基于静态模型的异步电动机变频调速系统.ppt
3.1变频器（变频调速装置）,现代交流调速系统由交流电动机、电力电子功率变换器件、控制器及电量检测器组成，称为变频器。如图,3.1变频器（变频调速装置）,交流电动机变压变频调速系统中所配备的静止式变压变频（VVVF)装置主要由主电路和控制回路两部分组成，其主电路的拓扑结构主要分为两种，一种是交-直-交。另一种是交-交。如图所示。,交直交变频器与交交变频器的主要特点比较,3.1变频器（变频调速装置）,对于异步电动机来说，目前工业生产中所使用的变频器可分为交-直-交电压源型SPWM变频器和交-直-交电流源型SPWM变频器两种。当今工业生产中应用最多、最广泛的变频器是交-直-交电压源型SPWM变频器。由于这类变频器通用性好，因此通常称为通用变频器。,1、电压型变频器,3.1 变频器（变频调速装置）,变频器主电路中的中间直流环节采用大电容滤波，使直流电压波形比较平直，对于负载来说，是一个内阻抗为零的恒压源，这类变频调速装置叫做电压源变频器。,3.1 变频器（变频调速装置）,a)电压源型变频器主电路及SPWM控制,3.1 变频器（变频调速装置）,3.1 变频器（变频调速装置）,b)电压源型双SPWM变频器主电路,3.1 变频器（变频调速装置）,2、电流型变频器,变频器主电路中的中间直流环节采用大电感滤波，使直流电流波形比较平直，电源内阻很大，对负载来说基本是一个恒流源。这类变频调速装置叫做电流源变频器。,c)电流源型变频器主电路（UR为相控方式）,3.1 变频器（变频调速装置）,3.1 变频器（变频调速装置）,d)电流源型双SPWM变频器主电路（UR为SPWM控制）,3.1 变频器（变频调速装置）,从主电路上看，电压源型变频器和电流源变频器的区别仅在中间直流环节滤波器的种类不同。可是这一区别却使两类变频器在性质和功能上有相当大的差异，主要表现如下：,（1）无功能量的缓冲 变频器的负载是异步电动机，属于感性负载，在中间直流环节与电机之间，除了有功功率的传送以外，还存在无功功率的交换。由于逆变器中的电力电子开关器件不能储能，所以无功能量只能靠中间环节中作为滤波器的储能元件来缓冲，使它不至于影响到交流电网。,3.1 变频器（变频调速装置）,（2）回馈制动 采用电压源型变频器的调速系统要实现回馈制动和四象限运行是比较困难的，因为其中间直流环节有大电容钳制着电压，使之无法迅速反向，而电流也不能反向，所以无法实现制动反馈。需要制动时，对于小容量的变频器，采用在直流环节中并联电阻的能耗制动。对于中、大容量的变频器，可在整流器的输出端反并联另一组可控整流器，制动时使其工作在有源逆变状态，以通过反向的制动电流，而维持电压极性不变，实现回馈制动。,3.1 变频器（变频调速装置）,发电状态,电能,3.1 变频器（变频调速装置）,在此区内，在生能量返回到电源,再生模式能量流动,3.1 变频器（变频调速装置）,采用电流源型变频器给异步电动机供电的调速系统其显著特点是容易实现回馈制动，从而便于四象限运行。适用于需要制动和经常正、反转的机械。,3.1 变频器（变频调速装置）,由此可见，虽然电力电子器件具有单相导电性，电流不能反向，但是可控整流器的输出电压是可以迅速反向的，因此，电流型变压器变频调速系统容易实现回馈制动。,3.1 变频器（变频调速装置）,（3）调速时的动态响应 由于交-直-交电流源型变频器的直流电压可以迅速改变，所以调速系统的动态响应比较快，而电压型相对较慢。,3.1 变频器（变频调速装置）,（4）适用范围 电压源型变频器属于恒压源，电压控制相应慢，所以适合作为多台电机同步运行时的供电电源，而且不要求快速加减速的场合。电流源型变频器属于恒流源，系统对负载电流变化反应迟缓，因而使用于单台电机传动，但可以满足快速起、制动和可逆运行的要求。,基于静态模型的异步电动机变频调速系统,国民经济各个部门，异步电动机台数占交流电动机的80%以上，因而异步电动机变频调速系统应用做多。目前实用的异步电动机变频调速系统，主要有四种类型，即恒压频比控制的调速系统转差频率控制的调速系统矢量控制的调速系统直接转矩控制的调速系统,由电机学可知，异步电动机转速公式为：,如果均匀改变异步电动机的定子供电频率fs,就可以平滑地调节电动机的转速n.实际应用中，不仅要求调节转速，同时还希望调速系统具有优良的机械特性。,基于静态模型的异步电动机变频调速系统,与直流调速系统相同，在额定转速以下调节时，希望保持电机中每极磁通量为额定值。,基于静态模型的异步电动机变频调速系统,基于静态模型的异步电动机变频调速系统,根据保持磁通恒定的方法不同，产生了1）恒压频比控制方式2）转差频率控制方式,3.2 恒压频比控制的调速系统控制原理,异步电机电机定子每相感应电动势的有效值为：,在异步电机中，只要同时协调控制Es和fs，就可以达到控制磁通并使之恒定的目的，存在以下两种调速情况,1、额定频率(基频）以下的调速,在电机额定运行情况下，电机感应电动势值较高，电机定子电阻和漏电抗上产生的压降所占的比例较小，此时，电机端电压Us和感应电动势Es近似相等。在改变电源频率时，应对电机感应电动势进行控制，以保持Es/fs为恒定值，即可以保持磁通不变。,3.2 恒压频比控制的调速系统控制原理,然而，绕组中的感应电动势是难以直接控制的，当fs较高时，可以忽略定子阻抗压降，有,这就是恒压频比（v/f）控制方式。,3.2恒压频比控制的调速系统控制原理,在fs较低时，Us和Es都较小，定子电阻上产生的压降所占的比重增大，此时电机端电压和电机的感应电动势近似相等的条件已经不能够满足。,3.2 恒压频比控制的调速系统控制原理,如果仍然按v/f恒定来控制，就不能保持磁通恒定。这时候，应该对定子电阻压降进行补偿，即低频时可适当提高逆变器的输出电压，使Es/fs常数，这样，电机磁通大体上可以保持恒定。,3.2 恒压频比控制的调速系统控制原理,恒压频比控制方式的机械特性,由电机学可知，三相异步电动机在正弦波恒压恒频供电时的机械特性方程为：,对s求导，并令dT/ds=0得,3.2 恒压频比控制的调速系统控制原理,令S=1，可得到起动转矩：,三相异步电动机的同步转速为,根据上式可以得到正弦波恒频恒压供电时的机械特性。,3.2 恒压频比控制的调速系统控制原理,3.2 恒压频比控制的调速系统控制原理,当恒压频比时，最大转矩随频率降低而减小。,3.2 恒压频比控制的调速系统控制原理,三相异步电动机采用恒压频比控制方式的变压变频电源供电时的机械特性都有什么特点呢？,变压变频时，上述五式可以改写成：,3.2 恒压频比控制的调速系统控制原理,变压变频时，,3.2 恒压频比控制的调速系统控制原理,基本特点：,（1）最大转矩是随着同步速度的降低而减小的。这将限制调速系统的带负载能力。,（2）对于同一转矩(Tei），带载时的转速降落随频率变化基本不变。说明了，在恒压频比控制下，机械特性曲线基本平行。,3.2 恒压频比控制的调速系统控制原理,基本特点：,3.2 恒压频比控制的调速系统控制原理,（3）当恒压频比时，起动转矩在频率很低时也变小。,（4）同步速度随频率的变化而变化。,基本特点：,3.2 恒压频比控制的调速系统控制原理,因此，得到恒压频比时机械特性曲线，是一簇平行下移的曲线：,针对（3）（4）两种情况，可采用定子阻抗压降补偿措施，即适当提高电压US，以改善低频时的机械特性。,3.2 恒压频比控制的调速系统控制原理,2、额定频率（基频）以上的调速,基频以上调速分为两种情况：1)异步电动机不允许过压，但允许有一定超速（高于额定转速）。此种情况下，应保持电压为额定电压。2)当异步电动机允许有一定的电压升高，即超过电机的额定电压，或者是特制的先升压后弱磁专用调速电动机，应采用比较准确的恒功率调速方式。,3.2 恒压频比控制的调速系统控制原理,1）基频以上保持电压为额定电压的控制方式,在基频上调速时，转速超过额定转速，如果仍要维持恒压频比，则电压超过额定电压，这是不允许的，因为定子电压过高会损坏电动机的绝缘。因此，往往只能令电压等于额定电压，并保持不变。此时,弱磁升速,2、额定频率（基频）以上的调速,3.2 恒压频比控制的调速系统控制原理,把基频以下和基频以上两中情况结合起来，得到异步电动机变频调速控制特性如图：,恒转矩控制,恒功率控制,3.2 恒压频比控制的调速系统控制原理,2）保持Pm(电磁功率）=C的恒功率控制方式,当异步电动机允许有一定的电压升高，或者是特制的先升压后弱磁专用调速异步电动机，应采用比较准确的恒功率调速方法，其电压、频率协调关系推导如下：,基频以上，S很小,3.2 恒压频比控制的调速系统控制原理,在额定频率和额定电压下，即在额定工作点处：,在基频以上，采用恒功率调速时：,则有：,其中，,3.2 恒压频比控制的调速系统控制原理,由于变频调速时，电机机械特性曲线平行移动，则有：,或,这样就可以比较准确地实现恒功率调速。,3.2 恒压频比控制的调速系统控制原理,3、恒功率调速时的机械特性,3.2 恒压频比控制的调速系统控制原理,（1）当频率从基频起向上提高时，同步旋转速度随之提高；,（2）最大转矩随着频率提高而减小。,3、恒功率调速时的机械特性,3.2 恒压频比控制的调速系统控制原理,因此，恒功率调速时，随着频率的增加，其机械特性曲线平行上移，最大转矩也随之减小，如图,3.3 转差频率控制方式,转差频率控制是对恒压频比控制的一种改进，有助于改善异步电动机变频调速系统的静态和动态性能。1、转差频率控制的基本思想 由电机学可知，异步电动机电磁转矩也可以写成,可以看出，气隙磁通、转子电流、转子功率因数都影响电磁转矩。,3.3 转差频率控制方式,由异步电动机的等值电路，可以求出异步电动机的转子电流：,正常运行时，s很小，可以将分母中sXr忽略，则：,3.3 转差频率控制方式,带入转矩公式有,由上式可知，当磁通为常数时，异步电动机转矩近似与转差角频率成正比。因此，可以通过控制转差角频率，来实现控制电磁转矩的目的，这就是转差频率控制的基本思想。,3.3 转差频率控制方式,2、转差频率控制规律 上面粗略的分析了，在恒磁通条件下，转矩与转差近似正比关系。那么，是否转差角频率越大，电磁转矩越大呢？另外，如何维持磁通恒定呢？再利用等值电路，推得准确的函数关系，并进一步研究转矩与转差角频率的关系。由电机学可知，异步电动机的电磁功率及同步机械角速度为：,将,带入上式，得到,3.3 转差频率控制方式,3.3 转差频率控制方式,由图可知，在转差角速度很小的时候，转矩正比于转差角速度，当大于最大值后，电机转矩反而下降，（不稳定运行区），所以，在电机工作过程中，应限制电动机转差角频率在最大值之内。,3.3 转差频率控制方式,对转矩求导，可求的最大转矩和最大转差角频率。,表明：（1）电机参数不变，最大转矩仅由磁通决定；（2）最大转差角频率与磁通无关。,3.3 转差频率控制方式,由上述分析可看出，与直流他激电动机调速系统采用控制电枢电流来控制转矩一样，对于异步电动机来说，只要能保持磁通恒定，就可以用转差角频率来独立控制转矩。但是利用转差频率来控制异步电动机转矩的先决条件是“磁通恒定”。由电机学可知，异步电机中，磁通是有激磁电流Im所决定的。而他不是一个独立的变量，而由下式决定,3.3 转差频率控制方式,也就是说激磁电流是定子电流的一部分。在鼠笼异步电动机中，转子电流是难以直接测量的。因此只能研究激磁电流与易于控制和检测的量的关系，在这里是定子电流。由等值电路近似可得：,3.3 转差频率控制方式,3.3 转差频率控制方式,3.3 转差频率控制方式,以上分析归纳起来，得出转差频率控制规律为：,（2）按照如上图的函数关系控制定子电流，就能维持磁通恒定不变。,3.3 电压源型频率开环的异步电动机变压变频调速系统,中间直流环节,3.3 电压源型频率开环的异步电动机变压变频调速系统,系统的组成及各部分控制环节 系统主电路由两个功率变换环节构成，即整流桥和逆变桥。调压与调频控制通过逆变器来完成，其给定来自同一个给定环节。该系统采用SPWM控制技术实现变压变频控制，通过改变IGBT的占空比来控制逆变器输出交流电压的大小，而输出频率通过控制逆变桥的工作周期就可以实现。为了使异步电动机能合理、正常、稳定工作，必须使逆变器输出给异步电动机的电压和频率通过SPWM控制来保持严格的比例协调关系。,3.4 电压源型频率开环的异步电动机变压变频调速系统,3.4 电流源型频率开环的异步电动机变压变频调速系统,系统的基本组成 在电流源型逆变器频率开环调速系统中，除设置电流调节环以外，仍需设置电压闭环，以保证调压调频过程中对逆变器输出电压的稳定性要求，实现恒压频比的控制方式。,3.4 电流源型频率开环的异步电动机变压变频调速系统,习 题,1、为什么在恒压频比控制中，额定转速以下调速时，需要保持电机中每极磁通为额定值？2、恒压频比控制中为什么在低频时需要电压补偿？3、主电路按照结构形式分可以分为哪几类？4、什么叫电压源型变频器？什么叫电流源型逆变器？简单说明其性能的差异。,
