第29講三相異步電動機的調速之二

1、第第28講講 三相異步電動機的調速三相異步電動機的調速之二之二變頻調速變頻調速 基于穩(wěn)態(tài)模型的異步電動機調速基于穩(wěn)態(tài)模型的異步電動機調速穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型包括電機穩(wěn)態(tài)運行時的等效電路和機械特性。包括電機穩(wěn)態(tài)運行時的等效電路和機械特性。112222211(+) +(+)UIIRRXXs 2222122211123322p12/(/ )()RIU RspsTffRRsXX 一、變壓變頻調速一、變壓變頻調速116011()()fnnssp 由異步電動機轉速公式可知，當轉差率由異步電動機轉速公式可知，當轉差率s變化不大時，變化不大時，轉速轉速n基本上與電源頻率基本上與電源頻率f1成正比。連續(xù)調節(jié)

2、電源頻率，就成正比。連續(xù)調節(jié)電源頻率，就可以平滑地改變電動機的轉速。但是，單一地調節(jié)電源頻可以平滑地改變電動機的轉速。但是，單一地調節(jié)電源頻率，將導致電動機運行性能的惡化，原因如下：率，將導致電動機運行性能的惡化，原因如下：電動機正常運行時，定子漏阻抗壓降很小，可以認為電動機正常運行時，定子漏阻抗壓降很小，可以認為 若端電壓若端電壓U1不變，則當不變，則當f1減小時，主磁通減小時，主磁通1將增加，這將增加，這將導致磁路過分飽和，勵磁電流增大，功率因數(shù)降低，鐵心將導致磁路過分飽和，勵磁電流增大，功率因數(shù)降低，鐵心損耗增大；而當損耗增大；而當f1增大時，增大時， 1將減小，電磁轉矩和最大轉矩將減小

3、，電磁轉矩和最大轉矩下降，過載能力降低，電動機容量得不到充分利用。下降，過載能力降低，電動機容量得不到充分利用?；l以下調速基頻以下調速 l當異步電動機在基頻（額定頻率）以下運行時，如果磁通當異步電動機在基頻（額定頻率）以下運行時，如果磁通太弱，沒有充分利用電機的鐵心，是一種浪費；如果磁通太弱，沒有充分利用電機的鐵心，是一種浪費；如果磁通過大，又會使鐵心飽和，從而導致過大的勵磁電流，嚴重過大，又會使鐵心飽和，從而導致過大的勵磁電流，嚴重時還會因繞組過熱而損壞電機。時還會因繞組過熱而損壞電機。l最好是保持每極磁通量為額定值不變。最好是保持每極磁通量為額定值不變。一、變壓變頻調速一、變壓變頻調速1

4、、變壓變頻調速的基本原理：、變壓變頻調速的基本原理：l當頻率從額定值向下調節(jié)時，必須使當頻率從額定值向下調節(jié)時，必須使 14.44SgsNmNEN kf常值l基頻以下應采用電動勢頻率比為恒值的控制方式。基頻以下應采用電動勢頻率比為恒值的控制方式?；l以下調速基頻以下調速 一、變壓變頻調速一、變壓變頻調速l恒壓頻比的控制方式恒壓頻比的控制方式 當電動勢值較高時，忽略定子電阻和漏感壓降，當電動勢值較高時，忽略定子電阻和漏感壓降，gsEU 基頻以下調速基頻以下調速 一、變壓變頻調速一、變壓變頻調速l低頻補償（低頻轉矩提升）低頻補償（低頻轉矩提升）低頻時，定子電阻和漏感壓降所占的份量比較顯著，低頻時，

5、定子電阻和漏感壓降所占的份量比較顯著，不能再忽略。不能再忽略。人為地把定子電壓抬高一些，以補償定子阻抗壓降。人為地把定子電壓抬高一些，以補償定子阻抗壓降。負載大小不同，需要補償?shù)亩ㄗ与妷阂膊灰粯?。負載大小不同，需要補償?shù)亩ㄗ与妷阂膊灰粯印；l以下調速基頻以下調速 一、變壓變頻調速一、變壓變頻調速l通常在控制軟件中通常在控制軟件中備有不同斜率的補備有不同斜率的補償特性，以供用戶償特性，以供用戶選擇。選擇。a無補償無補償 b帶定子電壓帶定子電壓補償補償恒壓頻比控制特性恒壓頻比控制特性基頻以下調速基頻以下調速 一、變壓變頻調速一、變壓變頻調速l在基頻以上調速時，頻率從低向上升高，受到電機在基頻以上調

6、速時，頻率從低向上升高，受到電機絕緣耐壓和磁路飽和的限制，定子電壓不能隨之升絕緣耐壓和磁路飽和的限制，定子電壓不能隨之升高，最多只能保持額定電壓不變。高，最多只能保持額定電壓不變。l這將導致磁通與頻率成反比地降低，使得異步電動這將導致磁通與頻率成反比地降低，使得異步電動機工作在弱磁狀態(tài)。機工作在弱磁狀態(tài)。基頻以上調速基頻以上調速 一、變壓變頻調速一、變壓變頻調速異步電動機變壓變頻調速的控制特性異步電動機變壓變頻調速的控制特性一、變壓變頻調速一、變壓變頻調速變壓變頻調速時的機械特性變壓變頻調速時的機械特性l基頻以下采用恒壓頻比控制基頻以下采用恒壓頻比控制 異步電動機機械特性方程式改寫為異步電動機

7、機械特性方程式改寫為22122121)()(3lrlsrsrspeLLsRsRRsUnT一、變壓變頻調速一、變壓變頻調速2222122211123322p12/(/ )()RIU RspsTffRRsXX 基頻以下調速基頻以下調速l當當s很小時，忽略上式分母中含很小時，忽略上式分母中含s各項，各項，sRsUnTrspe1213或或 2113sperUnTRs一、變壓變頻調速一、變壓變頻調速基頻以下調速基頻以下調速l對于同一轉矩，轉速降落基本不變對于同一轉矩，轉速降落基本不變在恒壓頻比的條件下把頻率向下調節(jié)時，機械特性基本上在恒壓頻比的條件下把頻率向下調節(jié)時，機械特性基本上是平行下移的。是平行下

8、移的。2111210602reeppsR TnsnsTnnU 一、變壓變頻調速一、變壓變頻調速基頻以下調速基頻以下調速l臨界轉矩臨界轉矩 隨著頻率的降低而減小。隨著頻率的降低而減小。l當頻率較低時，電動機帶載能力減弱，采用低頻定子壓當頻率較低時，電動機帶載能力減弱，采用低頻定子壓降補償，適當?shù)靥岣唠妷?，可以增強帶載能力。降補償，適當?shù)靥岣唠妷?，可以增強帶載能力。221121)(123lrlsssspemLLRRUnT一、變壓變頻調速一、變壓變頻調速基頻以下調速基頻以下調速l轉差功率轉差功率 與轉速無關，故稱作轉差功率不變型。與轉速無關，故稱作轉差功率不變型。21213resmespR TPsP

9、sTUn一、變壓變頻調速一、變壓變頻調速基頻以上調速基頻以上調速l電壓不能從額定值再向上提高，只能保持不變，機電壓不能從額定值再向上提高，只能保持不變，機械特性方程式可寫成械特性方程式可寫成l臨界轉矩表達式臨界轉矩表達式 2212212)()(3lrlsrsrsNpeLLsRsRsRUnT221212)(123lrlssssNpemLLRRUnT一、變壓變頻調速一、變壓變頻調速基頻以上調速基頻以上調速l臨界轉差臨界轉差 l當當s很小時，忽略上式分母中含很小時，忽略上式分母中含s各項各項 2212)(lrlssrmLLRRs213sNeprUsTnR或或21123repsNR Tsn U一、變壓

10、變頻調速一、變壓變頻調速基頻以上調速基頻以上調速l帶負載時的轉速降落帶負載時的轉速降落 l對于相同的電磁轉矩，角頻率越大，轉速降落越大，機對于相同的電磁轉矩，角頻率越大，轉速降落越大，機械特性越軟，與直流電動機弱磁調速相似。械特性越軟，與直流電動機弱磁調速相似。21112210602reppsNR TnsnsnnU 一、變壓變頻調速一、變壓變頻調速基頻以上調速基頻以上調速l轉差功率轉差功率 l帶恒功率負載運行時帶恒功率負載運行時221123resmepsNR TPsPsTn U轉差功率基本不變。轉差功率基本不變。221eT常數(shù)一、變壓變頻調速一、變壓變頻調速2、變壓變頻調速時的機械特性、變壓變

11、頻調速時的機械特性圖圖5-11 異步電動機變壓變頻調速機械特性異步電動機變壓變頻調速機械特性一、變壓變頻調速一、變壓變頻調速變壓變頻調速變壓變頻調速l在基頻以下，由于磁通恒定，允許輸出轉矩也恒定，在基頻以下，由于磁通恒定，允許輸出轉矩也恒定，屬于屬于“恒轉矩調速恒轉矩調速”方式。方式。l在基頻以上，轉速升高時磁通減小，允許輸出轉矩在基頻以上，轉速升高時磁通減小，允許輸出轉矩也隨之降低，由于轉速上升，允許輸出功率基本恒也隨之降低，由于轉速上升，允許輸出功率基本恒定，屬于定，屬于“近似的恒功率調速近似的恒功率調速”方式。方式。一、變壓變頻調速一、變壓變頻調速3、基頻以下電壓補償控制、基頻以下電壓補

12、償控制 l在基頻以下運行時，采用恒壓頻比的控制方法具有在基頻以下運行時，采用恒壓頻比的控制方法具有控制簡便的優(yōu)點。控制簡便的優(yōu)點。l但負載的變化時定子壓降不同，將導致磁通改變，但負載的變化時定子壓降不同，將導致磁通改變，須采用定子電壓補償控制。須采用定子電壓補償控制。l根據(jù)定子電流的大小改變定子電壓，以保持磁通恒根據(jù)定子電流的大小改變定子電壓，以保持磁通恒定。定。一、變壓變頻調速一、變壓變頻調速基頻以下電壓補償控制基頻以下電壓補償控制 異步電動機等值電路和感應電動勢異步電動機等值電路和感應電動勢一、變壓變頻調速一、變壓變頻調速三種磁通三種磁通l氣隙磁通在定子每相繞組中的感應電動勢氣隙磁通在定子

13、每相繞組中的感應電動勢 14.44SgsmNEf N kl定子全磁通在定子每相繞組中的感應電動勢定子全磁通在定子每相繞組中的感應電動勢 l轉子全磁通在定子每相繞組中的感應電動勢轉子全磁通在定子每相繞組中的感應電動勢 14.44SssmsNEf N k14.44SrsmrNEf N k二、恒定子磁通控制二、恒定子磁通控制 l保持定子磁通恒定：保持定子磁通恒定： 定子電動勢不好直接控制，能夠直接控制的只有定子電壓，定子電動勢不好直接控制，能夠直接控制的只有定子電壓，按按l補償定子電阻壓降，就能夠得到恒定子磁通。補償定子電阻壓降，就能夠得到恒定子磁通。 1/ fEssssEIRU1常值常值二、恒定子

14、磁通控制二、恒定子磁通控制 l忽略勵磁電流，轉子電流忽略勵磁電流，轉子電流l電磁轉矩電磁轉矩 2212)(lrlsrsrLLsREI22122 121221221)(3)(3lrlsrrsprlrlsrspeLLsRRsEnsRLLsREnT二、恒定子磁通控制二、恒定子磁通控制 恒壓頻比控制時的轉矩式恒壓頻比控制時的轉矩式 l兩式相比可知，恒定子磁通控制時轉矩表達式的分母小于恒兩式相比可知，恒定子磁通控制時轉矩表達式的分母小于恒壓頻比控制特性中的同類項。壓頻比控制特性中的同類項。l當轉差率當轉差率s相同時，采用恒定子磁通控制方式的電磁轉矩大于相同時，采用恒定子磁通控制方式的電磁轉矩大于恒壓頻比

15、控制方式。恒壓頻比控制方式。22122121)()(3lrlsrsrspeLLsRsRRsUnT二、恒定子磁通控制二、恒定子磁通控制 l臨界轉差率臨界轉差率 l臨界轉矩臨界轉矩 )(1lrlsrmLLRs)(12321lrlsspemLLEnT頻率變化時，恒定子磁通控制的臨界轉矩恒定不變頻率變化時，恒定子磁通控制的臨界轉矩恒定不變 。二、恒定子磁通控制二、恒定子磁通控制 l比較可知比較可知l恒定子磁通控制的臨界轉差率大于恒壓頻比控制方恒定子磁通控制的臨界轉差率大于恒壓頻比控制方式。式。l恒定子磁通控制的臨界轉矩也大于恒壓頻比控制方恒定子磁通控制的臨界轉矩也大于恒壓頻比控制方式。式。三、恒氣隙磁

16、通控制三、恒氣隙磁通控制 l保持氣隙磁通恒定：保持氣隙磁通恒定： l定子電壓定子電壓l除了補償定子電阻壓降外，還應補償定子漏抗壓降。除了補償定子電阻壓降外，還應補償定子漏抗壓降。 1/gEglsssEILjRU11)(常值常值三、恒氣隙磁通控制三、恒氣隙磁通控制 l轉子電流轉子電流l電磁轉矩電磁轉矩 2212lrrgrLsREI2 2122 12122122133lrrrgprlrrgpeLsRRsEnsRLsREnT三、恒氣隙磁通控制三、恒氣隙磁通控制 l臨界轉差率臨界轉差率 l臨界轉矩臨界轉矩 l與恒定子磁通控制方式相比較，恒氣隙磁通控制方式的臨界與恒定子磁通控制方式相比較，恒氣隙磁通控制

17、方式的臨界轉差率和臨界轉矩更大，機械特性更硬。轉差率和臨界轉矩更大，機械特性更硬。 1lrrmLRs21123lrspemLEnT四、恒轉子磁通控制四、恒轉子磁通控制 l保持轉子磁通恒定：保持轉子磁通恒定： l定子電壓定子電壓l除了補償定子電阻壓降外，還應補償定子和轉子漏抗除了補償定子電阻壓降外，還應補償定子和轉子漏抗壓降。壓降。 1/rE11()sslslrrURjLLIE常值常值四、恒轉子磁通控制四、恒轉子磁通控制 l轉子電流轉子電流l電磁轉矩電磁轉矩 sREIrrr/12122133rrprrrpeRsEnsRsREnT四、恒轉子磁通控制四、恒轉子磁通控制 l機械特性完全是一條直線，可以

18、獲得和直流電動機機械特性完全是一條直線，可以獲得和直流電動機一樣的線性機械特性，這正是高性能交流變頻調速一樣的線性機械特性，這正是高性能交流變頻調速所要求的穩(wěn)態(tài)性能。所要求的穩(wěn)態(tài)性能。不同控制方式下的機械特性不同控制方式下的機械特性 異步電動機在不同控制方式下的機械特性異步電動機在不同控制方式下的機械特性la）恒壓頻比控制）恒壓頻比控制lb）恒定子磁通控制）恒定子磁通控制lc）恒氣隙磁通控制）恒氣隙磁通控制l d）恒轉子磁通控制）恒轉子磁通控制不同控制方式的比較不同控制方式的比較 l恒壓頻比控制最容易實現(xiàn)，它的變頻機械特性基本上是恒壓頻比控制最容易實現(xiàn)，它的變頻機械特性基本上是平行下移，硬度也

19、較好，能夠滿足一般的調速要求，低平行下移，硬度也較好，能夠滿足一般的調速要求，低速時需適當提高定子電壓，以近似補償定子阻抗壓降。速時需適當提高定子電壓，以近似補償定子阻抗壓降。l恒定子磁通、恒氣隙磁通和恒轉子磁通的控制方式均需恒定子磁通、恒氣隙磁通和恒轉子磁通的控制方式均需要定子電壓補償，控制要復雜一些。要定子電壓補償，控制要復雜一些。l恒定子磁通和恒氣隙磁通的控制方式一般通過恒壓頻比恒定子磁通和恒氣隙磁通的控制方式一般通過恒壓頻比實行電壓補償來實現(xiàn)。雖然改善了低速性能，但機械特實行電壓補償來實現(xiàn)。雖然改善了低速性能，但機械特性還是非線性的，仍受到臨界轉矩的限制。性還是非線性的，仍受到臨界轉矩

20、的限制。不同控制方式下的比較不同控制方式下的比較l以上幾種電壓以上幾種電壓-頻率協(xié)調控制都是指基頻以下的恒轉矩調頻率協(xié)調控制都是指基頻以下的恒轉矩調速范圍而言的，在基頻以上則一律采用電壓不變，只提速范圍而言的，在基頻以上則一律采用電壓不變，只提高頻率的恒功率弱磁調速。高頻率的恒功率弱磁調速。l恒轉子磁通控制方式可以獲得和直流他勵電動機一樣的恒轉子磁通控制方式可以獲得和直流他勵電動機一樣的線性機械特性，性能最佳。在穩(wěn)態(tài)和動態(tài)都保持轉子全線性機械特性，性能最佳。在穩(wěn)態(tài)和動態(tài)都保持轉子全磁通恒定，可以通過矢量控制方法實現(xiàn)，達到變頻調速磁通恒定，可以通過矢量控制方法實現(xiàn)，達到變頻調速的目的，控制系統(tǒng)比

21、較復雜。的目的，控制系統(tǒng)比較復雜。轉差頻率控制轉差頻率控制l異步電動機恒氣隙磁通的電磁轉矩公式異步電動機恒氣隙磁通的電磁轉矩公式 2 2122 12122122133lrrrgprlrrgpeLsRRsEnsRLsREnT將將 1114.4414.4422gsNsmsNsmsNsmEf N k N k N k 轉差頻率控制的基本概念及特點轉差頻率控制的基本概念及特點l代入電磁轉矩公式代入電磁轉矩公式 ，得，得l電機結構常數(shù)電機結構常數(shù) 22212222132repsNsmrlrsRTn N k RsL2223NsspmkNnK轉差頻率控制的基本概念及特點轉差頻率控制的基本概念及特點l定義轉差角

22、頻率定義轉差角頻率 l電磁轉矩電磁轉矩1ss22 2)(lrsrrsmmeLRRKTl轉差率轉差率s較小，轉矩可近似表示較小，轉矩可近似表示 2semmrTK R轉差頻率控制的基本思想轉差頻率控制的基本思想l保持氣隙磁通不變，在保持氣隙磁通不變，在s值較小的穩(wěn)態(tài)運行范圍內，異值較小的穩(wěn)態(tài)運行范圍內，異步電動機的轉矩就近似與轉差角頻率成正比。步電動機的轉矩就近似與轉差角頻率成正比。l在保持氣隙磁通不變的前提下，可以通過控制轉差角頻在保持氣隙磁通不變的前提下，可以通過控制轉差角頻率來控制轉矩，這就是轉差頻率控制的基本思想。率來控制轉矩，這就是轉差頻率控制的基本思想。2semmrTK R轉差頻率控制

23、的基本思想轉差頻率控制的基本思想l臨界轉差臨界轉差 rrsmlrlrRRLLl最大轉矩（臨界轉矩）最大轉矩（臨界轉矩）22lrmmemLKT轉差頻率控制的基本思想轉差頻率控制的基本思想l要保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行，必須使要保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行，必須使 l在轉差頻率控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)允許的最大轉差頻率小于在轉差頻率控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)允許的最大轉差頻率小于臨界轉差頻率臨界轉差頻率smslrrsmsLRmax轉差頻率控制的基本規(guī)律轉差頻率控制的基本規(guī)律l用轉差頻率來控制用轉差頻率來控制轉矩，是轉差頻率轉矩，是轉差頻率控制的基本規(guī)律之控制的基本規(guī)律之一。一。圖圖5-42 恒氣隙磁通控制的機械特性恒氣隙磁通控制的機械特

24、性轉差頻率控制的基本思想轉差頻率控制的基本思想l如何保持氣隙磁通恒定，是轉差頻率控制系統(tǒng)要解決的如何保持氣隙磁通恒定，是轉差頻率控制系統(tǒng)要解決的第二個問題。第二個問題。l保持氣隙磁通恒定，異步電動機定子電壓保持氣隙磁通恒定，異步電動機定子電壓 l必須采用定子電壓補償控制，以抵消定子電阻和漏抗的必須采用定子電壓補償控制，以抵消定子電阻和漏抗的壓降。壓降。 1111)()(glsssglssssELjRIELjRIU轉差頻率控制的基本思想轉差頻率控制的基本思想l定子電壓補償應該是幅值和相位的補償，但控制系統(tǒng)復定子電壓補償應該是幅值和相位的補償，但控制系統(tǒng)復雜。雜。l忽略電流相量相位變化的影響，僅采

25、用幅值補償，則電忽略電流相量相位變化的影響，僅采用幅值補償，則電壓壓頻率特性為頻率特性為221111111(,)()()()ssslssggNlsslssgNUfIRLIEEZIZIC1gNgNEC常數(shù)其中其中 轉差頻率控制的基本思想轉差頻率控制的基本思想l高頻時，定子漏抗壓降占主導地位，可忽略定子電阻，高頻時，定子漏抗壓降占主導地位，可忽略定子電阻，簡化為簡化為1111),(gslsgslsssCILEILIfU電壓電壓頻率特性近似呈線性；頻率特性近似呈線性；l低頻時，定子電阻的影響不可忽略，曲線呈現(xiàn)非線性性低頻時，定子電阻的影響不可忽略，曲線呈現(xiàn)非線性性質。質。轉差頻率控制的基本思想轉差頻

26、率控制的基本思想l高頻時，近似呈線高頻時，近似呈線性；性；l低頻時，呈非線性。低頻時，呈非線性。圖圖5-43 定子電壓補償控制的電壓定子電壓補償控制的電壓頻率特性頻率特性轉差頻率控制的規(guī)律轉差頻率控制的規(guī)律l轉矩基本上與轉差頻率成正比，條件是氣隙磁通不變，轉矩基本上與轉差頻率成正比，條件是氣隙磁通不變，且且l在不同的定子電流值時，按定子電壓補償控制的電壓在不同的定子電流值時，按定子電壓補償控制的電壓頻頻率特性關系控制定子電壓和頻率，就能保持氣隙磁通恒定。率特性關系控制定子電壓和頻率，就能保持氣隙磁通恒定。 sms基于穩(wěn)態(tài)模型的異步電動機調速基于穩(wěn)態(tài)模型的異步電動機調速l在基于穩(wěn)態(tài)模型的異步電動機調速系統(tǒng)中，采用在基于穩(wěn)態(tài)模型的異步電動機調速系統(tǒng)中，采用穩(wěn)態(tài)等值電路來分析異步電動機在不同電壓和頻穩(wěn)態(tài)等值電路