第7章(电力拖动控制系统)

电力拖动控制系统 华科电气

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 rmB 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。 同时必须变压，其较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。 全面地被称为变压变频( )调速系统。 变压变频0

Φ mN

H

I mN

Im

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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 f 1 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 )U1Nb

(U 1

f1 = C )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 。

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

f1 = C )

Φ m = Const.补偿后的结 果与上同。 果与上同。 过补偿问题

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 )

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，“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。

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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 :

U1 Φ mU 1 = f ( f1 )

U1 N

b

c

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

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 ≈ 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”

f1

f1 > f1N 时， 1 = U 1N ,Φ m ∝ 1 f 1 ,保持转子有功电流 I 2 cos 2 不变， 不变， U。

f1 < f1N 时 ，Φm = ΦmN 。保持 (I 2 cos 2 )N 不变，则 (T )max = CT Φ m ( I 2 cos 2 ) N不变。 不变， 不变。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”

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xK

7.1.2 变频调速时的机械特性& U1

r1& I1

x1σ

′ x2σ& Im

r2′ &′ I2 & Er1 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 1 ω1 ω1 ( r1 + r2′ s )2 + xK s ω1 ( sr1 + r2′ ) + ( sxK )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 )

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

sω1 1 ∝ 0 2 2 ω1 s ( r1 + xK ) s

2

s

sm

a

c

T = f (s ) 是对称于原点( s = 0 )的一段双曲线，

(如b) 是对称于原点( 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1 0

b

Tm

T

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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：n

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 n

s0.8

s0.8 0.6 0.4 0.2 T

n0 N 0 n01 n02 n03 n04

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

TmaxT a)

n01 n02 n03 n040 1

0 1

Tmax N

b)

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 =

n n n α= α= α n0 N n0 n0 N

△n不变 不变