電力拖動自動控制系統(tǒng)(第3版)(陳伯時)第12講課件

第

6章籠型異步電機變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)（VVVF系統(tǒng)）

——轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速系統(tǒng)

6.1

變壓變頻調(diào)速的基本控制方式

6.2異步電動機電壓-頻率協(xié)調(diào)控制時的機械特性

第12講

概述

異步電機的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)一般簡稱為變頻調(diào)速系統(tǒng)。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。6.1變壓變頻調(diào)速的基本控制方式

在進行電機調(diào)速時，常須考慮的一個重要因素是：希望保持電機中每極磁通量m為額定值不變。如果磁通太弱，沒有充分利用電機的鐵心，是一種浪費；如果過分增大磁通，又會使鐵心飽和，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。對于直流電機，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。

定子每相電動勢（6-1）

式中：Eg—氣隙磁通在定子每相中感應(yīng)電動勢的有效值，單位為V；

—定子頻率，單位為Hz；

—定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)；

—基波繞組系數(shù)；

—每極氣隙磁通量，單位為Wb。

f1NskNsm

由式（6-1）可知，只要控制好Eg和f1，便可達到控制磁通m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。

1.基頻以下調(diào)速

由式（6-1）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Eg，使常值

（6-2）

即采用恒值電動勢頻率比的控制方式。

恒壓頻比的控制方式

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（6-3）

這是恒壓頻比的控制方式。

但是，在低頻時Us和Eg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。帶定子壓降補償?shù)暮銐侯l比控制特性示于下圖中的b

線，無補償?shù)目刂铺匦詣t為a

線。

OUsf1圖6-1

恒壓頻比控制特性帶壓降補償?shù)暮銐侯l比控制特性UsNf1Na

—無補償

b

—帶定子壓降補償

2.基頻以上調(diào)速

在基頻以上調(diào)速時，頻率應(yīng)該從f1N向上升高，但定子電壓Us卻不可能超過額定電壓UsN，最多只能保持Us=UsN，這將迫使磁通與頻率成反比地降低，相當(dāng)于直流電機弱磁升速的情況。把基頻以下和基頻以上兩種情況的控制特性畫在一起，如下圖所示。

f1N

變壓變頻控制特性圖6-2異步電機變壓變頻調(diào)速的控制特性

恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速UsUsNΦmNΦm恒功率調(diào)速ΦmUsf1O

如果電機在不同轉(zhuǎn)速時所帶的負載都能使電流達到額定值，即都能在允許溫升下長期運行，則轉(zhuǎn)矩基本上隨磁通變化，按照電力拖動原理，在基頻以下，磁通恒定時轉(zhuǎn)矩也恒定，屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”性質(zhì)，而在基頻以上，轉(zhuǎn)速升高時轉(zhuǎn)矩降低，基本上屬于“恒功率調(diào)速”。6.2異步電動機電壓－頻率協(xié)調(diào)控制時

的機械特性本節(jié)提要恒壓恒頻正弦波供電時異步電動機的機械特性基頻以下電壓-頻率協(xié)調(diào)控制時的機械特性基頻以上恒壓變頻時的機械特性恒流正弦波供電時的機械特性6.2.1恒壓恒頻正弦波供電時異步電動機的

機械特性

第5章式（5-3）已給出異步電機在恒壓恒頻正弦波供電時的機械特性方程式

Te=f(s)。當(dāng)定子電壓Us和電源角頻率1恒定時，可以改寫成如下形式：

（6-4）

特性分析當(dāng)s很小時，可忽略上式分母中含s各項，則（6-5）也就是說，當(dāng)s很小時，轉(zhuǎn)矩近似與

s成正比，機械特性Te=f（s）是一段直線，見圖6-3。

特性分析（續(xù)）

當(dāng)s接近于1時，可忽略式（6-4）分母中的Rr'，則

（6-6）即s接近于1時轉(zhuǎn)矩近似與s成反比，這時，Te=f（s）是對稱于原點的一段雙曲線。

機械特性

當(dāng)s為以上兩段的中間數(shù)值時，機械特性從直線段逐漸過渡到雙曲線段，如圖所示。smnn0sTe010TeTemaxTemax圖6-3恒壓恒頻時異步電機的機械特性6.2.2基頻以下電壓-頻率協(xié)調(diào)控制時的

機械特性

由式（6-4）機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。1.恒壓頻比控制（Us/1）

在第

6-1節(jié)中已經(jīng)指出，為了近似地保持氣隙磁通不變，以便充分利用電機鐵心，發(fā)揮電機產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的能力，在基頻以下須采用恒壓頻比控制。這時，同步轉(zhuǎn)速自然要隨頻率變化。

（6-7）

在式（6-5）所表示的機械特性近似直線段上，可以導(dǎo)出

（6-9）

帶負載時的轉(zhuǎn)速降落為

（6-8）

由此可見，當(dāng)Us/1為恒值時，對于同一轉(zhuǎn)矩Te，s1是基本不變的，因而n也是基本不變的。這就是說，在恒壓頻比的條件下改變頻率1時，機械特性基本上是平行下移，如圖6-4所示。它們和直流他勵電機變壓調(diào)速時的情況基本相似。

所不同的是，當(dāng)轉(zhuǎn)矩增大到最大值以后，轉(zhuǎn)速再降低，特性就折回來了。而且頻率越低時最大轉(zhuǎn)矩值越小，可參看第5章式（5-5），對式（5-5）稍加整理后可得

（6-10）

可見最大轉(zhuǎn)矩Temax是隨著的1降低而減小的。頻率很低時，Temax太小將限制電機的帶載能力，采用定子壓降補償，適當(dāng)?shù)靥岣唠妷篣s，可以增強帶載能力，見圖6-4。

機械特性曲線On圖6-4恒壓頻比控制時變頻調(diào)速的機械特性補償定子壓降后的特性2.恒Eg/1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(yīng)電動勢的意義如下：Eg

—氣隙（或互感）磁通在定子每相繞組中的感應(yīng)電動勢；Es

—定子全磁通在定子每相繞組中的感應(yīng)電動勢；Er

—轉(zhuǎn)子全磁通在轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電動勢（折合到定子邊）。圖6-5異步電動機穩(wěn)態(tài)等效電路和感應(yīng)電動勢

Us1RsLlsL’lrLmR’r/sIsI0I’r

異步電動機等效電路EgEsEr

特性分析

如果在電壓－頻率協(xié)調(diào)控制中，恰當(dāng)?shù)靥岣唠妷篣s的數(shù)值，使它在克服定子阻抗壓降以后，能維持Eg/1為恒值（基頻以下），則由式（6-1）可知，無論頻率高低，每極磁通m均為常值。

特性分析（續(xù)）由等效電路可以看出

（6-11）代入電磁轉(zhuǎn)矩關(guān)系式，得（6-12）

特性分析（續(xù)）

利用與前相似的分析方法，當(dāng)s很小時，可忽略式（6-12）分母中含s項，則

（6-13）

這表明機械特性的這一段近似為一條直線。特性分析（續(xù)）

當(dāng)s接近于1時，可忽略式（6-12）分母中的Rr'2項，則

（6-14）

s值為上述兩段的中間值時，機械特性在直線和雙曲線之間逐漸過渡，整條特性與恒壓頻比特性相似。

性能比較

但是，對比式（6-4）和式（6-12）可以看出，恒Eg/1特性分母中含s項的參數(shù)要小于恒Us/1特性中的同類項，也就是說，s值要更大一些才能使該項占有顯著的份量，從而不能被忽略，因此恒Eg/1特性的線性段范圍更寬。性能比較（續(xù)）

將式（6-12）對s求導(dǎo)，并令dTe/ds=0，可得恒Eg/1控制特性在最大轉(zhuǎn)矩時的轉(zhuǎn)差率

（6-15）

和最大轉(zhuǎn)矩（6-16）性能比較（續(xù)）

值得注意的是，在式（6-16）中，當(dāng)Eg/1為恒值時，Temax恒定不變，如下圖所示，其穩(wěn)態(tài)性能優(yōu)于恒Us/1控制的性能。這正是恒Eg/1控制中補償定子壓降所追求的目標(biāo)。

機械特性曲線OnTemax恒Eg/1控制時變頻調(diào)速的機械特性3.恒Er/1控制

如果把電壓－頻率協(xié)調(diào)控制中的電壓再進一步提高，把轉(zhuǎn)子漏抗上的壓降也抵消掉，得到恒Er/1控制，那么，機械特性會怎樣呢？由此可寫出

（6-17）

代入電磁轉(zhuǎn)矩基本關(guān)系式，得

（6-18）

現(xiàn)在，不必再作任何近似就可知道，這時的機械特性完全是一條直線，見圖6-6。0s10Te

幾種電壓－頻率協(xié)調(diào)控制方式的特性比較圖6-6不同電壓－頻率協(xié)調(diào)控制方式時的機械特性恒Er/1控制恒Eg/1控制恒Us/1控制ab

c

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一樣的線性機械特性。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？

按照式（6-1）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（6-1）中，氣隙磁通的感應(yīng)電動勢Eg對應(yīng)于氣隙磁通幅值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：（6-19）

由此可見，只要能夠按照轉(zhuǎn)子全磁通幅值rm=Constant進行控制，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，下面在第6-7節(jié)中將詳細討論。

4．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械特性。

（1）恒壓頻比（Us/1=Constant）控制最容易實現(xiàn)，它的變頻機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人意，須對定子壓降實行補償。

（2）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)時達到rm=Constant，從而改善了低速性能。但機械特性還是非線性的，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的能力仍受到限制。

（3）恒Er/1控制可以得到和直流他勵電機一樣的線性機械特性，按照轉(zhuǎn)子全磁通rm恒定進行控制，即得

Er/1=Constant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。6.2.3基頻以上恒壓變頻時的機械特性

性能分析

在基頻以上變頻調(diào)速時，由于定子電壓Us=UsN不變，式（6-4）的機械特性方程式可寫成

（6-20）

性能分析（續(xù)）

而式（6-10）的最大轉(zhuǎn)矩表達式可改寫成（6-21）

同步轉(zhuǎn)速的表達式仍和式（6-7）一樣。

機械特性曲線恒功率調(diào)速O<<<

由此可見，當(dāng)角頻率提高時，同步轉(zhuǎn)速隨之提高，最大轉(zhuǎn)矩減小，機械特性上移，而形狀基本不變，如圖所示。圖6-7基頻以上恒壓變頻調(diào)速的機械特性

由于頻率提高而電壓不變，氣隙磁通勢必減弱，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩的減小，但轉(zhuǎn)速升高了，可以認(rèn)為輸出功率基本不變。所以基頻以上變頻調(diào)速屬于弱磁恒功率調(diào)速。最后，應(yīng)該指出，以上所分析的機械特性都是在正弦波電壓供電下的情況。如果電壓源含有諧波，將使機械特性受到扭曲，并增加電機中的損耗。因此在設(shè)計變頻裝置時，應(yīng)盡量減少輸出電壓中的諧波。

6.2.4恒流正弦波供電時的機械特性

在變頻調(diào)速時，保持異步電機定子電流的幅值恒定，叫作恒流控制，電流幅值恒定是通過帶PI調(diào)節(jié)器的電流閉環(huán)控制實現(xiàn)的，這種系統(tǒng)不僅安全可靠而且具有良好的動靜態(tài)性能。恒流供電時的機械特性與上面分析的恒壓機械特性不同，現(xiàn)進行分析。

轉(zhuǎn)子電流計算設(shè)電流波形為正弦波，即忽略電流諧波，由異步電動機等效電路圖所示的等效電路在恒流供電情況下可得轉(zhuǎn)子電流計算（續(xù)）電流幅值為（6-22）

電磁轉(zhuǎn)矩公式將式（6-22）代入電磁轉(zhuǎn)矩表達式得（6-23）

最大轉(zhuǎn)矩及其轉(zhuǎn)差率

取dTe/dt=0，可求出恒流機械特性的最大轉(zhuǎn)矩值（6-24）產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩時的轉(zhuǎn)差率為（6-25）

機械特性曲線

按上式繪出不同電流、不同頻率下的恒流機械特性示于圖6-8。圖6-8恒流供電時異步電動機的機械特性TeOn

性能比較

第5章式（5-4）和（5-5）給出了恒壓機械特性的最大轉(zhuǎn)差率和最大轉(zhuǎn)矩，現(xiàn)再錄如下：（5-4）（5-5）性能比較（續(xù)）

比較恒流機械特性與恒壓機械特性，由上述表達式和特性曲線可得以下的結(jié)論：（1）恒流機械特性與恒壓機械特性的形狀相似，都有理想空載轉(zhuǎn)速點（s=0，Te=0）和最大轉(zhuǎn)矩點（sm，Temax）