第六章 交流异步电动机变压变频调速系统

第六章 第六章 交流异步电动机 变压变频调速系统

6.1 变压变频调速的基本控制方式在进行电机调速时，常须考虑的一个重要因素 是：希望保持电机中每极磁通量 Φm 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。 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， Φm 保持不变是很容易做到 的。 在交流异步电机中，磁通 Φm 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。

定子每相电动势

Eg = 4.44 f1 N s k NS Φ m

(6-1)

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;

f1 —定子频率，单位为Hz; Ns —定子每相绕组串联匝数； kNs—基波绕组系数；Φm —每极气隙磁通量，单位为Wb。

1. 基频以下调速

由式(6-1)可知，要保持 Φm 不变，当 频率 f1 从额定值 f1N 向下调节时，必须同时 降低 Eg ,使

Eg f1

= 常值

(6-2)

即采用恒值电动势频率比的控制方式 采用恒值电动势频率比的控制方式。 采用恒值电动势频率比的控制方式

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 U1 ≈ Eg,则得

U1 = 常值 f1这是恒压频比的控制方式 恒压频比的控制方式。 恒压频比的控制方式

(6-3)

但是，在低频时 U1 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 U1 抬高一 些，以便近似地补偿定子压降 近似地补偿定子压降。 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。

带压降补偿的恒压频比控制特性Us UsN

b —带定子压降补偿 带定子压降补偿

a —无补偿 无补偿

O

f 1N

f1

图6-1 恒压频比控制特性

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U1 却不可能超过 额定电压U1N ,最多只能保持U1 = U1N , 这将迫使磁通与频率成反比地降低，相 当于直流电机弱磁升速的情况。 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。

变压变频控制特性U1 Φm

恒转矩调速U1N ΦmN Us

恒功率调速

Φm

O

f1N

f1

图6-2 异步电机变压变频调速的控制特性

6.2 异步电动机电压和频率协调控制时 的机械特性 6.2.1 恒压恒频控制异步电动机的机械特性 恒压恒频控制异步电动机的机械特性 频控制异步电动机的机械 当定子电压 U1 和电源角

频率 ω1 恒定时， 可以将5-1式改写成如下形式：' U1 sω1 R2 Te = 3np ω ' 2 2 2 ' 2 1 ( sR1 + R2 ) + s ω1 ( Ll1 + Ll 2 ) (6-4) 2

特性分析当s很小时，可忽略上式分母中含s各项，则 U1 sω1 Te ≈ 3np ∝s ω ' 1 R22

(6-5)

也就是说，当s很小时，转矩近似与s成正比， 机械特性 Te = f(s)是一段直线，见图6-3。

特性分析(续) 特性分析( 当 s 接近于1时，可忽略式(6-4)分 母中的R2' ,则' U1 ω1 R2 1 ∝ Te ≈ 3np 2 2 ' 2 ω1 s[ R1 + ω1 ( Ll1 + Ll 2 ) ] s 2

(6-6)

即s接近于1时转矩近似与s成反比， 这时， Te = f(s)是对称于原点的一段双 曲线。

恒压恒频时异步电机的机械特性 恒压恒频时异步电机的机械特性当 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，如 右图所示。n s n0 0 sm Temax Te

0

1

Temax

Te

图6-3 恒压恒频时异步电机的机械特性

6.2.2 基频以下电压 频率协调控制时的 基频以下电压-频率协调控制时的 机械特性 由式(6-4)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 U1 和频率 ω1 可以有多种配合。 在 U1 和 ω1 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。

1. 恒压频比控制( U1 /ω1 ) 恒压频比控制(在第6-1节中已经指出，为了近似地保持气 隙磁通不变，以便充分利用电机铁心，发挥电机 产生转矩的能力，在基频以下须采用恒压频比控 制。这时，同步转速自然要随频率变化。

60 ω 1 n0 = 2π n p

(6-7)

带负载时的转速降落为

60 n = sn0 = sω1 2πnp

(6-8)

在式(6-5)所表示的机械特性近似直线 段上，可以导出sω 1 ≈ R '2 T e U1 3np ω 1 2

(6-9)