第六章交流异步电动机变频调速系统

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1、第六章第六章 交流异步电动机变频调速系统交流异步电动机变频调速系统交流调速的基本方案交流调速的基本方案由电机学的基本公式： 可见，异步电动机的调速方案有：改变极对数p，改变转速率s（即改变电动机机械特性的硬度）和改变电源频率f1。 交流调速的分类如下： 变极对数调速是有级的； 变转差率调速，不调同步转速，低速时电阻能耗大、效率较低；只有串级调速情况下，转差功率才得以利用，效率较高。 变频调速是调节同步转速，可以从高速到低速都保持很小的转差率，效率高、调速范围大、精度高，是交流电动机一种比较理想的调速方案。 在变频控制方式上又可分为变压变频调速，矢量控制变频调速和直接转矩控制变压变频调速等几种。

2、第一节第一节 变频调速的基本控制方式和机械特性变频调速的基本控制方式和机械特性 通过改变定子供电频率来改变同步转速实现对异步电动机的调速，在调速过程中从高速到低速都可以保持有限的转差率，因而具有高效率、宽范围和高精度的调速性能。可以认为，变频调速是异步电动机的一种比较合理和理想的调速方法 。原理：原理：利用电动机的同步转速随频率变化的特性，通过改变电动机的供电频率进行调速。保证U/f =定值，可以实现恒转矩调速或恒功率调速。 在进行电机调速时，为了保持电动机的负载能力，应保持气隙主磁通m不变，这就要求降低供电频率的同时降低感应电动势，保持E1/f1=常数，即保持电动势与频率之比为常数进行控制。

3、 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，只要对对变频调速的基本要求主磁通主磁通主磁通主磁通 保持不变保持不变保持不变保持不变铁心过饱和铁心过饱和不变不变绕组过热绕组过热变频同时要变压变频同时要变压磁回路饱和，严重时将烧毁电机磁回路饱和，严重时将烧毁电机气隙磁气隙磁通在定通在定子绕组子绕组中感应中感应电动势电动势电枢反应有恰当的补偿，m保持不变是很容易做到的。9/16/20246 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。

4、 定子每相电动势定子每相电动势（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； 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。 f1NskNsm1. 基频以下调速 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。 常值 （6-2） 即采用恒值电动势频率比的控制方式采用恒值电动势频率比的控制方式。恒压频比的控制方式恒压频比的控制方式 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

5、Eg，则得（6-3）这是恒压频比的控制方式恒压频比的控制方式。 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。 2. 基频以上调速基频以上调速 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OUsf 1图6-1 恒压频比控制特性UsNf 1Na 无补偿无补偿 b 带定子压降补偿带定子压降补偿 UsN ，最多只能保持Us = UsN ，这将迫使磁通与频率成反比

6、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。 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。在基频以下，磁通恒定时转矩也恒定，电磁转矩 Te = Km I 。在调压调速范围内，励磁磁通不变，容许的输出转矩也不变，属于“恒转矩调速”性质，而在基频以上，在弱磁调速范围内，转速越高，磁通越弱，容许输出转矩减小，而容许输出转矩与转速的乘积则不变，即容许功率不变，为“恒功率调速方式”。f1N图6-2 异步电机变压变频调速的控制特性 恒转矩调速恒转矩调速UsUsNmNm恒功率调速恒功率调速mU

7、sf1O异步电动机的变压变频调速是进行分段控制的：异步电动机的变压变频调速是进行分段控制的：基频以下，采取恒磁恒压频比控制方式；基频以上，采取恒压弱磁升速控制方式。TeNnNnmax变电压调速弱磁调速UNUPPTeUnO两种调速方式 a) a) 基频以下基频以下(U(U1 1/f/f1 1= =恒量恒量) b) ) b) 基频以上基频以上(U(U1 1= =恒量恒量) ) 图三相异步电动机变频调速时的机械特性图三相异步电动机变频调速时的机械特性 恒压恒频正弦波供电时异步电动机的机械特性（6-4） 特性分析 当s很小时，可忽略上式分母中含s各项，则 也就是说，当s很小时，转矩近似与s成正比，机械

8、特性Te=f（s）是一段直线，见图6-3。异步电动机电压频率协调控制时的机械特性异步电动机电压频率协调控制时的机械特性 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6-3所示。 机械特性smnn0sTe010TeTemaxTemax图6-3 恒压恒频时异步电机的机械特性基频以下电压基频以下电压- -频率协调控制时的机械特性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T

9、e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） 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。 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） （6-7） 由此可见，当Us/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。

10、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。（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。On图6-4 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恒恒E Eg g/ / 1 1控制控制 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

11、子全磁通在转子绕组中的感应电动势（折合到定子边）。特性分析特性分析 如果在电压频率协调控制中，恰当地提高图6-5 异步电动机稳态等效电路和感应电动势 Us1RsLlsLlrLmRr /sIsI0Ir 异步电动机等效电路EgEsEr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。 由等效电路可以看出 （6-11）代入电磁转矩关系式，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。 当s 接近于1时，可忽略式（6-1

12、2）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。 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。 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和最大转矩（6-15） （6-16） 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/

13、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。恒恒E Er/ / 1控制控制 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） 机械特性曲线OnTemax恒 Eg /1 控制时变频调速的机械特性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6-6。 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

14、 Er /1 呢？0s10Te 几种电压频率协调控制方式的特性比较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ab c 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。4 4几种协调控制

15、方式的比较几种协调控制方式的比较 （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。基

16、频以上恒压变频时的机械特性基频以上恒压变频时的机械特性 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） 而式（6-10）的最大转矩表达式可改写成（6-21）同步转速的表达式仍和式（6-7）一样。 机械特性曲线机械特性曲线恒功率调速恒功率调速O900）即可。应用场合：适用于4象限运行和要求快速调速的场合，可用于频繁急加减速的大容量电动机的传动。在大容量风机、泵类节能调速中也有应用。电压源型逆变器电压源型逆变器（Voltage Source Inverter-VSI）原理原理：整流输出经电感电容滤波，具有恒压源特性，逆变器具有反馈二极管，

17、是一种方波电压逆变器。变频器对三相交流异步电动机提供可调的电压与频率成比例的交流电源。9/16/202474 直流环节采用大电容滤波，因而直流电压波形比较平直，在理想情况下是一个内阻为零的恒压源，输出交流电压是矩形波或阶梯波，有时简称电压型逆变器。典型的一种主电路结构形式如图所示。其中用于逆变器晶闸管的换相电路未画出。 变频器的每个导电臂，均由一个可控开关器件和一个不控器件（二极管）反并联组成。晶闸管VT1-VT6称为主开关器件，VD1-VD6称为回馈二极管。9/16/202475图图 电压型变频器的主电路电压型变频器的主电路 优点及应用场合：优点及应用场合： 对负载电动机而言，电压型变频器是

18、一个交流电压源，在不超过容量限度的情况下，可以驱动多台电动机并联运行，具有不选择负载的通用性。9/16/202476缺点：这种方法若不设置与整流器反向并联的再生逆变器，则不能实现再生制动。 电动机处于再生发电状态时，回馈到直流侧的无功能量难于回馈给交流电网。要实现这部分能量向电网的回馈，必须采用可逆变流器。如下图所示，网侧变流器采用两套全控整流器反并联。电动时由电桥I供电，回馈时电桥II作有源逆变运行（a900），将再生能量回馈给电网。再生能量回馈型电压型变频器再生能量回馈型电压型变频器9/16/202477 两类逆变器在主电路上虽然只是滤波环节的不同，在性能上却带来了明显的差异，主要表现如下

19、：（1 1）无功能量的缓冲）无功能量的缓冲 在调速系统中，逆变器的负载是异步电机，属感性负载。在中间直流环节与负载电机之间，除了有功功率的传送外，还存在无功功率的交换。滤波器除滤波外还起着对无功功率的缓冲作用，使它不致影响到交流电网。 因此，两类逆变器的区别还表现在采用什么储能元件（电容器或电感器）来缓冲无功能量。（2 2）能量的回馈）能量的回馈 用电流源型逆变器给异步9/16/202478电机供电的电流源型变压变频调速系统有一个显著特征，就是容易实现能量的回馈，从而便于四象限运行，适用于需要回馈制动和经常正、反转的生产机械。 下面以由晶闸管可控整流器UCR和电流源型串联二极管式晶闸管逆变器C

20、SI构成的交-直-交变压变频调速系统（如下图所示）为例，说明电动运行和回馈制动两种状态。 当电动运行时，UCR的控制角，电动机以9/16/202479图 a 电流源型交-直-交变压变频调速系统的两种运行状态M3+-UdIdLdCSI 电动Te 逆变UCRa）电动运行转速运行，电功率的传送方向如图a所示。电动运行状态电动运行状态P9/16/202480 如果降低变压变频器的输出频率1，或从机械上抬高电机转速，使190，则异步电机转入发电状态，逆变器转入整流状态，而可控整流器转入有源逆变状态，此时直流电压Ud立即反向，而电流Id 方向不变，电能由电机回馈给交流电网（图b）。 与此相反，采用电压源型

21、的交-直-交变压变频调速系统要实现回馈制动和四象限运行却很困难，因为其中间直流环节有大电容钳制着电压的极性，不可能迅速反向，而电流受到器件单向导电性的制约也不能反向，所以在原装置上无法实现回馈制动。9/16/202481图 b 电流源型交-直-交变压变频调速系统的两种运行状态M3+-UdIdLdCSI 90o有源逆变1 ru uc c时使时使V4V4通，通，V3V3断，断，u uo=o=U Ud d当当u urru uc c时使时使V4V4断，断，V3V3通，通，u uo=0o=0u ur r负半周，负半周，V1V1保持断，保持断，V2V2保持通保持通当当u urrru uc c时使时使V3V

22、3断，断，V4V4通，通， u uo=0o=0 在一个载波周期内，电力电子开关器件开通和关断一次。 变频器的载波频率就是决定逆变器的电力电子开关器件（如：IGBT）的开通与关断的次数的频率。 载波频率越高，一个正弦波周期内脉冲个数越多。9/16/2024128 一个正弦波周期内脉冲个数越多，输出电压的谐波成分越小。因此要使输出电压的谐波成分越小，则电力电子开关的频率越高。（1 1）单极性）单极性PWMPWM控制方式控制方式9/16/2024129（2）双极性PWM控制方式 PWM逆变器主电路及输出波形图6-19 三相桥式PWM逆变器主电路原理图调制电路V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4u

23、cV6VD6V5VD5VUWNNC+C+urUurVurW2Ud2UdVT1VT4VT3VT6VT5VT2图6-20 三相桥式PWM逆变器的双极性SPWM波形 uuUNO tOOOOUd2-Ud2uVNuWNuUVuUN t t t tO turUurVurWucUd23Ud2 图图6-206-20为三相为三相PWMPWM波形，其中波形，其中lurU 、urV 、urW为U，V，W三相的正弦调制波， uc为双极性三角载波；luUN 、uVN 、uWN 为U，V，W三相输出与电源中性点N之间的相电压矩形波形；l uUV为输出线电压矩形波形，其脉冲幅值为+Ud和- Ud ；luUN为三相输出与电机

24、中点N之间的相电压。8.7 通用变频器ACS100变频器用于0.122.2kW鼠笼式电机的速度和转矩控制 “ “通用通用通用通用” ”一词有两方面的一词有两方面的一词有两方面的一词有两方面的含义：一是这种变频器可含义：一是这种变频器可含义：一是这种变频器可含义：一是这种变频器可用以驱动通用型交流电动用以驱动通用型交流电动用以驱动通用型交流电动用以驱动通用型交流电动机，而不一定使用专用变机，而不一定使用专用变机，而不一定使用专用变机，而不一定使用专用变频电动机；二是通用变频频电动机；二是通用变频频电动机；二是通用变频频电动机；二是通用变频器具有各种可供选择的功，器具有各种可供选择的功，器具有各种

25、可供选择的功，器具有各种可供选择的功，能适应许多不同性质的负能适应许多不同性质的负能适应许多不同性质的负能适应许多不同性质的负载机械。载机械。载机械。载机械。(1)(1)(1)(1)整流单元三相桥式不可控整流电路。整流单元三相桥式不可控整流电路。整流单元三相桥式不可控整流电路。整流单元三相桥式不可控整流电路。(2)(2)(2)(2)逆变单元由逆变单元由逆变单元由逆变单元由6 6 6 6个大功率开关管组成的三相桥式电路。个大功率开关管组成的三相桥式电路。个大功率开关管组成的三相桥式电路。个大功率开关管组成的三相桥式电路。大功率开关多为大功率开关多为大功率开关多为大功率开关多为IGBTIGBTIG

26、BTIGBT模块。模块。模块。模块。(3)(3)(3)(3)滤波环节电阻与电解电容器。滤波环节电阻与电解电容器。滤波环节电阻与电解电容器。滤波环节电阻与电解电容器。整流滤波单元l通用变频器的结构通用变频器的结构(4)(4)(4)(4)计算机控制单元用于控制整个系统的运行，是变频计算机控制单元用于控制整个系统的运行，是变频计算机控制单元用于控制整个系统的运行，是变频计算机控制单元用于控制整个系统的运行，是变频器的核心。器的核心。器的核心。器的核心。(5)(5)(5)(5)主电路接线端子电源、电动机、直流电抗器、制动主电路接线端子电源、电动机、直流电抗器、制动主电路接线端子电源、电动机、直流电抗器

27、、制动主电路接线端子电源、电动机、直流电抗器、制动单元和制动电阻等外接单元的接线端子。单元和制动电阻等外接单元的接线端子。单元和制动电阻等外接单元的接线端子。单元和制动电阻等外接单元的接线端子。 (6)(6)(6)(6)控制电路接线端子用于控制变频器的起动、停止、控制电路接线端子用于控制变频器的起动、停止、控制电路接线端子用于控制变频器的起动、停止、控制电路接线端子用于控制变频器的起动、停止、外部频率信号给定及故障报警输出等。外部频率信号给定及故障报警输出等。外部频率信号给定及故障报警输出等。外部频率信号给定及故障报警输出等。计算机控制单元主电路接线端子主电路接线端子(7)(7)(7)(7)操

28、作面板用于变频器的功能与频率设定，以及控制操操作面板用于变频器的功能与频率设定，以及控制操操作面板用于变频器的功能与频率设定，以及控制操操作面板用于变频器的功能与频率设定，以及控制操作等。如设定频率作等。如设定频率作等。如设定频率作等。如设定频率( ( ( (基波频率、载波频率、上限频率、下限基波频率、载波频率、上限频率、下限基波频率、载波频率、上限频率、下限基波频率、载波频率、上限频率、下限频率、高、中、低速频率等频率、高、中、低速频率等频率、高、中、低速频率等频率、高、中、低速频率等) ) ) )，运行正、反转选择，运行正、反转选择，运行正、反转选择，运行正、反转选择( ( ( (及正、反

29、及正、反及正、反及正、反转防止设定转防止设定转防止设定转防止设定) ) ) )，起动、停车的加速度设定，过载电流设定等，起动、停车的加速度设定，过载电流设定等，起动、停车的加速度设定，过载电流设定等，起动、停车的加速度设定，过载电流设定等，以及起动、停止、点动、升速、降速等的操作。以及起动、停止、点动、升速、降速等的操作。以及起动、停止、点动、升速、降速等的操作。以及起动、停止、点动、升速、降速等的操作。(8)(8)(8)(8)冷却风扇用于变频器机体内的通风。冷却风扇用于变频器机体内的通风。冷却风扇用于变频器机体内的通风。冷却风扇用于变频器机体内的通风。8.7.1 通用变频器的功能 l无无PG

30、(PG(速度传感器速度传感器) )的的U/fU/f控制方式；控制方式；l有有PGPG的的U/fU/f控制方式；控制方式；l无无PGPG的矢量控制方式；的矢量控制方式；l有有PGPG的矢量控制方式。的矢量控制方式。“多控制方式多控制方式多控制方式多控制方式”的通用变频器产品。如安川公司的的通用变频器产品。如安川公司的的通用变频器产品。如安川公司的的通用变频器产品。如安川公司的VS616G5VS616G5VS616G5VS616G5系列通用变频器，它有四种控制方式可供选系列通用变频器，它有四种控制方式可供选系列通用变频器，它有四种控制方式可供选系列通用变频器，它有四种控制方式可供选用：用：用：用：

31、这种这种“多控制方式多控制方式”通用变频器的性能，可满足多通用变频器的性能，可满足多数工业传动装置的需要。数工业传动装置的需要。8.7.3 通用变频器的使用 l变频器类型的选择变频器类型的选择 根据负载的要求来选择变频器的类型，如：根据负载的要求来选择变频器的类型，如：1)1)风机、泵类负载，它们的阻力转矩与转速的风机、泵类负载，它们的阻力转矩与转速的平方成正比，起动及低速时阻力转矩较小，通常可平方成正比，起动及低速时阻力转矩较小，通常可以选择普通功能型。以选择普通功能型。 2)2)恒转矩类负载，如挤压机、搅拌机、传送带恒转矩类负载，如挤压机、搅拌机、传送带等，则有两种情况。一是可采用普通功能

32、型变频器。等，则有两种情况。一是可采用普通功能型变频器。二是采用具有转矩控制功能的高功能型变频器，其二是采用具有转矩控制功能的高功能型变频器，其实现恒转矩负载的调速运行比较理想。实现恒转矩负载的调速运行比较理想。 3)3)对一些动态性能要求较高的生产机械，如轧对一些动态性能要求较高的生产机械，如轧钢、塑料薄膜加工线等，可采用矢量控制型变频器。钢、塑料薄膜加工线等，可采用矢量控制型变频器。l变频器容量的计算变频器容量的计算 对于连续恒载运转机械所需的变频器，其容量可用对于连续恒载运转机械所需的变频器，其容量可用下式近似计算：下式近似计算： l变频器外部接线变频器外部接线 下面以富士电机下面以富士电机公司公司FRNG9S/P9SFRNG9S/P9S系列变频器为例系列变频器为例加以说明。图加以说明。图8-8-1616为为FRNG9S/P9SFRNG9S/P9S变频器的基本原变频器的基本原理接线图。理接线图。n主电路接线端子接线图主电路接线端子接线图 l变频器的调试和运行变频器的调试和运行 变频器的调试和运行通常可按下列步骤进行：变频器的调试和运行通常可按下列步骤进行：(1) (1) 通电前检查通电前检查(2) (2) 系统功能设定系统功能设定 频率的设定频率的设定 功能设定功能设定 试运行试运行谢谢谢谢! !