無級調(diào)速，這就是變頻調(diào)速的基本原理。2022-6-276在進(jìn)行電機(jī)調(diào)速時，常須考慮的一個重要因素是： -希望保持電機(jī)中每極磁通量 m為額定值不變。 如果磁通太弱，沒有充分利用電機(jī)的鐵芯，是一種浪費；如果過分增大磁通，又

3、會使鐵心飽和，從而導(dǎo)致過大的勵磁電流，嚴(yán)重時會因繞組過熱而損壞電機(jī)。一、調(diào)頻與調(diào)壓協(xié)調(diào)控制的必要性一、調(diào)頻與調(diào)壓協(xié)調(diào)控制的必要性2022-6-277對于直流電機(jī)，勵磁系統(tǒng)是獨立的，只要對電樞反應(yīng)有恰當(dāng)?shù)难a償， m保持不變是很容易做到的。在交流異步電機(jī)中，磁通 m 由定子和轉(zhuǎn)子磁勢合成產(chǎn)生，要保持磁通恒定就需要費一些周折了。一、調(diào)頻與調(diào)壓協(xié)調(diào)控制的必要性一、調(diào)頻與調(diào)壓協(xié)調(diào)控制的必要性2022-6-278mNs1sS44.4kNfE（1-30） EsVHz）； f1； Ns kNs(Wb)。 m （1-30），Egf1 m ，2022-6-279電壓電壓-頻率協(xié)調(diào)控制方式頻率協(xié)調(diào)控制方式 由式（1

4、-18）機(jī)械特性方程式可以看出，對于同一組轉(zhuǎn)矩 Te 和轉(zhuǎn)速 n（或轉(zhuǎn)差率s）的要求，電壓 Us 和頻率 1 可以有多種配合。 在 Us 和 1的不同配合下機(jī)械特性也是不一樣的，因此可以有不同方式的電壓頻率協(xié)調(diào)控制。2lrsl212rs1r2spe/3LLsRRsRUnT（1-18） 2022-6-27101sfE常值即采用恒電動勢頻率比的控制方式。 二、二、 基頻以下的變頻調(diào)速控制方式基頻以下的變頻調(diào)速控制方式 由式（1-30）可知，要保持 m 不變，當(dāng)頻率 f1 從額定值 f1N 向下調(diào)節(jié)時，必須同時降低 Es ，使 2022-6-27111. 1. 保持保持 的的嚴(yán)格恒磁通控制嚴(yán)格恒磁通

5、控制 n由式（由式（1-30）可得）可得 constfE1sNss1sm44. 4KNfE（1-31） 由式（由式（1-31）可知，要保持磁通）可知，要保持磁通 m不變，不變，當(dāng)頻率當(dāng)頻率f1從從額定頻率向下調(diào)節(jié)時，必須同時降低電動勢額定頻率向下調(diào)節(jié)時，必須同時降低電動勢Es，即采用，即采用恒定的電動勢頻率比恒定的電動勢頻率比的控制方式。這時異步電動機(jī)的機(jī)的控制方式。這時異步電動機(jī)的機(jī)械特性將會如何呢？械特性將會如何呢？2022-6-27121. 1. 保持保持 的的嚴(yán)格恒磁通控制嚴(yán)格恒磁通控制n由圖1-14可知： 2lr212rsrLsREIconstfE1s將上式代入電磁轉(zhuǎn)矩基本公式，可得

6、將上式代入電磁轉(zhuǎn)矩基本公式，可得 2 lr2122rr121sp2lr212r1r2sp2 r1rpe)(232/3/3LsRRsffEnLsRfsREnIsRnT2022-6-27131. 1. 保持保持 的的嚴(yán)格恒磁通控制嚴(yán)格恒磁通控制n上式對上式對s求導(dǎo)，并令求導(dǎo)，并令dTe/ds=0，可得恒磁通控制轉(zhuǎn)矩最，可得恒磁通控制轉(zhuǎn)矩最大時的轉(zhuǎn)差率為大時的轉(zhuǎn)差率為constfE1slr1rmLRs將將sm代入式（代入式（1-33）得最大電磁轉(zhuǎn)矩）得最大電磁轉(zhuǎn)矩 lr21s2pemax183LfEnT2022-6-27141. 1. 保持保持 的的嚴(yán)格恒磁通控制嚴(yán)格恒磁通控制n可見，當(dāng)調(diào)速過程中可

7、見，當(dāng)調(diào)速過程中Es/f1為恒值時為恒值時Temax值值是恒定不變的，在低是恒定不變的，在低頻低速下也能保持這頻低速下也能保持這個最大電磁轉(zhuǎn)矩，因個最大電磁轉(zhuǎn)矩，因此稱為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方此稱為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式。式。 constfE1s2022-6-2715常值1fUs 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( (恒壓頻比的控制恒壓頻比的控制) 然而，繞組中的感應(yīng)電動勢是難以直接控制的，當(dāng)電動勢值較高時，可以忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降，而認(rèn)為定子相電壓 Us Eg，則得1fUs 用易于測量和控制的定子輸入相電壓用易于測量和控制的定子輸入相電壓Us取代電動勢取代電動勢Es，這，這就是保持

8、就是保持 的近似恒磁通控制，的近似恒磁通控制，也稱為恒壓頻比控制也稱為恒壓頻比控制或或U/f控制控制，它是開環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)常用的控制方式。，它是開環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)常用的控制方式。 常值1sfU2022-6-27162.保持保持 常值的近似恒磁通控制常值的近似恒磁通控制( (恒壓頻比的控制恒壓頻比的控制)n式（1-18）的電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式： 1fUs當(dāng)采用恒壓頻比控制方式時，式（1-18）可改寫為： 2lrsl212rs1r2spe/3LLsRRsRUnT（1-18）2rs22rsr121spe23XXsRsRRsffUnT（1-36） 2022-6-27172.保持保持 常值常值 的近似恒磁通控制

9、的近似恒磁通控制( (恒壓頻比的控制恒壓頻比的控制)n當(dāng)電動機(jī)穩(wěn)態(tài)運行時轉(zhuǎn)差率當(dāng)電動機(jī)穩(wěn)態(tài)運行時轉(zhuǎn)差率s很小，可以忽略分母中含很小，可以忽略分母中含s項，則項，則 r121spe23RsffUnT1fUs式中，6060p11p101nnffnnfnnsf 由上式可知，當(dāng)采用恒壓頻比控制時，對于同一電磁轉(zhuǎn)由上式可知，當(dāng)采用恒壓頻比控制時，對于同一電磁轉(zhuǎn)矩矩Te，sf1是基本不變的，即是基本不變的，即 n基本不變，這說明恒壓頻比基本不變，這說明恒壓頻比條件下改變頻率時，機(jī)械特性是平行下移的。條件下改變頻率時，機(jī)械特性是平行下移的。 2022-6-27182.保持保持 常值常值 的近似恒磁通控制的近

10、似恒磁通控制( (恒壓頻比的控制恒壓頻比的控制)n由上節(jié)推導(dǎo)的最大轉(zhuǎn)矩表達(dá)式 1fUs2lrls212ss21s1pemax)(143LLRRfUfnT（1-38） (1) 當(dāng)轉(zhuǎn)速較高時，當(dāng)轉(zhuǎn)速較高時，f1在額定頻率在額定頻率fn附近變化，定、轉(zhuǎn)子的附近變化，定、轉(zhuǎn)子的總漏抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于定子電阻總漏抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于定子電阻Rs,slrls1RLL2022-6-2719n則最大轉(zhuǎn)矩lrls21s2pemax183LLfUnT上式表明，頻率較高時，恒壓頻比調(diào)速時異步電動機(jī)的最大上式表明，頻率較高時，恒壓頻比調(diào)速時異步電動機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩與頻率無關(guān)，基本上保持不變。轉(zhuǎn)矩與頻率無關(guān)，基本上保持不變。 2022-6-

11、2720n（2）當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時，）當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時，f1比比f1n下降很多，此時定、轉(zhuǎn)子總下降很多，此時定、轉(zhuǎn)子總漏抗隨之下降，定子電阻漏抗隨之下降，定子電阻Rs不能忽略，對式（不能忽略，對式（1-38）稍加）稍加整理可得整理可得21lrls21s121spemax143fXXfRfRfUnTsn可見在 不變時，最大轉(zhuǎn)矩Temax是隨著定子供電頻率f1的下降而減小的。1s/ fU2022-6-2721 在低頻時 Us 和 ES 都較小，定子阻抗壓降所占的份量就比較顯著，不再能忽略。這時，需要人為地把電壓 Us 抬高一些，以便近似地補償定子壓降近似地補償定子壓降。 帶定子壓降補償?shù)暮銐侯l比控制特性示于

12、下圖中的 b 線，無補償?shù)目刂铺匦詣t為a 線。 低頻時適當(dāng)?shù)靥岣叨ㄗ与妷旱皖l時適當(dāng)?shù)靥岣叨ㄗ与妷篣s，使最大電磁轉(zhuǎn)矩有所增大，使最大電磁轉(zhuǎn)矩有所增大，實質(zhì)上是對異步電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的補償，可以增強(qiáng)電動機(jī)的實質(zhì)上是對異步電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的補償，可以增強(qiáng)電動機(jī)的帶負(fù)載能力。一般變頻器調(diào)壓調(diào)頻控制方式都有轉(zhuǎn)矩補償帶負(fù)載能力。一般變頻器調(diào)壓調(diào)頻控制方式都有轉(zhuǎn)矩補償功能，其理論基礎(chǔ)就在于此。功能，其理論基礎(chǔ)就在于此。 2022-6-2722帶定子壓降補償?shù)暮銐侯l比控制特性2022-6-2723 機(jī)械特性曲線nON0n圖1-17 恒壓頻比控制時變頻調(diào)速的機(jī)械特性補償定子壓降后的特性01n121303n02n11N

13、1131211N1 eT 可見，最大轉(zhuǎn)矩 Temax 是隨著的 1 降低而減小。 頻率很低時，Temax太小將限制電機(jī)的帶載能力，采用定子壓降補償，適當(dāng)?shù)靥岣唠妷篣s，可增強(qiáng)帶載能力。2022-6-27242022-6-27253. 恒 Er/ 1 控制 如果把電壓頻率協(xié)調(diào)控制中的電壓再進(jìn)一步提高，把轉(zhuǎn)子漏抗上的壓降也抵消掉，得到恒Er/1 控制，那么，機(jī)械特性會怎樣呢？由此可寫出 sREI/rrr2022-6-2726代入電磁轉(zhuǎn)矩基本關(guān)系式，得 r121rpr2r2r1pe33RsEnsRsREnT 現(xiàn)在，不必再作任何近似就可知道，這時的機(jī)械特性完全是一條直線。3. 恒 Er/ 1 控制20

14、22-6-27270s10Te 幾種電壓頻率協(xié)調(diào)控制方式的特性比較圖 不同電壓頻率協(xié)調(diào)控制方式時的機(jī)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ab c2022-6-2728 顯然，恒 Er/1 控制的穩(wěn)態(tài)性能最好，可以獲得和直流電機(jī)一樣的線性機(jī)械特性。這正是高性能交流變頻調(diào)速所要求的性能。 現(xiàn)在的問題是，怎樣控制變頻裝置的電壓和頻率才能獲得恒定的Er/1 呢？ 3. 恒 Er/ 1 控制2022-6-2729 按照式（1-30）電動勢和磁通的關(guān)系，可以看出，當(dāng)頻率恒定時，電動勢與磁通成正比。在式（ 1-30 ）中，氣隙磁通的感應(yīng)電動勢 Es 對應(yīng)于氣

15、隙磁通幅值 m ，那么，轉(zhuǎn)子全磁通的感應(yīng)電動勢 Er 就應(yīng)該對應(yīng)于轉(zhuǎn)子全磁通幅值 rm ：rmNs1r44. 4kNfEs3. 恒 Er/ 1 控制 由此可見，只要能夠按照轉(zhuǎn)子全磁通幅值 rm=恒值 進(jìn) 行控制，就可以獲得恒 Er/1 了。這正是矢量控制系統(tǒng)所遵循的原則，第3.3節(jié)中將詳細(xì)討論。 2022-6-27304幾種協(xié)調(diào)控制方式的比較 綜上所述，在正弦波供電時，按不同規(guī)律實現(xiàn)電壓頻率協(xié)調(diào)控制可得不同類型的機(jī)械特性。 1）恒壓頻比（Us/1=恒值）控制最容易實現(xiàn)，它的變頻機(jī)械特性基本上是平行下移，硬度也較好，能夠滿足一般的調(diào)速要求，但低速帶載能力有些差強(qiáng)人意，須對定子壓降實行補償。 20

16、22-6-27312）恒Eg/1控制是通常對恒壓頻比控制實行電壓補償?shù)臉?biāo)準(zhǔn)，可以在穩(wěn)態(tài)時達(dá)到m=恒值，從而改善了低速性能。但機(jī)械特性還是非線性的，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的能力仍受到限制。 2022-6-2732 3）恒 Er/1 控制可以得到和直流他勵電機(jī)一樣的線性機(jī)械特性，按照轉(zhuǎn)子全磁通 rm 恒定進(jìn)行控制，即得 Er/1=恒值 而且，在動態(tài)中也盡可能保持rm恒定是矢量控制系統(tǒng)的目標(biāo)，當(dāng)然實現(xiàn)起來是比較復(fù)雜的。2022-6-27332022-6-2734（一）近似恒功率調(diào)速方式（一）近似恒功率調(diào)速方式n事實上，電壓不變，升高頻率的調(diào)速方式是近似恒功事實上，電壓不變，升高頻率的調(diào)速方式是近似恒功率調(diào)速方式。

17、率調(diào)速方式。 n這時由于定子端電壓這時由于定子端電壓Us= Usn保持不變，式（保持不變，式（1-22）的）的最大轉(zhuǎn)矩表達(dá)式可改寫為最大轉(zhuǎn)矩表達(dá)式可改寫為 2lrls212s1s12snpemax)(123LLRRUnT由上式可知，在電壓不變的前提下，隨著角頻率由上式可知，在電壓不變的前提下，隨著角頻率 1的的升高，最大轉(zhuǎn)矩升高，最大轉(zhuǎn)矩Temax隨之下降。隨之下降。 2022-6-2735 機(jī)械特性曲線 當(dāng)角頻率提高時，同步轉(zhuǎn)速隨之提高，最大轉(zhuǎn)矩減小，機(jī)械特性上移，而形狀基本不變，如圖所示。圖1-18 基頻以上恒壓變頻調(diào)速的機(jī)械特性恒功率調(diào)速Ob1c1a1N1nc0nb0na0nN0nc1b

18、1a1N1eT2022-6-2736（二）嚴(yán)格恒功率控制方式（二）嚴(yán)格恒功率控制方式 n電動機(jī)輸出的機(jī)械功率為： pnTTP1e1eM要實現(xiàn)嚴(yán)格的恒功率控制，必須使基頻以上不同頻率對要實現(xiàn)嚴(yán)格的恒功率控制，必須使基頻以上不同頻率對應(yīng)機(jī)械特性的額定功率相等，即應(yīng)機(jī)械特性的額定功率相等，即 pnenp1enTnTnen1efTfT2022-6-2737（二）嚴(yán)格恒功率控制方式（二）嚴(yán)格恒功率控制方式n可推導(dǎo)得到可推導(dǎo)得到na12sn2sffkUU即即 na1snsffkUU（1-54） 通過上述分析，可得出如下結(jié)論：通過上述分析，可得出如下結(jié)論：（1）為了獲得嚴(yán)格的恒功率調(diào)速，在頻率由基頻上調(diào)時，）為了獲得嚴(yán)格的恒功率調(diào)速，在頻率由基頻上調(diào)時，應(yīng)使電壓與頻率的應(yīng)使電壓與頻率的1/2次方成正比變化，即次方成正比變化，即 這這時過載倍數(shù)保持不變。時過載倍數(shù)保持不變。snsUkU 2022-6-2738（2）基頻上調(diào)、電壓不變的控制方式，不能實現(xiàn)嚴(yán)）基頻上調(diào)、電壓不變的控制方式，不能實現(xiàn)嚴(yán)格的恒功率調(diào)速。格的恒功率調(diào)速。（3）把基頻下調(diào)和基頻上調(diào)兩種情況結(jié)合起來，可）把