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1、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 m 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， 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,（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；,定子频率，单位为Hz
2、；,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,由式（6-1）可知，要保持 m 不变，当频率 f1 从额定值 f1N 向下调节时，必须同时降低 Eg ，使,常值 （6-2）,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,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 （6-3） 这是恒压频比的控制方式。,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
3、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,a 无补偿,b 带定子压降补偿,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,图6-2 异步电机变压变频调速的控制特性,Us,mN,m,6.2.1 恒压恒频控制异步电动机的机械特性,当定子电压 U1 和电源角频率 1 恒定时
4、，可以将5-1式改写成如下形式：,（6-4）,6.2 异步电动机电压和频率协调控制时 的机械特性,特性分析,当s很小时，可忽略上式分母中含s各项，则 （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）,当 s 接近于1时，可忽略式（6-4）分母中的R2 ，则,（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,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。,sm,图6-3 恒压恒频时异步电机的机械特性,6.2.2
5、 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 1 可以有多种配合。 在 U1 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（ U1 /1 ）,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。,（6-7）,在式（6-5）所表示的机械特性近似直线段上，可以导出,（6-9）,带负载时的转速降落为,（6-8）,由此可见，当 U1
6、 /1 为恒值时，对于同一转矩 Te ，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6-4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，可参看第5章式（5-5），对式（5-5）稍加整理后可得,（6-10）,可见最大转矩 Temax 是随着的 1 降低而减小的。频率很低时，Temax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U1，可以增强带载能力，见图6-4。,恒压频比控制时变频调速的机械特性,图6-4
7、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,2. 恒 EG /1 控制,图6-5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 在转子绕组中的感应电动势 （折合到定转子全磁通子边）。,异步电动机等效电路,特性分析,如果在电压频率协调控制中，恰当地提高电压 U1 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（6-1）可知，无论频率高低，每极磁通 m 均为常值。,特性分析（续）,由等效电路可以看出,（6-11）,代入电磁
8、转矩关系式，得,（6-12）,利用与前相似的分析方法，当s很小时，可忽略式（6-12）分母中含 s 项，则,（6-13）,这表明机械特性的这一段近似为一条直线。,特性分析（续）,当 s 接近于1时，可忽略式（6-12）分母中的 R22 项，则,（6-14）,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。,特性分析（续）,性能比较（续）,但是，对比式（6-4）和式（6-12）可以看出，恒 Eg /1 特性分母中含 s 项的参数要小于恒 U1 /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
9、 特性的线性段范围更宽。,将式（6-12）对 s 求导，并令 dTe / ds = 0，可得恒Eg /1控制特性在最大转矩时的转差率,（6-15）,和最大转矩,（6-16）,性能比较（续）,值得注意的是，在式（6-16）中，当Eg /1 为恒值时，Temax 恒定不变，如下图所示，其稳态性能优于恒 U1 /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。,性能比较（续）,机械特性曲线,Temax,图6-6 恒 Eg /1 控制时变频调速的机械特性,3. 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
10、，那么，机械特性会怎样呢？由此可写出,（6-17）,代入电磁转矩基本关系式，得,（6-18）,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6-7。,几种电压频率协调控制方式的特性比较,图6-7 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 U1 /1 控制,a,b,c,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？,按照式（6-1）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
11、成正比。在式（6-1）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 ：,（6-19）,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。,4几种协调控制方式的比较,综上所述，在正弦波供电时，按不同规律实现电压频率协调控制可得不同类型的机械特性。,（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
12、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，在动态中也尽可能保持 rm 恒定是矢量控制系统的目标，当然实现起来是比较复杂的。,6.2.3 基频以上恒压变频时的机械特性,性能分析 在基频以上变频调速时，由于定子电压 U1= U1N 不变，式（6-4）的机械特性方程式可写成,（6-20）,而式（6-10）的最大转矩表达式可改写成 （6-2
13、1） 同步转速的表达式仍和式（6-7）一样。,性能分析 （续）,基频以上恒压变频调速的机械特性曲线,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6-8 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。,*6.3 电力电子变压变频
14、器的主要类型,本节提要 交-直-交和交-交变压变频器 电压源型和电流源型逆变器 180导通型和120导通型逆变器, 引 言,如前所述，对于异步电机的变压变频调速，必须具备能够同时控制电压幅值和频率的交流电源，而电网提供的是恒压恒频的电源，因此应该配置变压变频器，又称VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）装置。,最早的VVVF装置是旋转变频机组，即由直流电动机拖动交流同步发电机，调节直流电动机的转速就能控制交流发电机输出电压和频率。自从电力电子器件获得广泛应用以后，旋转变频机组已经无例外地让位给静止式的变压变频器了。,*6.3.1 交-直-交和交-交变
15、压变频器,从整体结构上看，电力电子变压变频器可分为交-直-交和交-交两大类。 1.交-直-交变压变频器 交-直-交变压变频器先将工频交流电源通过整流器变换成直流，再通过逆变器变换成可控频率和电压的交流，如下图所示。,交-直-交变压变频器基本结构,图6-9 交-直-交（间接）变压变频器,由于这类变压变频器在恒频交流电源和变频交流输出之间有一个“中间直流环节”，所以又称间接式的变压变频器。 具体的整流和逆变电路种类很多，当前应用最广的是由二极管组成不控整流器和由功率开关器件（P-MOSFET，IGBT等）组成的脉宽调制（PWM）逆变器，简称PWM变压变频器，如下图所示。,交-直-交PWM变压变频器
16、基本结构,图6-10 交-直-交PWM变压变频器,变压变频 (VVVF),中间直流环节,恒压恒频 (CVCF),PWM 逆变器,DC,AC,AC,50Hz,调压调频,C,PWM变压变频器的应用之所以如此广泛，是由于它具有如下的一系列优点： （1）在主电路整流和逆变两个单元中，只有逆变单元可控，通过它同时调节电压和频率，结构简单。采用全控型的功率开关器件，只通过驱动电压脉冲进行控制，电路也简单，效率高。,（2）输出电压波形虽是一系列的PWM波，但由于采用了恰当的PWM控制技术，正弦基波的比重较大，影响电机运行的低次谐波受到很大的抑制，因而转矩脉动小，提高了系统的调速范围和稳态性能。,（3）逆变器同时实现调压和调频，动态响应不受中间直流环节滤波器参数的影响，系统的动态性能也得以提高。 （4）采用不可控的二极管
