交流调速第一章之三课件.ppt
2022/12/10,1,异步电动机变压变频调速理论基础,第 一 章,主讲教师：崔纳新,山东大学,2022/12/10,2,本 章 提 要,1.1 异步电动机运行原理1.2 异步电动机的机械特性1.3 变频调速的基本控制方式1.4 负载转矩特性及其与调速方式的配合,2022/12/10,3,目前，交流变频调速技术以其优异的性能而深受各行业的普遍欢迎，并已取得了显著的社会效益。,电力,轧钢,造纸,化工,煤炭,纺织,船舶,机床,航天航空,广泛应用：,1.3 变频调速的基本控制方式,2022/12/10,4,1.3 变频调速的基本控制方式,由于在调速时转差功率不随转速而变化，调速范围宽，无论是高速还是低速时效率都较高，在采取一定的技术措施后能实现高动态性能，可与直流调速系统媲美。,因此现在应用面很广，是本课程的重点。,2022/12/10,5,1.3 变频调速的基本控制方式,异步电机的转速n与定子供电频率之间有以下关系：,（1-29）,从上式可知，只要平滑地调节异步电机定子的供电频率f1，同步转速n0随之改变，就可以平滑地调节转速n，从而实现异步电机的无级调速，这就是变频调速的基本原理。,变频调速光调频行吗？,2022/12/10,6,在进行电机调速时，常须考虑的一个重要因素是：,-希望保持电机中每极磁通量 m为额定值不变。,如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁芯，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。,一、调频与调压协调控制的必要性,2022/12/10,7,对于直流电机，励磁系统是独立的，只要对电枢反应有恰当的补偿， m保持不变是很容易做到的。,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。,一、调频与调压协调控制的必要性,2022/12/10,8,（1-30）,式中 Es气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值（V）,定子每相电动势,由式（1-30）可知，只要控制好Es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。,2022/12/10,9,常值,即采用恒电动势频率比的控制方式。,二、 基频以下的变频调速控制方式,由式（1-30）可知，要保持 m 不变，当频率 f1 从额定值 f1N 向下调节时，必须同时降低 Es ，使,2022/12/10,10,1. 保持 的严格恒磁通控制,由式（1-30）可得,（1-31）,由式（1-31）可知，要保持磁通m不变，当频率f1从额定频率向下调节时，必须同时降低电动势Es，即采用恒定的电动势频率比的控制方式。这时异步电动机的机械特性将会如何呢？,2022/12/10,11,1. 保持 的严格恒磁通控制,由图1-14可知：,将上式代入式（1-17）电磁转矩基本公式，可得,2022/12/10,12,1. 保持 的严格恒磁通控制,上式对s求导，并令dTe/ds=0，可得恒磁通控制转矩最大时的转差率为,将sm代入式（1-33）得最大电磁转矩,2022/12/10,13,1. 保持 的严格恒磁通控制,可见，当调速过程中Es/f1为恒值时Temax值是恒定不变的在低频低速下也能保持这个最大电磁转矩，因此称为恒转矩调速方式。,2022/12/10,14,2.保持 常值的近似恒磁通控制(恒压频比的控制),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 Us Es，则得,Es Us ，这就是保持 的近似恒磁通控制 也称为恒压频比控制或U/f控制 是开环变频调速系统常用的控制方式。,2022/12/10,15,2.保持 常值的近似恒磁通控制(恒压频比的控制),式（1-18）的电磁转矩表达式：,当采用恒压频比控制方式时，式（1-18）可改写为：,（1-18）,（1-36）,2022/12/10,16,2.保持 常值的近似恒磁通控制(恒压频比的控制),当电动机稳态运行时转差率s很小，可以忽略分母中含s项，则,式中，,由上式可知，当采用恒压频比控制时，对于同一电磁转矩Te，sf1是基本不变的，即n基本不变，这说明恒压频比条件下改变频率时，机械特性是平行下移的。,2022/12/10,17,2.保持 常值的近似恒磁通控制(恒压频比的控制),由上节推导的最大转矩表达式,（1-38）,(1)当转速较高时，f1在额定频率fn附近变化，定、转子的总漏抗远远大于定子电阻Rs,2022/12/10,18,2.保持 常值的近似恒磁通控制(恒压频比的控制),则最大转矩,上式表明，频率较高时，恒压频比调速时异步电动机的最大转矩与频率无关，基本上保持不变。,2022/12/10,19,2.保持 常值的近似恒磁通控制(恒压频比的控制),（2）当转速较低时，f1比f1n下降很多，此时定、转子总漏抗随之下降，定子电阻Rs不能忽略，对式（1-38）稍加整理可得,可见在 不变时，最大转矩Temax是随着定子供电频率f1的下降而减小的。,2022/12/10,20,在低频时 Us 和 ES 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。,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.保持 常值的近似恒磁通控制(恒压频比的控制),2022/12/10,21,低频时适当地提高定子电压Us，使最大电磁转矩有所增大，实质上是对异步电机电磁转矩的补偿，可以增强电动机的带负载能力。一般变频器调压调频控制方式都有转矩补偿功能，其理论基础就在于此。,2.保持 常值的近似恒磁通控制,2022/12/10,22,机械特性曲线,n,2022/12/10,23,2.保持 常值的近似恒磁通控制,恒压频比控制方式的优点是变频装置结构简单，造价低，运行可靠，调试方便。 但是，在这种控制方式下，异步电动机在低频工作时，最大转矩Temax将随定子供电频率f1的下降而减小，在频率很低时，启动转矩也将减小，因此它比较适用于调速范围不大或转矩随转速下降而减小的负载，如风机、水泵类负载，风机泵类负载属于平方转矩负载，在低频时要求的电磁转矩小。,2022/12/10,24,3. 恒 Er/1 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,Er,2022/12/10,25,代入电磁转矩基本关系式，得,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。,3. 恒 Er/1 控制,2022/12/10,26,0,s,1,0,Te,几种电压频率协调控制方式的特性比较,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,a,b,c,2022/12/10,27,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Er/1 呢？,3. 恒 Er/1 控制,2022/12/10,28,（1-30） 可以看出，当频率恒定时，电动势与磁通成正比。在式（ 1-30 ）中，气隙磁通的感应电动势 Es 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 ：,3. 恒 Er/1 控制,由此可见，只要能够按照转子全磁通幅值 rm=恒值 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，第3.3节中将详细讨论。,2022/12/10,29,4几种协调控制方式的比较,综上所述，在正弦波供电时，按不同规律实现电压频率协调控制可得不同类型的机械特性。,1）恒压频比（Us/1=恒值）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。,2022/12/10,30,2）恒Es/1控制是对恒压频比控制实行电压补偿的标准，可以在稳态时达到m=恒值，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。,4几种协调控制方式的比较,2022/12/10,31,3）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=恒值 而且，在动态中也尽可能保持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。,4几种协调控制方式的比较,2022/12/10,32,三、 基频以上的变频调速控制方式,但这时电机输出的机械功率是否不变呢？,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UsN ，最多只能保持Us=UsN ，这将迫使磁通与频率成反比地降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。,2022/12/10,33,（一）近似恒功率调速方式,事实上，电压不变，升高频率的调速方式是近似恒功率调速方式。 由于定子端电压Us= Usn保持不变，式（1-22）的最大转矩表达式可改写为,由上式可知，在电压不变的前提下，随着角频率1的升高，最大转矩Temax随之下降。,2022/12/10,34,机械特性曲线,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，如图所示。,图3-18 基频以上恒压变频调速的机械特性,2022/12/10,35,（二）严格恒功率控制方式,电动机输出的机械功率为：,要实现严格的恒功率控制，必须使基频以上不同频率对应机械功率相等，即,2022/12/10,36,（二）严格恒功率控制方式,可推导得到,即,（1-54）,通过上述分析，可得出如下结论：（1）为了获得严格的恒功率调速，在频率由基频上调时，应使电压与频率的1/2次方成正比变化，即 。,2022/12/10,37,（二）严格恒功率控制方式,（2）基频上调、电压不变的控制方式，不能实现严格的恒功率调速。（3）把基频下调和基频上调两种情况结合起来，可得异步电动机变频调速的控制特性如图1-19所示。在基频fn以下为恒转矩调速区，磁通和转矩恒定，功率与频率（转速）成正比；在基频以上为恒功率调速区，功率恒定，磁通和转矩与频率（转速）成反比。,2022/12/10,38,变压变频控制特性,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。,2022/12/10,39,小 结,电压Us与频率1是变频器异步电动机调速系统的两个独立的控制变量，在变频调速时需要对这两个控制变量进行协调控制。在基频以下，有三种协调控制方式。采用不同的协调控制方式，得到的系统稳态性能不同，其中恒Er /1控制的性能最好。在基频以上，采用保持电压不变的近似恒功率弱磁调速方法。,2022/12/10,40,1.4 负载转矩特性及其与调速方式的配合,负载的转矩特性是指生产机械负载的静态阻转矩和转速之间的关系。 比较典型的负载转矩特性通常可以大致分为三种：恒转矩负载恒功率负载平方转矩负载,一、负载的转矩特性,2022/12/10,41,（一）恒转矩负载,式中，PL是负载功率（kW）。,恒转矩负载的静负载转矩在任何转速下都保持恒定或基本恒定 ，其基本特点是,1.4 负载转矩特性及其与调速方式的配合,2022/12/10,42,恒转矩负载特点：1. 转矩特点：在不同的转速下，负载的阻转矩基本恒定，即负载转矩的大小与转速无关；2. 功率特点：负载功率与速度成正比。,这类负载有传送带、搅拌机、挤压机等摩擦类负载和起重机、提升机等重力负载。 另外， 空气压缩机、罗茨鼓风机、球磨机、注塑机、往复式注塞泵等也属于恒转矩负载。,1.4 负载转矩特性及其与调速方式的配合,2022/12/10,43,1.4 负载转矩特性及其与调速方式的配合,以传送带为例，其静负载转矩的大小决定于,（1-56）,上式中，F是滚轮与皮带之间的摩擦力；r是滚轮的半径，两者都与转速无关，所以在调节转速的过程中，转矩TL保持不变 。,2022/12/10,44,变频器驱动恒转矩性质负载时，低速区的转矩要足够大，并且要有足够的转矩过载能力。,1.4 负载转矩特性及其与调速方式的配合,对于U / f 控制方式的通用变频器而言，应有低速下的转矩提升功能，并仔细调整U /f 特性，使电动机产生的转矩既能满足起动和低速稳定运行的需要，又不会出现过励磁现象。,2022/12/10,45,恒转矩负载的功率与转速成正比，转速越高，负载所需的功率越高，电动机的功率应满足最高转速下的负载功率的要求。,1.4 负载转矩特性及其与调速方式的配合,如果需要在低速下稳速运行，应该考虑 到由于负载转矩不变，电动机定子电流亦基本不变，而通用标准异步电动机的散热能力却变坏的特点，采取相应的措施。,2022/12/10,46,调速系统构成,开环人为调节工作频率,闭环自动调节工作频率,2022/12/10,47,（二）恒功率负载,1.4 负载转矩特性及其与调速方式的配合,恒功率负载的特点：（1）负载功率基本保持不变，与转速无关 （2）负载转矩与转速大致成反比,2022/12/10,48,（二）恒功率负载,这类负载有轧钢机、造纸机、塑料薄膜生产线中的卷取机、开卷机等。,各种机床主轴也属于恒功率负载，这些机床的特点是粗加工时进刀量大，转矩大，转速低，精加工时进刀量小，转矩小，转速高。,2022/12/10,49,上式中，F是被卷物的张力，r是被卷物的半径。,在卷绕过程中，要求线速度v和张力F保持恒定，因此，拖动系统的功率保持不变：,（二）恒功率负载,以薄膜卷取机为例，其负载转矩的大小决定于,（1-59）,若要保证线速度v和张力F恒定，转速需与转矩大小成反比变化。,2022/12/10,50,（二）恒功率负载,变频器供电异步电动机在驱动恒功率负载时，通常考虑在某转速以下采用恒转矩调速方式，而在高于该转速时才采用恒功率调速方式。,当速度很低时，受设备机械强度的限制，TL不可能无限增大，因此负载的恒功率性质一般是在较高转速范围内，低速下则转变为恒转矩性质。,2022/12/10,51,（二）恒功率负载,应根据生产机械的特性和工艺要求仔细选择传动方案的恒转矩区和恒功率区。在恒转矩区变频器应控制电动机运行于恒磁通调速条件下，最大允许输出转矩保持不变；,在恒功率区变频器应控制电动机进行弱磁升速，保持输出功率基本不变。,2022/12/10,52,（三）平方转矩负载,在各种风机、水泵、油泵中，随着叶轮的转动，空气或液体在一定的速度范围内所产生的阻力大致与转速n的二次方成正比。即,随着转速的降低，平方转矩负载所需的转矩以平方的比例减小，所以低频时的负载电流很小，即使使用普通异步电动机也不会发生过热现象。,2022/12/10,53,（三）平方转矩负载,平方转矩负载所需的功率与速度的3次方成正比，即,（1-61）,2022/12/10,54,（三）平方转矩负载,一般的U/f控制变频器都预先设置了平方转矩负载用的U/f特性。,但是由于负载机械的不同，飞轮惯量GD2差别较大，当GD2较大且起动较快时，应事先校核起动转矩是否满足要求。,由于高速时所需功率随转速增长过快，所以通常不应使风机、水泵类负载超工频运行，以免发生过载。考虑电动机的容量时，应按机械最高可能转速（一般为额定转速）下的功率来决定。,2022/12/10,55,二、调速方式,电机常用的有两种典型调速方式，即恒转矩调速方式和恒功率调速方式。如果输出转矩和转速无关，则为恒转矩调速方式。其转矩（输出电流决定）大小决定于负载固有的特性，跟其输出频率无太大关系。如果输出转矩和转速成反比，则为恒功率调速方式。,所谓调速方式，是指在电机得到充分利用的条件下，电机输出转矩和转速之间的关系。,2022/12/10,56,三、调速方式与负载特性的配合,为了充分利用电动机，恒转矩调速方式适合拖动恒转矩负载；恒功率调速方式适合拖动恒功率负载。,有些生产机械，在较低的转速范围内具有近似恒转矩的特性，而在较高的转速范围内具有恒功率的特性，例如初轧机。对于此类设备，采用基速以下恒压频比、基速以上弱磁调速的方法，就能与负载特性实现较好的配合，使电动机得到较充分的利用。,2022/12/10,57,调速方法与负载特性的配合是否恰当可以用图1-27来说明。,图1-27（a）表示电动机的恒转矩和恒功率调速的范围和负载的恒转矩和恒功率范围相一致，即在任何转速下都有TL=Tea（相“匹配”），是理想的配合情况，电动机的容量和变频器的容量均最小。,三、调速方式与负载特性的配合,2022/12/10,58,三、调速方式与负载特性的配合,但是，如果负载要求的恒功率范围很宽，要维持低速下的恒功率关系，变频器和电动机的容量不得不很大，系统的成本会加大。 在可能的情况下，尽量采用一种折中方案，适当缩小恒功率范围（以满足生产工艺要求为前提），以减小变频器和电动机的容量，降低成本。,2022/12/10,59,三、调速方式与负载特性的配合,图1-27（b）表示恒转矩调速与恒功率负载相配合，为了使电动机在nmax与nmin之间的任何转速下都能长期可靠运行，应当使Tea等于最低转速时的静负载转矩。这样，在其它转速下，电动机得不到充分利用。,2022/12/10,60,有些生产机械的静负载基本上是恒功率的，但是调速范围较大，如果采用弱磁调速，它的调速范围满足不了要求。图1-27（f）表示恒转矩、恒功率分区调速与恒功率负载配合，虽然电动机也得不到充分利用，但是比采用恒转矩调速要好些。,三、调速方式与负载特性的配合,2022/12/10,61,三、调速方式与负载特性的配合,图1-27（c）表示恒功率调速与恒转矩负载配合，除了最高转速外，其他转速下，电动机得不到充分利用，这种配合也不好。,2022/12/10,62,三、调速方式与负载特性的配合,图1-27（d）恒转矩调速与平方转矩负载配合,虚线表示使电动机得到充分利用的转矩Tea,2022/12/10,63,图1-27（e）表示恒功率调速与平方转矩负载配合,这两种情况下电动机都得不到充分利用。不过从图中可以看出，采用恒转矩调速比采用恒功率调速与鼓风机负载配合要好一些。,三、调速方式与负载特性的配合,2022/12/10,64,对于风机、泵类等平方转矩，低速下负载转矩较小，通常可选择专用或普通功能型通用变频器。,对于恒转矩类负载或有较高静态转速精度要求的机械应选用具有转矩控制功能的高功能型通用变频器，这种通用变频器低速转矩、静态机械特性硬度大，不怕负载冲击，具有挖土机特性。为了实现大调速比的恒转矩调速，常采用加大通用变频器容量的办法。,三、调速方式与负载特性的配合,2022/12/10,65,本章小 结,熟悉和掌握异步电动机的各种人为机械特性及调压调速电路。熟悉和掌握异步电动机变频调速电压与频率的协调控制方式及其不同的稳态性能。熟悉和掌握不同的负载转矩特性及其与调速方式的配合。,
