交流电力拖动系统基础3调速课件

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1、3.8 三相异步电动机的调速,掌握基本调速方法,随着电力电子技术、微电子技术、计算机技术以及自动控制技术的飞速发展，交流调速正在取代直流调速。 交流调速在工业应用中，大体上有三大领域： 凡是能用直流调速的场合，都能改用交流调速； 直流调速达不到的，如大容量、高转速、高电压以及环境十分恶劣的场合，都能使用交流调速； 原来不调速的风机、泵类负载，采用交流调速后，可以大幅度节能。 交流电动机主要有 同步电动机； 异步电动机。 同步电动机的调速靠改变供电电源的频率改变其同步转速。,异步机电磁功率,每极转子电势的折算值,K1: 绕组系数 N1:定子每相绕组串联匝数,异步电动机的调速方法,异步电动机的转速

2、为,要改变异步电动机的转速，有三大类调速方法： 变极调速：改变定子绕组极对数p，以改变同步转速n0； 变频调速：改变供电电源频率f1，以改变同步转速n0； 改变转差率s调速。主要有以下四种： 转子电路串接电阻调速； 改变定子电压调速(降压调速)； 电磁滑差离合器调速(滑差电机/电磁调速异步电动机)； 串级调速双馈调速（转差功率回馈电网）,一、变极调速,变极调速只用于笼型电动机。,变极调速时,转速几乎是成倍变化的,调速的平滑性较差,但具有较硬的机械特性,稳定性好, 可用于恒功率和恒转矩负载.,改变三相异步电动机的极对数p，可以改变同步转速n1，从而使转速得到调节。,二、变转差率调速,1、绕线转子

3、电动机的转子串接电阻调速,绕线转子电动机的转子回路串接对称电阻时的机械特性为,从机械特性看，转子串电阻时，同步转速和最大转矩不变，但临界转差率增大。当恒转矩负载时，电机的转速随转子串联电阻的增大而减小。,设 、 、 是转子串联电阻 前的量， 、 、 是串联电阻后的量， 则转子串接的电阻为：,2、绕线转子电动机的串级调速,在绕线转子电动机的转子回路串接一个与转子电动势 同步频率的附加电动势 。,通过改变 的幅值和相位，也可实现调速，这就是串级调速。,改变电动机的电压时，机械特性为,3、调压调速,调压调速既非恒转矩调速，也非恒功率调速，它最适用于转矩随转速降低而减小的负载，如风机类负载，也可用于恒

4、转矩负载，最不适用恒功率负载。,三、变频调速 通过改变定子供电频率来改变同步转速实现对异步电动机的调速，在调速过程中从高速到低速都可以保持有限的转差率，因而具有高效率、宽范围和高精度的调速性能。可以认为，变频调速是异步电动机的一种比较合理和理想的调速方法。,原理：利用电动机的同步转速随频率变化的特性，通过改变电动机的供电频率进行调速。保,证U/f =定值，可以实现恒转矩调速或恒功率调速。 在进行电机调速时，为了保持电动机的负载能力，应保持气隙主磁通m不变，这就要求降低供电频率的同时降低感应电动势，保持E1/f1=常数，即保持电动势与频率之比为常数进行控制。 如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心

5、，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,主磁通 保持不变,变频同时要变压,磁回路饱和，严重时将烧毁电机,气隙磁通在定子绕组中感应电动势,电枢反应有恰当的补偿，m保持不变是很容易做到的。,在交流异步电机中，磁通m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,（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；,定子频率，单位为Hz；,定子每相绕组串联匝数；,基波绕组系数；,每极气隙磁通量，单位为Wb。,f1,Ns,kNs,m,1. 基频以下调速

6、 由式（1）可知，只要控制好 Eg 和 f1 ，便可达到控制磁通m 的目的，对此，需要考虑基频（额定频率）以下和基频以上两种情况。,常值 （2）,即采用恒值电动势频率比的控制方式。 恒压频比的控制方式 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 Us Eg，,则得,（3）,这是恒压频比的控制方式。 但是，在低频时 Us 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 Us 抬高一些，以便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。 2.

7、 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Us 却不可能超过额定电压,a 无补偿,b 带定子压降补偿,UsN ，最多只能保持Us = UsN ，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。 如果电机在不同转速时所带的负载都能使电流达到额定值，即都能在允许温升下长期运行，则转矩基本上随磁通变化。在基频以下，磁通恒定时转矩也恒定，电磁转矩 T = Km I 。在调压调速范围内，励磁磁通不变，容许的输出转矩也不变，属于“恒转矩调速”性质，而在基频以上，在弱磁调速范围内，转速越高，磁通越弱，容许

8、输出转矩减小，而容许输出转矩与转速的乘积则不变，即容许功率不变，为“恒功率调速方式”。,图2 异步电机变压变频调速的控制特性,Us,mN,m,异步电动机的变压变频调速是进行分段控制的： 基频以下，采取恒磁恒压频比控制方式； 基频以上，采取恒压弱磁升速控制方式。,a) 基频以下(U1/f1=恒量) b) 基频以上(U1=恒量),图三相异步电动机变频调速时的机械特性,恒压恒频正弦波供电时异步电动机的机械特性,（4）,特性分析 当s很小时，可忽略上式分母中含s各项，则,也就是说，当s很小时，转矩近似与s成正比，机械特性T=f（s）是一段直线，见图3。,异步电动机电压频率协调控制时的机械特性,（5）,

9、当 s 接近于1时，可忽略式（4）分母中的R2 ，则,（6）,即s接近于1时转矩近似与s成反比，这时， T= f（s）是对称于原点的一段双曲线。,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，如图3所示。,机械特性,基频以下电压-频率协调控制时的机械特性,由式（4）机械特性方程式可以看出，对于同一组转矩T和转速n（或转差率s）的要求，电压Us和频率1可以有多种配合。 在Us和1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（Us/1） 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

10、须采用恒压频比控制。这时，同步转速自然要随频率变化。,在式（5）所表示的机械特性近似直线段上，可以导出,（9）,带负载时的转速降落为,（8）,（7）,由此可见，当Us/1为恒值时，对于同一转矩T，s1是基本不变的，因而n也是基本不变的。这就是说，在恒压频比的条件下改变频率,1时，机械特性基本上是平行下移，如图4所示。它们和直流他励电机变压调速时的情况基本相似。 所不同的是，当转矩增大到最大值以后，转速再降低，特性就折回来了。而且频率越低时最大转矩值越小。,（10）,可见最大转矩Tmax是随着的1降低而减小的。频率很低时，Tmax太小将限制电机的带载能力，,采用定子压降补偿，适当地提高电压Us，

11、可以增强带载能力，见图4。,图4 恒压频比控制时变频调速的机械特性,补偿定子压降后的特性,恒Eg/1控制 下图再次绘出异步电机的稳态等效电路，图中几处感应电动势的意义如下： Eg 气隙（或互感）磁通在定子每相绕组中的感应电动势； Es 定子全磁通在定子每相绕组中的感应电动势； Er 转子全磁通在转子绕组中的感应电动势（折合到定子边）。 特性分析 如果在电压频率协调控制中，恰当地提高,异步电动机等效电路,电压Us的数值，使它在克服定子阻抗压降以后，能维持Eg/1为恒值（基频以下），则由式（1）可知，无论频率高低，每极磁通m均为常值。 由等效电路可以看出,（11）,代入电磁转矩关系式，得,（12）

12、,利用与前相似的分析方法，当s很小时，可忽略式（12）分母中含 s 项，则,（13）,这表明机械特性的这一段近似为一条直线。 当s 接近于1时，可忽略式（12）分母中的R22项，则,（14）,s 值为上述两段的中间值时，机械特性在直线和双曲线之间逐渐过渡，整条特性与恒压频比特性相似。,但是，对比式（4）和式（12）可以看出，恒Eg/1特性分母中含s 项的参数要小于恒 Us/1特性中的同类项，也就是说，s 值要更大一些才能使该项占有显著的份量，从而不能被忽略，因此恒Eg/1特性的线性段范围更宽。 将式（12）对s 求导，并令dT/ds = 0，可得恒Eg/1控制特性在最大转矩时的转差率和最大转矩

13、,（15）,（16）,值得注意的是，在式（16）中，当Eg/1 为恒值时，Tmax恒定不变，如下图所示，其稳态性能优于恒Us/1控制的性能。 这正是恒Eg/1控制中补偿定子压降所追求的目标。 恒Er/1控制 如果把电压频率协调控制中的电压再进一步提高，把转子漏抗上的压降也抵消掉，得到恒 Er/1控制，那么，机械特性会怎样呢？由此可写出,（17）,机械特性曲线,Temax,恒 Eg /1 控制时变频调速的机械特性,代入电磁转矩基本关系式，得,（18）,现在，不必再作任何近似就可知道，这时的机械特性完全是一条直线，见图6。 显然，恒 Er /1 控制的稳态性能最好，可以获得和直流电机一样的线性机械

14、特性。这正是高性能交流变频调速所要求的性能。 现在的问题是，怎样控制变频装置的电压和频率才能获得恒定的 Er /1 呢？,几种电压频率协调控制方式的特性比较,图6 不同电压频率协调控制方式时的机械特性,恒 Er /1 控制,恒 Eg /1 控制,恒 Us /1 控制,a,b,c,按照式（1）电动势和磁通的关系，可以看出，当频率恒定时，电动势与磁通成正比。在式（1）中，气隙磁通的感应电动势 Eg 对应于气隙磁通幅值 m ，那么，转子全磁通的感应电动势 Er 就应该对应于转子全磁通幅值 rm ：,（19）,由此可见，只要能够按照转子全磁通幅值rm=Constant 进行控制，就可以获得恒Er/1了

15、。这正是矢量控制系统所遵循的原则。 4几种协调控制方式的比较 （1）恒压频比（Us/1= Constant）控制最容,易实现，它的变频机械特性基本上是平行下移，硬度也较好，能够满足一般的调速要求，但低速带载能力有些差强人意，须对定子压降实行补偿。 （2）恒Eg/1控制是通常对恒压频比控制实行电压补偿的标准，可以在稳态时达到rm= Constant，从而改善了低速性能。但机械特性还是非线性的，产生转矩的能力仍受到限制。 （3）恒Er/1控制可以得到和直流他励电机一样的线性机械特性，按照转子全磁通rm恒定进行控制，即得 Er/1= Constant,而且，在动态中尽可能保持rm恒定是矢量控制系统的

16、目标，当然实现起来是比较复杂的。,基频以上恒压变频时的机械特性 在基频以上变频调速时，由于定子电压 Us= UsN 不变，式（4）的机械特性方程式可写成,（20）,而式（10）的最大转矩表达式可改写成,（21）,同步转速的表达式仍和式（7）一样。,机械特性曲线,恒功率调速,由此可见，当角频率提高时，同步转速随之提高，最大转矩减小，机械特性上移，而形状基本不变，如图所示。,图7 基频以上恒压变频调速的机械特性,由于频率提高而电压不变，气隙磁通势必减弱，导致转矩的减小，但转速升高了，可以认为输出功率基本不变。所以基频以上变频调速属于弱磁恒功率调速。 最后，应该指出，以上所分析的机械特性都是在正弦波电压供电下的情况。如果电压源含有谐波，将使机械特性受到扭曲，并增加电机中的损耗。因此在设计变频装置时，应尽量减少输出电压中的谐波。,