第六章-交流电动机调速及变频原理

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1、交流电动机调速系统,第六章 交流电动机调速及变频原理,交流电动机调速系统,教 学 内 容,交流电动机调速系统,学 习 目 标,概,述,直流电力拖动和交流电力拖动在19世纪先后诞生。在20世纪 上半叶的年代里，鉴于直流拖动具有优越的调速性能，高性 能可调速拖动都采用直流电机，而约占电力拖动总容量80%以 上的不变速拖动系统则采用交流电机。 交流调速系统的多种方案虽然早已问世，并已获得实际应 用，但其性能却始终无法与直流调速系统相比。 随着电力电子技术的发展，使得采用电力电子变换器的交流 拖动系统得以实现，特别是大规模集成电路和计算机控制的 出现，高性能交流调速系统便应运而生。,交流电动机调速系统

2、,直流电机的缺点: 直流电机具有电刷和换相器因而必须经常 检查维修； 换向火花使直流电机的应用环境受到限 制； 换向能力限制了直流电机的容量和速度。 交流电机没有上面的弱点。 目前，交流拖动控制系统已经成为当前电力 拖动控制的主要发展方向。,交流电动机调速系统, 交流拖动控制系统的应用领域 主要有三个方面： 一般性能的节能调速 高性能的交流调速系统和伺服系统 特大容量、极高转速的交流调速,交流电动机调速系统,1. 一般性能的节能调速 应用数量巨大：风机、水泵等通用机械的容量几乎 占工业电力拖动总容量的一半以上； 过去的调速运行手段：因为过去的交流拖动调速比 较困难，不得不依赖挡板和阀门来调节送

3、风和供水 的流量，因而把许多电能白白地浪费了； 如果采用交流调速系统，把消耗在挡板和阀门上的 能量节省下来，每台风机、水泵平均都可以节约 20 30% 以上的电能，效果是很可观的。 风机、水泵的调速范围和对动态快速性的要求都不 高，只需要一般的调速性能。,交流电动机调速系统,2. 高性能的交流调速系统和伺服系统 许多在工艺上需要调速的生产机械过去多用直流拖动； 由于交流电机比直流电机结构简单、成本低廉、工作可靠、维护方便、惯量小、效率高，如果改成交流拖动，显然能够带来不少的效益。 由于交流电机原理上的原因，其电磁转矩难以像直流 电机那样通过电枢电流施行灵活的实时控制。 20世纪70年代初发明了

4、矢量控制技术，通过坐标变换，把交流电机的定子电流分解成转矩分量和励磁分量，用来分别控制电机的转矩和磁通，就可以获得和直流电机相仿的高动态性能。 又出现了直接转矩控制、解耦控制等方法，形成了一系列高性能交流调速系统和交流伺服系统。,交流电动机调速系统,3. 特大容量、极高转速的交流调速 直流电机的换向能力限制了它的容量转速积不超过 106 kW r /min，超过这一数值时，其设计与制造就 非常困难了。 交流电机没有换向器，不受这种限制，因此，特大 容量的电力拖动设备，如厚板轧机、矿井卷扬机 等，以及极高转速的拖动，如高速磨头、离心机 等，都以采用交流调速为宜。,交流电动机调速系统,交流调速系统

5、的主要类型 交流电机主要分为异步电机（即感应电机）和同步电机两大类，每类电机又有不同类型的调速系统。 现有文献中介绍的异步电机调速系统种类繁多，可按照不同的角度进行分类。,交流电动机调速系统,交流电动机调速系统,由异步电动机的转速公式：,可知，异步电动机有下列三种基本调速方法：,（1）改变定子极对数 调速。,（2）改变电源频率 调速。,（3）改变转差率 调速。,交流电动机调速系统,不变型，有级调速,馈送型，设备费用高,异步电动机的调速方式：,交流电动机调速系统,6.1.1 变频调速,交流变频调速技术的原理是把工频50Hz的交流电转换成频率和电压可调的交流电，通过改变交流异步电动机定子绕组的供电

6、频率，在改变频率的同时也改变电压，从而达到调节电动机转速的目的。,变频器在英文译名是VFD（Variable-frequency Drive）。 变频器在中、韩等亚洲地区受日本厂商影响而曾被称作VVVF（Variable Voltage Variable Frequency Inverter）。,交流电动机调速系统,它与直流调速系统相比具有以下显著优点：,（1）变频调速装置的大容量化。 （2）变频调速系统调速范围宽，能平滑调速，其调速静态精度及动态品质好。 （3）变频调速系统可以直接在线起动，起动转矩大，起动电流小，减小了对电网和设备的冲击，并具有转矩提升功能，节省软起动装置。,交流电动机调速

7、系统,（4）变频器内置功能多，可满足不同工艺要求；保护功能完善，能自诊断显示故障所在，维护简便；具有通用的外部接口端子，可同计算机、PLC联机，便于实现自动控制。 （5）变频调速系统在节约能源方面有着很大的优势，是目前世界公认的交流电动机的最理想、最有前途的调速技术。其中以风机、泵类负载的节能效果最为显著，节电率可达到20%60。,交流电动机调速系统,软起动器和变频器是两种完全不同用途的产品。 变频器是用于需要调速的地方，其输出不但改变电压而且同时改变频率； 软起动器实际上是个调压器，用于电机起动时，输出只改变电压并没有改变频率。 变频器具备所有软起动器功能，但它的价格比软起动器贵得多，结构也

8、复杂得多。,交流电动机调速系统,6.1.2变极调速,磁极对数 p 的改变，取决于电动机定子绕组的结构和接线。通过改变定子绕组的接线，就可以改变电动机的磁极对数。,电动机的同步转速取决于磁场的极对数,交流电动机调速系统,U相两个线圈，顺向串联，定子绕组产生4极磁场。,反向串联和反向并联，定子绕组产生2极磁场。,以4极变2极为例：,交流电动机调速系统,目前，我国多极电动机定子绕组联绕方式常用的有两种：一种是从星形改成双星形，写作Y/YY，如图6-3所示；,Y-YY后,电动机极数减少一半,转速增大一倍,即 ，容许输出功率增大一倍，而容许输出转矩保持不变，所以这种变极调速属于恒转矩调速，它适用于恒转矩

9、负载。,变极时，调换相序，以保证变极调速以后，电动机转动方向不变。,交流电动机调速系统,另一种是从三角形改成双星形，写作/YY，如图6-4所示，这两种接法可使电动机极对数减少一半。,-YY后,极数减少一半,转速增大一倍,即 ，容许输出功率近似不变，所以这种变极调速属于恒功率调速，它适用于恒功率负载。,变极时，调换相序，以保证变极调速以后，电动机转动方向不变。,交流电动机调速系统,变极调速只用于笼型电动机。,这种方法的缺点是十分明显的:一台电动机最多只能安置两套绕组，每套绕组最多只能有两种接法。所以最多只能得到4种转速，与所要求的无级调速相去甚远。 只适用于笼型异步电动机。这种调速方法简单，但电

10、动机结构复杂，较少应用。,交流电动机调速系统,6.1.3 变转差率调速,1.改变定子电压调速 交流调压调速,异步电动机的机械特性方程式:,其中：p为电机极对数； U1为相电压有效值 R1为定子每相绕组的内阻 Ll1为每相漏感 R2为折算到定子侧的每相电阻 Ll2为折算到定子侧的漏感,电机参数一定，当S ，f1不变时，T仅与 U1有关。,交流电动机调速系统,N=N0，S=0，T=0,N=NN，S=SN，T=TN,N0,NN,TN,Tm,Sm,交流电动机调速系统,调压调速的机械特性,n0,（1）异步电动机调压调速时存在的问题 1）改变定子调压时调速范围不大（恒转矩负载）。如图1、2、3点。 2）低

11、速时运行稳定性不好，如带风机类负载时，可得到较大的调速范围（如abc点），转子电流相应增大。为了既低速运行稳定又不致过热，要求电动机转子绕组有较高的电阻。,0,当s一定时， T U 2 ，改变U1得到一组不同的人为特性。在带恒转矩负载TZ时，可得到不同的稳定转速，如下图中的1、2、3点。,同步转速n0不变，临界转差率Sm不变,交流电动机调速系统,（2）解决问题的措施 使用高转子电阻的电机。高转子电阻电机的机械特性如图所示机械特性变软。,高转子电阻异步电动机在不同电压下的机械特性,可见：恒转矩负载下，调速范围变大，转子电流减小。,交流电动机调速系统,如下左图所示。单相调压电路如右图所示。,晶闸管

12、单相调压电路,晶闸管相位控制下的负载电压波形,通过改变晶闸管的导通角来改变输出交流电压的大小。,获取交流电源的方法,交流电动机调速系统,晶闸管三相交流调压电路如图所示。这种电路接法的特点是负载输出谐波分量低，适用于低电压大电流的场合。,三相全波星形联结的调压电路,交流电动机调速系统,（3）采用转速负反馈闭环调速系统（既保证低速时机械特性硬度，又保证一定负载能力）。 转子电阻的增大使调速范围扩大，机械特性变软，转速转差率变大。解决方法：采用带速度负反馈的闭环控制。,（a）原理图,交流电动机调速系统,（4）调压调速系统闭环静态结构图,调压调速系统静态结构框图,它与单闭环直流调速系统的静态结构框图非

13、常相似，只 要将直流调速系统中的晶闸管整流器、直流电动机换成 晶闸管交流调压器（图中的晶闸管调压装置）、异步电 动机即可。,交流电动机调速系统,交流调压调速是通过改变电动机定子外加电压从而改变转差率S进行调速的。它是一种简单、可靠、价格便宜的调速方法，但其调速特性软，低速时转差功率损耗大，效率较低。交流调压调速常采用晶闸管组成的交流调压调速系统。,小结,交流电动机调速系统,轻载调速范围不大,2.绕线式异步电动机转子串电阻调速,绕线式异步电动机转子串电阻的机械特性如图所示。转子串电阻时同步转速和最大转矩Tm不变，临界转差率增大。,0,n=n0(1-s),交流电动机调速系统,转子串电阻调速的优点是

14、： 设备简单，主要用于中、小容量的绕线式异步电动机如桥式起重机等。 缺点是： 转子绕组需经过电刷引出，属于有级调速，平滑性差；由于转子中电流很大，在串接电阻上产生很大损耗，所以电动机的效率很低，机械特性较软，调速精度差。,交流电动机调速系统,3.绕线式异步电动机在转子回路中串级调速,在转子回路中串入与转子电势同频率的附加电势，通 过改变附加电势的幅值和相位实现调速。,其优点是： 可以通过某种控制方式，使转子回路的能量回馈到电网，从而提高效率；在适当的控制方式下，可以实现低同步或高同步的连续调速。 缺点是： 只能适应于绕线式异步电动机，且控制系统相对复杂。,交流电动机调速系统,6.1.3 电磁转

15、差离合器调速（异步电动机本身并不调速）,电磁转差离合器调速系统是由笼型异步电动机、电磁转差离合器以及控制装置组合而成。,（一）电磁转差离合器的基本结构与工作原理,电枢由笼型异步电动机以恒速带动，称主动部分,晶闸管控制装置通过对电磁转差离合器的励磁电流的控制，实现对从动部分磁极与负载的转速调节,交流电动机调速系统,（1）电磁转差离合器的转速和转向 1）从动轴的转速n取决于励磁电流的大小； 2）从动轴的转向则取决于原动机的转向。 电磁转差离合器本身并不是一个电动机，它只是一种传递功率的装置。,电磁转差离合器的机械特性,n1原动机转速； Te电磁转差离合器轴上输出转矩； IL电磁转差离合器的励磁电流

16、；,交流电动机调速系统,（2）电磁转差离合器闭环调速系统 电磁转差离合器的机械特性很软，实际使用时都加上转速负反馈控制，从而可获得10:1的调速范围。闭环系统的组成与相应的静特性如下图所示。,交流电动机调速系统,1)优点： l 线路简单，价格便宜； l速度负反馈后调速相当精确（平滑调速）。,2)缺点： l 低速运行时损耗较大（增加了滑差离合器）； l调速效率较低。,交流电动机调速系统,1变频调速的条件,三相异步电动机定子绕组的反电动势E1的表达式为 :,Eq=4.441N1kN1m=U1+U,式中: Eq气隙磁通在定子每相绕组中感应电动势有效值； N1 定子每相绕组的匝数； kN1定子绕组的基波绕组系数， kN1 1； 1 定子绕组感应电动势的频率，即电源的频率； m 主磁通； U1 定子相电压。,可见： Eq1m 将U忽略，则Eq