第4章 第1節(jié) 異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速

異步電機(jī)變頻調(diào)速優(yōu)點(diǎn)：調(diào)速范圍廣調(diào)速時(shí)滑差功率不變，無附加能量損失高效調(diào)速方式異步電機(jī)變頻調(diào)速缺點(diǎn)：電壓或電流非正弦電流諧波含量大產(chǎn)生附加諧波損耗力能指標(biāo)惡化引起轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)繞組需特殊處理軸電壓大，使軸承損壞加劇變頻調(diào)速方案：PWM，SPWM，SVPWM，轉(zhuǎn)差頻率控制，矢量控制（FOC），直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）高性能控制方式――矢量變換控制等變頻調(diào)速理論靜止變頻器變頻調(diào)速系統(tǒng)第4章異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速1討論基波所決定的異步電機(jī)變頻調(diào)速特性諧波對(duì)電機(jī)運(yùn)行的影響4.1.1變頻調(diào)速的基本控制方式變頻調(diào)速時(shí)，保持電機(jī)磁路工作點(diǎn)穩(wěn)定不變保持每極磁通量Φm額定不變獲得良好的運(yùn)行性能和力能指標(biāo)原因：Φm太強(qiáng)，電機(jī)磁路飽和，勵(lì)磁電流和勵(lì)磁損耗增大功率因數(shù)及效率下降發(fā)熱增大溫升升高Φm太弱，電機(jī)出力不夠，鐵心未充分利用定子相電勢(shì)有效值怎樣來控制磁通呢？4.1異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速理論2選定電機(jī)，結(jié)構(gòu)參數(shù)確定，則：根據(jù)控制過程中磁通的變化，得到兩種控制方式：1)基頻以下調(diào)速，恒磁通控制，保持Eag/f1不變?cè)谙嗤呢?fù)載轉(zhuǎn)矩下有相同的電流，電流與頻率無關(guān)磁通等于常數(shù)，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與頻率變化無關(guān)恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行2)基頻以上調(diào)速，弱磁控制或恒電壓控制轉(zhuǎn)速升高，磁通減小，轉(zhuǎn)矩減小，功率近似不變－－恒功率運(yùn)行當(dāng)f1升高到大于f1N時(shí)，U1不能大于U1N保持U1=U1N=常數(shù)，隨著f1增加，Φm減弱3f1N恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速U1UNΦmNΦm恒功率調(diào)速ΦmU1f1044.1.2電壓與頻率協(xié)調(diào)控制時(shí)異步電機(jī)的調(diào)速特性1、正弦波電壓源供電時(shí)異步電機(jī)的機(jī)械特性正弦波電壓源供電，恒頻恒壓運(yùn)行電磁轉(zhuǎn)矩的參數(shù)表達(dá)式為機(jī)械特性等效電路51）s很小高速時(shí)，s很小，機(jī)械特性為直線2)s≈1機(jī)械特性是對(duì)稱于原點(diǎn)的一段雙曲線3)s為中間數(shù)特點(diǎn)：忽略分母中各s項(xiàng)忽略式中分母上的R’2項(xiàng)曲線為過渡段6smnn1sT010TTmTm72、基頻以下電壓頻率協(xié)調(diào)控制的調(diào)速特性電壓和頻率之間協(xié)調(diào)以獲得期望的工作特性1）恒電壓頻率比控制①同步速度隨運(yùn)行頻率f1或ω1正比變化②穩(wěn)定運(yùn)行段（s很?。?，不同頻率的機(jī)械特性為一組平行直線理想空載到某一負(fù)載時(shí)，速度降落（轉(zhuǎn)差）為8s很小，忽略電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式分母中s項(xiàng)，機(jī)械特性為直線恒壓頻比控制同一負(fù)載轉(zhuǎn)矩Ts下，sω1基本相同不同頻率下轉(zhuǎn)差基本相同③最大轉(zhuǎn)矩Tm隨頻率降低而減小低頻時(shí)加電壓補(bǔ)償??！9f10U1

恒壓頻比控制特性U1Nf1Na

—無補(bǔ)償

b

—帶定子壓降補(bǔ)償

100n補(bǔ)償定子壓降后的特性112）恒氣隙電動(dòng)勢(shì)頻率比控制維持電勢(shì)頻率比恒定，每極磁通Φm能真正保持恒定轉(zhuǎn)子電流電磁功率電磁轉(zhuǎn)矩12①同步速度隨頻率正比變化n1∝f1機(jī)械特性特點(diǎn)：②s較小時(shí)，機(jī)械特性線性s較小，忽略分母中s2項(xiàng)③最大轉(zhuǎn)矩保持不變臨界轉(zhuǎn)差率最大轉(zhuǎn)矩令恒Eag/f1控制，任何運(yùn)行頻率下的最大轉(zhuǎn)矩恒定不變13最大轉(zhuǎn)矩處的轉(zhuǎn)速降為④穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)，不同頻率的一組調(diào)速特性是互相平行的曲線不同運(yùn)行頻率下的機(jī)械特性轉(zhuǎn)速降相同不同頻率的調(diào)速特性互相平行⑤電壓U1的控制規(guī)律在恒Eag/f1控制中，電勢(shì)Eag無法直接控制，只能控制電壓U1Eag與U1相差定子漏阻抗壓降對(duì)電壓按照一定的規(guī)律控制低頻時(shí)，必須考慮定子電壓對(duì)漏阻抗的補(bǔ)償作用14OnTm恒Eag/

1控制時(shí)變頻調(diào)速的機(jī)械特性15假設(shè)：維持最大轉(zhuǎn)矩等于額定頻率f1N，額定電壓U1N時(shí)的大小因?yàn)椋汉鉋ag/f1控制時(shí)，最大轉(zhuǎn)矩恒定不變定義：最大轉(zhuǎn)矩令：則：16令：則：或：①電機(jī)參數(shù)一定，Q一定維持磁通及最大轉(zhuǎn)矩恒定U1隨f1按一定規(guī)律變化

Eag/f1=常數(shù)17②U1/U1N隨α變化R1（定子電阻）越大，Q越小定子所需的補(bǔ)償電壓越大頻率愈低，補(bǔ)償電壓的比例越大3）恒轉(zhuǎn)子電勢(shì)頻率比控制定義：轉(zhuǎn)子電勢(shì)Er對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)子全磁通即轉(zhuǎn)子電阻上的壓降則:18在某一ω1下，機(jī)械特性T=f(s)為準(zhǔn)確直線特點(diǎn)：比較三種控制方式電磁轉(zhuǎn)矩：190s10T

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，控制特性最好恒Eag/

1控制恒U1/

1控制ab

c203、弱磁控制的調(diào)速特性基頻以上向上調(diào)頻調(diào)速頻率升高，氣隙磁通減弱－弱磁機(jī)械特性參數(shù)表達(dá)式寫為：頻率升高，同步轉(zhuǎn)速升高機(jī)械特性上移，形狀基本不變最大轉(zhuǎn)矩減小

0<<<214、恒功率運(yùn)行的調(diào)節(jié)規(guī)律恒功率：低速時(shí)輸出大轉(zhuǎn)矩，高速時(shí)輸出小轉(zhuǎn)矩應(yīng)用場(chǎng)合：電氣車輛牽引變頻調(diào)速基頻以上弱磁運(yùn)行假設(shè)－－恒功率變頻運(yùn)行時(shí)，過載能力不變電壓控制規(guī)律：過載能力：頻率較高時(shí)，忽略定子電阻R1的影響22

則：

因?yàn)椋?/p>

所以：

得到：寫為：恒功率負(fù)載氣隙磁通變化規(guī)律:電壓控制規(guī)律：說明：恒功率調(diào)速時(shí)，氣隙磁通隨頻率的減小而增大應(yīng)按最低頻率來設(shè)計(jì)磁路狀態(tài)234.1.3正弦波電流源供電時(shí)異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速特性1、恒流源供電異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性恒流源用恒定電流I1來表示勵(lì)磁支路與轉(zhuǎn)子支路并聯(lián)等效阻抗為24恒流源供電時(shí)異步電機(jī)的電磁功率：電磁轉(zhuǎn)矩：令得：臨界轉(zhuǎn)差率：最大轉(zhuǎn)矩：機(jī)械特性

特點(diǎn)：①最大轉(zhuǎn)矩Tm，臨界轉(zhuǎn)差率sm③起動(dòng)電流為恒流，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩很?、?/p>

sm很小，機(jī)械特性為尖峰狀穩(wěn)定運(yùn)行范圍很窄252、恒流源下調(diào)頻調(diào)速特點(diǎn)：①電源頻率f1變化，同步速n1正比變化②頻率變化，電源電流I1大小不變，則最大轉(zhuǎn)矩Tm不變最大轉(zhuǎn)矩與頻率無關(guān)

③I1減小，Tm減?、芘R界轉(zhuǎn)差率與頻率成反比⑤穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)，機(jī)械特性相互平行在同一電磁轉(zhuǎn)矩T下，不同特性的轉(zhuǎn)差相同，與頻率無關(guān)例如：264.1.4非正弦供電對(duì)異步電機(jī)運(yùn)行性能的影響輸入電壓、電流為非正弦附加轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，振動(dòng)和噪聲增大電機(jī)電流增大損耗增加效率、功率因數(shù)降低溫升增加du/dt、di/dt過大，使繞組絕緣損壞軸電流增加，使軸承易損壞1、電源電壓的非正弦性非正弦輸入電壓，分解為基波和諧波傅立葉級(jí)數(shù)典型三相系統(tǒng)諧波次數(shù)為27用公式表示：Uk第k次諧波有效值θk第k次諧波的初相位ω1基波角頻率2、諧波的處理假設(shè)不考慮鐵心飽和，即忽略非線性，可應(yīng)用迭加原理迭加原理：采用諧波等值電路分別計(jì)算在各次諧波電壓下的電流、功率、損耗、平均轉(zhuǎn)矩然后考慮對(duì)電機(jī)性能的影響①諧波轉(zhuǎn)差率sk設(shè)電機(jī)極對(duì)數(shù)p，基波頻率f1，基波同步速ns1，電機(jī)轉(zhuǎn)速n28第k次諧波的電源頻率同步轉(zhuǎn)速k次諧波的轉(zhuǎn)差：k次諧波的轉(zhuǎn)差率：（1）諧波頻率比基波高，諧波旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速很高，nsk很大；討論：（2）基波幅值大，電機(jī)轉(zhuǎn)速不可能超過ns1，使sk大；（3）在電機(jī)轉(zhuǎn)速n從0到ns1變化時(shí)，s1=0～1，sk≈1。29②異步電機(jī)諧波等效電路使轉(zhuǎn)子回路中電阻很小頻率fk大，定、轉(zhuǎn)子電阻與電抗相比可忽略激磁電抗比漏抗大很多，認(rèn)為激磁支路開路異步電機(jī)諧波等效電路定、轉(zhuǎn)子漏抗的串聯(lián)③電機(jī)電流第k次諧波電壓Uk作用下，相應(yīng)諧波電流總諧波電流有效值：定子總電流有效值：30例如：六階梯波電壓供電額定電流有效值比基波電流增大2﹪～10﹪電流嚴(yán)重畸變5次諧波電流為負(fù)序電流旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以5倍基波同步速反方向旋轉(zhuǎn)7次諧波電流為正序電流旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以7倍基波同步速正方向旋轉(zhuǎn)與正轉(zhuǎn)基波磁場(chǎng)相對(duì)速度為6倍基波同步速極數(shù)和基波磁場(chǎng)極數(shù)相等31氣隙磁密表達(dá)為正弦供電，只有基波磁場(chǎng)，氣隙磁密幅值恒定非正弦供電，高次諧波存在，氣隙磁密幅值隨時(shí)間變化，不再恒定最大幅值氣隙等效磁密增大，磁路飽和程度增大，磁化電流增大定子漏抗減小2）定子漏抗槽漏磁增大，漏磁路飽和程度增加，3、電源非正弦對(duì)電機(jī)運(yùn)行的影響1）磁路工作點(diǎn)變化323）轉(zhuǎn)子參數(shù)轉(zhuǎn)子諧波頻率高，集膚效應(yīng)相當(dāng)強(qiáng)轉(zhuǎn)子等效電阻增加槽漏電感減小，頻率越高，變化越大4）功率因數(shù)5）損耗和效率損耗增大，效率降低集膚效應(yīng)增加轉(zhuǎn)子諧波損耗諧波電流使定子銅耗增加磁密增大使鐵耗增加氣隙最大磁密增大，磁路飽和程度提高磁化電流（無功）增加，功率因數(shù)下降明顯3310kW異步電機(jī)正弦波電壓源及6階梯波電壓源供電60Hz及30Hz時(shí)的運(yùn)行特性功率因數(shù)下降較大，輕載時(shí)效率下降較大346）諧波轉(zhuǎn)矩諧波電流產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩－－諧波轉(zhuǎn)矩諧波恒定轉(zhuǎn)矩諧波脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩①諧波恒定轉(zhuǎn)矩氣隙諧波磁通和它在轉(zhuǎn)子上感應(yīng)出的同次電流相互作用產(chǎn)生幅值、方向恒定――異步轉(zhuǎn)矩諧波電流頻率高轉(zhuǎn)子對(duì)諧波磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)差率相當(dāng)大轉(zhuǎn)子諧波回路中電抗遠(yuǎn)大于電阻諧波電流基本上為無功電流產(chǎn)生的諧波轉(zhuǎn)矩很小影響甚微，忽略不計(jì)35②諧波脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩某一次諧波磁場(chǎng)和其他次轉(zhuǎn)子電流磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生各次諧波磁場(chǎng)和電流之間相互作用產(chǎn)生6階梯波電源供電5次和7次諧波電流幅值較大5次諧波電流為負(fù)序電流旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以5倍基波同步速反方向旋轉(zhuǎn)7次諧波電流為正序電流旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以7倍基波同步速正方向旋轉(zhuǎn)諧波磁場(chǎng)與基波磁場(chǎng)間相對(duì)速度為6倍基波同步速諧波電流的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)極數(shù)和基波磁場(chǎng)極數(shù)相等諧波磁場(chǎng)在轉(zhuǎn)子中感應(yīng)的轉(zhuǎn)子電流與氣隙基波磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生6倍基頻的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩相互作用產(chǎn)生6倍基領(lǐng)的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩36諧波次數(shù)1571113電流有效值302.98086.24544.06917.88412.807例如：三相電機(jī)（具體電路參數(shù)略）267伏直流電源供電，六階梯波電壓輸出電壓逆變器的輸出頻率45Hz，電機(jī)轉(zhuǎn)速870r/min相電流中諧波成分相電流有效值轉(zhuǎn)矩計(jì)算式6倍基頻脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩達(dá)恒定轉(zhuǎn)矩的15％377）電應(yīng)力問題非正弦供電有很高的瞬間電壓變化梯度，dv/dt很大電流源型逆變器供電換流引起浪涌（脈沖）電壓尖峰浪涌尖峰前沿上升速度在2.5~25μs幅值高達(dá)電機(jī)額定電壓1.5倍電機(jī)線圈之間有分布電容浪涌電壓侵入的過程中各線圈之間電壓按電容分布40％左右的浪涌電壓施加在接入電源的第一個(gè)線圈上變頻調(diào)速電機(jī)需加強(qiáng)絕緣能長(zhǎng)期反復(fù)承受較高浪涌電壓不產(chǎn)生電暈和出現(xiàn)絕緣老化現(xiàn)象38產(chǎn)生電弧放電麻點(diǎn)，破壞軸承的光潔度和油膜的形成條件8）軸電流問題變頻裝置的不平衡，使電源電壓產(chǎn)生零點(diǎn)漂移電源零點(diǎn)對(duì)地電壓U0＝（UA＋UB＋UC）/3≠0靜電耦合，電機(jī)各部分間存在分布電容經(jīng)由電機(jī)軸承就會(huì)構(gòu)成電機(jī)的零序回路零點(diǎn)漂移電壓作用在零序回路上會(huì)產(chǎn)生流過軸承的軸電流軸電流是零序阻抗的函數(shù)，與零序電