《异步电动机变压变频调速原理和按稳态模型控制的转差功率不变调速系统》由会员分享，可在线阅读，更多相关《异步电动机变压变频调速原理和按稳态模型控制的转差功率不变调速系统（13页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第 章异步电动机变压变频调速原理和按稳态模型控制的转差功率不变型调速系统在各种异步电动机调速系统中，调速性能最好而且现在应用最广的系统是变压变频调速系统。在这种系统中，要调节电动机的转速，须同时调节定子供电电源的电压和频率，使机械特性平滑地上下移动，而转差功率不变，调速时不致增加转差功率的消耗，因此可以获得很高的运行效率。但作为这种系统的供电电源，需要一台专用的变压变频电源装置，因而增加了系统的成本，不过由于交流调速已日益普及，对变压变频器的需求量不断增长，加上市场竞争的因素，其售价已逐渐走低。从第 章到第 章，本书将重点论述这一类系统，本章首先阐明异步电动机变压变频调速的基本原理和按稳态模型
2、控制的转差功率不变型调速系统。 异步电动机变压变频调速的基本控制方式在进行电动机调速时，常须考虑的一个重要因素就是：希望保持电动机中每极磁通量 为额定值不变。如果磁通太弱，没有充分利用电动机的铁心，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动机。对于直流电动机，励磁系统是独立的，只要对电枢反应有恰当的补偿，保持 不变是很容易做到的。在交流异步电动机中，磁通是由定子和转子磁动势合成产生的，要保持磁通恒定就比较费事了。我们知道，三相异步电动机定子每相电动势的有效值是 （ ）式中 气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值 （ ） ； 定子频率 （
3、） ； 定子每相绕组串联匝数； 定子基波绕组系数； 每极气隙磁通量 （ ） 。由式 （ ）可知，只要控制好电动势 和频率 ，便可达到控制磁通 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。 基频以下调速由式 （ ）可知，要保持 不变，当频率 从额定值 向下调节时，必须同时降低电动势 ，使 常值（ ）即采用电动势频率比为恒值的控制方式。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 ，则得 常值（ ）这是恒压频比的控制方式。低频时，和 都较小，定子漏磁阻抗压降所占的分量比较显著，不能再忽图 恒压频比控制特性 无补偿
4、 带定子压降补偿略。这时，可以人为地把电压 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如图 的特性 所示，无补偿的控制特性则如特性 所示。在实际应用中，由于负载大小不同，需要补偿的定子压降值也不一样，在控制软件中，须备有不同斜率的补偿特性，以便用户选择。 基频以上调速在基频以上调速时，频率应该从 向上升高，但定子电压 却不可能超过额定电压 ，最多只能保持 ，这将迫使磁通与频率成反比地降低，相当于直流电动机弱磁升速的情况。把基频以下和基频以上两种情况的控制特性画在一起，如图 所示。如果电动机在不同转速时所带的负载都能使电流达到额定值，即都能使电动机在允许温升下长期运行，则
5、转矩基本上随磁通变化。按照电气传动原理，在基频以下，磁通恒定时，电动机允许转矩也恒定，属于 “ 恒转矩调速”性质；而在基频以上，转速升高时，电动机允许转矩降低，基本上属于 “ 恒功率调速”性质。图 异步电动机变压变频调速的控制特性 异步电动机电压 频率协调控制时的稳态特性 异步电动机的稳态等效电路和感应电动势第 章图 已给出异步电动机的稳态等效电路，现将它再画在图 中，并标明不同磁通时所对应的感应电动势，其意义如下： 气隙磁通 （ 定转子互感磁通）在定子每相绕组中的感应电动势； 定子全磁通 在定子每相绕组中的感应电动势； 转子全磁通 在转子绕组中的感应电动势 （ 折合到定子侧） 。图 异步电动
6、机的稳态等效电路和感应电动势式 （ ）已给出气隙磁通的感应电动势，再写在下面： 同样 （ ） （ ）在恒压频比控制中，这些在等效电路不同位置的感应电动势对应着不同的主磁通。图 恒压恒频时异步电动机的机械特性 恒压恒频正弦波供电时异步电动机的机械特性异步电动机正常工作时，定子由恒压恒频的正弦波电源供电，这时的机械特性方程式 （ ） 已由第 章式 （ ）给出，由于定子电压 和电源角频率 均为恒值，可以改写成如下形式： () （ ） （ ）（ ）当 很小时，可忽略上式分母中含 的各项，则 () （ ）也就是说，当 很小时，转矩近似与 成正比，机械特性 （ ） 是一段直线，如图 中特性曲线的上半段所示
7、。当 接近于 时，可忽略式 （ ）中分母第一个括号内的 ，则 () （ ）（ ）即 接近于 时转矩近似与 成反比，这时 （ ） 是对称于原点的一段双曲线，如图 中特性的下半段所示。当 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 所示。 基频以下电压 频率协调控制时的机械特性由式 （ ）的机械特性方程式可以看出，当负载要求一组转矩 和转速 （ 或转差率 ）的某一对数值时，电压 和频率 可以有多种配合。在 和 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。 恒压频比控制 （ 恒值）前已指出，为了近似地保持气隙磁通 不变，以便充分利用电动机铁心，发
8、挥电动机产生转矩的能力，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，参看第 章式 （ ） ，重写如下： （ ）带负载时，转速降落 为 （ ）在式 （ ）所示的机械特性近似直线段上，可以导出 ()（ ）由此可见，当 为恒值时，对于同一转矩 值， 基本不变，因而 也是基本不变的。这就是说，在恒压频比的条件下，改变频率 时，机械特性基本上是平行下移的，如图 所示。它们和他励直流电动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，最大转矩值越小，可参看第 章式 （ ） 。对式 （ ）稍加整理后可得 ()() （ ）槡（
9、 ）可见，最大转矩 是随着 的降低而减小的。频率很低时， 太小，将限制电动机的带载能力。若采用定子压降补偿，适当地提高电压 ，可以增强带载能力，如图 所示。 恒 控制或恒定子磁通 控制如果在基频以下的电压 频率协调控制中，在 恒值的恒压频比控制基图 恒压频比控制时变频调速的机械特性础上，适当提高电压 的数值，使它恰好克服定子电阻压降，维持 为恒值（ 见图 ） ，则由式 （ ）可知，无论频率高低，每极定子磁通 均为常值。忽略励磁电流 时，由图 所示的等效电路可得转子电流幅值为 () （ ）槡（ ）将其代入电磁转矩关系式，得 () （ ） () （ ）（ ）这就是恒 或恒 控制时的机械特性方程式。
10、利用与前述相似的分析方法，当 很小时，可忽略式 （ ）分母中含 项，则图 异步电动机在不同电压 频率协调控制方式时的机械特性 恒 控制 恒 控制 恒 控制 恒 控制 () （ ）这表明机械特性的这一段仍近似为一条直线。当 接近于 时，可忽略式 （ ）分母中的 项，则 () （ ）（ ）这又是一段双曲线。 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，图 中给出了不同控制方式时的机械特性。其中，特性曲线 是恒 控制特性，特性曲线 是恒 控制特性。对比式 （ ）和式 （ ）可以看出，恒 特性分母中含 项的参数要小于恒 特性中的同类项，也就是说， 值要更大一
11、些才能使该项占有显著的分量，从而不能被忽略，因此恒 特性的线性段范围更宽。将式 （ ）对 求导，令 ，可得恒 控制特性在最大转矩时的临界转差率为 （ ）（ ）最大转矩为 () （ ）值得注意的是，在式 （ ）中，当频率变化时，按恒 控制的 值恒定不变，再与式 （ ）相比可见，恒 控制的最大转矩大于恒 控制时的最大转矩，可见恒 控制的稳态性能是优于恒 控制的。 恒 控制或恒气隙磁通 控制如果在电压 频率协调控制中，再进一步提高电压 的数值，使它在克服定子电阻压降再加上电抗压降以后，能够维持 为恒值，则由式 （ ）可知，无论频率高低，每极气隙磁通 均为常值。此时忽略 后的转子电流幅值为 () 槡
12、（ ）将其代入电磁转矩关系式，得 () () （ ）这就是恒 或恒 控制时的机械特性方程式，在图 中为特性曲线 。利用与前相似的分析方法可知，特性曲线 与恒压频比的特性曲线 的形状也是相似的，对比转矩方程可以看出，恒 特性曲线 的线性段范围比特性曲线和都要宽。将式 （ ）对 求导，并令 ，可得恒 控制特性在最大转矩时的临界转差率为 （ ）最大转矩为 () （ ）由式 （ ）和式 （ ）可知，当 为恒值时， 也是恒定不变的，且 和 的数值比前两种控制方式都大。 恒 控制或恒转子磁通 控制如果把电压 频率协调控制中的电压 进一步提高，把转子漏抗 （ 见图 ）上的压降也抵消掉，得到恒 控制，这时机械
13、特性会怎样呢？由图 可写出 （ ）将其代入电磁转矩基本关系式，得 () () （ ）这时不必再作任何近似就可知道，机械特性 （ ） 是一条直线，就是图 中的特性曲线 。显然，恒 控制 （ 恒转子磁通 控制）的稳态性能最好，可以获得和直流电动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，将在第 章中做详细讨论。 小结综上所述，在正弦波电压供电时，按不同的规律实现电压 频率协调控制可以得到不同类型的机械特性。恒压频比 （ 恒值）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，但低速时带载能力有些差强人意，须对定子压降实行补偿。恒 控制、恒 控制、
14、恒 控制均须对定子电压实行补偿，控制要复杂一些。恒 控制和恒 控制虽然改善了低速性能，但机械特性还是非线性的，产生转矩的能力仍受到临界转矩的限制。恒 控制或恒转子磁通 控制可以获得和他励直流电动机一样的线性机械特性，性能最佳。如果在动态中也尽可能保持 恒定，这是矢量控制系统 （ 见第 章）所追求的目标，当然实现起来要更复杂一些。 基频以上恒压变频控制时的机械特性在基频 以上变频调速时，由于电压 不变，式 （ ）的机械特性方程式可写成 （ ） （ ）（ ）而式（ ） 的最大转矩表达式可改写成 （ ）槡（ ）同步转速的表达式还是式 （ ） 。可见当电压恒定而角频率 提高时，同步图 基频以上恒压变频
15、调速的机械特性转速随之提高，最大转矩减小，机械特性上移，而基本形状不变，如图 所示。由于频率提高而电压不变，气隙磁通势必然减弱，导致允许转矩的减小，但转速却升高了，可以认为允许输出功率基本不变。所以基频以上的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。如果电压源中含有谐波，将使机械特性受到扭曲，并增加电动机中的损耗。因此在设计变频装置时，应尽量减少输出电压中的谐波。 笼型异步电动机恒压频比控制的调速系统如上所述，最简单的异步电动机变压变频调速系统就是恒压频比控制系统，为了满足低速时的带载能力，还须备有低频电压补偿功能。调速系统的主要设备除电动机外
16、，就是变压变频器，常简称变频器。现代的通用变频器大都是交 直 交电压源型变压变频器，其中由交流电源到恒定的中间直流电压用二极管整流器整流，由中间直流电压到变压变频的交流输出采用全控型开关器件 ，或智能功率模块 （ ） 组成的脉宽调制 （ ）逆变器。所谓 “ 通用” ，有两方面的含义：一是可以和通用的笼型异步电动机配套使用；二是具有多种可供选择的功能，适用于各种不同性质的负载。关于通用变频器本身的原理、控制方法和工作特性将在第章中详细论述，本节先说明它在恒压频比调速系统中的应用。 转速开环恒压频比控制调速系统的构成转速开环恒压频比控制调速系统通常由数字控制的通用变频器 异步电动机组成，图 绘出了
17、它的原理图，其中包括主电路、驱动电路、微机控制电路、保护信号采集与综合电路，图中未绘出开关器件的吸收电路和其他辅助电路。系统的主电路由二极管整流器 、全控型开关器件 逆变器 和中间直流电路三部分组成，采用大电容 和 滤波，同时兼有无功功率交换的作用。为了避免大电容在合上电源开关 后通电的瞬间产生过大的充电电流，在整流器和滤波电容间的直流回路中串入限流电阻 （ 或电抗） 。通电时，由 限制充电电流，经延时在充电完成后用开关 将 短路，以免长期接入 产生附加损耗，并影响变频器的正常工作。由于二极管整流器不能为异步电动机的再生制动提供反向电流的通路，所以除特殊情况外，通用变频器一般都用电阻 （ 见图
18、 ）吸收制动能量。减速制动时，异步电动机进入发电状态，首先通过逆变器的续流二极管向电容充电，当中间直流回路的电压 （ 通称为泵升电压）升高到一定的限制值时，通过泵升限制电路使开关器件 导通，将电动机释放出来的动能消耗在制动电阻 上。为了便于散热，制动电阻器常作为附件单独装在变频器机箱外边。图 数字控制通用变频器 异步电动机调速系统原理图二极管整流器虽然是全波整流装置，但由于其输出端有滤波电容存在，只有当交流电压幅值超过电容电压时，才有充电电流流通，交流电压低于电容电压时，电流便终止，因此输入电流呈脉冲波形，如图 所示。这样的电流波形具有较大的谐波分量，使电源受到污染。为了抑制谐波电流，对于容量
19、较大的通用变频器，都应在输入端设有进线电抗器 ，有时也可以在整流器和电容器之间串接直流电抗器。 还可用来抑制电源电压不平衡对变频器的影响。现代通用变频器的控制电路大都是以微处理器为核心的数字电路，其功能主要是接收各种设定信息和指令，再根据它们的要求形成驱动逆变器工作的 信号。微机芯片主要采用 位或 位的单片机，或用 位的 （ 数字信号处理器） 。也有应用 （ 精简指令集计算机）的产品，可以完成诸如无速度传感器矢量控制等更为复杂的控制功能。 信号可以由微机本身的软件产生，由 端口输出，也可采用专用的 生成电路芯片。各种故障的保护由电压、电流、温度等检测信号经信号处理电路进行分压、光电隔离、滤波、
20、放大等综合处理，再进入 转换器，输入给 作为控制算法的依据，或者作为开关电平产生保护信号和显示信号。图 三相二极管整流电路的输入电流波形 工作电压： ， ；工作电流： （ 加载） 转速开环恒压频比控制调速系统的控制作用在转速开环恒压频比控制调速系统中，需要设定的控制信息主要有 特性、工作频率、频率升高时间、频率下降时间等，还可以有一系列特殊功能的设定。采用恒压频比控制时，只要改变设定的 “ 工作频率”信号，就可以平滑地调节电动机的转速。低频时或负载的性质和大小不同时，须靠改变 函数发生器的特性来补偿，使系统产生足够的最大转矩 （ 见 节） ，在通用变频器产品中称作 “ 电压补偿”或 “ 转矩补
21、偿” 。实现补偿的方法有两种：一种方法是在微机中存储多条不同斜率和折线段的 函数曲线，由用户根据需要选择最佳特性；另一种方法是采用霍尔电流传感器检测定子电流或直流回路电流，按电流大小自动补偿定子电压。但无论如何都存在过补偿或欠补偿的可能，这是开环控制系统的不足之处。由于系统本身没有自动限制起、制动电流的作用，因此频率设定必须通过给定积分算法产生平缓的升速或降速信号，升速和降速的积分时间可以根据负载需要，由操作人员分别选择。综上所述，通用变频器的基本控制作用如图 所示。近年来，许多企业不断推出具有更多自动控制功能的变频器，使产品性能更加完善，质量不断提高。图 通用变频器的基本控制作用 转速闭环转
22、差频率控制的变压变频调速系统恒压频比控制的调速系统是转速开环系统，可以满足一般平滑调速的需要，但静、动态性能都有限，如果要提高性能，须采用转速反馈闭环控制。若动态性能要求并不高，可用基于异步电动机稳态模型的转差频率控制系统。 转差频率控制的基本概念转速闭环控制的基本方法是在调速系统外环设置转速调节器，转速调节器的输出应该是转矩给定信号。在直流电动机中，转矩与电枢电流成正比，电流给定信号就是转矩给定信号。异步电动机的转矩关系比较复杂，按照 节中恒 控制 （ 恒气隙磁通 控制）时的电磁转矩公式 式 （ ） 有 () 由于 （ ） （ 槡 ） 将其代入转矩公式，得 （ ）令 （ ） ，称作电动机结构
23、常数； ，称作转差角频率，则 （ ）（ ）当电动机稳态运行时， 值很小，因而 也很小，只有 的百分之几，可以认为 ，则转矩可以近似表示为 （ ）式 （ ）表明，在 值很小的稳态运行范围内，如果能保持气隙磁通 不变，异步电动机的转矩就近似与转差角频率 成正比，因而控制转差角频率 就能代表控制转矩，这就是转差频率控制的基本概念。 基于异步电动机稳态模型的转差频率控制规律上面分析所得的转差频率控制概念是从式 （ ）这个转矩近似公式得到的，当 较大时，就得采用精确表达式 （ ） ，把精确转矩特性 （ ） 画在图 上，可以看出，在 较小的运行段，转矩 基本上与 成正比，达到其最大值 以后就跌下来了。最大
24、转矩 可以将式 （ ）对 求微分，并令 后得到 （ ）而 （ ）图 按恒气隙磁通 控制的转矩特性 （ ）在转差频率控制系统中，只要对 实行限幅，使限幅值 为 （ ）就可以基本保证 与 成正比，也就是说，可以用转差角频率代表转矩进行控制，这就是转差频率控制规律之一。这条规律是在气隙磁通 不变的前提下才成立的，那么如何保证 恒定呢？这就需要控制电压和角频率使 不变。由图 的等效电路可知 （ ） （ ）()（ ）图 不同定子电流值的恒 控制所需的电压 频率特性虚线恒 特性实线恒 特性箭头定子电流的增大趋势由此可见，只要在恒 控制的基础上再提高电压 以补偿定子阻抗压降，就能实现 不变。定子电流值不同时
25、，恒 控制所需的电压 频率特性 （ ，） 如图 所示。按照实际的 和 ，从 （ ，） 特性上选择 ，就能保持气隙磁通 不变，这就是转差频率控制规律之二。 转差频率控制的变压变频调速系统实现上述转差频率控制规律的变压变频调速系统结构原理图如图 所示。图中，转速调节器 的输出信号是转差角频率给定值，与实测角速度信号 相加，即得定子角频率给定信号 ，即 （ ）由 和定子电流反馈信号 从微机存储的 （ ，） 函数表中查得定子电压给定信号 ，用 和 控制的 电压型逆变器就成为调速系统所需的变压变频电源。式 （ ）表明，转差角频率给定 与实测角速度信号 相加后得到定子角频率输入信号 ，这个关系是转差频率控制系统的突出特点，也是它的优点。它表明，在调速过程中，实际角频率 随着实际角速度 同步地升降，有如水涨而船高，加、减速平滑而且稳定。同时，由于在动态过程中，转速调节器 饱和，系统能在对应于 的限幅转矩 作用下进行加速或减速，保证了在电动机允许条件下的快速性。图 转速闭环转差频率控制的变压变频调速系统结构原理图需要注意的是，在定子角频率输入信号 的构成中，角速度信号 呈正反馈作用，如果在检测角速度信号 时存在干扰或误差，这些干扰或误差也都毫无衰减地传递到角频率给定信号上，显然会影响调速系统运行的精确性。因此，转差频率控制系统对角速度检测的准确度有较高的要求。
