變頻調(diào)速的基本控制方式課件

交流異步電機變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)第六章2023/8/101交流異步電機變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)第六章2023/8/11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，在采取一定的技術措施后能實現(xiàn)高動態(tài)性能，可與直流調(diào)速系統(tǒng)媲美。異步電機的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)一般簡稱為變頻調(diào)速系統(tǒng)。因此現(xiàn)在應用面很廣，是本篇的重點。2023/8/102概述由于在調(diào)速時轉(zhuǎn)差功率不隨轉(zhuǎn)速而變異步電機的轉(zhuǎn)速n與定子供電頻率之間有以下關系：（6-1）

從上式可知，只要平滑地調(diào)節(jié)異步電機定子的供電頻率f1，同步轉(zhuǎn)速n1隨之改變，就可以平滑地調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速n，從而實現(xiàn)異步電機的無級調(diào)速，這就是變頻調(diào)速的基本原理。6.1變頻調(diào)速的基本控制方式

2023/8/103異步電機的轉(zhuǎn)速n與定子供電頻率之間有以下關系：（6-1）變頻調(diào)速的基本原理充分利用電機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？？2023/8/104變頻調(diào)速的基本原理充分利用電機繞組鐵芯和繞組的截面積主要特征在進行電機調(diào)速時，常須考慮的一個重要因素是：

----希望保持電機中每極磁通量

m為額定值不變。

如果磁通太弱，沒有充分利用電機的鐵芯，是一種浪費；如果過分增大磁通，又會使鐵芯飽和，從而導致過大的勵磁電流，嚴重時會因繞組過熱而損壞電機。一、調(diào)頻與調(diào)壓協(xié)調(diào)控制的必要性2023/8/105在進行電機調(diào)速時，常須考慮的一個重要因素是：-對于直流電機，勵磁系統(tǒng)是獨立的，只要對電樞反應有恰當?shù)难a償，

m保持不變是很容易做到的。在交流異步電機中，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一些周折了。一、調(diào)頻與調(diào)壓協(xié)調(diào)控制的必要性2023/8/106對于直流電機，勵磁系統(tǒng)是獨立的，只要對電樞反應有恰當?shù)难a償，異步電動機穩(wěn)態(tài)等效電路和感應電動勢

Us

1RsLlsL’lrLmR’r/sIsI0I’rEg一、調(diào)頻與調(diào)壓協(xié)調(diào)控制的必要性2023/8/107異步電動機穩(wěn)態(tài)等效電路和感應電動勢Us1RsLlsL’l（6-2）

式中

Eg—氣隙磁通在定子每相中感應電動勢的有效值（V）—定子頻率（Hz）；

f1—定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)；

N1—基波繞組系數(shù)；

kN1—每極氣隙磁通量(Wb)。

m

定子每相電動勢由式（6-2）可知，只要控制好Eg和f1，便可達到控制磁通

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。2023/8/108（6-2）式中Eg—氣隙磁通在定子每相中感應電動勢的有效所謂調(diào)速方式：是指在電機得到充分利用的條件下，電機輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速之間的關系。電機常用的有兩種典型調(diào)速方式：恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式和恒功率調(diào)速方式

二、VVVF調(diào)速控制方式2023/8/109所謂調(diào)速方式：二、VVVF調(diào)速控制方式2023/8/19若輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速無關，則為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式。如：他勵直流電機調(diào)電樞電壓調(diào)速；繞線轉(zhuǎn)子異步電機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速等。若輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速成反比，則為恒功率調(diào)速方式。如：他勵直流電機的弱磁調(diào)速。2023/8/1010若輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速無關，則為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式。2023/8/11異步電動機的調(diào)速分為基頻下調(diào)和基頻上調(diào)兩種情況：基頻下調(diào)通常采用恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式；基頻上調(diào)通常采用恒功率調(diào)速方式。2023/8/1011異步電動機的調(diào)速分為基頻下調(diào)和基頻上調(diào)兩種情況：2023/8

由上式可知，要保持

m

不變，當頻率f1

從額定值f1N

向下調(diào)節(jié)時，必須同時降低Eg

，使C

（6-3）

即采用恒值電動勢頻率比的控制方式。

1、基頻以下變頻調(diào)速

2023/8/1012由上式可知，要保持m不變，當頻率f11、基頻以下變頻調(diào)速

由于（U漏—漏磁阻抗壓降；Us—每相電壓），當Us很大時，U漏很小；可以認為Us≈Eg

。要改變f1實現(xiàn)調(diào)速，則同時應改變Us來保持Φm不變。

—恒壓頻比控制方式

2023/8/10131、基頻以下變頻調(diào)速由于2023/8/113但當f1太小時，忽略U漏則誤差較大，這時可以人為增大Us進行補償，以減小誤差。

帶定子壓降補償?shù)暮銐侯l比控制特性2023/8/1014但當f1太小時，忽略U漏則誤差較大，這時可以人為增大Us進行2.基頻以上調(diào)速

當f1>fN升高時，定子電壓Us最大也只能是UsN，從式來看，顯然，f1>fN再增大時，反比例降低（相當于直流調(diào)速中的弱磁升速）。

2023/8/10152.基頻以上調(diào)速當f1>fN升高時，定子電壓Us最大也只變壓變頻控制特性f1N圖6-1異步電機變壓變頻調(diào)速的控制特性

恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速UsUsNΦmNΦm恒功率調(diào)速ΦmUsf102023/8/1016變壓變頻控制特性f1N圖6-1異步電機變壓變頻調(diào)速的控制6.2異步電動機電壓－頻率協(xié)調(diào)控制時的機械特性6.2.1恒壓恒頻正弦波供電時異步電動機的機械特性

6.2.2基頻以下電壓—頻率協(xié)調(diào)控制時的機械特性

6.2.3基頻以上恒壓變頻調(diào)速時的機械特性

2023/8/10176.2異步電動機電壓－頻率協(xié)調(diào)控制時的機械特性6.2.1恒壓6.2.1恒壓恒頻正弦波供電時異步電動機的機械特性當f1（ω1）—電源頻率和Us一定時，電磁轉(zhuǎn)矩為：

2023/8/10186.2.1恒壓恒頻正弦波供電時異步電動機的機械特性當f1（ω當s很小時，可以忽略分母中含s的各項，則

說明當s很小時Te＝f（s）為一條直線；

1.特性分析2023/8/1019當s很小時，可以忽略分母中含s的各項，則說明當s很小時Te當s→1時，可忽略R’r(分母)，則

Te＝f（s）是對稱于原點的雙曲線。

1.特性分析2023/8/1020當s→1時，可忽略R’r(分母)，則Te＝f（s）是對稱于smnn1sTe010TeTemaxTemax圖6-2恒壓恒頻時異步電機的機械特性當s在[0，1]的中間數(shù)值時，機械特性從直線段逐漸過渡到雙曲線。

2.機械特性2023/8/1021smnn1sTe010TeTemaxTemax圖6-2恒6.2基頻以下電壓－頻率協(xié)調(diào)控制時的機械特性由異步電動機機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。

2023/8/10226.2基頻以下電壓－頻率協(xié)調(diào)控制時的機械特性1.恒壓頻比控制（Us/

1

）

On圖6-3恒壓頻比控制時變頻調(diào)速的機械特性補償定子壓降后的特性2023/8/10231.恒壓頻比控制（Us/1）On圖6-3恒壓在恒壓頻比的條件下改變頻率

1

時，機械特性基本上是平行下移當轉(zhuǎn)矩增大到最大值以后，轉(zhuǎn)速再降低，特性就折回來了。而且頻率越低時最大轉(zhuǎn)矩值越小最大轉(zhuǎn)矩Temax是隨著的

1

降低而減小的。頻率很低時，Temax太小將限制電機的帶載能力，采用定子壓降補償，適當?shù)靥岣唠妷篣s，可以增強帶載能力結(jié)論2023/8/1024在恒壓頻比的條件下改變頻率1時，機械特性基本上是平行下2.恒Eg/ω1控制方式

OnTemax恒Eg/

1控制時變頻調(diào)速的機械特性2023/8/10252.恒Eg/ω1控制方式OnTemax恒Eg/1控結(jié)論恒Eg/ω1控制方式穩(wěn)定性能優(yōu)于恒Us/ω1控制方式它正好是Us/ω1控制方式中補償定子壓降所追求的目標！當Eg/ω1為恒值時，Temax恒定不變，隨著頻率的降低，恒Eg/ω1控制的機械特性是一組形狀與恒壓恒頻機械特性相同，且平行下移的特性。2023/8/1026結(jié)論恒Eg/ω1控制方式穩(wěn)定性能優(yōu)于恒Us/ω1控制方式它3．兩種協(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)律實現(xiàn)電壓－頻率協(xié)調(diào)控制可得不同類型的機械特性。（1）恒壓頻比（Us/

1=Constant）控制最容易實現(xiàn)，它的變頻機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人意，須對定子壓降實行補償。

（2）恒Eg/

1

控制是通常對恒壓頻比控制實行電壓補償?shù)臉藴?，可以在穩(wěn)態(tài)時達到

m=Constant，從而改善了低速性能。但機械特性還是非線性的，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的能力仍受到限制。

2023/8/10273．兩種協(xié)調(diào)控制方式的比較綜上所述，在6.2.3基頻以上恒壓變頻調(diào)速時的機械特性

2023/8/10286.2.3基頻以上恒壓變頻調(diào)速時的機械特性2023/8/16.2.3基頻以上恒壓變頻調(diào)速時的機械特性

在基頻以上恒壓變頻調(diào)速時，Us＝UsN不變，電機轉(zhuǎn)矩為：

當ω1增大時，n1增加，且Temax減??！2023/8/10296.2.3基頻以上恒壓變頻調(diào)速時的機械特性在基頻以上恒壓變機械特性曲線恒功率調(diào)速O<<<圖6-5基頻以上恒壓變頻調(diào)速的機械特性

可見，當頻率ω1提高時，同步轉(zhuǎn)速n1隨之提高，最大轉(zhuǎn)矩減小，機械特性上移；轉(zhuǎn)速降落隨頻率的提高而增大，特性斜率稍變大，其它形狀基本相似。如右圖所示。

2023/8/1030機械特性曲線恒功率調(diào)速O<<<圖6-5基頻以上恒壓變頻調(diào)最后，應該指出，以上所分析的機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，將使機械特性受到扭曲，并增加電機中的損耗。因此在設計變頻裝置時，應盡量減少輸出電壓中的諧波。由于頻率提高而電壓不變，氣隙磁通勢必減弱，導致轉(zhuǎn)矩的減小，但轉(zhuǎn)速升高了，可以認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。2023/8/1031最后，應該指出，以上所分析的機械特性都是在正弦波小結(jié)電壓Us與頻率

1是變頻器—異步電動機調(diào)速系統(tǒng)的兩個獨立的控制變量，在變頻調(diào)速時需要對這兩個控制變量進行協(xié)調(diào)控制。在基頻以下，有兩種協(xié)調(diào)控制方式。采用不同的協(xié)調(diào)控制方式，得到的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能不同。在基頻以上，采用保持電壓不變的恒功率弱磁調(diào)速方法。2023/8/1032小結(jié)電壓Us與頻率1是變頻器—異步電動機調(diào)速系統(tǒng)的兩個獨立對交流電機實現(xiàn)變頻調(diào)速的變頻電源裝置叫變頻器，其功能是將電網(wǎng)提供的恒壓恒頻交流電變換為變壓變頻交流電，變頻伴隨變壓。

變頻器的基本分類如下：變頻器交-交變頻器按相數(shù)分單相三相按輸出波形分正弦波方波脈沖寬度調(diào)制型(PWM)交-直-交變頻器電流型電壓型6.3電力電子變壓變頻器的主要類型2023/8/1033對交流電機實現(xiàn)變頻調(diào)速的變頻電源裝置叫變頻器，其功能是將電網(wǎng)6.3.1交-直-交和交-交變壓變頻器

1.交-直-交變壓變頻器交-直-交變壓變頻器先將工頻交流電源通過整流器變換成直流，再通過逆變器變換成可控頻率和電壓的交流，如下圖所示。由于這類變壓變頻器在恒頻交流電源和變頻交流輸出之間有一個“中間直流環(huán)節(jié)”，所以又稱間接式的變壓變頻器。2023/8/10346.3.1交-直-交和交-交變壓變頻器交-直-交變壓變頻器基本結(jié)構(gòu)交-直-交（間接）變壓變頻器

變壓變頻(VVVF)中間直流環(huán)節(jié)恒壓恒頻(CVCF)逆變DCACAC50Hz~整流2023/8/1035交-直-交變壓變頻器基本結(jié)構(gòu)交-直-交（間接）變壓變頻器變SCR可控整流器六拍逆變器DCACAC50Hz~調(diào)頻調(diào)壓可控整流器調(diào)壓、六拍逆變器調(diào)頻的交-直-交變壓變頻器間接式變壓變頻器（1）2023/8/1036SCR可控六拍DCACAC50Hz~調(diào)頻調(diào)壓用不可控整流器整流、斬波器調(diào)壓、再用逆變器變頻間接式變壓變頻器（2）2023/8/1037用不可控整流器整流、斬波器調(diào)壓、再用逆變器變頻間接式變壓變頻變壓變頻(VVVF)中間直流環(huán)節(jié)恒壓恒頻(CVCF)PWM逆變器DCACAC50Hz~調(diào)壓調(diào)頻C用不可控整流器整流、脈寬調(diào)制逆變器同時調(diào)壓調(diào)頻間接式變壓變頻器（3）2023/8/1038變壓變頻中間直流環(huán)節(jié)恒壓恒頻PWMDCACAC50Hz~調(diào)壓2.交-交變壓變頻器

交-交變壓變頻器的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示，它只有一個變換環(huán)節(jié)，把恒壓恒頻（CVCF）的交流電源直接變換成VVVF輸出，因此又稱直接式變壓變頻器。2023/8/10392.交-交變壓變頻器交-交變壓變(1)交-交變壓變頻器的基本結(jié)構(gòu)交-交（直接）變壓變頻器交－交變頻AC50Hz~ACCVCFVVVF2023/8/1040(1)交-交變壓變頻器的基本結(jié)構(gòu)交-交（直接）變壓變頻器交－(1)交-交變壓變頻器的基本電路結(jié)構(gòu)VRVFId-Id+--+a)電路結(jié)構(gòu)負載50Hz~50Hz~u0交-交變壓變頻器每一相的可逆線路2023/8/1041(1)交-交變壓變頻器的基本電路結(jié)構(gòu)VRVFId-Id+--(2)交-交變壓變頻器的控制方式①整半周控制方式正、反兩組按一定周期相互切換，在負載上就獲得交變的輸出電壓u0

，u0的幅值決定于各組可控整流裝置的控制角

，u0

的頻率決定于正、反兩組整流裝置的切換頻率。如果控制角一直不變，則輸出平均電壓是方波，如下圖b所示。2023/8/1042(2)交-交變壓變頻器的控制方式①整半周控制方式20圖6-10-b方波型平均輸出電壓波形tu0正組通反組通正組通反組通輸出電壓波形2023/8/1043圖6-10-b方波型平均輸出電壓波形tu0正組通反組通②

調(diào)制控制方式要獲得正弦波輸出，就必須在每一組整流裝置導通期間不斷改變其控制角。例如：在正組導通的半個周期中，使控制角

由

/2（對應于平均電壓u0=0）逐漸減小到0（對應于u0最大），然后再逐漸增加到

/2（u0

再變?yōu)?），如下圖所示。2023/8/1044②調(diào)制控制方式2023/8/1442AOw

ta=a=0

p

2a=

pBCDEFu0圖6-12交-交變壓變頻器的單相正弦波輸出電壓波形輸出電壓波形2023/8/10452AOwta=a=0p2a=pBCDEFu

當

角按正弦規(guī)律變化時，半周中的平均輸出電壓即為圖中藍線所示的正弦波。對反組負半周的控制也是這樣。

2023/8/1046當角按正弦規(guī)律變化時，半周中的平均輸出電控制角α由大到小再變大，如π/2→0→π/2如右圖（a）所示。控制角由小變大再變小，如π/2→π→π/2如右圖（b）所示。2023/8/1047控制角α由大到小再變大，如π/2→0→π/2如右圖（a）所示

三相-