交流电机变频调速原理与应用

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1、电梯驱动调速系统,直流电动机调速系统交流异步电动机调速系统1、变极调速系统2、调压调速系统3、变频调速系统交流同步电动机调速系统永磁同步电动机变频调速系统,交流变频调速基础,1.1 交流调速的发展概况,交流调速系统：由交流电动机拖动、电机转速为控制目标的电力拖动自动控制系统,直流电动机优点：调速性能好,控制简单,直流电动机缺点：体积大、容量小、制造成本高、有机械换向装置，维护困难,20世纪70年代，研究开发高性能的交流调速系统，期望用它来节约能源。同期，电力电子技术、大规模集成电路、各种控制理论、计算机控制技术的飞速发展，为交流调速电力拖动的发展创造了有利条件。,交流电动机优点 ：结构简单可靠

2、，维护少，无机械换向火花，制造成本低,1 交流调速系统概述,20世纪80年代，原有的交直流调速拖动系统的分工格局被逐渐打破。,目前的许多交流调速系统在装置容量上、动静态性能上、可四象限运行的要求上，以至在系统制造成本上都可以与直流调速系统相媲美。,20世纪90年代，交流调速系统已经占到了调速系统的主导地位。,励磁同步电动机,1.2交流调速系统的分类,交流电动机,异步电动机,永磁同步电动机,无刷直流电动机及开关磁阻电动机都满足“定子电流的频率与转速有严格比例关系”的条件，所以也把它归入同步电动机。,当电机转子的转速与定子电流的频率有严格比例关系的电动机称同步电动机，无严格比例关系的电动机称异步电

3、动机。,特种同步电动机,无刷直流电动机 开关磁阻电动机 直流无换向器电动机 交流无换向器电动机,交流电动机是定子绕组通入交流电(或周期脉冲电流)的电机，其定子磁动势是一个旋转(或步进旋转)的磁动势。,同步电动机,交流调速系统的分类,1.3 异步电动机调速系统的分类,1.异步电动机功率(能量)图,从定子传入转子的电磁功率,总机械功率,转子铜耗 （转差功率）,定义：转差功率 Ps s Pm,2.常见的异步电动机调速类别（按主要特征分类）,调压调速； 电磁转差离合器调速； 绕线转子转子回路串电阻调速； 串级调速； 变极调速； 变频调速； 定子回路串电抗调速。,3 调速系统按所改变的物理量分类,（1）

4、变频调速,（2）变极调速,（3）变转差率调速,4. 按转差功率Ps 去向分类,（1）转差功率消耗型（系统效率较低）,（2）转差功率回馈型（把部份转差功率送回电网） （系统效率稍高）,（3）转差功率不变型（系统效率最高）,2 异步电动机调压调速系统（交调系统）,2.1 异步电动机调压时的开环机械特性,当电动机拖动恒转矩负载时，尽管电压改变很大，但速度的变化并不大。系统能调速的最大区域只在转差率 之间,当电动机拖动风机、泵类负载时不再受Sm的限制，,异步电动机的固有机械特性方程,风机泵类负载,恒转矩负载,，为减小损耗，电动机在额定点的转差率一般在0.020.06之间，最大转矩时的转差率也较小，在0

5、.15左右,异步电动机调压调速时的开环机械特性,高转差率电动机,为了能在恒转矩负载下扩大调压调速的范围，这就要求电动机有较大的Sm,可以使用高转差率电动机或者交流力矩电动机，这两类电机通过增大转子电阻使电机的机械特性变软，Sm增大，拓宽了低速运行区 。,交流力矩电动机允许电动机长期堵转及低速运行， Sm等于1，电动机的主要技术参数就是堵转转矩，额定点就是堵转点。,高转差率电动机兼顾了高速及低速的性能，额定转差率一般在0.070.13之间， Sm一般在0.5左右，堵转转矩也较大，堵转转矩等于最大转矩。,调压调速主电路,串联分段 电抗器降压,串联飽和 电抗器降压,串联饱和电抗器降压降压调速原理,缺

6、点：需体积庞大且笨重的设备，自电力电子技术发展起来已很少采用。,自耦变压器 调压,现在调压调速设备一般采用由晶闸管构成的负载Y接法的晶闸管相控交流调压器,VVC为相控交流调压器，由三只双向晶闸管或三对反并联晶闸管构成，电动机定子绕组接成Y接法,V VC工作原理,早期的 方法有：,VR为可控整流桥，制动时用,2.2 调压调速系统的系统原理图,系统控制的对象：电动机的端电压,速度调节器ASR的输出：电压指令信号,交流调压器的输出电压 U1与移相控制角之间有确定的对应关系，U1 与是一一对应且是唯一的，因此速度调节器的输出可直接作为角的指令值而不必再加电压闭环,限流环节检测异步电动机的定子电流，与给

7、定的限流值进行比较,GB框内的曲线是其输入输出曲线,2.3 交流调压调速系统的制动,交调系统制动时，通常采用在定子绕组中通入直流电流（能耗制动）的方法。,可控制整流桥VR就是为制动而设置的。1C断开、2C闭合、VR工作时，异步电动机将进入制动状态，直到电机停转。,通直流时，电机绕组的两种常用接法：,调节可控整流电路输出电流Id 的大小，就可改变合成磁势Fs 的大小,就改变了制动转矩的大小。,触发VT1、VT6工作，恒关断VT2、VT3、VT4、VT5，则A、B两相的绕组反向串联后接在一个半波整流电路的输出端上,改变控制角的大小，可改变平均制动转矩的大小。,利用交流调压器主电路来实现制动时制动转

8、矩一般较小，转矩脉动较大。,能耗制动时，电源输入的能量消耗在电机的定子绕组上， 拖动系统机械能所转变成的电能都消耗在电机的转子绕组上，,利用交流调压器的主电路来实现能耗制动,发热严重。,2.4 交流调压调速系统的效率及电机冷却,当电动机转速降低（s增大）时，电动转子铜耗增加，电动机的效率下降，电动机的发热将增加。,交流力矩电机：电动机的设计就允许电机长期堵转运行，电机出厂时就带有他扇冷式的强迫通风系统，对这类电动机不用再考虑发热问题。,低转差率电机：电机只能在转差小于额定转差下连续运行，低速运行时一方面电机发热增加，另一方面因转速降低，转轴上风扇的通风效果减弱，使电机会产生过热。这类电机只能短

9、时间内低速运行，或应重新考虑电动机的散热条件，防止电机过热而烧毁。,高转差率电动机：介于上述两种电机之间，使用中根据实际的工况来决定是否需要加强电动机通风冷却系统。,效率及电机发热,电机冷却,25 异步电动机调压调速系统的应用,缺点：调速范围不大，调速精度低，调速时电机发热严重 优点：系统结构简单，容易实现，成本低廉,主要的应用领域,1需要调速运行的场合,2异步电动机“软起动”装置,3风机、泵类的调速节能,交流调压象限，能耗制动象限，配合接触器四象限因此，需要调速运行的工作机械或负载，理论上都可以使用调速系统来实现 ，例“交调”电梯。（注意：选用合适电机，电机冷却问题）,异步电动机的“软起动装

10、置”：利用带有限流环节的交流调压器就可实现异步电动机的降压起动，起动电流的最大值可限定。若使软起动装置同时带有一定的调速功能，则称之为：异步电动机的“多功能控制器”。,风机、泵类的调速节能是调压调速系统应用得最多的领域之一。,3.1 变频时的电压控制方式及控制特性,1变频的同时为什么要变压,变频时, 输出电压也要配合改变，因此，变频调速系统常更全面地被称为变压变频（VVVF）调速系统。,定子每相电动势的有效值:,结论：频率变化时，若不同时改变电压， 则会使电机的磁通 大幅变化，这将使电机运行不正常甚至损坏电机，所以变频的同时必须变压，其较理想的目标是使磁通m 基本保持恒定。,变频调速时s变化很

11、小，效率最高，性能也最好。,变频调速是异步电机交流调速系统的主流。,3 异步电动机变频调速基础,若f1，U1不变，则磁通m，I不变时T 。,若f1，U1不变，则磁通m ，Im 。,2基频以下调速时的电压控制方式,异步电动机在变频调速时，主导变量是频率,常用的电压配合控制方式有如下三种：,（1）恒压频比控制,优点: 容易实现,缺点: 当 逐步降低时，定子电阻 上的压降所占的比重越来越大，使 的关系被破坏 。使低频时的性能很差 。,解决办法: 在低频时使变频器的输出电压抬高，补偿定子电阻上的压降，维持磁通基本不变。这种方法称“定子压降低频补偿的恒压频比控制”。,（2）恒气隙磁通控制,（3）恒转子全

12、磁通控制,与转子产生转矩的磁通相对应，是气隙磁通 减去转子漏感所产生的磁通，称为“转子全磁通”，所以这种控制也称“恒转子全磁通控制”、“恒转子磁链控制”。,这种状态下电动机的特性最好，它采用 “矢量控制”实现。,E1难于直接控制，所控制的仍是变频器的输出电压U1。,补偿后的结果与上同。,过补偿问题,3基频以上调速时的电压控制方式,要基本保持磁通不变，应升高电压，但会遇到两个难题 :,可能会使电机及元器件损坏变频器的直流母线电压基本不变，经逆变桥输出的交流电压最大值也是确定的，要想再升高很困难 。,这时使电压值保持最高输出值,4控制特性,时 ， 。保持 不变，则 不变。,这种能输出的最大转矩恒定

13、的调速简称之为“恒转矩调速”,这种能输出的最大功率恒定的调速简称之为“恒功率调速”,3.2 变频调速时的机械特性,1固定电压固定频率时的机械特性,异步电动机转矩的参数表达式 ：,最大电磁转矩：,s很小时，略去分母中含s的项，得：,s很小时， 是一条与转差率s成正比的直线（如a）,s接近于1时，忽略分母中的 ：,是对称于原点（ ）的一段双曲线，（如b）,s为以上两段的中间数值时，机械特性从直线段过渡到双曲线段，如 c。最大转矩 ，最大转差率 就在过渡线段极值点上,对s求导，并令 ，得 ：,略去定子电阻影响：,有：,2恒压频比控制（ ）时的机械特性,定义变频比 ：,得：,（1）理想空载转速 ：,（

14、2）直线段斜率,变频时若要输出转矩T不变，就应使 不变。而 ，,计及定子电阻影响：,有 ：,n不变,直线段的斜率不变。,（3）最大转矩,略去定子电阻的影响， 常数 计及定子电阻影响，最大转矩 是随着的降低而降低,则直线段的斜率略为增大，随着频率的降低，特性曲线越来越软,3恒气隙磁通控制 时的机械特性（如图b）,用E1取代U1求 ：,4恒转子全磁通控制（ ）时的机械特性（如图c）,最大电磁转矩与无关,T不变s不变 n不变直线段的斜率不变,平行下移的一组曲线族,用Er取代U1求 ：,机械特性曲线是一条直线，不再拐弯。不再存在最大转矩 。,5基频以上恒电压控制 时的机械特性,随着频率 的升高，最大转

15、矩 逐步下降，直线段斜率越来越大，特性曲线越来越软,6比较,采用不同控制方案时，要注意： 理想空载转速n0 直线段斜率 最大电磁转矩Tmax 这三个量的变化情况及原因,3.3 变频调速主电路的分类,1按变换方式分成交-交变频与交-直-交变频,直接变换是把工频交流电直接变换成可变频率的交流电，称交-交变频,间接变换是先把交流变换成直流，再把直流逆变成交流，称交-直-交变频,2按电源特性分成电压源型与电流源型,变频电路最后一级变换器的电源特性分，可分为电压源型与电流源型,3按主开关元器件的类别分成由半可控器件构成与由全可控器件构成,4按工作方式分成六拍型逆变器与SPWM逆变器,这个分类只针对DC/AC变换的逆变器,逆变器输出频率 （周期 ）的交流电时，若在一个周期内主开关元件只经历了6次通断模式转换的工作方式称之为六拍型,