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1、口【编者的话】自世纪年代以来,在电气传动领域中用交流电机调速取代直流电机调速一直是不可逆转的趋势,目前,交流调速已成为满足各种生产工艺要求和节约电能的重要措施。在多种交流调速方法中,变频调速的应用发展最快,尽管变频器的生产成本稍高,但其调速性能和装置效率始终处于各种调速方法之首,因此,现在变频调速的应用已成为交流电机调速的主流。据统计,近年来国内变频器市场保持着一的年增长率,处于一个高速增长的时期,预计。 。年的年销售量将超过。 。亿元。有鉴于此,普及变频调速原理和应用的知识十分重要,为了适应需要,变频器世界杂志编委会要我撰写“交流电机变频调速”的连载讲座,谨在拙著电力拖动自动控制系统运动控制
2、系统和交流调速系统的基础上,删去深人的理论分析和公式推导,加强应用实例,以飨读者。陈伯时交流电机变频调速讲座第一讲异步电动机的变压变频调速原理和稳态特性上海大学陈伯时在异步电动机调速系统中,调速性能最好、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,可以使机械特性平滑地上下移动,并获得很高的运行效率。但是,这种系统需要一台专用的变压变频电源,增加了系统的成本。近来,由于交流调速日益普及,对变压变频器的需求量不断增长,加上市场竞争的因素,其售价逐渐走低,使得变压变频调速系统的应用与日俱增。下面首先叙述异步电动机的变压变频调速原理。中每极磁
3、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。在交流异步电动机中,由于磁通是由定子和转子磁动势合成产生的,需要采取一定的控制方式才能保持磁通恒定。三相异步电动机定子每相 电动势的有效值是、,中。一式中 气隙磁通在定子每相 中感应电动势的有效值】定子频率 定子每相绕组串联匝数呱定子基波绕组系数中。每极气隙磁通量。由式一可知,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。基频以下调速由式一可知,要保持中。不变,当频率从额定值向下调节
4、时,必须同时降低电动势,使。六上常值一异步电动机变压变频调 速原理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、关常值一这是恒压频比的控制方式。口咖帅低频时,和都较小,定子漏磁阻抗压降所占的份量就比较显著,不能再忽略。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一所示的线,无补偿的控制特性则为 线。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
5、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,频率应该从乓向上升高,但定子电压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,如图一所示。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,即都能在允许温升下长期运行,则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”性质。叫 一牙矛石人无补偿带定子压降补偿图一恒压频比控制特性诬汽 恒转矩祝速恒功率祠邃异步电动机电压
6、一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按照异步电动机原理,它的稳态等效电路如图卜所示,图中标明了不同磁通所产生的感应电动势,其意义如下 气隙磁通或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。式一已给出气隙磁通的感应电动势,现再写在下面二,。一与此相仿,中。一嵘、中一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,由于定子电压和电源角频率。、均为恒值,这时的机械特性方程式可写成如式一所示的形式码时,石,一、 一码了八、 一一兀矛勺户中以少当很小
7、时,可忽略上式分母中含各项,则诊、一码卜如石图一异步电动机变压变频调速的控制特性翌望二 一也就是说,当很小时,转矩近似与 成正比,机械特性爪是一段直线,当逐渐增大后,机械特性呈现明显的非线性,如图一所示。基频以下电压一频率协调控制时的机械特性由式一的机械特性方程式可以看出,当负载要求某一组转矩戈和转速或转差率的数值时,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一频率协调控制。恒压频比控制。、恒值前已指出,为了近似地保持气隙磁通中不变,以便充分利用电动机铁心,发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
8、变化。田踢,叮 、八”,声李卜、万产吕, ,或月一一图一异步电动机的稳态等效电路和感应电动势“ 匕几一瑞巴厄可带负载时,一劫,、二 图一恒压恒频时异步电动机的机械特性“转速降落为口 朋一在式一所表示的机械特性近似直线段上,可以导出码兀一认一码由此可见,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,机械特性基本上也是平行下移,如图一所示。异步电动机的机械特性上有一个转矩的最大值,如式一所示,频率越低,最大转矩值越小,频率很低时,。太小,将限制电动机的带载能力,采用定子压降补偿,适当地提高电压,可以增强带载能力,如图一所示。厂丫 。
9、,一一一,一一“一, 八。八, 兰,一气厂码又码一恒了。,控制如果在电压一频率协调控制中,哈当地提高电压、的数值,使它在克服定子阻抗压降以后,能维持了。,为恒值 基频以下,则由式一可知,无论频率高低,每极磁通中均为常值,且由图一所示的等效电路可以看出、一一。研。丫 。一万,几一一一如。一码飞,又 玛 少 一叮气 又码 了时嵘 一这就是恒。、时的机械特性方程式。机械特性曲线的形状与恒压频比特性相似,图一中给出了不 同控制方式时的机械特性。将式一对 求导,并令,可得恒。控制特性在最大转矩时的转差率用二不万和最大转矩兀一厂丫又山,值得注意的是,在式一中,当。为恒值时,乓。恒定不变。可见恒即。、控制的
10、稳态性能是优于恒。,控制的,它正是恒。控制中补偿定子压降所追求的目标。恒。控制如果把电压一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。控制,那么,机械特性会怎样呢,由图卜可写出,。一代入电磁转矩基本关系式,得。全厂丫、以。二一,一,不一。一 一码鱼下俩少尺又占夕一很明显,这时的机械特性又完全是一条直线,也把它画在图一上。显然,恒,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。问题是,怎样控制变频装置的电压和频率才能获得恒定的呢按照电动势和磁通的关系【见式一可以看出,当频率恒定时,电动势耳与转子全磁通幅值中,成正比。
11、由此可见,只要能够按照转子全磁通幅值中恒值得进行控制,就可以获得恒即。,了。基频以上恒压变频控制时的机械特性在基频编以上变频调速时,由于电压。不变,式一的机械特性方程式可写成,“”,一动蔺而牙下丁研又瓦丁不牙一而式一的最大转矩表达式可改写成,一二,一一于一一一,二二一“码区 廿对耐几,一同步转速的表达式仍和式一一样。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,如图一所示。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,但转速却升高了,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
12、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。作者简介陈伯时男博士生导师享受国务院特殊津贴,于世纪年代初就进行交流变频调速系统项目的开发、研究,承担了多个国家重点攻关项 目,现已出版专著数本,已公开发表论文多篇。参考文献【 中国变频器市场研究中国工控网、咫【陈伯时电力拖动自 动控制系统运动控制系统 第版北京机械工业出版社,陈伯时,陈敏逊交流调速系绷第 版电气自动化靳技术丛书晾机械工业出版社,叨图一基频以上恒压变频调速的机械特性交流电机变频调速讲座 L e c t u r e s o n Va r i
13、 a b l e Fr e q u e n c y Sp e e d Co n t r ol o f AC Ma c h i n e s 第二讲 静止式变压变频器 St a t i c VVVF Con v e e r s 为了实现异步 电动机的变压变频 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、 ， 、 a r i a b l e Vo l t a g e V a ff a b l e F r e q u e n c y ) 装置。最早的W VF 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
14、构成的机组 ， 调节直流电动机的转速就能控制交流 发 电机输 出的电压和频率 。自从电力 电子器件获得广泛应用以后，旋转变 频机组便逐渐被淘汰 ，并形成 了一系 列通用型的静止式变压变频装置。 2 1 静止式变压变频器的主要类型 2 1 1 交 一 直一 交和交 一 交变压变频器 从整体结构 上看 ，静止式的 电力 电子变压变频器可分为交一 直一 交和交一 交两大 类。 ( 1 ) 交一 直一 交变压变频器 交一 直一 交变压变频器 先将工频交 流电源通过整流器变换成直流 ( 可控 电 压或恒压) ， 再通过逆变器变换成可控 的交流( 只控制频率或同时控制频率和 电压) ， 如 图2 1 所示
15、 。 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 不控整流器和由全控型功率开关器件 ( P MOS F E T， I GBT 等) 组成的脉 宽调 J ( P WM) 逆变器，简称P WM变压变 频器 ，如图2 2 所示 。 P WM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： 在主电路整流和逆变两个变流 单 元中 ，只有逆变单元是可控的 ，采 上海大学陈伯时 Ch e n B os h i 用全控
16、型 的功率开关器件 ，通过驱动 电压脉； 中进行控制 ，可同时调节变频 器的输出电压和频率 ，结构简单，效 率高 。 输 出电压波形虽然是一系列的 脉 ； 中波 ，但 由于采用 了恰 当的P WM 控制技术 ，正弦基波的比重较大 ，影 响电动机运行的低次谐 波受到很大的 抑 制 ，因而转 矩脉 动小 ，稳态 性能 好 ，调速 范围宽。 逆变器 同时实现调压和调频 ， 系统的动态响应不受中间直流环节滤 波器参数的影响 ，动态性能较高。 采用不可控的二极管整流器 ， ( CVCF ) 50Hz 图 2 1 交 一直 一交( 间接 ) 变压 变频 器 图 2 2交 一 直 一 交 P W M 变压 变频 器 C一 滤 波 电容 T HE WOR L D OF IN VE R T E R S 9 7 维
