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1、笼型异步电机变压变频调速系统(VVVF系统)转差功率不变型调速系统,电力拖动自动控制系统,第 6 章,概 述,异步电机的变压变频调速系统一般简称为变频调速系统。由于在调速时转差功率不随转速而变化,调速范围宽,无论是高速还是低速时效率都较高,在采取一定的技术措施后能实现高动态性能,可与直流调速系统媲美。因此现在应用面很广,是本篇的重点。,本章提要,变压变频调速的基本控制方式 异步电动机电压频率协调控制时的机械特性 *电力电子变压变频器的主要类型 变压变频调速系统中的脉宽调制(PWM)技术 基于异步电动机稳态模型的变压变频调速 异步电动机的动态数学模型和坐标变换 基于动态模型按转子磁链定向的矢量控
2、制系统 基于动态模型按定子磁链控制的直接转矩控制系统,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
3、,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,由式(6-1)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。,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 Us Eg,则得(6-3)这是恒压频比的控制
4、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。,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Us 却不可能超过额定电压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。,变压变频控制特性,图6-2
5、 异步电机变压变频调速的控制特性,Us,mN,m,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,按照电力拖动原理,在基频以下,磁通恒定时转矩也恒定,属于“恒转矩调速”性质,而在基频以上,转速升高时转矩降低,基本上属于“恒功率调速”。,6.2 异步电动机电压频率协调控制时 的机械特性,本节提要 恒压恒频正弦波供电时异步电动机的机械特性 基频以下电压-频率协调控制时的机械特性 基频以上恒压变频时的机械特性 恒流正弦波供电时的机械特性,6.2.1 恒压恒频正弦波供电时异步电动机的 机械特性,第5章式(5-3)已给出异步电机在恒压恒频正弦波供电
6、时的机械特性方程式 Te= f (s)。 当定子电压 Us 和电源角频率 1 恒定时,可以改写成如下形式:,(6-4),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Rr ,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。,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,如图所示。,sm,图6-3 恒压恒频时异步电机的机械特性,6.2.2 基
7、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 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 ),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 Us /1
8、 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Us,可以增强带载能力,见图6-4。,机械特性曲线,图6-4 恒压频比控制时变频调速的机
9、械特性,补偿定子压降后的特性,2. 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)。,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 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(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),代入电磁转矩关系式,得,(6-12),特性分析(续
10、),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 Rr2 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。,性能比较,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 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。,性能比较(续),将式(
11、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 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。,机械特性曲线,Temax,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,那么,机械特性会怎样呢?由此可写出,(6-17),代入电磁
12、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6-6。,几种电压频率协调控制方式的特性比较,图6-6 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,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,电动势与磁通成正比。在式(6-1)中,气隙磁通的感应电动势 Eg 对应于气
13、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。这正是矢量控制系统所遵循的原则,下面在第6-7节中将详细讨论。,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
14、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 Us= UsN 不变,式(6-4)的机械特性方程式可写成,(6-20),性能分析(续),而式(6-10)的最大转矩表达式可改
15、写成(6-21)同步转速的表达式仍和式(6-7)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6-7 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。,6.2.4 恒流正弦波供电时的机械特性,在变频调速时,保持异步电机定子电流的幅值恒定,叫作恒流控制,电流幅值恒定是通过带PI调节器的电流闭环控制实现的,这种系统不仅安全可靠而且具有良好的动静态性能。恒流供电时的机械特性与上面分析的恒压机械特性不同,现进行分析。,转子电流计算,设电流波形为正弦波,即忽略电流谐波,由异步电动机等效电路图所示的等效电路在恒流供电情况下可得,转子电流计算(续),电流幅值为(6-22),电磁转矩公式,将式(6-22)代入电磁转矩表达式得(6-23),最大转矩及其转差率,取dTe /dt = 0,可求出恒流机械特性的最大转矩值(6-24)产生最大转矩时的转差率为(6-25),