第六章交流異步電動機變頻調速系統(tǒng).

1、第六章交流異步電動機變頻調速系統(tǒng)交at謂速的基本方案由電機學的基木公式:VAn711 n0 -5n60力- 可見，異步電動機的調速右案有： 改變極對 數(shù)p,改變轉速率S （即改變電動機機械特性的 硬度）和改變電源頻率f。交流調速的分類如下:J1離調速僚低電氐將刪杭馳嫦）殲籽黠肋電動勢雌糊駆）k胱黯緒借差電動機）城枝-卜交變辯速變極對數(shù)調速足有級的;變轉差率調速，不調同步轉速，低速時電阻 債皂耳毛大. 效率較低； 只有串級調速書牙況下， 轉 差功率才得以利用，效率較高變頻調速是調節(jié)同步轉速，可以從高速到低 速碧戸保扌寺了艮彳、的轉差率，效率高、調速范圉大、 精度高，是交流電動機一種匕匕車交理想白

2、勺調速方在變頻控制方式上又可分為變壓變頻調速， 矢量控制 變頻調速和直接轉矩扌空制 變壓變頻調 速等幾種。第一節(jié)憑頻調速的心匸控制方式和機械特性 通過改變定子供電頻率來改變同步轉速實現(xiàn) 對異步電動機白勺調速, 在調速過程中從高速至!J低速都可以保持有卩艮的轉差率，因而具有高效 率、寬范圍弄口高精度的調速彳生芳邑?？梢哉J為， 變頻調速是異步電動機的一種比較合理和理想的調速方法o問按變換力式原理：利用電動機的同步轉速隨頻率變化的牛寺 性，通過改變電動機的供電頻率進行調速。保證U/f二定值，可以實現(xiàn)4亙轉矩調速或4亙功率調 速。W V )在進行電機調速時，為了保持電動機的負載 負皂力， 應保持氣隙主

3、磁通川不變， 這就要求降 低供電頻率的同時降低感應電動勢，保持 B/f產常數(shù)，即保扌扌電動勢與頻車之上匕為帶數(shù) 進行控制。如杲石玆通太號號，沒有充分利用電機的鐵 是一種浪費;如果過分增大磕通， 又會使鐵心 飽和，從而導致過大的勵磁電流，嚴重時會因 繞組過熱而扌員壞電機。對于直流電機，勵石玆系統(tǒng)堤獨立的，只要對電樞反應有恰當?shù)难a償，m保持不變淫很容易 做到白勺。.對變頻調速的基本要求主、囂翳 /氣通子中電保持不變磁回路飽和，嚴重時將燒毀電機a E產444曲亦川= ！=鐵心過飽和=/( fCOS 0*f u! u0 / I =繞組過熱7；不變_變頻同時要變壓在交流異步電機中，石茲通口由定子牙口轉子

4、石玆 勢合成產生，耍保扌寺石玆通定就需耍費一些周 折了。定子毎相電動勢化=4.44/N&Ns%(61)式中：冬一氣隙磁通在定子每相中感應電動勢的有 效值，單位為V；f 定子頻率，單位為Hz；M 定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)；kjJs 基波繞組系數(shù)；m每極氣隙磁通量，單位為Wb。1. 基頻以下調速由式(6-1 )可知，只要控制汝于2和便 可達到控制磁通山 的 目的，對此. 需要考慮 基頻(額定頻率)以下和基頻以上兩種情況。E二=常值(6-2)即采用 恒值電動勢頻平比的控制方式。怛壓頻比的控制方式繞組中的感應電動勢是難以直接控偉U的，當 電動勢值較高時，可以忽略定子繞組的漏石雄阻 抗壓降，而認為定子相電壓

5、 乓 A 佗，(6-3)則得這是恒壓頻比的 控制 方式。但是，在低頻時Us牙口 Eg都較J、，定子阻 抗壓降所占白勺份量就上匕較顯著，不再負皂忽略。 這時，需要人K地扌巴電壓Us抬高一些，決便 近似地補償定子壓降O帶定子壓降味卜償?shù)?M壓頻上匕控制特，|生示于下 圖中的匕線，無味卜償?shù)目刂铺豬t貝！J為日線。 2.基頻認上謂速在基頻以上調速時，頻率應該從右“向上升高, 但定子電壓& 卻不可芳皂超過額定電壓&N，最多只能保持億 二 $，這將迫使磁通 與頻率成反匕匕歐L降低，相當于直流電機馬與石玆升 速白勺情況。圖61怛壓頻比控制特性扌巴基頻以下矛口基頻以上兩種情況的控制特4生畫在一起，如下所示。

6、如果電機在不同轉速時所帶的負載渚P矣皂使電 流達到額定值，HP渚p%邑在允許溫升下長期運彳亍, 貝!J轉矩基本上隨石玆通變化。在基頻以下，石玆通 恒定時轉矩也恒定，電石玆轉矩 Te = KmO I o 在 調壓調速范圍內，勵石玆石玆通不變，容許的輸出 磺矩也不變，屈于 “q亙轉矩調速”片生質，而在 基頻以上，在弱石玆調速范區(qū)內，轉速越高，磁 通越弱，容許輸出轉矩減力、，而容許輸出轉矩 與轉速的乘積貝u不變，即容許功率不變，為“恒功率調速方式” o圖6-2丹步電機變壓變頻調速的控制待件異步電動機的先壓變頻調速Jt進行分段控制的:基頻以下，采取恒磁恒壓頻比扌空制方式； 基頻以上， 采取4亙壓園曷磁

7、升速控偉！J方式。兩種調速方式a）基頻以下（Uf產恒量）b）基頻以上廣恒量）圖 三相異步電動機變頻調速時的機械特性異步電動機電壓一頻率協(xié)調控制時的機械特性(6-4)，1亙壓4亙頻正弦波供電時異步電動機的機械特性 / 、2 .（s& + R$ + s試（R + L/特性分析當 5艮4、時，可忽略上式分母中含s各項.貝！sen.7- X S&3 丫兀 3竹W丿當$接近于1時，可忽略式 （6-4） 分母中的也就是說，當smi )為了近似地保持氣隙磁通不變，以便充利 用電機鐵丿，發(fā)揮電機產生轉矩的另W力，在基 頻以下須采用4亙壓頻上匕控需U。這時，同步轉速 自然要隨頻率變化。(6-7)(6-8)在武(

8、6-5)可以導出所表示 8 機械牛寺性逅似直線段上,匕丁 )當 N/血為晅值時，對于同一轉矩因而A/7也是基本不變(6-9)3,7p由此可見，兀，s 雄基本不變 白勺。這就是說，在，1亙壓頻上匕白勺條件下改變頻率6Oz.=-2勿卩帶負載時的轉速降落為A 60ZA/2 = 57?0 =S3、2碼它Y門牙口直流他勵電機變壓調速時的情況基 時，機械特性基本上淫平彳亍下移，如圖6-4所刁弋o本相似。所不同的是，當轉矩土曾大到最大值以后，轉 速再降低，特性就折回來了。而且頻率越低時 最大轉矩值越小。、2Tl-nux丿R4- 可見最大轉矩7： 頻率很低時，T2(6-10)+(4s +EJ丿_ emp是甌著

9、的3)卩幸低而減刀、的o“GX太彳、將卩艮制電機的帶載矣皂力,采用 定子壓降申卜償，適當3電捉高電壓億，可以增 弓雖帶載另皂力，見圖6-4。恒覽/控制、下圖再次繪出異步電機的穩(wěn)態(tài)等效電路，圖 中幾處感應電動勢的意義如下:Eg 一 代隙（或互感）石玆通在定子每相繞組中 的感應電動勢；Es 定子全石玆通在定子每相繞組中的感應電 動勢；4 轉子全石玆通在讎子繞組中的感應電動勢 （折合到定子邊）。特性分析如果在電壓一頻率協(xié)調控制中，洽當?shù)靥岣遀、異步電動機等效電路A)圖65開步電動機忌態(tài)等效電路和感翎11動外電壓U、的數(shù)值，使它在克用I定子阻抗壓降以后， 矣邑維持Eg/之H亙值(基頻以下),貝!J由式

10、 (6- 1) 可知，夭論頻率高低，每極磁通川均為 常值。由等效電路可以看出代入電石玆轉矩關系式，(6-12)利用與前相似的分析方法，當S很小時, 忽略式 (6-12) 分母中含 S 項，貝！J(6-13)這表明機械特性的這一段近似為一條直線。當s接近于1時，可忽略式(6-12)分母中的心2項，貝耳Tc = 32 Rr 1cos 值為上述兩段的中間值時，機械特性在直*一 (6-14) so) Llr s線牙口雙曲 線之啟1逐漸過渡，整條特q生與q亙壓頻 比特性相似O但是，對比式(6-4)和式(6-12)可以看出, 恒垃/特巾生分母中含S 項的參數(shù)要小于恒 Q/特性中的同類項，電就是說，S 值要

11、更大 一些才矣皂使該項占有顯著白勺份疑，從而不矣皂被 忽略，因 此/I亙/特生的線彳生段范圍更寬。(6-15)將式(6T2)對s 求導，并令dTe/ds = 0, 可傅恒饑/ 控制特巾生在最大轉矩時的轉差率和 最大轉矩R乙r.nax(6-16)值說注意的是，在式 (6-16)中，當心/為I亙值時，7；max1亙定不變，如下圖所示，其爲叟 態(tài)片生生皂優(yōu)于4亙UJ 控帝J的I生鳥皂。這正是，|亙垃/血控制 中補償定子壓降所追求的 目標。恒/控制如果把電壓 _ 頻率協(xié)調控偉U中的電壓再進一步 提高，扌巴轉子漏抗上的壓降也扌氐消掉，彳導至PI亙 份71控制，那么，機械特性會怎樣呢？由少匕 可寫出， E

12、Ir=(6-17)r RJs機械特性曲線代入電磁轉矩基本關系式.得2SCO.(6-18)1 07；圖6-6不同電壓一頻率協(xié)調控制方式時的機械特:件3nE2T匸e 一 z 、2 S丿現(xiàn)在，不必再作任何近似就可知道，這時的機械特，1生完全是一條直線，見圖6-6o顯然，IM Er /co控制的穩(wěn)態(tài)，1生芳旨最咬冗可以獲得和直流電機一樣白勺線性機械特片生。這正 姥高生矣W交流變頻調速所要求的彳生生最現(xiàn)在的問題是，怎樣控制變頻裝置的電壓和 頻率才育皂獲得恒定的 民 /el 呢？幾種電壓一頻率協(xié)調控制方式的特性比較按照式 (6-1) 電動勢牙口石玆通的關系，可以看 出，當頻率4亙定時，電動勢與石玆通成正上

13、匕。在 式 (6-1) 中，竺隙石玆通的感應電動勢 E,對應 于氣隙磁通幅值 , 那么，轉子全碇通的感 應電動勢 & 就應該對應于轉子全石玆通4值 葉：Et = 4.44/；(6-19)由此可見，只要育皂夠按照轉子全砒Ufi 4值 OConstant 進行控制，就可以莪彳導恒坊/ 了。這正是矢謹控制系統(tǒng)所遵諸的原貝！J。4. 幾種協(xié)調控制方式的比校(1) 4亙壓頻上匕(UJcd- Constant)扌空制最容易實現(xiàn)，它的變頻機械特I生基本上是平彳亍下移, 硬度也較:$5 矣邑夠滿足一般的調速要求，但低 速帶載省皂力有些差強人愆，須對定子壓降實行 補償。(2) 恒坨/控制淫通常對恒壓頻比控制實行

14、 電壓補償討標準，可以在穩(wěn)態(tài)時達到沖二 Constant,從而改養(yǎng)了低速4生育皂。但機械特彳生 還淫線彳生白勺， 產生轉夫巨白勺身2力仍受至!J卩艮偉U。(3) 片亙厶/控制可以得到牙口直流他勵電機一 樣的線性機械特性，按照轉子全磁通Orm恒定 進彳亍控制，即得EJ(尸 Constant(6-21血（+厶月圖67肚頻以I:恒壓變頻調速的機械特:件而且，在動態(tài)中盡可負巨保持和亙定是矢量 控制系統(tǒng)的 目 標，當然實現(xiàn)起來長比較復雜的。 基頻恒壓憑 頻時的4M*倚性在基頻以上變頻調速時，由于定子電壓U = U、n不變，式 （6-4） 的機械特4生方程式可寫成T = 3n /7収 r, ?2；FI （

15、 6-20 ）1尺+尺）2+工襯（厶+厶円而式 （6-10） 的最大轉矩表達式可改寫成 T =-nU 2 r1cn,M _ 2p赧+后同步轉速的表達式仍和式（6-7） 樣。機林軫性曲線由此可見， 當角頻率提高 時，同步轉速 隨之提高，最 大轉矩減小， 機械特性上移, 而形狀基木不 變，如圖所示。由于頻率提高而電壓不變，7隙石玆通勢必減 弱，導致轉矩的減b, 但轉速升高了，可以認 為輸出功率基本不變。所以基頻以上變頻調速 屬于弱石玆恒功率調速。最后，應該扌旨出，以上所分析的機械特性都 是在正弦波電壓供電下旳I青況。如果電壓源含 有諧波, 將使機械特性受到扭曲，并增力口電機 中的損耗。因此在設計變

16、頻裝置時，應盡量減 少輸出電壓中的諧波（ 變頻器C 直流調速系統(tǒng)具有較優(yōu)層的靜、動態(tài)性皂扌旨 標，因此，在過去很長時期內，調速傳動領域 大多為直流電動機調速系統(tǒng)。吱口今，由于全控型電力電子器件（如百JT、 IGBT）的發(fā)展、SWPM專用集成芯片的開發(fā)、交 流電動機矢量變換控制技術以及單片微型計算 機的應用，使誨交流調速的性邑獲傅極大的提 高，在許多方面已經可以耳又代直流調速系統(tǒng)， 特另U是各類通用變頻器的出現(xiàn)，使交流調速已 逐漸成為 電 P專動中 的主流。5KT,市場主派的3預1種央有：ABB公司ACS系列、西門子公司的MTCROMASTER 系列和6SE70系列、富士電機公司的FRN- G9

17、S/P9S系列、三菱電機公司的FRA540/FR-F540 系列、安川公司的VS-616G5系列、三肯公司的 SAMCO-I/IP 系列等。SJKr,市場主st的奧頻4*種洪*ABB公司ACS系列、西門子公司的MTCROMASTER系列和6SE70系列、富士電機公司的FRN-G9S/P9S系列、三菱電機公司的FRA540/FR-F540系列、安川公司的VS-616G5系列、三肯公司的SAMCO-I/IP 系列等。（1）西門子(1)西門子 maMM110MM120MM130MM40圖2-1 MICROMASTER 4(MM4)系列(通用型變頻器)（1）西門子圖2-2 SIMOVERT MASTE

18、RDRIVES 6SE7系列（工程型變頻器）M13-7-10(2) ABB圖2-3 ACS600、ACS800、ACS 1000系列圖2-4 FR-A540. FR-F540、FR-A241E、FR-F700系列M13-7-1039M13-7-10M13-7-10變頻調速的優(yōu)勢（與其它交流電機調速方式對比）序號優(yōu)點1平滑軟啟動，降低啟動沖擊電流，減少變壓器占有量， 確保電機安全2在機械允許的情況下可通過提髙變頻器的輸出頻率提高 工作速度3無級調速，平滑性好，調速精度大大提高。4提高功率因數(shù).節(jié)能5非常方便接入通訊網絡控制，實現(xiàn)生產自動化控制M13-7-10變頻調速的發(fā)展歷程60年代70年代80

19、年代90年代00年代電機控制 方式及算法電力電子器件控制技術PWM技術-v/啡制-矢量控制|無速度矢塑控制 電流矢量V/F算法優(yōu)化SCR : GTRIGBTIGBT大容盤化更大容量 更高開關頻率模擬電路數(shù)字電路單片機:DSP高速DSP 專用芯片更商速率和容量；PWM技術SPWM技術空間電壓矢fi: 調制技術PWM優(yōu)化 新一代開關技術大功率傳變頻器體 動使用變積縮小.頻器，體開始在中 積大，價小功率電 恪高 機上使用超靜音變頻器開始流行 解決了 GTR噪聲問題 變頻器性能大幅提升 大批最使用，取代直流未來發(fā)展方向完美無諧波如：矩陣式變頻器M13-7-1041變頻器分類供電電源低壓220V/1PH

20、. 220V/3PH. 380V/3PH中壓660V、 1140V高壓3000、 6000、 6600、 10000V/3PH按外型塑殼變頻器（小功率）鐵殼變頻器（多為中功率）柜式、變頻器（大功率）控制方式通用,內置V/F控制方式，簡單，性能一般高性能內置矢量控制方式，復雜，高性能變換方法 （拓樸結 構）交直交電壓型（儲能環(huán)節(jié)為電解電容）電流型（儲能環(huán)節(jié)為電抗器）交-交無儲能環(huán)節(jié)“VVVF （交壓憑頻）異步電動機的變頻調速必須按照一定的規(guī)律 同時改變其定子的電壓和頻率，即必須通過變 頻裝置莪得電壓頻率均可調節(jié)的供電電叭 實 現(xiàn)所謂的VVVF （Variable Voltage Variable Freqency）調速控制。變頻器由主電路（整流器、中眉1宜流儲負巨環(huán)M1