第5章基于稳态模型的异步电动机调速系统ppt课件.ppt

第 2 篇,电力拖动自动控制系统,交流调速系统,概 述,直流电力拖动和交流电力拖动在19世纪先后诞生。在20世纪上半叶的年代里，鉴于直流拖动具有优越的调速性能，高性能可调速拖动都采用直流电机，而约占电力拖动总容量80%以上的不变速拖动系统则采用交流电机，这种分工在一段时期内已成为一种举世公认的格局。交流调速系统的多种方案虽然早已问世，并已获得实际应用，但其性能却始终无法与直流调速系统相匹敌。,直到20世纪6070年代，随着电力电子技术的发展，使得采用电力电子变换器的交流拖动系统得以实现，特别是大规模集成电路和计算机控制的出现，高性能交流调速系统便应运而生，一直被认为是天经地义的交直流拖动按调速性能分工的格局终于被打破了。,概 述,这时，直流电机具有电刷和换向器因而必须经常检查维修、换向火花使直流电机的应用环境受到限制、以及换向能力限制了直流电机的容量和速度等缺点日益突出起来，用交流可调拖动取代直流可调拖动的呼声越来越强烈，交流拖动控制系统已经成为当前电力拖动控制的主要发展方向。,概 述,交流拖动控制系统的应用领域,主要有三个方面：一般性能的节能调速和按工艺要求调速 高性能的交流调速系统和伺服系统 特大容量、极高转速的交流调速,1.一般性能的节能调速,在过去大量的所谓“不变速交流拖动”中，风机、水泵等通用机械的容量几乎占工业电力拖动总容量的一半以上，其中有不少场合并不是不需要调速，只是因为过去的交流拖动本身不能调速，不得不依赖挡板和阀门来调节送风和供水的流量，因而把许多电能白白地浪费了。,交流拖动控制系统的应用领域,如果换成交流调速系统，把消耗在挡板和阀门上的能量节省下来，每台风机、水泵平均都可以节约 20 30%以上的电能，效果是很可观的。而且风机、水泵的调速范围和对动态快速性的要求都不高，只需要一般的调速性能。,1.一般性能的节能调速,交流拖动控制系统的应用领域,2.高性能的交流调速系统和伺服系统,许多在工艺上需要调速的生产机械过去多用直流拖动，鉴于交流电机比直流电机结构简单、成本低廉、工作可靠、维护方便、惯量小、效率高，如果改成交流拖动，显然能够带来不少的效益。但是，由于交流电机原理上的原因，其电磁转矩难以像直流电机那样通过电枢电流施行灵活的实时控制。,交流拖动控制系统的应用领域,20世纪70年代初发明了矢量控制技术，或称磁场定向控制技术，通过坐标变换，把交流电机的定子电流分解成转矩分量和励磁分量，用来分别控制电机的转矩和磁通，就可以获得和直流电机相仿的高动态性能，从而使交流电机的调速技术取得了突破性的进展。,2.高性能的交流调速系统和伺服系统,交流拖动控制系统的应用领域,其后，又陆续提出了直接转矩控制、解耦控制等方法，形成了一系列可以和直流调速系统媲美的高性能交流调速系统和交流伺服系统。,2.高性能的交流调速系统和伺服系统,交流拖动控制系统的应用领域,3.特大容量、极高转速的交流调速,直流电机的换向能力限制了它的容量转速积不超过106 kW r/min，超过这一数值时，其设计与制造就非常困难了。交流电机没有换向器，不受这种限制，因此，特大容量的电力拖动设备，如厚板轧机、矿井卷扬机等，以及极高转速的拖动，如高速磨头、离心机等，都以采用交流调速为宜。,交流拖动控制系统的应用领域,3.特大容量、极高转速的交流调速,交流拖动控制系统的应用领域,3.特大容量、极高转速的交流调速,交流拖动控制系统的应用领域,高速电机通常是指转速超过10000r/min的电机。它们具有以下优点：一是由于转速高，所以电机功率密度高，而体积远小于功率普通的电机，可以有效的节约材料。二是可与原动机相连，取消了传统的减速机构，传动效率高，噪音小。三是由于高速电机转动惯量小，所以动态响应快。,应用于：数控雕刻机、精密磨床及高速离心设备。,3.特大容量、极高转速的交流调速,交流拖动控制系统的应用领域,交流调速系统的主要类型,交流电机主要分为异步电机（即感应电机）和同步电机两大类，每类电机又有不同类型的调速系统。现有文献中介绍的异步电机调速系统种类繁多，可按照不同的角度进行分类。,按电动机的调速方法分类,常见的交流调速方法有：降电压调速；转差离合器调速；转子串电阻调速；绕线电机串级调速或双馈电机调速；变极对数调速；变压变频调速等等。,按电动机的能量转换类型分类,按照交流异步电机的原理，从定子传入转子的电磁功率可分成两部分：一部分是拖动负载的有效功率，称作机械功率；另一部分是传输给转子电路的转差功率，与转差率 s 成正比。,三相异步电动机的功率和转矩,即 PM=Pmech+Ps Pmech=(1 s)PM Ps=sPM 从能量转换的角度上看，转差功率是否增大，是消耗掉还是得到回收，是评价调速系统效率高低的标志。从这点出发，可以把异步电机的调速系统分成三类。,三相异步电动机的功率和转矩,1.转差功率消耗型调速系统,这种类型的全部转差功率都转换成热能消耗在转子回路中，上述的第、三种调速方法都属于这一类。在三类异步电机调速系统中，这类系统的效率最低，而且越到低速时效率越低，它是以增加转差功率的消耗来换取转速的降低的（恒转矩负载时）。可是这类系统结构简单，设备成本最低，所以还有一定的应用价值。,2.转差功率馈送型调速系统,在这类系统中，除转子铜损外，大部分转差功率在转子侧通过变流装置馈出或馈入，转速越低，馈送的功率越多，上述第种调速方法属于这一类。无论是馈出还是馈入的转差功率，扣除变流装置本身的损耗后，最终都转化成有用的功率，因此这类系统的效率较高，但要增加一些设备。,3.转差功率不变型调速系统,在这类系统中，转差功率只有转子铜损，而且无论转速高低，转差功率基本不变，因此效率更高，上述的第、两种调速方法属于此类。其中变极对数调速是有级的，应用场合有限。只有变压变频调速应用最广，可以构成高动态性能的交流调速系统，取代直流调速；但在定子电路中须配备与电动机容量相当的变压变频器，相比之下，设备成本最高。,同步电机的调速,同步电机没有转差，也就没有转差功率，所以同步电机调速系统只能是转差功率不变型（恒等于 0）的，而同步电机转子极对数又是固定的，因此只能靠变压变频调速，没有像异步电机那样的多种调速方法。在同步电机的变压变频调速方法中，从频率控制的方式来看，可分为他控变频调速和自控变频调速两类。,自控变频调速利用转子磁极位置的检测信号来控制变压变频装置换相，类似于直流电机中电刷和换向器的作用，因此有时又称作无换向器电机调速，或无刷直流电机调速。开关磁阻电机是一种特殊型式的同步电机，有其独特的比较简单的调速方法，在小容量交流电机调速系统中很有发展前途。,同步电机的调速,两类交流调速,基于交流电动机的稳态模型，其动态性能不高，是在交流调速发展初期出现的。基于交流电动机的动态模型，能实现高动态性能，是随着客观需要和研究成果陆续开发出来的。,内容提要,第5章 基于稳态模型的异步电动机调速系统第6章 基于动态模型的异步电动机调速系统第7章 绕线转子异步电动机串级和双馈调速 系统第8章 同步电动机调速系统,第 5 章,电力拖动自动控制系统,基于稳态模型的异步电动机调速系统,概 述,在基于稳态模型的异步电动机调速系统中，采用稳态等值电路来分析异步电动机在不同电压和频率供电条件下的转矩与磁通的稳态关系和机械特性，并在此基础上设计异步电动机调速系统。,常用的基于稳态模型的异步电动机调速方法有调压调速和变压变频调速两类。,本章提要,5.1异步电动机稳态数学模型和调速方法5.2异步电动机调压调速5.3异步电动机变压变频调速5.4电力电子变压变频器5.5转速开环变压变频调速系统5.6转速闭环转差频率控制的变压变频调速系统,5.1 异步电动机稳态数学模型和调速方法,异步电动机稳态数学模型包括异步电动机稳态等值电路和机械特性，两者既有联系，又有区别。稳态等值电路描述了在一定的转差率下电动机的稳态电气特性。机械特性则表征了转矩与转差率（或转速）的稳态关系。,5.1.1异步电动机稳态数学模型,转差率与转速的关系,或,电动机极对数,供电电源频率,同步转速,异步电动机稳态等效电路,图5-1 异步电动机T型等效电路,假定条件：忽略空间和时间谐波，忽略磁饱和，忽略铁损。,式中,转子相电流（折合到定子侧）,异步电动机稳态等效电路,图5-2 异步电动机简化等效电路,忽略励磁电流,简化等效电路的相电流,异步电动机稳态等效电路,异步电动机的机械特性,异步电动机传递的电磁功率,机械同步角速度,异步电动机的电磁转矩（机械特性方程式）,异步电动机的机械特性,对s求导，并令,最大转矩，又称临界转矩,临界转差率：对应最大转矩的转差率,异步电动机的机械特性,将机械特性方程式分母展开,异步电动机的机械特性,当s很小时，忽略分母中含s各项,转矩近似与s成正比，机械特性近似为直线,异步电动机的机械特性,当s较大时，忽略分母中s的一次项和零次项,转矩近似与s成反比，机械特性是一段双曲线。,异步电动机的机械特性,异步电动机由额定电压、额定频率供电，且无外加电阻和电抗时的机械特性方程式，称作固有特性或自然特性。,图5-3 异步电动机的机械特性,异步电动机的机械特性,5.1.2异步电动机的调速方法与气隙磁通,异步电动机的调速方法所谓调速，就是人为地改变机械特性的参数，使电动机的稳定工作点偏离固有特性，工作在人为机械特性上，以达到调速的目的。,异步电动机的调速方法,由异步电动机的机械特性方程式,可知，能够改变的参数可分为3类：电动机参数、电源电压和电源频率（或角频率）。,异步电动机的气隙磁通,三相异步电动机定子每相电动势的有效值,忽略定子绕组电阻和漏磁感抗压降,气隙磁通,为了保持气隙磁通恒定，应使,或近似为,异步电动机的气隙磁通,保持电源频率为额定频率，只改变定子电压的调速方法称作调压调速。由于受电动机绝缘和磁路饱和的限制，定子电压只能降低，不能升高，故又称作降压调速。,5.2 异步电动机的调压调速,调压调速的基本特征：电动机同步转速保持额定值不变,气隙磁通,随定子电压的降低而减小，属于弱磁调速。,5.2 异步电动机的调压调速,过去改变交流电压的方法多用自耦变压器或带直流磁化绕组的饱和电抗器，自从电力电子技术兴起以后，这类比较笨重的电磁装置就被晶闸管交流调压器取代了。目前，交流调压器一般用三对晶闸管反并联或三个双向晶闸管分别串接在三相电路中，主电路接法有多种方案，用相位控制改变输出电压。,5.2.1 异步电动机调压调速的主电路,Y型接法,型接法,交流变压调速系统可控电源,利用晶闸管交流调压器变压调速TVC双向晶闸管交流调压器,图5-4利用晶闸管交流调压器变压调速,控制方式,TVC的变压控制方式,电路结构：采用晶闸管反并联供电方式，实现异步电动机可逆和制动。,图5-4 采用晶闸管反并联的异步电动机可逆和制动电路,可逆和制动控制,反向运行方式 图5-4所示为采用晶闸管反并联的异步电动机可逆和制动电路，其中，晶闸管 16控制电动机正转运行，反转时，可由晶闸管 1，4 和 710 提供逆相序电源，同时也可用于反接制动。,可逆和制动控制,制动运行方式 当需要能耗制动时，可以根据制动电路的要求选择某几个晶闸管不对称地工作，例如让 1，2，6 三个器件导通，其余均关断，就可使定子绕组中流过半波直流电流，对旋转着的电动机转子产生制动作用。必要时，还可以在制动电路中串入电阻以限制制动电流。,可逆和制动控制,异步电机的电磁转矩为,5.2.2 异步电动机改变电压时的机械特性,异步电机的机械特性方程式。它表明，当转速或转差率一定时，电磁转矩与定子电压的平方成正比。,异步电动机机械特性,n0,TL,UsN,0.7UsN,A,B,C,F,D,E,0.5UsN,风机类负载特性,恒转矩负载特性,图5-5 异步电动机不同电压下的机械特性,最大转矩公式,将式（5-3）对s求导，并令dTe/ds=0，可求出对应于最大转矩时的静差率和最大转矩（5-4）（5-5）,带恒转矩负载时，普通笼型异步电动机降压调速时的稳定工作范围为,调速范围有限，图中A、B、C为恒转矩负载在不同电压时的稳定工作点。带风机类负载运行，调速范围可以稍大一些，图中D、E、F为风机类负载在不同电压时的稳定工作点。,5.2.2 异步电动机改变电压时的机械特性,带恒转矩负载工作时，定子侧输入的电磁功率,故电磁功率恒定不变，与转速无关。,均为常数,5.2.2 异步电动机改变电压时的机械特性,转差功率,随着转差率的加大而增加。带恒转矩负载的降压调速就是靠增大转差功率、减小输出功率来换取转速的降低。增加的转差功率全部消耗在转子电阻上，这就是转差功率消耗型的由来。,5.2.2 异步电动机改变电压时的机械特性,为了能在恒转矩负载下扩大调速范围，并使电机能在较低转速下运行而不致过热，就要求电机转子有较高的电阻值，这样的电机在变电压时的机械特性绘于图5-6。显然，带恒转矩负载时的变压调速范围增大了，堵转工作也不致烧坏电机，这种电机又称作交流力矩电机。,5.2.2 异步电动机改变电压时的机械特性,交流力矩电机的机械特性,n0,UsN,0.7UsN,A,B,C,0.5UsN,恒转矩负载特性,图5-6 高转子电阻电动机（交流力矩电动机）在不同电压下的机械特性,增加转子电阻值，临界转差率加大，可以扩大恒转矩负载下的调速范围，这种高转子电阻电动机又称作交流力矩电动机。缺点是机械特性较软。,5.2.3 闭环控制的调压调速系统,采用普通异步电机的变电压调速时，调速范围很窄，采用高转子电阻的力矩电机可以增大调速范围，但机械特性又变软，因而当负载变化时静差率很大（见图5-6），开环控制很难解决这个矛盾。为此，对于恒转矩性质的负载，要求调速范围大于D=2时，往往采用带转速反馈的闭环控制系统（见图5-7）。,1.系统组成,2.系统静特性,图5-8所示的是闭环控制变压调速系统的静特性。当系统带负载在 A 点运行时，如果负载增大引起转速下降，反馈控制作用能提高定子电压，从而在右边一条机械特性上找到新的工作点 A。同理，当负载降低时，会在左边一条特性上得到定子电压低一些的工作点 A。,2.系统静特性,按照反馈控制规律，将A、A、A 连接起来便是闭环系统的静特性。尽管异步电机的开环机械特性和直流电机的开环特性差别很大，但是在不同电压的开环机械特性上各取一个相应的工作点，连接起来便得到闭环系统静特性，这样的分析方法对两种电机是完全一致的。,2.系统静特性,尽管异步力矩电机的机械特性很软，但由系统放大系数决定的闭环系统静特性却可以很硬。如果采用PI调节器，照样可以做到无静差。改变给定信号，则静特性平行地上下移动，达到调速的目的。,2.系统静特性,调压调速系统的特点,异步电机闭环变压调速系统不同于直流电机闭环变压调速系统的地方是：静特性左右两边都有极限，不能无限延长，它们是额定电压 UsN 下的机械特性和最小输出电压Usmin下的机械特性。当负载变化时，如果电压调节到极限值，闭环系统便失去控制能力，系统的工作点只能沿着极限开环特性变化。,*5.2.4 降压控制在软起动器和轻载降压节 能运行中的应用,除了调速系统以外，异步电动机的变压控制在软起动器和轻载降压节能运行中也得到了广泛的应用。本节主要介绍它们的基本原理，关于其运行中的一些具体问题可参看参考文献。,*5.2.4.1 软起动器,起动电流问题 常用的三相异步电动机结构简单，价格便宜，而且性能良好，运行可靠。对于小容量电动机，只要供电网络和变压器的容量足够大（一般要求比电机容量大4倍以上），而供电线路并不太长（起动电流造成的瞬时电压降落低于10%15%），可以直接通电起动，操作也很简便。对于容量大一些的电动机，问题就不这么简单了。,起动电流和转矩公式,在式（5-4）和式（5-5）中已导出异步电动机的电流和转矩方程式，起动时，s=1，因此起动电流和起动转矩分别为,（5-18）,（5-19）,由上述二式不难看出，在一般情况下，三相异步电动机的起动电流比较大，而起动转矩并不大。对于一般的笼型电动机，起动电流和起动转矩对其额定值的倍数大约为,起动电流倍数,起动转矩倍数,起动电流和转矩分析,起动电流较大有什么影响呢？,1、首先对于绕组来说是非常不利的，如果电机是属于频繁起动的，频繁出现短时大电流会使电动机内部发热较多而过热。,、对于供电电网而言，整个交流电网的容量相对于单个的三相异步电动机来讲是非常大的。但是具体到直接供电的变压器来讲，容量却是有限的。若变压器额定容量相对不够大时，电动机短时较大的起动电流，会使变压器输出电压短时下降幅度较大，超过了正常规定值，例如 U 10或更严重。这样一来，影响了几个方面：,（1）起动电动机本身，由于电压太低起动转矩下降很多，当负载较重时，可能起动不了。（2）影响由同一台配电变压器供电的其他负载，比如说电灯会变暗，数控设备可能失常，重载的异步电动机可能停转等。,起动转矩不大有什么影响呢？,一般地说，如果异步电动机轻载和空载起动，直接起动时的起动转矩不大，没什么影响。但是如果是重载起动，就可能起动困难，甚至无法起动。,从上面分析看出，三相异步电动机直接起动有些情况下是可行的，而下面两种情况下是不可行的：变压器与电动机容量之比不足够大；起动转矩不能满足要求。不能直接起动的 第种情况下需要减小起动电流，第种情况下需要加大起动转矩。,起动必须满足的条件是：起动电流要足够小；起动转矩要足够大。,限制起动电流：,增大起动转矩：,5.1 三相异步电动机的起动,起动转矩倍数起动电流倍数,优点：设备简单，操作方便。,缺点：起动慢，起动电流对电网的影响大。,直接起动（全压起动）,起动电流和转矩分析（续）,中、大容量电动机的起动电流大，会使电网压降过大，影响其他用电设备的正常运行，甚至使该电动机本身根本起动不起来。这时，必须采取措施来降低其起动电流，常用的办法是降压起动。,降压起动的矛盾,由式（5-18）可知，当电压降低时，起动电流将随电压成正比地降低，从而可以避开起动电流冲击的高峰。但是，式（5-19）又表明，起动转矩与电压的平方成正比，起动转矩的减小将比起动电流的降低更快，降压起动时又会出现起动转矩够不够的问题。为了避免这个麻烦，降压起动只适用于中、大容量电动机空载（或轻载）起动的场合。,传统的降压起动方法,传统的降压起动方法有：星-三角（Y-）起动定子串电阻或电抗起动自耦变压器（又称起动补偿器）降压起动,比较四种起动方法：,起动电流,起动转矩,起动设备,直接起动,定子串电阻或电抗起动,Y-起动,自耦变压器起动,最简单,一般,简单,较复杂,三种起动过程的电流比较,一级降压起动,软起动器,直接起动,起动过程中电流有两次冲击，其幅值都比直接起动电流低，而起动过程时间略长，,软起动方法,现代带电流闭环的电子控制软起动器可以限制起动电流并保持恒值，直到转速升高后电流自动衰减下来（图中曲线c），起动时间也短于一级降压起动。主电路采用晶闸管交流调压器，用连续地改变其输出电压来保证恒流起动，稳定运行时可用接触器给晶闸管旁路，以免晶闸管不必要地长期工作。,软起动方法（续）,视起动时所带负载的大小，起动电流可在(0.54)IsN 之间调整，以获得最佳的起动效果，但无论如何调整都不宜于满载起动。负载略重或静摩擦转矩较大时，可在起动时突加短时的脉冲电流，以缩短起动时间。软起动的功能同样也可以用于制动，用以实现软停车。,*5.2.4.2 轻载降压节能运行,电机功率损耗 三相异步电动机运行时的总损耗可用下式表达,（5-20）,电机运行效率,电动机的运行效率为,（5-21）,式中,效率；输入电功率；轴上输出功率。,当电动机在额定工况下运行时，由于输出功率大，总损耗只占很小的成分，所以额定效率 N 较高，一般可达 75%95%，最大效率发生在(0.7 1.1)P2N 的范围内。电动机容量越大时，N 越高。,电机运行效率,完全空载时，理论上 P2=0，则=0。但实际上生产机械总有一些摩擦负载，只能算作轻载，这时，电磁转矩很小。电磁转矩可表示成 Te=KT m Ir cosr,（5-22）,电机运行效率,电动机在正常运行时，气隙磁通 m 基本不变，因此轻载时转子电流 Ir 很小，PCur 很小，但 PFe、Pmech、Ps 基本不变，而定子电流为,（5-23）,受励磁电流的牵制，定子电流并没有转子电流降低得那么多。总之，轻载时在式（5-21）的分母中所占的成分较大，效率将急剧降低。如果电动机长期轻载运行，将无谓地消耗许多电能。,电机运行效率,由上述分析可知，为了减少轻载时的能量损耗，关键是降低气隙磁通 m，这样可以同时降低铁损 PFe 和励磁电流 I0，降低定子电压可以达到这一目的。但是，如果过分降低电压和磁通，由式（5-22）可知，转子电流 Ir必然增大，则定子电流 Is 反而可能增加，铁损的降低将被铜损的增加填补，效率反而更差了。,*5.2.4.2 轻载降压节能运行,当负载转矩一定时，轻载降压节能有一个最佳电压值，此时效率最高，这样，=f(Us)的曲线可由试验取得。,轻载降压节能的效率曲线与最佳电压值,Us*,最佳电压,*5.2.4.2 轻载降压节能运行,5.3 异步电动机变压变频调速,变压变频调速是改变异步电动机同步转速的一种调速方法，同步转速随频率而变化,异步电动机的实际转速,稳态速降,随负载大小变化,气隙磁通控制：,只要控制Eg和f1,，便可控制气隙磁通。,5.3 异步电动机变压变频调速,若使变频时端电压保持不变，则,f1,m,Tmax,m,Im,pFe,cos,f1,m,磁饱和,使电机性能变坏,VVVF控制：保持m不变，使Eg/f1=常数进行调压调 频控制。,1.基频以下调速,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 Eg，使,常值（5-26）,即采用恒值电动势频率比的控制方式。,1.基频以下调速,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 Eg，则得（5-27）这是恒压频比的控制方式。,1.基频以下调速,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。带定子压降补偿的恒压频比控制特性示于下图5-9中的 b 线，无补偿的控制特性则为a 线。,1.基频以下调速,带压降补偿的恒压频比控制特性,a 无补偿,b 带定子压降补偿,1.基频以下调速,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。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5-10所示。,2.基频以上调速,变压变频控制特性,图5-10 异步电机变压变频调速的控制特性,Us,mN,m,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，按照电力拖动原理，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”。,变压变频控制特性,5.3.2 变压变频调速时的机械特性,基频以下采用恒压频比控制 异步电动机机械特性方程式改写为,基频以下调速,当s很小时，忽略上式分母中含s各项，,或,对于同一转矩，转速降落基本不变,在恒压频比的条件下把频率向下调节时，机械特性基本上是平行下移的。,最大转矩,随着频率的降低而减小。当频率较低时，电动机带载能力减弱，采用低频定子压降补偿，适当地提高电压，可以增强带载能力。,基频以下调速,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,基频以下调速,转差功率,与转速无关，故称作转差功率不变型。,基频以下调速,电压不能从额定值再向上提高，只能保持不变，机械特性方程式可写成,最大转矩表达式,基频以上调速,临界转差率,当s很小时，忽略上式分母中含s各项,或,基频以上调速,带负载时的转速降落,对于相同的电磁转矩，角频率越大，转速降落越大，机械特性越软，与直流电动机弱磁调速相似。,基频以上调速,转差功率,带恒功率负载运行时,转差功率基本不变。,基频以上调速,变压变频调速时的机械特性,图5-11 异步电动机变压变频调速机械特性,在基频以下，由于磁通恒定，允许输出转矩也恒定，属于“恒转矩调速”方式。在基频以上，转速升高时磁通减小，允许输出转矩也随之降低，由于转速上升，允许输出功率基本恒定，属于“恒功率调速”方式。,变压变频调速时的机械特性,5.3.3 基频以下电压补偿控制,在基频以下运行时，采用恒压频比的控制方法具有控制简便的优点。但负载的变化时定子压降不同，将导致磁通改变，须采用定子电压补偿控制。根据定子电流的大小改变定子电压，以保持磁通恒定。,为了使参考极性与电动状态下的实际极性相吻合，感应电动势采用电压降的表示方法，由高电位指向低电位。,图5-12 异步电动机等值电路和感应电动势,5.3.3 基频以下电压补偿控制,三种磁通,气隙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,转子全磁通在定子每相绕组中的感应电动势,恒定子磁通控制,保持定子磁通恒定：,定子电动势不好直接控制，能够直接控制的只有定子电压，按,补偿定子电阻压降，就能够得到恒定子磁通。,常值,忽略励磁电流，转子电流,电磁转矩,恒定子磁通控制,恒压频比控制时的转矩式,两式相比可知，恒定子磁通控制时转矩表达式的分母小于恒压频比控制特性中的同类项。当转差率s相同时，采用恒定子磁通控制方式的电磁转矩大于恒压频比控制方式。,恒定子磁通控制,临界转差率,临界转矩,频率变化时，恒定子磁通控制的临界转矩恒定不变。,恒定子磁通控制,机械特性曲线,Temax,恒 Es/1 控制时变频调速的机械特性,恒定子磁通控制,比较可知：恒定子磁通控制的临界转差率大于恒压频比控制方式。恒定子磁通控制的临界转矩也大于恒压频比控制方式。,恒定子磁通控制,恒气隙磁通控制,保持气隙磁通恒定：,定子电压,除了补偿定子电阻压降外，还应补偿定子漏抗压降。,常值,转子电流,电磁转矩,恒气隙磁通控制,临界转差率,临界转矩,与恒定子磁通控制方式相比较，恒气隙磁通控制方式的临界转差率和临界转矩更大，机械特性更硬。,恒气隙磁通控制,恒转子磁通控制,保持转子磁通恒定：,定子电压,除了补偿定子电阻压降外，还应补偿定子和转子漏抗压降。,常值,转子电流,电磁转矩,机械特性完全是一条直线，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稳态性能。,恒转子磁通控制,不同控制方式下的机械特性,图5-13 异步电动机在不同控制方式下的机械特性,a）恒压频比控制b）恒定子磁通控制c）恒气隙磁通控制d）恒转子磁通控制,不同控制方式的比较,恒压频比控制最容易实现，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，低速时需适当提高定子电压，以近似补偿定子阻抗压降。恒定子磁通、恒气隙磁通和恒转子磁通的控制方式均需要定子电压补偿，控制要复杂一些。,恒定子磁通和恒气隙磁通的控制方式虽然改善了低速性能。但机械特性还是非线性的，仍受到临界转矩的限制。恒转子磁通控制方式可以获得和直流他励电动机一样的线性机械特性，性能最佳。,不同控制方式的比较,5.4 电力电子变压变频器,异步电动机变频调速需要电压与频率均可调的交流电源，常用的交流可调电源是由电力电子器件构成的静止式功率变换器，一般称为变频器。,交-直-交变频器：先将恒压恒频的交流电整成直流，再将直流电逆变成电压与频率均为可调的交流，称作间接变频。交-交变频器：将恒压恒频的交流电直接变换为电压与频率均为可调的交流电，无需中间直流环节，称作直接变频。,如前所述，对于异步电机的变压变频调速，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VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）装置。,5.4 电力电子变压变频器,最早的VVVF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，调节直流电动机的转速就能控制交流发电机输出电压和频率。自从电力电子器件获得广泛应用以后，旋转变频机组已经无例外地让位给静止式的变压变频器了。,5.4 电力电子变压变频器,从整体结构上看，电力电子变压变频器可分为交-直-交和交-交两大类。1.交-直-交变压变频器 交-直-交变压变频器先将工频交流电源通过整流器变换成直流，再通过逆变器变换成可控频率和电压的交流，如下图所示。,5.4 电力电子变压变频器,交-直-交（间接）变压变频器,5.4 电力电子变压变频器,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功率开关器件（P-MOSFET，IGBT等）组成的脉宽调制（PWM）逆变器，简称PWM变压变频器，如下图所示。,5.4 电力电子变压变频器,交-直-交PWM变压变频器,变压变频(VVVF),中间直流环节,恒压恒频(CVCF),PWM逆变器,DC,AC,AC,50Hz,调压调频,C,5.4 电力电子变压变频器,PWM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：（1）在主电路整流和逆变两个单元中，只有逆变单元可控，通过它同时调节电压和频率，结构简单。采用全控型的功率开关器件，只通过驱动电压脉冲进行控制，电路也简单，效率高。,5.4 电力电子变压变频器,（2）输出电压波形虽是一系列的PWM波，但由于采用了恰当的PWM控制技术，正弦基波的比重较大，影响电机运行的低次谐波受到很大的抑制，因而转矩脉动小，提高了系统的调速范围和稳态性能。,5.4 电力电子变压变频器,（3）逆变器同时实现调压和调频，动态响应不受中间直流环节滤波器参数的影响，系统的动态性能也得以提高。（4）采用不可控的二极管整流器，电源侧功率因数较高，且不受逆变输出电压大小的影响。,5.4 电力电子变压变频器,PWM变压变频器常用的功率开关器件有：P-MOSFET，IGBT，GTO和替代GTO的电压控制器件如IGCT、IEGT等。受到开关器件额定电压和电流的限制，对于特大容量电机的变压变频调速仍只好采用半控型的晶闸管（SCR），即用可控整流器调压和六拍逆变器调频的交-直-交变压变频器，见下图。,5.4 电力电子变压变频器,5.4 电力电子变压变频器,交-交变压变频器的基本结构如下图所示，它只有一个变换环节，把恒压恒频（CVCF）的交流电源直接变换成VVVF输出，因此又称直接式变压变频器。有时为了突出其变频功能，也称作周波变换器（Cycloconveter）。,5.4 电力电子变压变频器,交-交变压变频器的基本结构,交-交（直接）变压变频器,常用的交-交变压变频器输出的每一相都是一个由正、反两组晶闸管可控整流装置反并联的可逆线路。也就是说，每一相都相当于一套直流可逆调速系统的反并联可逆线路。,交-交变压变频器的基本结构,交-交变压变频器的基本电路结构,交-交变压变频器每一相的可逆线路,交-交变压变频器的控制方式,整半周控制方式 正、反两组按一定周期相互切换，在负载上就获得交变的输出电压 u0，u0 的幅值决定于各组可控整流装置的控制角，u0 的频率决定于正、反两组整流装置的切换频率。如果控制角一直不变，则输出平均电压是方波，如下图所示。,输出电压波形,交-交变压变频器的控制方式,调制控制方式 要获得正弦波输出，就必须在每一组整流装置导通期间不断改变其控制角。例如：在正向组导通的半个周期中，使控制角 由/2（对应于平均电压 u0=0）逐渐减小到 0（对应于 u0 最大），然后再逐渐增加到/2（u0 再变为0），如下图所示。,交-交变压变频器的控制方式,交-交变压变频器的单相正弦波输出电压波形,输出电压波形,交-交变压变频器的控制方式,当角按正弦规律变化时，正半周中的平均输出电压即为图中虚线所示的正弦波。对反向组负半周的控制也是这样。,两组变流器按一定的频率交替工作，负载就得到该频率的交流电。改变控制角变化的快慢，就可以控制输出交流电的频率。改变控制角的大小，就可以控制输出交流电的幅值。,交-交变压变频器的控制方式,三相交交变频电路,三相交交变频电路可以由3个单相交交变频电路组成，其基本结构如下图所示。如果每组可控整流装置都用桥式电路，含6个晶闸管（当每一桥臂都是单管时），则三相可逆线路共需36个晶闸管，即使采用零式电路也须18个晶闸管。,三相交交变频器的基本结构,输出星形联结方式三相交交变频电路,三相桥式交交变频电路,因此，这样的交-交变压变频器虽然在结构上只有一个变换环节，省去了中间直流环节，看似简单，但所用的器件数量却很多，总体设备相当庞大。不过这些设备都是直流调速系统中常用的可逆整流装置，在技术上和制造工艺上都很成熟，目前国内有些企业已有可靠的产品。,三相交交变频电路,这类交-交变频器的其他缺点是：输入功率因数较低，谐波电流含量大，频谱复杂，因此须配置谐波滤波和无功补偿设备。其最高输出频率不超过电网频率的 1/3 1/2，一般主要用于轧机主传动、球磨机、水泥回转窑等大容量、低转速的调速系统，供电给低速电机直接传动时，可以省去庞大的齿轮减速箱。,三相交交变频电路,近年来又出现了一种采用全控型开关器件的矩阵式交-交变压变频器，类似于 PWM控制方式，输出电压和输入电流的低次谐波都较小，输入功率因数可调，能量可双向流动，以获得四象限运行，但当输出电压必须为正弦波时，最大输出输入电压比只有0.866。目前这类变压变频器尚处于开发阶段，其发展前景是很好的。,三相交交变频电路,电压源型和电流源型逆变器,在交-直-交变压变频器中，按照中间直流环节直流电源性质的不同，逆变器可以分成电压源型和电流源型两类，两种类型的实际区别在于直流环节采用怎样的滤波器。下图绘出了电压源型和电流源型逆变器的示意图。,电压源型和电流源型逆变器,电压源型逆变器（Voltage Source Inverter-VSI），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。电流源型逆变器（Current Source Inverter-CSI），直流环节采用大电感滤波，直流电流波形比较平直，相当于一个恒流源，输出交流电流是矩形波或阶梯波，或简称电流型逆变器。,电压源型和电流源型逆变器,性能比较,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：（1）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。,电压源型和电流源型逆变器,（2）能量的回馈 用电流源型逆变器给异步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。,电压源型和电流源型逆变器,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CSI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。,电压源型和电流源型逆变器,电动运行状态,电压源型和电流源型逆变器,当电动运行时，UCR的控制角，电动机以转速运行，电功率的传送方向如上图a所示。,电压源型和电流源型逆变器,逆变运行状态,电压源型和电流源型逆变器,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 1 90，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。,电压源型和电流源型逆变器,与此相反，采用电压源型的交-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