變頻調(diào)速的基本控制方式

異步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速基礎(chǔ)第

1章2/6/20231

概述由于在調(diào)速時轉(zhuǎn)差功率不隨轉(zhuǎn)速而變化，調(diào)速范圍寬，無論是高速還是低速時效率都較高，在采取一定的技術(shù)措施后能實(shí)現(xiàn)高動態(tài)性能，可與直流調(diào)速系統(tǒng)媲美。異步電機(jī)的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)一般簡稱為變頻調(diào)速系統(tǒng)。因此現(xiàn)在應(yīng)用面很廣，是本篇的重點(diǎn)。2/6/20232目前，交流變頻調(diào)速技術(shù)以其優(yōu)異的性能而深受各行業(yè)的普遍歡迎，并已取得了顯著的社會效益。電力軋鋼造紙化工煤炭紡織船舶機(jī)床航天航空廣泛應(yīng)用：2/6/202331.3

變頻調(diào)速的基本控制方式

變頻調(diào)速的基本原理充分利用電機(jī)繞組鐵芯和繞組的截面積主要特征：Tmax為常數(shù)變頻調(diào)速光調(diào)頻行嗎？？2/6/20234一、調(diào)頻與調(diào)壓協(xié)調(diào)控制的必要性異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速n與定子供電頻率之間有以下關(guān)系：（1-29）

從上式可知，只要平滑地調(diào)節(jié)異步電機(jī)定子的供電頻率f1，同步轉(zhuǎn)速n0隨之改變，就可以平滑地調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速n，從而實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)的無級調(diào)速，這就是變頻調(diào)速的基本原理。2/6/20235在進(jìn)行電機(jī)調(diào)速時，常須考慮的一個重要因素是：

----希望保持電機(jī)中每極磁通量m為額定值不變。

如果磁通太弱，沒有充分利用電機(jī)的鐵芯，是一種浪費(fèi)；如果過分增大磁通，又會使鐵心飽和，從而導(dǎo)致過大的勵磁電流，嚴(yán)重時會因繞組過熱而損壞電機(jī)。一、調(diào)頻與調(diào)壓協(xié)調(diào)控制的必要性2/6/20236對于直流電機(jī)，勵磁系統(tǒng)是獨(dú)立的，只要對電樞反應(yīng)有恰當(dāng)?shù)难a(bǔ)償，m保持不變是很容易做到的。在交流異步電機(jī)中，磁通m由定子和轉(zhuǎn)子磁勢合成產(chǎn)生，要保持磁通恒定就需要費(fèi)一些周折了。一、調(diào)頻與調(diào)壓協(xié)調(diào)控制的必要性2/6/20237（1-30）

式中

Es—?dú)庀洞磐ㄔ诙ㄗ用肯嘀懈袘?yīng)電動勢的有效值（V）—定子頻率（Hz）；

f1—定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)；

Ns—基波繞組系數(shù)；

kNs—每極氣隙磁通量(Wb)。m

定子每相電動勢由式（1-30）可知，只要控制好Eg和f1，便可達(dá)到控制磁通m

的目的，對此，需要考慮基頻（額定頻率）以下和基頻以上兩種情況。2/6/20238電壓-頻率協(xié)調(diào)控制方式

由式（1-18）機(jī)械特性方程式可以看出，對于同一組轉(zhuǎn)矩Te

和轉(zhuǎn)速n（或轉(zhuǎn)差率s）的要求，電壓Us

和頻率1

可以有多種配合。在Us

和1的不同配合下機(jī)械特性也是不一樣的，因此可以有不同方式的電壓－頻率協(xié)調(diào)控制。（1-18）

2/6/20239常值即采用恒電動勢頻率比的控制方式。

二、基頻以下的變頻調(diào)速控制方式由式（1-30）可知，要保持m

不變，當(dāng)頻率f1

從額定值f1N向下調(diào)節(jié)時，必須同時降低Es

，使2/6/2023101.保持的嚴(yán)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不變，當(dāng)頻率f1從額定頻率向下調(diào)節(jié)時，必須同時降低電動勢Es，即采用恒定的電動勢頻率比的控制方式。這時異步電動機(jī)的機(jī)械特性將會如何呢？2/6/2023111.保持的嚴(yán)格恒磁通控制由圖1-14可知：

將上式代入電磁轉(zhuǎn)矩基本公式，可得

2/6/2023121.保持的嚴(yán)格恒磁通控制上式對s求導(dǎo)，并令dTe/ds=0，可得恒磁通控制轉(zhuǎn)矩最大時的轉(zhuǎn)差率為將sm代入式（1-33）得最大電磁轉(zhuǎn)矩

2/6/2023131.保持的嚴(yán)格恒磁通控制可見，當(dāng)調(diào)速過程中Es/f1為恒值時Temax值是恒定不變的，在低頻低速下也能保持這個最大電磁轉(zhuǎn)矩，因此稱為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式。

2/6/202314

2.保持常值的近似恒磁通控制(恒壓頻比的控制)然而，繞組中的感應(yīng)電動勢是難以直接控制的，當(dāng)電動勢值較高時，可以忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降，而認(rèn)為定子相電壓Us≈

Eg，則得用易于測量和控制的定子輸入相電壓Us取代電動勢Es，這就是保持的近似恒磁通控制，也稱為恒壓頻比控制或U/f控制，它是開環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)常用的控制方式。

2/6/2023152.保持常值的近似恒磁通控制(恒壓頻比的控制)式（1-18）的電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式：

當(dāng)采用恒壓頻比控制方式時，式（1-18）可改寫為：（1-18）（1-36）

2/6/2023162.保持常值的近似恒磁通控制(恒壓頻比的控制)當(dāng)電動機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時轉(zhuǎn)差率s很小，可以忽略分母中含s項(xiàng)，則式中，由上式可知，當(dāng)采用恒壓頻比控制時，對于同一電磁轉(zhuǎn)矩Te，sf1是基本不變的，即n基本不變，這說明恒壓頻比條件下改變頻率時，機(jī)械特性是平行下移的。

2/6/2023172.保持常值的近似恒磁通控制(恒壓頻比的控制)由上節(jié)推導(dǎo)的最大轉(zhuǎn)矩表達(dá)式

（1-38）

(1)

當(dāng)轉(zhuǎn)速較高時，f1在額定頻率fn附近變化，定、轉(zhuǎn)子的總漏抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于定子電阻Rs,2/6/202318則最大轉(zhuǎn)矩上式表明，頻率較高時，恒壓頻比調(diào)速時異步電動機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩與頻率無關(guān)，基本上保持不變。

2/6/202319（2）當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時，f1比f1n下降很多，此時定、轉(zhuǎn)子總漏抗隨之下降，定子電阻Rs不能忽略，對式（1-38）稍加整理可得可見在不變時，最大轉(zhuǎn)矩Temax是隨著定子供電頻率f1的下降而減小的。2/6/202320

在低頻時Us

和ES都較小，定子阻抗壓降所占的份量就比較顯著，不再能忽略。這時，需要人為地把電壓Us抬高一些，以便近似地補(bǔ)償定子壓降。帶定子壓降補(bǔ)償?shù)暮銐侯l比控制特性示于下圖中的b線，無補(bǔ)償?shù)目刂铺匦詣t為a線。低頻時適當(dāng)?shù)靥岣叨ㄗ与妷篣s，使最大電磁轉(zhuǎn)矩有所增大，實(shí)質(zhì)上是對異步電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的補(bǔ)償，可以增強(qiáng)電動機(jī)的帶負(fù)載能力。一般變頻器調(diào)壓調(diào)頻控制方式都有轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償功能，其理論基礎(chǔ)就在于此。2/6/202321帶定子壓降補(bǔ)償?shù)暮銐侯l比控制特性2/6/202322

機(jī)械特性曲線nON0n圖1-17恒壓頻比控制時變頻調(diào)速的機(jī)械特性補(bǔ)償定子壓降后的特性01n12w13w03n02n11wN1w131211N1wwww>>>eT

可見，最大轉(zhuǎn)矩Temax

是隨著的1

降低而減小。

頻率很低時，Temax太小將限制電機(jī)的帶載能力，采用定子壓降補(bǔ)償，適當(dāng)?shù)靥岣唠妷篣s，可增強(qiáng)帶載能力。2/6/2023232/6/2023243.恒

Er/1

控制如果把電壓－頻率協(xié)調(diào)控制中的電壓再進(jìn)一步提高，把轉(zhuǎn)子漏抗上的壓降也抵消掉，得到恒Er/1

控制，那么，機(jī)械特性會怎樣呢？由此可寫出2/6/202325代入電磁轉(zhuǎn)矩基本關(guān)系式，得現(xiàn)在，不必再作任何近似就可知道，這時的機(jī)械特性完全是一條直線。3.恒

Er/1

控制2/6/2023260s10Te幾種電壓－頻率協(xié)調(diào)控制方式的特性比較圖不同電壓－頻率協(xié)調(diào)控制方式時的機(jī)械特性恒Er/1控制恒Eg/1控制恒Us/1控制ab

c2/6/202327顯然，恒Er/1

控制的穩(wěn)態(tài)性能最好，可以獲得和直流電機(jī)一樣的線性機(jī)械特性。這正是高性能交流變頻調(diào)速所要求的性能?，F(xiàn)在的問題是，怎樣控制變頻裝置的電壓和頻率才能獲得恒定的Er/1

呢？3.恒

Er/1

控制2/6/202328

按照式（1-30）電動勢和磁通的關(guān)系，可以看出，當(dāng)頻率恒定時，電動勢與磁通成正比。在式（1-30）中，氣隙磁通的感應(yīng)電動勢Es

對應(yīng)于氣隙磁通幅值m

，那么，轉(zhuǎn)子全磁通的感應(yīng)電動勢Er

就應(yīng)該對應(yīng)于轉(zhuǎn)子全磁通幅值rm

：3.恒

Er/1

控制由此可見，只要能夠按照轉(zhuǎn)子全磁通幅值rm=恒值進(jìn)行控制，就可以獲得恒Er/1

了。這正是矢量控制系統(tǒng)所遵循的原則，第3.3節(jié)中將詳細(xì)討論。2/6/2023294．幾種協(xié)調(diào)控制方式的比較綜上所述，在正弦波供電時，按不同規(guī)律實(shí)現(xiàn)電壓－頻率協(xié)調(diào)控制可得不同類型的機(jī)械特性。

1）恒壓頻比（Us/1=恒值）控制最容易實(shí)現(xiàn)，它的變頻機(jī)械特性基本上是平行下移，硬度也較好，能夠滿足一般的調(diào)速要求，但低速帶載能力有些差強(qiáng)人意，須對定子壓降實(shí)行補(bǔ)償。2/6/2023302）恒Eg/1控制是通常對恒壓頻比控制實(shí)行電壓補(bǔ)償?shù)臉?biāo)準(zhǔn)，可以在穩(wěn)態(tài)時達(dá)到m=恒值，從而改善了低速性能。但機(jī)械特性還是非線性的，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的能力仍受到限制。

2/6/202331

3）恒Er/1

控制可以得到和直流他勵電機(jī)一樣的線性機(jī)械特性，按照轉(zhuǎn)子全磁通rm

恒定進(jìn)行控制，即得

Er/1=恒值

而且，在動態(tài)中也盡可能保持rm恒定是矢量控制系統(tǒng)的目標(biāo)，當(dāng)然實(shí)現(xiàn)起來是比較復(fù)雜的。2/6/2023322/6/202333（一）近似恒功率調(diào)速方式事實(shí)上，電壓不變，升高頻率的調(diào)速方式是近似恒功率調(diào)速方式。這時由于定子端電壓Us=Usn保持不變，式（1-22）的最大轉(zhuǎn)矩表達(dá)式可改寫為由上式可知，在電壓不變的前提下，隨著角頻率1的升高，最大轉(zhuǎn)矩Temax隨之下降。

2/6/202334

機(jī)械特性曲線當(dāng)角頻率提高時，同步轉(zhuǎn)速隨之提高，最大轉(zhuǎn)矩減小，機(jī)械特性上移，而形狀基本不變，如圖所示。圖1-18基頻以上恒壓變頻調(diào)速的機(jī)械特性恒功率調(diào)速O<<<b1wc1wa1wN1wnc0nb0na0nN0nc1wb1wa1wN1weT2/6/202335（二）嚴(yán)格恒功率控制方式

電動機(jī)輸出的機(jī)械功率為：

要實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的恒功率控制，必須使基頻以上不同頻率對應(yīng)機(jī)械特性的額定功率相等，即

2/6/202336（二）嚴(yán)格恒功率控制方式可推導(dǎo)得到即

（1-54）

通過上述分析，可得出如下結(jié)論：（1）為了獲得嚴(yán)格的恒功率調(diào)速，在頻率由基頻上調(diào)時，應(yīng)使電壓與頻率的1/2次方成正比變化，即這時過載倍數(shù)保持不變。2/6/202337（2）基頻上調(diào)、電壓不變的控制方式，不能實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的恒功率調(diào)速。（3）把基頻下調(diào)和基頻上調(diào)兩種情況結(jié)合起來，可得異步電動機(jī)變頻調(diào)速的控制特性如圖1-19所示。在基頻fn以下為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速區(qū)，磁通和轉(zhuǎn)矩恒定，功率與頻率（轉(zhuǎn)速）成正比；在基頻以上為恒功率調(diào)速區(qū)，功率恒定，磁通和轉(zhuǎn)矩與頻率（轉(zhuǎn)速）成反比。2/6/202338

變壓變頻控制特性f1N圖3-2異步電機(jī)變壓變頻調(diào)速的控制特性

恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速UsUsNΦmNΦm恒功率調(diào)速ΦmUsf102/6/202339最后，應(yīng)該指出，以上所分析的機(jī)械特性都是在正弦波電壓供電下的情況。如果電壓源含有諧波，將使機(jī)械特性受到扭曲，并增加電機(jī)中的損耗。因此在設(shè)計變頻裝