第29讲三相异步电动机的调速之二.ppt

第六节三相异步电动机的机械特性,第28讲 三相异步电动机的调速之二,变频调速,基于稳态模型的异步电动机调速,稳态数学模型包括电机稳态运行时的等效电路和机械特性一、变压变频调速,由异步电动机转速公式可知，当转差率s变化不大时，转速n基本上与电源频率f1成正比连续调节电源频率，就可以平滑地改变电动机的转速但是，单一地调节电源频率，将导致电动机运行性能的恶化，原因如下：,电动机正常运行时，定子漏阻抗压降很小，可以认为,若端电压U1不变，则当f1减小时，主磁通Ф1将增加，这将导致磁路过分饱和，励磁电流增大，功率因数降低，铁心损耗增大；而当f1增大时， Ф1将减小，电磁转矩和最大转矩下降，过载能力降低，电动机容量得不到充分利用基频以下调速,当异步电动机在基频（额定频率）以下运行时，如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；如果磁通过大，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时还会因绕组过热而损坏电机 最好是保持每极磁通量为额定值不变一、变压变频调速,1、变压变频调速的基本原理：,当频率从额定值向下调节时，必须使,,,,基频以下应采用电动势频率比为恒值的控制方式基频以下调速,一、变压变频调速,恒压频比的控制方式 当电动势值较高时，忽略定子电阻和漏感压降，,,,基频以下调速,一、变压变频调速,低频补偿（低频转矩提升） 低频时，定子电阻和漏感压降所占的份量比较显著，不能再忽略。

人为地把定子电压抬高一些，以补偿定子阻抗压降 负载大小不同，需要补偿的定子电压也不一样基频以下调速,一、变压变频调速,通常在控制软件中备有不同斜率的补偿特性，以供用户选择 a——无补偿 b——带定子电压补偿,恒压频比控制特性,基频以下调速,一、变压变频调速,在基频以上调速时，频率从低向上升高，受到电机绝缘耐压和磁路饱和的限制，定子电压不能随之升高，最多只能保持额定电压不变 这将导致磁通与频率成反比地降低，使得异步电动机工作在弱磁状态基频以上调速,一、变压变频调速,,,异步电动机变压变频调速的控制特性,一、变压变频调速,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,,一、变压变频调速,基频以下调速,,,当s很小时，忽略上式分母中含s各项，,,或,,一、变压变频调速,基频以下调速,,,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一、变压变频调速,基频以下调速,,,临界转矩,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，可以增强带载能力一、变压变频调速,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。

一、变压变频调速,基频以上调速,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,临界转矩表达式,,,,一、变压变频调速,基频以上调速,临界转差,当s很小时，忽略上式分母中含s各项,,,,,,或,,一、变压变频调速,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一、变压变频调速,基频以上调速,转差功率,带恒功率负载运行时,转差功率基本不变一、变压变频调速,2、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,一、变压变频调速,变压变频调速,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“近似的恒功率调速”方式一、变压变频调速,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，以保持磁通恒定一、变压变频调速,基频以下电压补偿控制,,异步电动机等值电路和感应电动势,一、变压变频调速,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,,,二、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,二、恒定子磁通控制,忽略励磁电流，转子电流,,电磁转矩,,,,,,二、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二、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 二、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三、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,三、恒气隙磁通控制,转子电流,,电磁转矩,,,,,,,,三、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，机械特性更硬四、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,四、恒转子磁通控制,转子电流,,电磁转矩,,,,,,四、恒转子磁通控制,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。

不同控制方式下的机械特性,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一般通过恒压频比实行电压补偿来实现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不同控制方式下的比较,以上几种电压-频率协调控制都是指基频以下的恒转矩调速范围而言的，在基频以上则一律采用电压不变，只提高频率的恒功率弱磁调速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，性能最佳在稳态和动态都保持转子全磁通恒定，可以通过矢量控制方法实现，达到变频调速的目的，控制系统比较复杂转差频率控制,异步电动机恒气隙磁通的电磁转矩公式,将,转差频率控制的基本概念及特点,代入电磁转矩公式 ，得,,电机结构常数,,,,转差频率控制的基本概念及特点,定义转差角频率,电磁转矩,转差率s较小，转矩可近似表示,转差频率控制的基本思想,保持气隙磁通不变，在s值较小的稳态运行范围内，异步电动机的转矩就近似与转差角频率成正比。

在保持气隙磁通不变的前提下，可以通过控制转差角频率来控制转矩，这就是转差频率控制的基本思想转差频率控制的基本思想,临界转差,,最大转矩（临界转矩）,,转差频率控制的基本思想,要保证系统稳定运行，必须使,,在转差频率控制系统中，系统允许的最大转差频率小于临界转差频率,,,转差频率控制的基本规律,用转差频率来控制转矩，是转差频率控制的基本规律之一图5-42 恒气隙磁通控制的机械特性,,,转差频率控制的基本思想,如何保持气隙磁通恒定，是转差频率控制系统要解决的第二个问题 保持气隙磁通恒定，异步电动机定子电压,,必须采用定子电压补偿控制，以抵消定子电阻和漏抗的压降转差频率控制的基本思想,定子电压补偿应该是幅值和相位的补偿，但控制系统复杂 忽略电流相量相位变化的影响，仅采用幅值补偿，则电压–频率特性为,,,,,,其中,转差频率控制的基本思想,高频时，定子漏抗压降占主导地位，可忽略定子电阻，简化为,,,,,,电压—频率特性近似呈线性； 低频时，定子电阻的影响不可忽略，曲线呈现非线性性质转差频率控制的基本思想,高频时，近似呈线性； 低频时，呈非线性图5-43 定子电压补偿控制的电压–频率特性,转差频率控制的规律,转矩基本上与转差频率成正比，条件是气隙磁通不变，且,,,在不同的定子电流值时，按定子电压补偿控制的电压–频率特性关系控制定子电压和频率，就能保持气隙磁通恒定。

基于稳态模型的异步电动机调速,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变压变频调速方法都是基于稳态模型的异步电动机调速方法，属于标量控制的范畴基于动态模型的异步电动机调速,异步电动机具有非线性、强耦合、多变量的性质，要获得高动态调速性能，必须从动态模型出发，分析异步电动机的转矩和磁链控制规律，研究高性能异步电动机的调速方案 矢量控制和直接转矩控制是已经获得成熟应用的两种基于动态模型的高性能交流电动机调速系统基于动态模型的异步电动机调速,矢量控制系统通过矢量变换和按转子磁链定向，得到等效直流电动机模型，然后模仿直流电动机控制 直接转矩控制系统利用转矩偏差和定子磁链幅值偏差的符号，根据当前定子磁链矢量所在的位置，直接选取合适的定子电压矢量，实施电磁转矩和定子磁链的控制三相静止坐标系下的数学模型,两相同步旋转坐标系下的数学模型,,,,状态方程,,。