§2-4-電機(jī)變頻調(diào)速1課件

§2—4異步電機(jī)變頻調(diào)速理論2023/1/41電氣與信息工程學(xué)院黃守道§2—4異步電機(jī)變頻調(diào)速理論2022/12/271電氣與信

變頻器所提供的電源含較大的諧波成份，但起決定作用的還是基波。所以，下面以基波為主進(jìn)行分析。

變頻調(diào)速控制是本課程學(xué)習(xí)的重點(diǎn)，其內(nèi)容十分廣泛，我們將從變頻調(diào)速理論、變頻調(diào)速系統(tǒng)、矢量變換控制及直接轉(zhuǎn)矩控制等方面進(jìn)行討論。一、變頻調(diào)速的基本控制方式2023/1/42電氣與信息工程學(xué)院黃守道變頻器所提供的電源含較大的諧波成份，但起決定作用的還式中：——定子供電頻率；——定子每相串聯(lián)匝數(shù)；——基波繞組系數(shù)；——每極氣隙磁通當(dāng)電機(jī)一旦選定，結(jié)構(gòu)參數(shù)確定，則有：

說明只要協(xié)調(diào)地控制，即可到達(dá)控制氣隙磁通的目的，但控制方式隨運(yùn)行頻率在基頻以下以及基頻以上而不同。

2023/1/43電氣與信息工程學(xué)院黃守道式中：——定子供電頻率；2022/12/273電基頻以下的控制：恒磁通控制恒電壓頻率比低頻時(shí)定子電阻降壓補(bǔ)償基頻以上,近似恒功率控制:不變,升高,氣隙磁通減小

2023/1/44電氣與信息工程學(xué)院黃守道基頻以下的控制：恒磁通控制2022/12/274電氣與信電壓源型變頻器供電時(shí)異步電機(jī)的工作特性

電壓源型逆變器電流源型逆變器逆變器L+-逆變器+-C2023/1/45電氣與信息工程學(xué)院黃守道電壓源型變頻器供電時(shí)異步電機(jī)的工作特性電壓源型逆變器電恒頻恒壓運(yùn)行時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩(機(jī)械特性)2023/1/46電氣與信息工程學(xué)院黃守道恒頻恒壓運(yùn)行時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩(機(jī)械特性)2022/12/276特點(diǎn):●

s很小時(shí)對(duì)應(yīng)直線a:●

s接近1時(shí)對(duì)應(yīng)雙曲線b:●

s為中間數(shù)時(shí)曲線從直線過渡到雙曲線ST001ab2023/1/47電氣與信息工程學(xué)院黃守道特點(diǎn):●s很小時(shí)對(duì)應(yīng)直線a:ST001ab2022/11.恒壓頻比控制的機(jī)械特性2023/1/48電氣與信息工程學(xué)院黃守道1.恒壓頻比控制的機(jī)械不同頻率時(shí)Δn相同:Δn=··最大轉(zhuǎn)矩隨頻率降低而減小而·2023/1/49電氣與信息工程學(xué)院黃守道不同頻率時(shí)Δn相同:Δn=··最大轉(zhuǎn)矩隨頻恒壓頻比控制的特點(diǎn)同步轉(zhuǎn)速隨運(yùn)行頻率變化不同頻率下機(jī)械特性為一組硬度相同的直線最大轉(zhuǎn)矩隨頻率的降低而減小2023/1/410電氣與信息工程學(xué)院黃守道恒壓頻比控制的特點(diǎn)同步2.恒氣隙電勢(shì)/頻率比控制機(jī)械特性線性段的范圍比恒壓頻比控制更寬即調(diào)速范圍更廣2023/1/411電氣與信息工程學(xué)院黃守道2.恒氣隙電勢(shì)/頻率比低頻下起動(dòng)轉(zhuǎn)矩比額定頻率下的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大,而起動(dòng)電流并不大,轉(zhuǎn)子功率因數(shù)高,這是變頻調(diào)速的重要優(yōu)點(diǎn)即在任何運(yùn)行頻率下的最大轉(zhuǎn)矩恒定不變2023/1/412電氣與信息工程學(xué)院黃守道低頻下起動(dòng)轉(zhuǎn)矩比額定頻率下的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大,而起動(dòng)電流并不實(shí)現(xiàn)途徑:是電機(jī)內(nèi)部量,無法直接控制.必須隨著頻率的降低,適當(dāng)提高定子電壓,以補(bǔ)償定子漏阻抗壓降(主要是定子電阻壓降)對(duì)氣隙電勢(shì)的影響.補(bǔ)償量:式中定子電阻越大,即Q值越小,定子電壓所需補(bǔ)償?shù)某潭纫簿驮酱?直線斜率變小)2023/1/413電氣與信息工程學(xué)院黃守道實(shí)現(xiàn)途徑:是電機(jī)內(nèi)部量,無法直接控制.必須隨著頻注意:采取電流反饋控制使輕載時(shí)電壓降低,克服“過補(bǔ)償”(只考慮最大轉(zhuǎn)矩恒定)風(fēng)機(jī)、水泵等負(fù)載反而常常采用減小電壓/頻率比的運(yùn)行方式,降低輕載時(shí)的電機(jī)損耗(低速時(shí)不要求滿載)2023/1/414電氣與信息工程學(xué)院黃守道注意:采取電流反饋控制使輕載時(shí)電壓降低,克服“過補(bǔ)償”(只考3.恒轉(zhuǎn)子電勢(shì)/頻率比控制特點(diǎn):與他勵(lì)直流電機(jī)一樣為直線型機(jī)械特性與控制,控制相比,穩(wěn)態(tài)特性最好

2023/1/415電氣與信息工程學(xué)院黃守道3.恒轉(zhuǎn)子電勢(shì)/頻率比控實(shí)現(xiàn)途徑:將電壓頻率協(xié)調(diào)控制中低頻段值再提高一點(diǎn),且隨時(shí)補(bǔ)償轉(zhuǎn)子上的漏抗壓降這是高性能交流電機(jī)變頻調(diào)速最終追求的目標(biāo);(全磁通幅值為常數(shù))的控制是矢量控制要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)之一

以上3種控制方式適合于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載2023/1/416電氣與信息工程學(xué)院黃守道實(shí)現(xiàn)途徑:將電壓頻率協(xié)調(diào)控制中低頻段值再提高一點(diǎn),4.恒功率運(yùn)行電氣車輛牽引要求低速時(shí)輸出大轉(zhuǎn)矩.高速時(shí)輸出小轉(zhuǎn)矩即要求恒功率運(yùn)行.實(shí)現(xiàn)途徑:注意:所以,電機(jī)氣隙磁通將隨功率的減小而增大,在設(shè)計(jì)恒功率負(fù)載的電機(jī)時(shí),應(yīng)按運(yùn)行中最低頻率來考慮它的磁路狀態(tài)T2023/1/417電氣與信息工程學(xué)院黃守道4.恒功率運(yùn)行電氣車輛牽引要求低速時(shí)輸出大轉(zhuǎn)矩.

電流源型變頻器供電時(shí),異步電機(jī)的工作特性電流源:逆變器因大電感濾波,電流維持基本恒定恒流源供電時(shí)異步電機(jī)等值電路戴維寧定律2023/1/418電氣與信息工程學(xué)院黃守道電流源型變頻器供電時(shí),異步電機(jī)的工作特性電流源:逆電磁轉(zhuǎn)矩(機(jī)械特性):2023/1/419電氣與信息工程學(xué)院黃守道電磁轉(zhuǎn)矩(機(jī)械特性):2022/12/2719電氣與信息工程特點(diǎn)（恒流源供電時(shí)）:恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速臨界轉(zhuǎn)差率很小起動(dòng)轉(zhuǎn)矩小穩(wěn)定運(yùn)行的轉(zhuǎn)速范圍窄2023/1/420電氣與信息工程學(xué)院黃守道特點(diǎn)（恒流源供電時(shí)）:恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速2022/12/2720電氣注意:應(yīng)控制轉(zhuǎn)差率,避免在極低轉(zhuǎn)差率下運(yùn)行(輕載時(shí)勵(lì)磁電勢(shì)很高),使主磁路不致飽和在恒流源供電時(shí),過載能力低,只適合于負(fù)載變化不大的場(chǎng)合加電壓、電流閉環(huán)控制后，獲得與電壓源供電時(shí)完全相同的特性，變得實(shí)用2023/1/421電氣與信息工程學(xué)院黃守道注意:應(yīng)控制轉(zhuǎn)差率,避免在極低轉(zhuǎn)差率下運(yùn)行(輕載時(shí)勵(lì)磁電四、變頻器非正弦供電時(shí)對(duì)異步電機(jī)運(yùn)行性能的影響1.變頻電源的非正弦特性波形

a)6階梯波

b)12階梯波

c)PWM波2023/1/422電氣與信息工程學(xué)院黃守道四、變頻器非正弦供電時(shí)對(duì)異步電機(jī)運(yùn)行性能的影響1.變頻三相系統(tǒng)不存在3及3的倍數(shù)次諧波電機(jī)諧波轉(zhuǎn)差率

：k次諧波電壓有效值：k次諧波電壓初相位：基波角頻率式中2023/1/423電氣與信息工程學(xué)院黃守道三相系統(tǒng)不存在3及3的倍數(shù)次諧波：k次諧波電壓有效值式異步電機(jī)諧波等值電路（因很小，可以忽略）額定電流有效值增大2%~10%2023/1/424電氣與信息工程學(xué)院黃守道異步電機(jī)諧波等值電路（因很小，可以忽略）2.電源非正弦對(duì)電機(jī)運(yùn)行性能的影響氣隙最大磁密增加,（6階時(shí)大10%，磁飽和）,磁化電流增大定子漏抗因磁飽和而減?。?5%~20%）轉(zhuǎn)子集膚效應(yīng)相當(dāng)強(qiáng)，使得電抗值增大幾倍；而槽漏感則減小到直流時(shí)的1/3，電流集中于槽口，轉(zhuǎn)子諧波損耗成為重要問題2023/1/425電氣與信息工程學(xué)院黃守道2.電源非正弦對(duì)電機(jī)運(yùn)行性能的影響氣隙最大磁密增加,功率因數(shù)明顯下降（諧波和飽和）損耗和效率諧波轉(zhuǎn)矩（恒定諧波轉(zhuǎn)矩和脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩）電應(yīng)力問題軸電流問題2023/1/426電氣與信息工程學(xué)院黃守道功率因數(shù)明顯下降（諧波和飽和）2022/12/2726電氣與2023/1/427電氣與信息工程學(xué)院黃守道2022/12/2727電氣與信息工程學(xué)院黃守道2023/1/428電氣與信息工程學(xué)院黃守道2022/12/2728電氣與信息工程學(xué)院黃守道2023/1/429電氣與信息工程學(xué)院黃守道2022/12/2729電氣與信息工程學(xué)院黃守道（1）諧波轉(zhuǎn)矩表現(xiàn)為恒定諧波轉(zhuǎn)矩和脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩。前者小于基波的1%，可忽略；后者以轉(zhuǎn)子5，7次諧波電流同氣隙磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的六倍基頻脈沖轉(zhuǎn)矩最為嚴(yán)重，可達(dá)額定轉(zhuǎn)矩的1/3，或更大（2）浪涌電壓幅值達(dá)額定電壓1.5倍，損壞電機(jī)繞組絕緣綜上所述，關(guān)鍵是減小和限制電壓和電流的諧波，電壓源型（電壓諧波?。┻x大漏抗電機(jī)；電流源型（電流諧波?。┻x小漏抗電機(jī)。說明：2023/1/430電氣與信息工程學(xué)院黃守道（1）諧波轉(zhuǎn)矩表現(xiàn)為恒定諧波轉(zhuǎn)矩和脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩。前者小于基波的§2—4異步電機(jī)變頻調(diào)速理論2023/1/431電氣與信息工程學(xué)院黃守道§2—4異步電機(jī)變頻調(diào)速理論2022/12/271電氣與信

變頻器所提供的電源含較大的諧波成份，但起決定作用的還是基波。所以，下面以基波為主進(jìn)行分析。

變頻調(diào)速控制是本課程學(xué)習(xí)的重點(diǎn)，其內(nèi)容十分廣泛，我們將從變頻調(diào)速理論、變頻調(diào)速系統(tǒng)、矢量變換控制及直接轉(zhuǎn)矩控制等方面進(jìn)行討論。一、變頻調(diào)速的基本控制方式2023/1/432電氣與信息工程學(xué)院黃守道變頻器所提供的電源含較大的諧波成份，但起決定作用的還式中：——定子供電頻率；——定子每相串聯(lián)匝數(shù)；——基波繞組系數(shù)；——每極氣隙磁通當(dāng)電機(jī)一旦選定，結(jié)構(gòu)參數(shù)確定，則有：

說明只要協(xié)調(diào)地控制，即可到達(dá)控制氣隙磁通的目的，但控制方式隨運(yùn)行頻率在基頻以下以及基頻以上而不同。

2023/1/433電氣與信息工程學(xué)院黃守道式中：——定子供電頻率；2022/12/273電基頻以下的控制：恒磁通控制恒電壓頻率比低頻時(shí)定子電阻降壓補(bǔ)償基頻以上,近似恒功率控制:不變,升高,氣隙磁通減小

2023/1/434電氣與信息工程學(xué)院黃守道基頻以下的控制：恒磁通控制2022/12/274電氣與信電壓源型變頻器供電時(shí)異步電機(jī)的工作特性

電壓源型逆變器電流源型逆變器逆變器L+-逆變器+-C2023/1/435電氣與信息工程學(xué)院黃守道電壓源型變頻器供電時(shí)異步電機(jī)的工作特性電壓源型逆變器電恒頻恒壓運(yùn)行時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩(機(jī)械特性)2023/1/436電氣與信息工程學(xué)院黃守道恒頻恒壓運(yùn)行時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩(機(jī)械特性)2022/12/276特點(diǎn):●

s很小時(shí)對(duì)應(yīng)直線a:●

s接近1時(shí)對(duì)應(yīng)雙曲線b:●

s為中間數(shù)時(shí)曲線從直線過渡到雙曲線ST001ab2023/1/437電氣與信息工程學(xué)院黃守道特點(diǎn):●s很小時(shí)對(duì)應(yīng)直線a:ST001ab2022/11.恒壓頻比控制的機(jī)械特性2023/1/438電氣與信息工程學(xué)院黃守道1.恒壓頻比控制的機(jī)械不同頻率時(shí)Δn相同:Δn=··最大轉(zhuǎn)矩隨頻率降低而減小而·2023/1/439電氣與信息工程學(xué)院黃守道不同頻率時(shí)Δn相同:Δn=··最大轉(zhuǎn)矩隨頻恒壓頻比控制的特點(diǎn)同步轉(zhuǎn)速隨運(yùn)行頻率變化不同頻率下機(jī)械特性為一組硬度相同的直線最大轉(zhuǎn)矩隨頻率的降低而減小2023/1/440電氣與信息工程學(xué)院黃守道恒壓頻比控制的特點(diǎn)同步2.恒氣隙電勢(shì)/頻率比控制機(jī)械特性線性段的范圍比恒壓頻比控制更寬即調(diào)速范圍更廣2023/1/441電氣與信息工程學(xué)院黃守道2.恒氣隙電勢(shì)/頻率比低頻下起動(dòng)轉(zhuǎn)矩比額定頻率下的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大,而起動(dòng)電流并不大,轉(zhuǎn)子功率因數(shù)高,這是變頻調(diào)速的重要優(yōu)點(diǎn)即在任何運(yùn)行頻率下的最大轉(zhuǎn)矩恒定不變2023/1/442電氣與信息工程學(xué)院黃守道低頻下起動(dòng)轉(zhuǎn)矩比額定頻率下的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大,而起動(dòng)電流并不實(shí)現(xiàn)途徑:是電機(jī)內(nèi)部量,無法直接控制.必須隨著頻率的降低,適當(dāng)提高定子電壓,以補(bǔ)償定子漏阻抗壓降(主要是定子電阻壓降)對(duì)氣隙電勢(shì)的影響.補(bǔ)償量:式中定子電阻越大,即Q值越小,定子電壓所需補(bǔ)償?shù)某潭纫簿驮酱?直線斜率變小)2023/1/443電氣與信息工程學(xué)院黃守道實(shí)現(xiàn)途徑:是電機(jī)內(nèi)部量,無法直接控制.必須隨著頻注意:采取電流反饋控制使輕載時(shí)電壓降低,克服“過補(bǔ)償”(只考慮最大轉(zhuǎn)矩恒定)風(fēng)機(jī)、水泵等負(fù)載反而常常采用減小電壓/頻率比的運(yùn)行方式,降低輕載時(shí)的電機(jī)損耗(低速時(shí)不要求滿載)2023/1/444電氣與信息工程學(xué)院黃守道注意:采取電流反饋控制使輕載時(shí)電壓降低,克服“過補(bǔ)償”(只考3.恒轉(zhuǎn)子電勢(shì)/頻率比控制特點(diǎn):與他勵(lì)直流電機(jī)一樣為直線型機(jī)械特性與控制,控制相比,穩(wěn)態(tài)特性最好

2023/1/445電氣與信息工程學(xué)院黃守道3.恒轉(zhuǎn)子電勢(shì)/頻率比控實(shí)現(xiàn)途徑:將電壓頻率協(xié)調(diào)控制中低頻段值再提高一點(diǎn),且隨時(shí)補(bǔ)償轉(zhuǎn)子上的漏抗壓降這是高性能交流電機(jī)變頻調(diào)速最終追求的目標(biāo);(全磁通幅值為常數(shù))的控制是矢量控制要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)之一

以上3種控制方式適合于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載2023/1/446電氣與信息工程學(xué)院黃守道實(shí)現(xiàn)途徑:將電壓頻率協(xié)調(diào)控制中低頻段值再提高一點(diǎn),4.恒功率運(yùn)行電氣車輛牽引要求低速時(shí)輸出大轉(zhuǎn)矩.高速時(shí)輸出小轉(zhuǎn)矩即要求恒功率運(yùn)行.實(shí)現(xiàn)途徑:注意:所以,電機(jī)氣隙磁通將隨功率的減小而增大,在設(shè)計(jì)恒功率負(fù)載的電機(jī)時(shí),應(yīng)按運(yùn)行中最低頻率來考慮它的磁路狀態(tài)T2023/1/447電氣與信息工程學(xué)院黃守道4.恒功率運(yùn)行電氣車輛牽引要求低速時(shí)輸出大轉(zhuǎn)矩.

電流源型變頻器供電時(shí),異步電機(jī)的工作特性電流源:逆變器因大電感濾波,電流維持基本恒定恒流源供電時(shí)異步電機(jī)等值電路戴維寧定律2023/1/448電氣與信息工程學(xué)院黃守道電流源型變頻器供電時(shí),異步電機(jī)的工作特性電流源:逆電磁轉(zhuǎn)矩(機(jī)械特性):2023/1/449電氣與信息工程學(xué)院黃守道電磁轉(zhuǎn)矩(機(jī)械特性):2022/12/2719電氣與信息工程特點(diǎn)（恒流源供電時(shí)）:恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速臨界轉(zhuǎn)差率很小起動(dòng)轉(zhuǎn)矩小穩(wěn)定運(yùn)行的轉(zhuǎn)速范圍窄2023/1/450電氣與信息工程學(xué)院黃守道特點(diǎn)（恒流源供電時(shí)）:恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速2022/12/2720電氣注意:應(yīng)控制轉(zhuǎn)差率,避免在極低轉(zhuǎn)差率下運(yùn)行(輕載時(shí)勵(lì)磁電勢(shì)很高),使主磁路不致飽和在恒流源供電時(shí),過載能力低,只適合于負(fù)載變化不大的場(chǎng)合加電壓、電流閉環(huán)控制后，獲得與電壓源供電時(shí)完全相同的特性，變得實(shí)用2023/1/451電氣與信息工程學(xué)院黃守道注意:應(yīng)控制轉(zhuǎn)差率,避免在極低轉(zhuǎn)差率下運(yùn)行(輕載時(shí)勵(lì)磁電四、變頻器非正弦供電時(shí)對(duì)異步電機(jī)運(yùn)行性能的影響1.變頻電源的非正弦特性波形

a)6階梯波

b)12階梯波

c)PWM波2023/1/452電氣與信息工程學(xué)院黃守道四、變頻器非正弦供電時(shí)對(duì)異步電機(jī)運(yùn)行性能的影響1.變頻三相系統(tǒng)不存在3及3的倍數(shù)次諧波電機(jī)諧波轉(zhuǎn)差率

：k次諧波電壓有效值：k次諧波電壓初相位：基波角頻率式中2023/1/453電氣與信息工程學(xué)院黃守道三相系統(tǒng)不存在3及3的倍數(shù)次諧波：k次諧波電壓有效值式異步電機(jī)諧波等值電路