6.1-4變頻調(diào)速的基本控制方式

交流異步電機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)第六章2024/4/241概述由于在調(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。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)。因此現(xiàn)在應(yīng)用面很廣，是本篇的重點(diǎn)。2024/4/242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：（6-1）

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n1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(wú)級(jí)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

2024/4/243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？？2024/4/244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)的鐵芯，是一種浪費(fèi)；如果過(guò)分增大磁通，又會(huì)使鐵芯飽和，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)。一、調(diào)頻與調(diào)壓協(xié)調(diào)控制的必要性2024/4/245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。一、調(diào)頻與調(diào)壓協(xié)調(diào)控制的必要性2024/4/246異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

Us

1RsLlsL’lrLmR’r

/sIsI0I’rEg一、調(diào)頻與調(diào)壓協(xié)調(diào)控制的必要性2024/4/247（6-2）

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（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(dòng)勢(shì)由式（6-2）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。2024/4/248所謂調(diào)速方式：是指在電機(jī)得到充分利用的條件下，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。電機(jī)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2024/4/249若輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)，則為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式。如：他勵(lì)直流電機(jī)調(diào)電樞電壓調(diào)速；

繞線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)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(lì)直流電機(jī)的弱磁調(diào)速。2024/4/2410異步電動(dòng)機(jī)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。2024/4/2411

由上式可知，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C

（6-3）

即采用恒值電動(dòng)勢(shì)頻率比的控制方式。

1、基頻以下變頻調(diào)速

2024/4/24121、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(dāng)Us很大時(shí)，U漏很?。豢梢哉J(rèn)為Us≈Eg

。要改變f1實(shí)現(xiàn)調(diào)速，則同時(shí)應(yīng)改變Us來(lái)保持Φm不變。

—恒壓頻比控制方式

2024/4/2413但當(dāng)f1太小時(shí)，忽略U漏則誤差較大，這時(shí)可以人為增大Us進(jìn)行補(bǔ)償，以減小誤差。

帶定子壓降補(bǔ)償?shù)暮銐侯l比控制特性2024/4/24142.基頻以上調(diào)速

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

2024/4/2415變壓變頻控制特性f1N圖6-1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ΦmUsf102024/4/24166.2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

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

6.2.3基頻以上恒壓變頻調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性

2024/4/24176.2.1恒壓恒頻正弦波供電時(shí)異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性當(dāng)f1（ω1）—電源頻率和Us一定時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩為：

2024/4/2418當(dāng)s很小時(shí)，可以忽略分母中含s的各項(xiàng)，則

說(shuō)明當(dāng)s很小時(shí)Te＝f（s）為一條直線；

1.特性分析2024/4/2419當(dāng)s→1時(shí)，可忽略R’r(分母)，則

Te＝f（s）是對(duì)稱于原點(diǎn)的雙曲線。

1.特性分析2024/4/2420smnn1sTe010TeTemaxTemax圖6-2恒壓恒頻時(shí)異步電機(jī)的機(jī)械特性當(dāng)s在[0，1]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。

2.機(jī)械特性2024/4/24216.2基頻以下電壓－頻率協(xié)調(diào)控制時(shí)的機(jī)械特性

由異步電動(dòng)機(jī)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。

2024/4/24221.恒壓頻比控制（Us/

1

）

On圖6-3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2024/4/2423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)帶載能力結(jié)論2024/4/24242.恒Eg/ω1控制方式

OnTemax恒Eg/

1控制時(shí)變頻調(diào)速的機(jī)械特性2024/4/2425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(bǔ)償定子壓降所追求的目標(biāo)！當(dāng)Eg/ω1為恒值時(shí)，Temax恒定不變，隨著頻率的降低，恒Eg/ω1控制的機(jī)械特性是一組形狀與恒壓恒頻機(jī)械特性相同，且平行下移的特性。2024/4/24263．兩種協(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(lèi)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

m=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。

2024/4/24276.2.3基頻以上恒壓變頻調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性

2024/4/24286.2.3基頻以上恒壓變頻調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性

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

當(dāng)ω1增大時(shí)，n1增加，且Temax減小！2024/4/2429機(jī)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(jī)械特性

可見(jiàn)，當(dāng)頻率ω1提高時(shí)，同步轉(zhuǎn)速n1隨之提高，最大轉(zhuǎn)矩減小，機(jī)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。

2024/4/2430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。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。2024/4/2431小結(jié)電壓Us與頻率

1是變頻器—異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的兩個(gè)獨(dú)立的控制變量，在變頻調(diào)速時(shí)需要對(duì)這兩個(gè)控制變量進(jìn)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。2024/4/2432對(duì)交流電機(jī)實(shí)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(lèi)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(lèi)型2024/4/24336.3.1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(guò)整流器變換成直流，再通過(guò)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(lèi)變壓變頻器在恒頻交流電源和變頻交流輸出之間有一個(gè)“中間直流環(huán)節(jié)”，所以又稱間接式的變壓變頻器。2024/4/2434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2024/4/2435SCR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）2024/4/2436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）2024/4/2437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(shí)調(diào)壓調(diào)頻間接式變壓變頻器（3）2024/4/24382.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(gè)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。

2024/4/2439(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~ACCVCFVVVF2024/4/2440(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(fù)載50Hz~50Hz~u0交-交變壓變頻器每一相的可逆線路2024/4/2441(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(fù)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。2024/4/2442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2024/4/2443②

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(dǎo)通期間不斷改變其控制角。例如：在正組導(dǎo)通的半個(gè)周期中，使控制角

由

/2（對(duì)應(yīng)于平均電壓u0=0）逐漸減小到0（對(duì)應(yīng)于u0最大），然后再逐漸增加到

/2（

u0

再變?yōu)?），如下圖所示。2024/4/24442AOw

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2024/4/2445

當(dāng)

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

2024/4/2446控制角α由大到小再變大，如π/2→0→π/2如右圖（a）所示?？刂平怯尚∽兇笤僮冃。绂?2→π→π/2如右圖（b）所示。2024/4/2447