電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)(第3版)(陳伯時(shí))第12講課件

第

6章籠型異步電機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)（VVVF系統(tǒng)）

——轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速系統(tǒng)

6.1

變壓變頻調(diào)速的基本控制方式

6.2異步電動(dòng)機(jī)電壓-頻率協(xié)調(diào)控制時(shí)的機(jī)械特性

第12講

概述

異步電機(jī)的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)一般簡(jiǎn)稱為變頻調(diào)速系統(tǒng)。由于在調(diào)速時(shí)轉(zhuǎn)差功率不隨轉(zhuǎn)速而變化，調(diào)速范圍寬，無(wú)論是高速還是低速時(shí)效率都較高，在采取一定的技術(shù)措施后能實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)性能，可與直流調(diào)速系統(tǒng)媲美。6.1變壓變頻調(diào)速的基本控制方式

在進(jìn)行電機(jī)調(diào)速時(shí)，常須考慮的一個(gè)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(méi)有充分利用電機(jī)的鐵心，是一種浪費(fèi)；如果過(guò)分增大磁通，又會(huì)使鐵心飽和，從而導(dǎo)致過(guò)大的勵(lì)磁電流，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因繞組過(guò)熱而損壞電機(jī)。對(duì)于直流電機(jī)，勵(lì)磁系統(tǒng)是獨(dú)立的，只要對(duì)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(shì)合成產(chǎn)生，要保持磁通恒定就需要費(fèi)一些周折了。

定子每相電動(dòng)勢(shì)（6-1）

式中：Eg—?dú)庀洞磐ㄔ诙ㄗ用肯嘀懈袘?yīng)電動(dòng)勢(shì)的有效值，單位為V；

—定子頻率，單位為Hz；

—定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)；

—基波繞組系數(shù)；

—每極氣隙磁通量，單位為Wb。

f1NskNsm

由式（6-1）可知，只要控制好Eg和f1，便可達(dá)到控制磁通m的目的，對(duì)此，需要考慮基頻（額定頻率）以下和基頻以上兩種情況。

1.基頻以下調(diào)速

由式（6-1）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(shí)，必須同時(shí)降低Eg，使常值

（6-2）

即采用恒值電動(dòng)勢(shì)頻率比的控制方式。

恒壓頻比的控制方式

然而，繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是難以直接控制的，當(dāng)電動(dòng)勢(shì)值較高時(shí)，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（6-3）

這是恒壓頻比的控制方式。

但是，在低頻時(shí)Us和Eg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(shí)，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(wú)補(bǔ)償?shù)目刂铺匦詣t為a

線。

OUsf1圖6-1

恒壓頻比控制特性帶壓降補(bǔ)償?shù)暮銐侯l比控制特性UsNf1Na

—無(wú)補(bǔ)償

b

—帶定子壓降補(bǔ)償

2.基頻以上調(diào)速

在基頻以上調(diào)速時(shí)，頻率應(yīng)該從f1N向上升高，但定子電壓Us卻不可能超過(guò)額定電壓UsN，最多只能保持Us=UsN，這將迫使磁通與頻率成反比地降低，相當(dāng)于直流電機(jī)弱磁升速的情況。把基頻以下和基頻以上兩種情況的控制特性畫(huà)在一起，如下圖所示。

f1N

變壓變頻控制特性圖6-2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ΦmUsf1O

如果電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速時(shí)所帶的負(fù)載都能使電流達(dá)到額定值，即都能在允許溫升下長(zhǎng)期運(yùn)行，則轉(zhuǎn)矩基本上隨磁通變化，按照電力拖動(dòng)原理，在基頻以下，磁通恒定時(shí)轉(zhuǎn)矩也恒定，屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”性質(zhì)，而在基頻以上，轉(zhuǎn)速升高時(shí)轉(zhuǎn)矩降低，基本上屬于“恒功率調(diào)速”。6.2異步電動(dòng)機(jī)電壓－頻率協(xié)調(diào)控制時(shí)

的機(jī)械特性本節(jié)提要恒壓恒頻正弦波供電時(shí)異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性基頻以下電壓-頻率協(xié)調(diào)控制時(shí)的機(jī)械特性基頻以上恒壓變頻時(shí)的機(jī)械特性恒流正弦波供電時(shí)的機(jī)械特性6.2.1恒壓恒頻正弦波供電時(shí)異步電動(dòng)機(jī)的

機(jī)械特性

第5章式（5-3）已給出異步電機(jī)在恒壓恒頻正弦波供電時(shí)的機(jī)械特性方程式

Te=f(s)。當(dāng)定子電壓Us和電源角頻率1恒定時(shí)，可以改寫(xiě)成如下形式：

（6-4）

特性分析當(dāng)s很小時(shí)，可忽略上式分母中含s各項(xiàng)，則（6-5）也就是說(shuō)，當(dāng)s很小時(shí)，轉(zhuǎn)矩近似與

s成正比，機(jī)械特性Te=f（s）是一段直線，見(jiàn)圖6-3。

特性分析（續(xù)）

當(dāng)s接近于1時(shí)，可忽略式（6-4）分母中的Rr'，則

（6-6）即s接近于1時(shí)轉(zhuǎn)矩近似與s成反比，這時(shí)，Te=f（s）是對(duì)稱于原點(diǎn)的一段雙曲線。

機(jī)械特性

當(dāng)s為以上兩段的中間數(shù)值時(shí)，機(jī)械特性從直線段逐漸過(guò)渡到雙曲線段，如圖所示。smnn0sTe010TeTemaxTemax圖6-3恒壓恒頻時(shí)異步電機(jī)的機(jī)械特性6.2.2基頻以下電壓-頻率協(xié)調(diào)控制時(shí)的

機(jī)械特性

由式（6-4）機(jī)械特性方程式可以看出，對(duì)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.恒壓頻比控制（Us/1）

在第

6-1節(jié)中已經(jīng)指出，為了近似地保持氣隙磁通不變，以便充分利用電機(jī)鐵心，發(fā)揮電機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的能力，在基頻以下須采用恒壓頻比控制。這時(shí)，同步轉(zhuǎn)速自然要隨頻率變化。

（6-7）

在式（6-5）所表示的機(jī)械特性近似直線段上，可以導(dǎo)出

（6-9）

帶負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速降落為

（6-8）

由此可見(jiàn)，當(dāng)Us/1為恒值時(shí)，對(duì)于同一轉(zhuǎn)矩Te，s1是基本不變的，因而n也是基本不變的。這就是說(shuō)，在恒壓頻比的條件下改變頻率1時(shí)，機(jī)械特性基本上是平行下移，如圖6-4所示。它們和直流他勵(lì)電機(jī)變壓調(diào)速時(shí)的情況基本相似。

所不同的是，當(dāng)轉(zhuǎn)矩增大到最大值以后，轉(zhuǎn)速再降低，特性就折回來(lái)了。而且頻率越低時(shí)最大轉(zhuǎn)矩值越小，可參看第5章式（5-5），對(duì)式（5-5）稍加整理后可得

（6-10）

可見(jiàn)最大轉(zhuǎn)矩Temax是隨著的1降低而減小的。頻率很低時(shí)，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，可以增強(qiáng)帶載能力，見(jiàn)圖6-4。

機(jī)械特性曲線On圖6-4恒壓頻比控制時(shí)變頻調(diào)速的機(jī)械特性補(bǔ)償定子壓降后的特性2.恒Eg/1控制

下圖再次繪出異步電機(jī)的穩(wěn)態(tài)等效電路，圖中幾處感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的意義如下：Eg

—?dú)庀叮ɑ蚧ジ校┐磐ㄔ诙ㄗ用肯嗬@組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；Es

—定子全磁通在定子每相繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；Er

—轉(zhuǎn)子全磁通在轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（折合到定子邊）。圖6-5異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

Us1RsLlsL’lrLmR’r/sIsI0I’r

異步電動(dòng)機(jī)等效電路EgEsEr

特性分析

如果在電壓－頻率協(xié)調(diào)控制中，恰當(dāng)?shù)靥岣唠妷篣s的數(shù)值，使它在克服定子阻抗壓降以后，能維持Eg/1為恒值（基頻以下），則由式（6-1）可知，無(wú)論頻率高低，每極磁通m均為常值。

特性分析（續(xù)）由等效電路可以看出

（6-11）代入電磁轉(zhuǎn)矩關(guān)系式，得（6-12）

特性分析（續(xù)）

利用與前相似的分析方法，當(dāng)s很小時(shí)，可忽略式（6-12）分母中含s項(xiàng)，則

（6-13）

這表明機(jī)械特性的這一段近似為一條直線。特性分析（續(xù)）

當(dāng)s接近于1時(shí)，可忽略式（6-12）分母中的Rr'2項(xiàng)，則

（6-14）

s值為上述兩段的中間值時(shí)，機(jī)械特性在直線和雙曲線之間逐漸過(guò)渡，整條特性與恒壓頻比特性相似。

性能比較

但是，對(duì)比式（6-4）和式（6-12）可以看出，恒Eg/1特性分母中含s項(xiàng)的參數(shù)要小于恒Us/1特性中的同類項(xiàng)，也就是說(shuō)，s值要更大一些才能使該項(xiàng)占有顯著的份量，從而不能被忽略，因此恒Eg/1特性的線性段范圍更寬。性能比較（續(xù)）

將式（6-12）對(duì)s求導(dǎo)，并令dTe/ds=0，可得恒Eg/1控制特性在最大轉(zhuǎn)矩時(shí)的轉(zhuǎn)差率

（6-15）

和最大轉(zhuǎn)矩（6-16）性能比較（續(xù)）

值得注意的是，在式（6-16）中，當(dāng)Eg/1為恒值時(shí)，Temax恒定不變，如下圖所示，其穩(wěn)態(tài)性能優(yōu)于恒Us/1控制的性能。這正是恒Eg/1控制中補(bǔ)償定子壓降所追求的目標(biāo)。

機(jī)械特性曲線OnTemax恒Eg/1控制時(shí)變頻調(diào)速的機(jī)械特性3.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(huì)怎樣呢？由此可寫(xiě)出

（6-17）

代入電磁轉(zhuǎn)矩基本關(guān)系式，得

（6-18）

現(xiàn)在，不必再作任何近似就可知道，這時(shí)的機(jī)械特性完全是一條直線，見(jiàn)圖6-6。0s10Te

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

c

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(wèn)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？

按照式（6-1）電動(dòng)勢(shì)和磁通的關(guān)系，可以看出，當(dāng)頻率恒定時(shí)，電動(dòng)勢(shì)與磁通成正比。在式（6-1）中，氣隙磁通的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Eg對(duì)應(yīng)于氣隙磁通幅值m，那么，轉(zhuǎn)子全磁通的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Er就應(yīng)該對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)子全磁通幅值rm：（6-19）

由此可見(jiàn)，只要能夠按照轉(zhuǎn)子全磁通幅值rm=Constant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，下面在第6-7節(jié)中將詳細(xì)討論。

4．幾種協(xié)調(diào)控制方式的比較

綜上所述，在正弦波供電時(shí)，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=Constant）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(duì)定子壓降實(shí)行補(bǔ)償。

（2）恒Eg/1控制是通常對(duì)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(shí)達(dá)到rm=Constant，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。

（3）恒Er/1控制可以得到和直流他勵(lì)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=Constant而且，在動(dòng)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(lái)是比較復(fù)雜的。6.2.3基頻以上恒壓變頻時(shí)的機(jī)械特性

性能分析

在基頻以上變頻調(diào)速時(shí)，由于定子電壓Us=UsN不變，式（6-4）的機(jī)械特性方程式可寫(xiě)成

（6-20）

性能分析（續(xù)）

而式（6-10）的最大轉(zhuǎn)矩表達(dá)式可改寫(xiě)成（6-21）

同步轉(zhuǎn)速的表達(dá)式仍和式（6-7）一樣。

機(jī)械特性曲線恒功率調(diào)速O<<<

由此可見(jiàn)，當(dāng)角頻率提高時(shí)，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6-7基頻以上恒壓變頻調(diào)速的機(jī)械特性

由于頻率提高而電壓不變，氣隙磁通勢(shì)必減弱，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩的減小，但轉(zhuǎn)速升高了，可以認(rèn)為輸出功率基本不變。所以基頻以上變頻調(diào)速屬于弱磁恒功率調(diào)速。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(jì)變頻裝置時(shí)，應(yīng)盡量減少輸出電壓中的諧波。

6.2.4恒流正弦波供電時(shí)的機(jī)械特性

在變頻調(diào)速時(shí)，保持異步電機(jī)定子電流的幅值恒定，叫作恒流控制，電流幅值恒定是通過(guò)帶PI調(diào)節(jié)器的電流閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)的，這種系統(tǒng)不僅安全可靠而且具有良好的動(dòng)靜態(tài)性能。恒流供電時(shí)的機(jī)械特性與上面分析的恒壓機(jī)械特性不同，現(xiàn)進(jìn)行分析。

轉(zhuǎn)子電流計(jì)算設(shè)電流波形為正弦波，即忽略電流諧波，由異步電動(dòng)機(jī)等效電路圖所示的等效電路在恒流供電情況下可得轉(zhuǎn)子電流計(jì)算（續(xù)）電流幅值為（6-22）

電磁轉(zhuǎn)矩公式將式（6-22）代入電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式得（6-23）

最大轉(zhuǎn)矩及其轉(zhuǎn)差率

取dTe/dt=0，可求出恒流機(jī)械特性的最大轉(zhuǎn)矩值（6-24）產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩時(shí)的轉(zhuǎn)差率為（6-25）

機(jī)械特性曲線

按上式繪出不同電流、不同頻率下的恒流機(jī)械特性示于圖6-8。圖6-8恒流供電時(shí)異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性TeOn

性能比較

第5章式（5-4）和（5-5）給出了恒壓機(jī)械特性的最大轉(zhuǎn)差率和最大轉(zhuǎn)矩，現(xiàn)再錄如下：（5-4）（5-5）性能比較（續(xù)）

比較恒流機(jī)械特性與恒壓機(jī)械特性，由上述表達(dá)式和特性曲線可得以下的結(jié)論：（1）恒流機(jī)械特性與恒壓機(jī)械特性的形狀相似，都有理想空載轉(zhuǎn)速點(diǎn)（s=0，Te=0）和最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)（sm，Temax）