變流技術(shù)與運(yùn)動(dòng)控制--第 11 課

1、 概概 述述 與直流電動(dòng)機(jī)相比，交流電動(dòng)機(jī)具有結(jié)與直流電動(dòng)機(jī)相比，交流電動(dòng)機(jī)具有結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、維護(hù)工作量小等優(yōu)點(diǎn)，構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、維護(hù)工作量小等優(yōu)點(diǎn)， 但交流電動(dòng)機(jī)的控制卻比直流電動(dòng)機(jī)復(fù)雜得但交流電動(dòng)機(jī)的控制卻比直流電動(dòng)機(jī)復(fù)雜得 多。多。 早期的交流傳動(dòng)均用于不可調(diào)傳動(dòng)，早期的交流傳動(dòng)均用于不可調(diào)傳動(dòng)， 而可調(diào)傳動(dòng)則用直流傳動(dòng)；而可調(diào)傳動(dòng)則用直流傳動(dòng)； 隨著隨著電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)、控制技術(shù)控制技術(shù)和和計(jì)算計(jì)算 機(jī)技術(shù)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，交流可調(diào)傳動(dòng)已逐步普及，的發(fā)展，交流可調(diào)傳動(dòng)已逐步普及， 其應(yīng)用現(xiàn)在已經(jīng)超過(guò)了直流傳動(dòng)。其應(yīng)用現(xiàn)在已經(jīng)超過(guò)了直流傳動(dòng)。 一、交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域

2、一、交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域 主要有四個(gè)方面：主要有四個(gè)方面： 1 1、生產(chǎn)工藝要求的一般性能調(diào)速；、生產(chǎn)工藝要求的一般性能調(diào)速； 2 2、風(fēng)機(jī)、泵類傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)調(diào)速，以、風(fēng)機(jī)、泵類傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)調(diào)速，以 獲得可觀的節(jié)能效益；獲得可觀的節(jié)能效益； 3 3、高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)和伺服系、高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)和伺服系 統(tǒng)；統(tǒng)； 4 4、特大容量、極高轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速。、特大容量、極高轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速。 二、二、交流調(diào)速系統(tǒng)的主要類型交流調(diào)速系統(tǒng)的主要類型 交流電機(jī)主要分為兩大類：交流電機(jī)主要分為兩大類： 異步電機(jī)異步電機(jī)（即感應(yīng)電機(jī)）（即感應(yīng)電機(jī)） 同步電機(jī)同步電機(jī) 每類電機(jī)又有不同類型的調(diào)速系統(tǒng)。每類電

3、機(jī)又有不同類型的調(diào)速系統(tǒng)。 電動(dòng)機(jī)的能量轉(zhuǎn)換電動(dòng)機(jī)的能量轉(zhuǎn)換 按照交流異步電機(jī)的按照交流異步電機(jī)的 原理，從定子傳入轉(zhuǎn)子的原理，從定子傳入轉(zhuǎn)子的 電磁功率電磁功率Pm可分成兩部分：可分成兩部分： 一部分是拖動(dòng)負(fù)載的一部分是拖動(dòng)負(fù)載的 有效功率，稱作有效功率，稱作機(jī)械功率機(jī)械功率 Pmech； 另一部分是傳輸給轉(zhuǎn)另一部分是傳輸給轉(zhuǎn) 子電路的子電路的轉(zhuǎn)差功率轉(zhuǎn)差功率Ps，與，與 轉(zhuǎn)差率轉(zhuǎn)差率 s s 成正比。成正比。 Pmech Pm Ps 即即 Pm = Pmech + Ps Pmech = (1 s) Pm Ps = sPm 從能量轉(zhuǎn)換的角度上看，從能量轉(zhuǎn)換的角度上看，轉(zhuǎn)差功率轉(zhuǎn)差功率是否增大

4、，是否增大， 是是消耗掉消耗掉還是得到還是得到回收回收，是，是評(píng)價(jià)評(píng)價(jià)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)效率高效率高 低的標(biāo)志低的標(biāo)志。 從這點(diǎn)出發(fā)，可以把從這點(diǎn)出發(fā)，可以把異步電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)異步電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)分分 成三類。成三類。 1. 1. 轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速系統(tǒng) 這類系統(tǒng)的全部轉(zhuǎn)差功率都轉(zhuǎn)換成熱這類系統(tǒng)的全部轉(zhuǎn)差功率都轉(zhuǎn)換成熱 能消耗在轉(zhuǎn)子回路中。能消耗在轉(zhuǎn)子回路中。 它是以增加轉(zhuǎn)差功率的消耗來(lái)?yè)Q取轉(zhuǎn)它是以增加轉(zhuǎn)差功率的消耗來(lái)?yè)Q取轉(zhuǎn) 速的降低的（恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí)），因而效率速的降低的（恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí)），因而效率 較低，而且轉(zhuǎn)速越低時(shí)效率也越低。較低，而且轉(zhuǎn)速越低時(shí)效率也越低。 可是這類系統(tǒng)

5、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)備成本最可是這類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)備成本最 低，所以還有一定的應(yīng)用價(jià)值。低，所以還有一定的應(yīng)用價(jià)值。 2.2.轉(zhuǎn)差功率饋送型調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)差功率饋送型調(diào)速系統(tǒng) 在這類系統(tǒng)中，除轉(zhuǎn)子銅損外，大部在這類系統(tǒng)中，除轉(zhuǎn)子銅損外，大部 分轉(zhuǎn)差功率在轉(zhuǎn)子側(cè)通過(guò)變流裝置饋出或饋分轉(zhuǎn)差功率在轉(zhuǎn)子側(cè)通過(guò)變流裝置饋出或饋 入，轉(zhuǎn)速越低，能饋送的功率越多。入，轉(zhuǎn)速越低，能饋送的功率越多。 無(wú)論是饋出還是饋入的轉(zhuǎn)差功率，扣除無(wú)論是饋出還是饋入的轉(zhuǎn)差功率，扣除 變流裝置本身的損耗后，最終都轉(zhuǎn)化成有用變流裝置本身的損耗后，最終都轉(zhuǎn)化成有用 的功率，因此這類系統(tǒng)的效率較高。的功率，因此這類系統(tǒng)的效率較高。 但要增加一

6、些設(shè)備。但要增加一些設(shè)備。 3. 3. 轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速系統(tǒng) 在這類系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)差功率只有轉(zhuǎn)子銅損，而在這類系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)差功率只有轉(zhuǎn)子銅損，而 且無(wú)論轉(zhuǎn)速高低，轉(zhuǎn)差功率基本不變，因此效率且無(wú)論轉(zhuǎn)速高低，轉(zhuǎn)差功率基本不變，因此效率 更高。更高。 異步電動(dòng)機(jī)異步電動(dòng)機(jī)變極對(duì)數(shù)調(diào)速變極對(duì)數(shù)調(diào)速和和變壓變頻調(diào)速變壓變頻調(diào)速均均 屬于此類。屬于此類。 （1 1）變極對(duì)數(shù)調(diào)速是有級(jí)的，應(yīng)用場(chǎng)合有）變極對(duì)數(shù)調(diào)速是有級(jí)的，應(yīng)用場(chǎng)合有 限。限。 （2 2）只有變壓變頻調(diào)速應(yīng)用最廣，可以構(gòu)）只有變壓變頻調(diào)速應(yīng)用最廣，可以構(gòu) 成高動(dòng)態(tài)性能的交流調(diào)速系統(tǒng)，取代直流調(diào)速；成高動(dòng)態(tài)性能的交流調(diào)速系統(tǒng)，

7、取代直流調(diào)速； 但在定子電路中須配備與電動(dòng)機(jī)容量相當(dāng)?shù)牡诙ㄗ与娐分许毰鋫渑c電動(dòng)機(jī)容量相當(dāng)?shù)?變壓變頻器，相比之下，設(shè)備成本最高。變壓變頻器，相比之下，設(shè)備成本最高。 四、同步電機(jī)的調(diào)速四、同步電機(jī)的調(diào)速 同步電機(jī)同步電機(jī)沒(méi)有轉(zhuǎn)差沒(méi)有轉(zhuǎn)差，也就沒(méi)有轉(zhuǎn)差功率，也就沒(méi)有轉(zhuǎn)差功率， 所以同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)只能是所以同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)只能是轉(zhuǎn)差功率不變轉(zhuǎn)差功率不變 型型（恒等于（恒等于0 0）的。）的。 而同步電機(jī)轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)又是固定的。而同步電機(jī)轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)又是固定的。 因此只能靠因此只能靠變壓變頻調(diào)速變壓變頻調(diào)速，沒(méi)有像異步，沒(méi)有像異步 電機(jī)那樣的多種調(diào)速方法。電機(jī)那樣的多種調(diào)速方法。 4.1 4.1 異

8、步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速基本原理異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速基本原理 異步電機(jī)的異步電機(jī)的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)一般簡(jiǎn)稱為一般簡(jiǎn)稱為變頻變頻 調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)。 特點(diǎn)：特點(diǎn)： 1 1調(diào)速時(shí)轉(zhuǎn)差功率不隨轉(zhuǎn)速而變化，調(diào)速時(shí)轉(zhuǎn)差功率不隨轉(zhuǎn)速而變化， 2 2調(diào)速范圍寬，調(diào)速范圍寬， 3 3無(wú)論是高速還是低速時(shí)效率都較高，無(wú)論是高速還是低速時(shí)效率都較高， 4 4在采取一定的技術(shù)措施后能實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)性能，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。可與直流調(diào)速系統(tǒng)媲美。 因此因此變頻調(diào)速變頻調(diào)速現(xiàn)在應(yīng)用面很廣，是本篇的重點(diǎn)?，F(xiàn)在應(yīng)用面很廣，是本篇的重點(diǎn)。 4.1.1 4.1.1 異步電動(dòng)

9、機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型 根據(jù)電機(jī)學(xué)原理，在下述三個(gè)假定條件下：根據(jù)電機(jī)學(xué)原理，在下述三個(gè)假定條件下： 1 1、忽略空間和時(shí)間諧波，、忽略空間和時(shí)間諧波， 2 2、忽略磁飽和，、忽略磁飽和， 3 3、忽略鐵損，、忽略鐵損， 異步電機(jī)的穩(wěn)態(tài)模型可以用異步電機(jī)的穩(wěn)態(tài)模型可以用T T型等效電型等效電 路表示。路表示。 圖圖4-1 4-1 異步電動(dòng)機(jī)異步電動(dòng)機(jī)T T型等效電路型等效電路 1 RsLls Lm s U s I 0 I r I lr L r R s Rs、R r 定子每相電阻和折合到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相電阻；定子每相電阻和折合到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相電阻； Lls、L lr 定子每相漏感

10、和折合到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相漏感；定子每相漏感和折合到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相漏感； Lm 定子每相繞組產(chǎn)生氣隙主磁通的等效電感，即勵(lì)磁電感；定子每相繞組產(chǎn)生氣隙主磁通的等效電感，即勵(lì)磁電感； Us、1 定子相電壓和供電角頻率；定子相電壓和供電角頻率； S 轉(zhuǎn)差率。轉(zhuǎn)差率。 1 1、等效電路圖、等效電路圖 2、轉(zhuǎn)子相電流公式（折合到定子側(cè)）、轉(zhuǎn)子相電流公式（折合到定子側(cè)） 由由等效電路等效電路圖可以導(dǎo)出：圖可以導(dǎo)出： (4-1) 式中：式中： 2 r1s 2 1 2 r 1s s r ll LCL s R CR U I m s m1 s1s 1 11 L L Lj LjR C ll 在一般情況下，在一般情

11、況下，L Lm mL Ll ls s，則，則，C C1 1 1 1。 因因 此，可以忽略勵(lì)磁電流，得簡(jiǎn)化等效電路圖：此，可以忽略勵(lì)磁電流，得簡(jiǎn)化等效電路圖： 2 rs 2 1 2 r s s rs ll LL s R R U II (4-2) 這樣，電流公式可簡(jiǎn)化成：這樣，電流公式可簡(jiǎn)化成： 1 RsLls Lm s U s I 0 I r I lr L r R s 3 3、轉(zhuǎn)矩公式、轉(zhuǎn)矩公式 令電磁功率令電磁功率 Pm = 3Ir2 Rr /s 同步機(jī)械角轉(zhuǎn)速同步機(jī)械角轉(zhuǎn)速 m1 = 1 / np 式中：式中： np極對(duì)數(shù)，極對(duì)數(shù)， 則異步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為：則異步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為： 上式就是

12、異步電機(jī)的上式就是異步電機(jī)的機(jī)械機(jī)械 特性方程式特性方程式。它表明，當(dāng)。它表明，當(dāng) 轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)差率一定時(shí)，轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)差率一定時(shí)，電電 磁轉(zhuǎn)矩磁轉(zhuǎn)矩與與定子電壓的平方定子電壓的平方 成成正比。正比。 1m m e P T 2 rs 2 1 2 r s1 r 2 sp r 2 r 1 p /33 ll LL s R R sRUn s R I n （4-3） 2 es UT 不同定子電壓下的機(jī)械特性曲線：不同定子電壓下的機(jī)械特性曲線： 調(diào)速特性：調(diào)速特性： 1 1、恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載：、恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載：nA、nB、nC 調(diào)速范圍很窄；調(diào)速范圍很窄； 2 2、風(fēng)機(jī)類負(fù)載：、風(fēng)機(jī)類負(fù)載：nD、nE、nF 調(diào)速范圍寬，穩(wěn)

13、調(diào)速范圍寬，穩(wěn) 定性差定性差 在轉(zhuǎn)差率在轉(zhuǎn)差率 S 等等 于于Sm時(shí)最大轉(zhuǎn)時(shí)最大轉(zhuǎn) 矩變化與電樞矩變化與電樞 電壓變化有關(guān)電壓變化有關(guān) 4、最大轉(zhuǎn)矩公式、最大轉(zhuǎn)矩公式 將式（將式（4-34-3）對(duì)）對(duì)s s求導(dǎo)，并令求導(dǎo)，并令dTe / ds=0=0，可求，可求 出對(duì)應(yīng)于出對(duì)應(yīng)于最大轉(zhuǎn)矩時(shí)的靜差率最大轉(zhuǎn)矩時(shí)的靜差率（稱作（稱作臨界靜差率臨界靜差率 sm）和）和最大轉(zhuǎn)矩最大轉(zhuǎn)矩（稱作（稱作臨界轉(zhuǎn)矩臨界轉(zhuǎn)矩Temax）：）： 2 rs 2 1 2 s r m )( ll LLR R s （4-44-4） 2 rs 2 1 2 ss1 2 sp maxe )(2 3 ll LLRR Un T （4-

14、54-5） 圖圖4-3 4-3 異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性 sm ns Te 0 1 n0 0 Tem 恒壓恒頻供電時(shí)異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性恒壓恒頻供電時(shí)異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性 曲線如圖所示，曲線如圖所示，n0 為同步轉(zhuǎn)速。為同步轉(zhuǎn)速。 交流異步電動(dòng)機(jī)要調(diào)速很困難交流異步電動(dòng)機(jī)要調(diào)速很困難 4.1.2 4.1.2 變壓變頻調(diào)速基本原理變壓變頻調(diào)速基本原理 變壓變頻調(diào)速是變壓變頻調(diào)速是改變同步轉(zhuǎn)速改變同步轉(zhuǎn)速的一種調(diào)速的一種調(diào)速 方法。即同步轉(zhuǎn)速方法。即同步轉(zhuǎn)速n1是隨頻率變化而變化的：是隨頻率變化而變化的： 11 1 6060 2 pp f n nn (4-6) 異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為：異

15、步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為： 1111 1nnsnsnnn(4-7) 其中，穩(wěn)態(tài)速降其中，穩(wěn)態(tài)速降 與負(fù)載有關(guān)。與負(fù)載有關(guān)。 1 nsn 在進(jìn)行電機(jī)調(diào)速時(shí)，常須考慮的一個(gè)重要因在進(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)中每極素是，希望保持電機(jī)中每極磁通量磁通量m 為額定值不為額定值不 變。因?yàn)椋鹤?。因?yàn)椋?(1) (1) 如果磁通太弱，沒(méi)有充分利用電機(jī)的鐵如果磁通太弱，沒(méi)有充分利用電機(jī)的鐵 心，是一種浪費(fèi)；心，是一種浪費(fèi)； (2) (2) 如果過(guò)分增大磁通，又會(huì)使鐵心飽和，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)熱而從而導(dǎo)致過(guò)大的勵(lì)磁電流，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因繞組

16、過(guò)熱而 損壞電機(jī)。損壞電機(jī)。 在交流異步電機(jī)中，磁通在交流異步電機(jī)中，磁通m 由由定子和轉(zhuǎn)子定子和轉(zhuǎn)子磁磁 勢(shì)合成產(chǎn)生，要保持磁通恒定就需要費(fèi)一些周折了。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)定子每相電動(dòng)勢(shì) mNs1g 44. 4 S kNfE （4-8） 式中：式中：E Eg g 氣隙磁通在定子每相中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的有氣隙磁通在定子每相中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的有 效值，單位為效值，單位為V V； 定子頻率，單位為定子頻率，單位為H Hz z； 定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)；定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)； 基波繞組系數(shù)；基波繞組系數(shù)； 每極氣隙磁通量，單位為每極氣隙磁通量，單位為WbWb。 f1 N

17、s kNs m 要控制磁通要控制磁通 m為恒定為恒定 值，只要控制好值，只要控制好Eg 和和 f1 的比值就可滿足。的比值就可滿足。 調(diào)速，需要考慮調(diào)速，需要考慮基頻（額定頻率）以基頻（額定頻率）以 下下和和基頻以上基頻以上兩種情況。兩種情況。 常值 mnssk Nf f E 1 1 g 44. 4（4-9） 即：即： 采用采用電動(dòng)勢(shì)頻率比電動(dòng)勢(shì)頻率比為恒值的控制方式。為恒值的控制方式。 1. 1. 基頻以下調(diào)速基頻以下調(diào)速 由式由式 可知，要?？芍?持持 m 不變，當(dāng)頻率不變，當(dāng)頻率 f1 從額定值從額定值 f1N 向下向下 調(diào)節(jié)時(shí)，必須同時(shí)降低調(diào)節(jié)時(shí)，必須同時(shí)降低 E Eg g ，使

18、：，使： mNs1g 44. 4 S kNfE （1）恒電動(dòng)勢(shì)頻率比控制方式）恒電動(dòng)勢(shì)頻率比控制方式 對(duì)于直流電機(jī)，勵(lì)磁系統(tǒng)是獨(dú)立的，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，只要對(duì)電樞反應(yīng)有恰當(dāng)?shù)难a(bǔ)償， m m 保持不 保持不 變是很容易做到的。變是很容易做到的。 在交流異步電機(jī)中，磁通在交流異步電機(jī)中，磁通 m m 由定子 由定子 和轉(zhuǎn)子磁勢(shì)合成產(chǎn)生，要保持磁通恒定就和轉(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。需要費(fèi)一些周折了。 （2 2）恒壓頻比的控制方式）恒壓頻比的控制方式 然而然而 繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) Eg 是難以直接控制。是難以直接

19、控制。 所以所以 當(dāng)電動(dòng)勢(shì)值當(dāng)電動(dòng)勢(shì)值 Eg 較高時(shí)，可以忽略定較高時(shí)，可以忽略定 子繞組的漏磁阻抗壓降。子繞組的漏磁阻抗壓降。 而而 認(rèn)為定子相電壓認(rèn)為定子相電壓 Us Eg 這是這是 恒壓頻比的控制方式恒壓頻比的控制方式。 常值 1 f U s （4-10） 則得：則得： 條件是：條件是： E Eg g 較高 較高 低頻時(shí)，由于低頻時(shí)，由于Us 和和 Eg 都較小，定子阻都較小，定子阻 抗壓降所占的份量就比較顯著，不再能忽略?？箟航邓嫉姆萘烤捅容^顯著，不再能忽略。 這時(shí)，需要人為地把電壓這時(shí)，需要人為地把電壓 Us 抬高一些，以抬高一些，以 便便近似地補(bǔ)償定子壓降近似地補(bǔ)償定子壓降。 O

20、 Us f 1 圖圖6-1 6-1 恒壓頻比控制特性恒壓頻比控制特性 UsN f 1N a 無(wú)補(bǔ)償無(wú)補(bǔ)償 b 帶定子壓降補(bǔ)償帶定子壓降補(bǔ)償 2. 2. 基頻以上調(diào)速基頻以上調(diào)速 在在基頻以上調(diào)速基頻以上調(diào)速時(shí)，頻率應(yīng)該從時(shí)，頻率應(yīng)該從f1N向上向上 升高。升高。 但定子電壓但定子電壓Us卻不可能超過(guò)額定電壓卻不可能超過(guò)額定電壓UsN， 最多只能保持最多只能保持Us = UsN ，這將迫使磁通與頻率，這將迫使磁通與頻率 成反比地降低，相當(dāng)于直流電機(jī)弱磁升速的情成反比地降低，相當(dāng)于直流電機(jī)弱磁升速的情 況。況。 把把基頻以下基頻以下和和基頻以上基頻以上兩種情況的控制兩種情況的控制 特性畫在一起，如

21、下圖所示。特性畫在一起，如下圖所示。 f1N 變壓變頻控制特性變壓變頻控制特性 圖圖6-2 6-2 異步電機(jī)變壓變頻調(diào)速的控制特性異步電機(jī)變壓變頻調(diào)速的控制特性 恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速 Us UsN mN m 恒功率調(diào)速恒功率調(diào)速 mUs f1 O 如果電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速時(shí)所帶的負(fù)載都能如果電機(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)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。期運(yùn)行，則轉(zhuǎn)矩基本上隨磁通變化。 按照電力拖動(dòng)原理按照電力拖動(dòng)原理： （1 1）在基頻以下，磁通恒定時(shí)轉(zhuǎn)矩也在基頻以下，磁通恒定時(shí)轉(zhuǎn)矩也 恒定，屬于恒定，屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速恒

22、轉(zhuǎn)矩調(diào)速”性質(zhì)性質(zhì)； （2 2）在基頻以上，轉(zhuǎn)速升高時(shí)轉(zhuǎn)矩降在基頻以上，轉(zhuǎn)速升高時(shí)轉(zhuǎn)矩降 低，基本上屬于低，基本上屬于“恒功率調(diào)速恒功率調(diào)速”。 3. 3. 異步電動(dòng)機(jī)電壓異步電動(dòng)機(jī)電壓- -頻率協(xié)調(diào)控制頻率協(xié)調(diào)控制 (1)(1)在基頻以下采用恒壓頻比控制時(shí)在基頻以下采用恒壓頻比控制時(shí) 2 1 22 22 1 111 3 sr ep srsr UsR Tn sRRsLL (4-11) 當(dāng)當(dāng)s s很小時(shí)，可忽略上式分母中含很小時(shí)，可忽略上式分母中含s s各項(xiàng)。各項(xiàng)。 2 1 1 3 s ep r Us Tns R (4-12) 則則： 或：或： 2 1 s p er 1 3 U n TR s （

23、4-13） 異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩可改寫為：異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩可改寫為： 當(dāng)當(dāng)s s接近于接近于1 1時(shí)時(shí) 可忽略分母中的可忽略分母中的R Rr r 2 1 22 22 1 111 3 sr ep srsr UsR Tn sRRsLL 由式：由式： sLLRs RU nT ll 1 )( 3 2 rs 2 1 2 s r1 2 1 s pe 也就是說(shuō)，當(dāng)也就是說(shuō)，當(dāng)s s 很小時(shí)，轉(zhuǎn)矩近似與很小時(shí)，轉(zhuǎn)矩近似與s s 成正比，成正比， 機(jī)械特性機(jī)械特性 Te = f（s）是一段直線，見圖是一段直線，見圖: : 即即s s 接近于接近于1 1時(shí)轉(zhuǎn)矩近似與時(shí)轉(zhuǎn)矩近似與s s 成反比，這時(shí)，成反比，這

24、時(shí)， Te = f（s）是對(duì)稱于原點(diǎn)的一段雙曲線。是對(duì)稱于原點(diǎn)的一段雙曲線。 s s 接近于接近于1 1時(shí)轉(zhuǎn)矩近時(shí)轉(zhuǎn)矩近 似與似與 s s 成反比，這成反比，這 時(shí)，時(shí)， Te = f（s）是是 對(duì)稱于原點(diǎn)的一段對(duì)稱于原點(diǎn)的一段 雙曲線。雙曲線。 s 很小時(shí)，轉(zhuǎn)矩近似與很小時(shí)，轉(zhuǎn)矩近似與 s 成正比，機(jī)械特性成正比，機(jī)械特性 Te = f（s）是一段直線，是一段直線， Te Temax n s n0 sm 0 1 0 恒壓頻比異步電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性恒壓頻比異步電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性 帶負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速降落為：帶負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速降落為： 2 1 11 2 p 1060 2 re e ps R T nsnsT nnU

25、 （4-144-14） 由此可見，當(dāng)由此可見，當(dāng)Us / 1 為恒值時(shí)，對(duì)于同為恒值時(shí)，對(duì)于同 一轉(zhuǎn)矩一轉(zhuǎn)矩Te ，s 1 是基本不變的，因而是基本不變的，因而 n 也是基本不變的。也是基本不變的。 這就是說(shuō)，在恒壓頻比的條件下改變這就是說(shuō)，在恒壓頻比的條件下改變 頻率頻率 1 1 時(shí)，機(jī)械特性基本上是時(shí)，機(jī)械特性基本上是平行下移平行下移， 如圖如圖4-64-6所示。所示。 40 n e T O n N0 n 03 n 02 n 01 n N1 11 31 41 14131211N1 圖圖4-6 4-6 異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速機(jī)械特性異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速機(jī)械特性 它們和直流他勵(lì)電機(jī)變壓調(diào)速時(shí)

26、的情它們和直流他勵(lì)電機(jī)變壓調(diào)速時(shí)的情 況基本相似。況基本相似。 12 1l T 臨界轉(zhuǎn)矩亦可改寫為：臨界轉(zhuǎn)矩亦可改寫為： （4-154-15） 2 rs 2 1 s 1 s 2 1 s p maxe )( 1 2 3 ll LL RR U n T 可見最大轉(zhuǎn)矩可見最大轉(zhuǎn)矩 Temax 是隨著是隨著 1 1 降低而減小的。降低而減小的。 頻率很低時(shí)，頻率很低時(shí)，Temax太小將限制電機(jī)的帶載能力。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)靥岣唠妷翰捎枚ㄗ訅航笛a(bǔ)償，適當(dāng)?shù)靥岣唠妷篣s，可以增，可以增 強(qiáng)帶載能力，見圖強(qiáng)帶載能力，見圖4-64-6。 由于保持氣隙磁通不變，故允許輸出轉(zhuǎn)矩基本

27、不由于保持氣隙磁通不變，故允許輸出轉(zhuǎn)矩基本不 變，所以變，所以基頻以下的變頻調(diào)速屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速基頻以下的變頻調(diào)速屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。 40 n e T O n N0 n 03 n 02 n 01 n N1 11 31 41 14131211N1 圖圖4-6 4-6 異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速機(jī)械特性異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速機(jī)械特性 12 1l T 2l T 補(bǔ)償定子壓補(bǔ)償定子壓 降后的特性降后的特性 基頻以下采用恒壓頻比控制基頻以下采用恒壓頻比控制機(jī)械特性曲線機(jī)械特性曲線 (2)基頻以上恒壓變頻時(shí)基頻以上恒壓變頻時(shí) 性能分析性能分析 在基頻以上變頻調(diào)速時(shí)，由于定子電壓在基頻以上變頻調(diào)速時(shí)，由于定子電壓

28、Us= UsN 不變，式不變，式（4-34-3）的機(jī)械特性方程式的機(jī)械特性方程式 可寫成：可寫成： 2 rs 2 1 22 rs1 r 2 sNpe )()( 3 ll LLsRsR sR UnT （4-164-16） 而式而式（4-54-5）的臨界轉(zhuǎn)矩表達(dá)式可改寫成：的臨界轉(zhuǎn)矩表達(dá)式可改寫成： 2 rs 2 1 2 ss1 2 sNpmaxe )( 1 2 3 ll LLRR UnT （4-17） 同步轉(zhuǎn)速的表達(dá)式仍和式同步轉(zhuǎn)速的表達(dá)式仍和式（4-64-6）一樣。一樣。 11 1 6060 2 pp f n nn (4-6) 基頻以上恒壓變頻調(diào)速機(jī)械特性曲線基頻以上恒壓變頻調(diào)速機(jī)械特性曲線

29、恒功率調(diào)速恒功率調(diào)速 e T O n N0 n c0 n b0 n a0 n N1 a1 b1 c1 c1 b1 a1 N1 由此可見，由此可見， 當(dāng)角頻率當(dāng)角頻率 1 提高提高 時(shí)，同步轉(zhuǎn)速時(shí)，同步轉(zhuǎn)速n1 隨之提高，最大隨之提高，最大 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩Temax減小，減小， 機(jī)械特性上移，機(jī)械特性上移， 而形狀基本不變，而形狀基本不變， 如圖所示。如圖所示。 基頻以上恒壓變頻調(diào)速的機(jī)械特性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)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，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?？梢哉J(rèn)

30、為輸出功率基本不變。 所以所以基頻以上變頻調(diào)速屬于弱磁恒功率基頻以上變頻調(diào)速屬于弱磁恒功率 調(diào)速調(diào)速。 4.1.3 4.1.3 基頻以下電流補(bǔ)償控制基頻以下電流補(bǔ)償控制 恒壓頻比控制方法恒壓頻比控制方法: : 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)-控制簡(jiǎn)便控制簡(jiǎn)便 缺點(diǎn)缺點(diǎn)-負(fù)載變化導(dǎo)致磁通改變負(fù)載變化導(dǎo)致磁通改變 保持磁通恒定方法：保持磁通恒定方法： 用定子電流補(bǔ)償控制法用定子電流補(bǔ)償控制法-即根據(jù)即根據(jù) 定子電流的大小改變定子電壓，以保持定子電流的大小改變定子電壓，以保持 磁通基本恒定。磁通基本恒定。 圖圖4-7 4-7 異步電動(dòng)機(jī)等效電路和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)異步電動(dòng)機(jī)等效電路和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 1 RsLls Lm s U s

31、I 0 I r I lr L r R s s E g E r E 異步電動(dòng)機(jī)等效電路和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)異步電動(dòng)機(jī)等效電路和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) （1 1）氣隙磁通）氣隙磁通m 在定子每相繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)：在定子每相繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)： （2 2）定子全磁通）定子全磁通ms 在定子每相繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)：在定子每相繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)： （3 3）轉(zhuǎn)子全磁通）轉(zhuǎn)子全磁通mr 在轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)在轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)( (折合到定折合到定 子邊子邊) )： 1 4.44 s gsNm Ef N k (4-8) 1 4.44 s ssNms Ef N k (4-18) 1 4.44 s rsNmr Ef N

32、 k (4-19) 定子全磁通定子全磁通ms 氣隙磁通氣隙磁通m 轉(zhuǎn)子全磁通轉(zhuǎn)子全磁通mr 定子定子 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子 氣隙氣隙 異步電動(dòng)機(jī)橫切面圖異步電動(dòng)機(jī)橫切面圖 1.1.恒定子磁通恒定子磁通ms控制控制 只要使只要使 常值常值 即可保持定子磁通即可保持定子磁通ms恒定恒定 1 / s Ef 外加電壓應(yīng)按上式提高以補(bǔ)償外加電壓應(yīng)按上式提高以補(bǔ)償定子電阻壓降定子電阻壓降。 根據(jù)式根據(jù)式 1 4.44 s ssNms Ef N k ssss UR IE (4-20) 則定子電壓為：則定子電壓為： 忽略勵(lì)磁電流忽略勵(lì)磁電流 時(shí)，由等效電路可得：時(shí)，由等效電路可得： 0 I s r 2 2 2 r 1srll E I R LL s (4-21) 圖圖4-7 4-7 異步電動(dòng)機(jī)等效電路和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)異步電動(dòng)機(jī)等效電路和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 1 RsLls Lm s U s I 0 I r I lr L