第四講變頻調(diào)速的基本控制方式

1、2021-11-61異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速理論基礎(chǔ)第第一一章章主講教師：杜春水主講教師：杜春水山東大學(xué)2021-11-62 概概 述述 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)。2021-11-63 目前，交流變頻調(diào)速技術(shù)以其優(yōu)異的性能而深受各行業(yè)的普遍歡迎，并已取得了顯著的社會(huì)效益。電力軋鋼造紙化工煤炭紡織船舶機(jī)床航天航空廣泛應(yīng)用：2021-11-64)1 (601snfnp1 1. .3 3 變頻調(diào)速的基本

2、控制方式變頻調(diào)速的基本控制方式 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？2021-11-65)1 (60)1 (p10snfsnn一、調(diào)頻與調(diào)壓協(xié)調(diào)控制的必要性一、調(diào)頻與調(diào)壓協(xié)調(diào)控制的必要性異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速n與定子供電頻率之間有以下關(guān)系：（1-29） 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n0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。2021-11-66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

3、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)。一、調(diào)頻與調(diào)壓協(xié)調(diào)控制的必要性一、調(diào)頻與調(diào)壓協(xié)調(diào)控制的必要性2021-11-67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)控制的必要性一、調(diào)頻與調(diào)壓協(xié)調(diào)控制的必要性2021-11-68mNs1sS44.4kNfE（1-30） EsVHz）； f1； Ns kNs(Wb)。 m （1-30），Egf1 m ，2021-11-69電壓電壓-

4、頻率協(xié)調(diào)控制方式頻率協(xié)調(diào)控制方式 由式（1-18）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。2lrsl212rs1r2spe/3LLsRRsRUnT（1-18） 2021-11-610n所謂調(diào)速方式：所謂調(diào)速方式：n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。 n電機(jī)常用的有兩種典型調(diào)速方式：電機(jī)常用的有兩種典型調(diào)速方式：n恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式和恒功率調(diào)速方式 二、二、 基頻以下的變頻調(diào)速控制方式基頻以下的變頻調(diào)速控制

5、方式2021-11-611n若輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)，則為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式。n如：他勵(lì)直流電機(jī)調(diào)電樞電壓調(diào)速，n 繞線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速等；n若輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速成反比，則為恒功率調(diào)速方式恒功率調(diào)速方式。n如：他勵(lì)直流電機(jī)的弱磁調(diào)速。二、二、 基頻以下的變頻調(diào)速控制方式基頻以下的變頻調(diào)速控制方式2021-11-612n什么叫電機(jī)得到充分利用呢？n嚴(yán)格講，電機(jī)的充分利用，應(yīng)包括電機(jī)鐵心和導(dǎo)線得到充分利用，即鐵心的磁通密度鐵心的磁通密度和導(dǎo)線的電流密和導(dǎo)線的電流密度都保持額定值不變度都保持額定值不變。 n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)基頻下調(diào)通常采用恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速

6、方式通常采用恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式，而而基頻上調(diào)基頻上調(diào)通常采用恒功率調(diào)速方式。通常采用恒功率調(diào)速方式。二、二、 基頻以下的變頻調(diào)速控制方式基頻以下的變頻調(diào)速控制方式2021-11-6131sfE常值即采用恒電動(dòng)勢(shì)頻率比的控制方式。 二、二、 基頻以下的變頻調(diào)速控制方式基頻以下的變頻調(diào)速控制方式 由式（1-30）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 Es ，使 2021-11-6141. 1. 保持保持 的的嚴(yán)格恒磁通控制嚴(yán)格恒磁通控制 n由式（由式（1-30）可得）可得 constfE1sNss1sm44. 4KNfE（1-31） 由式（由式（1-31）可

7、知，要保持磁通）可知，要保持磁通 m不變，不變，當(dāng)頻率當(dāng)頻率f1從從額定頻率向下調(diào)節(jié)時(shí)，必須同時(shí)降低電動(dòng)勢(shì)額定頻率向下調(diào)節(jié)時(shí)，必須同時(shí)降低電動(dòng)勢(shì)Es，即采用，即采用恒定的電動(dòng)勢(shì)頻率比恒定的電動(dòng)勢(shì)頻率比的控制方式。這時(shí)異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)的控制方式。這時(shí)異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性將會(huì)如何呢？械特性將會(huì)如何呢？2021-11-6151. 1. 保持保持 的的嚴(yán)格恒磁通控制嚴(yán)格恒磁通控制n由圖1-14可知： 2lr212rsrLsREIconstfE1s將上式代入電磁轉(zhuǎn)矩基本公式，可得將上式代入電磁轉(zhuǎn)矩基本公式，可得 2 lr2122rr121sp2lr212r1r2sp2 r1rpe)(232/3/3LsRR

8、sffEnLsRfsREnIsRnT2021-11-6161. 1. 保持保持 的的嚴(yán)格恒磁通控制嚴(yán)格恒磁通控制n上式對(duì)上式對(duì)s求導(dǎo)，并令求導(dǎo)，并令dTe/ds=0，可得恒磁通控制轉(zhuǎn)矩最，可得恒磁通控制轉(zhuǎn)矩最大時(shí)的轉(zhuǎn)差率為大時(shí)的轉(zhuǎn)差率為constfE1slr1rmLRs將將sm代入式（代入式（1-33）得最大電磁轉(zhuǎn)矩）得最大電磁轉(zhuǎn)矩 lr21s2pemax183LfEnT（1-34）2021-11-6171. 1. 保持保持 的的嚴(yán)格恒磁通控制嚴(yán)格恒磁通控制n可見(jiàn)，當(dāng)調(diào)速過(guò)程中可見(jiàn)，當(dāng)調(diào)速過(guò)程中Es/f1為恒值時(shí)為恒值時(shí)Temax值是值是恒定不變的，在低頻低恒定不變的，在低頻低速下也能保持這個(gè)

9、最大速下也能保持這個(gè)最大電磁轉(zhuǎn)矩，因此稱為恒電磁轉(zhuǎn)矩，因此稱為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式。轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式。 n即：電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出能力是恒定的constfE1s2021-11-618常值1fUs 2.保持保持 常值的近似恒磁通控制常值的近似恒磁通控制( (恒壓頻比的控制恒壓頻比的控制) 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1fUs 用易于測(cè)量和控制的定子輸入相電壓用易于測(cè)量和控制的定子輸入相電壓Us取代電動(dòng)勢(shì)取代電動(dòng)勢(shì)Es，這，這就是保持就是保持 的近似恒磁通控制，的近似恒磁通控制，也稱為恒壓頻比控制也稱為恒壓頻比控制

10、或或U/f控制控制，它是開(kāi)環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)常用的控制方式。，它是開(kāi)環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)常用的控制方式。 常值1sfU2021-11-6192.保持保持 常值的近似恒磁通控制常值的近似恒磁通控制( (恒壓頻比的控制恒壓頻比的控制)n式（1-18）的電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式： 1fUs當(dāng)采用恒壓頻比控制方式時(shí)，式（1-18）可改寫(xiě)為： 2lrsl212rs1r2spe/3LLsRRsRUnT（1-18）2rs22rsr121spe23XXsRsRRsffUnT（1-36） 2021-11-6202.保持保持 常值常值 的近似恒磁通控制的近似恒磁通控制( (恒壓頻比的控制恒壓頻比的控制)n當(dāng)電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)差率當(dāng)電

11、動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)差率s很小，可以忽略分母中含很小，可以忽略分母中含s項(xiàng)，則項(xiàng)，則 r121spe23RsffUnT1fUs式中，6060p11p101nnffnnfnnsf 由上式可知，當(dāng)采用恒壓頻比控制時(shí)，對(duì)于同一電磁轉(zhuǎn)由上式可知，當(dāng)采用恒壓頻比控制時(shí)，對(duì)于同一電磁轉(zhuǎn)矩矩Te，sf1是基本不變的，即是基本不變的，即 n基本不變基本不變，這說(shuō)明恒壓頻比，這說(shuō)明恒壓頻比條件下改變頻率時(shí)，條件下改變頻率時(shí)，機(jī)械特性是平行下移的機(jī)械特性是平行下移的。 2021-11-6212.保持保持 常值常值 的近似恒磁通控制的近似恒磁通控制( (恒壓頻比的控制恒壓頻比的控制)n由上節(jié)推導(dǎo)的最大轉(zhuǎn)矩表達(dá)式由上節(jié)推

12、導(dǎo)的最大轉(zhuǎn)矩表達(dá)式 1fUs2lrls212ss21s1pemax)(143LLRRfUfnT（1-38） (1) 當(dāng)轉(zhuǎn)速較高時(shí)，當(dāng)轉(zhuǎn)速較高時(shí)，f1在額定頻率在額定頻率fn附近變化，定、轉(zhuǎn)子的附近變化，定、轉(zhuǎn)子的總漏抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于定子電阻總漏抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于定子電阻Rs：slrls1RLL2021-11-622n則最大轉(zhuǎn)矩則最大轉(zhuǎn)矩lrls21s2pemax183LLfUnT 上式表明，頻率較高時(shí)，恒壓頻比調(diào)速時(shí)異步電動(dòng)機(jī)的上式表明，頻率較高時(shí)，恒壓頻比調(diào)速時(shí)異步電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩與頻率無(wú)關(guān)，基本上保持不變。最大轉(zhuǎn)矩與頻率無(wú)關(guān)，基本上保持不變。 （1-39）2021-11-623n（2）當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，）當(dāng)

13、轉(zhuǎn)速較低時(shí)，f1 比比 f1n下降很多，此時(shí)定、轉(zhuǎn)子總下降很多，此時(shí)定、轉(zhuǎn)子總漏抗隨之下降，定子電阻漏抗隨之下降，定子電阻Rs不能忽略，對(duì)式（不能忽略，對(duì)式（1-38）稍加）稍加整理可得整理可得21lrls21s121spemax143fXXfRfRfUnTsn可見(jiàn)在 不變時(shí)，最大轉(zhuǎn)矩Temax是隨著定子供電頻率f1的下降而減小的。1s/ fU2021-11-624 在低頻時(shí) Us 和 ES 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?/p>

14、特性則為a 線。 2021-11-625帶定子壓降補(bǔ)償?shù)暮銐侯l比控制特性2021-11-626 低頻時(shí)適當(dāng)?shù)靥岣叨ㄗ与妷篣s，使最大電磁轉(zhuǎn)矩有所增大，實(shí)質(zhì)上是對(duì)異步電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的補(bǔ)償，可以增強(qiáng)電動(dòng)機(jī)的帶負(fù)載能力。 一般變頻器調(diào)壓調(diào)頻控制方式都有轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償功能，其理論基礎(chǔ)就在于此。 2021-11-627 機(jī)械特性曲線nON0n圖1-17 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01n121303n02n11N1131211N1 eT 可見(jiàn)，最大轉(zhuǎn)矩 Temax 是隨著的 1 降低而減小。 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，可增強(qiáng)帶載

15、能力。通風(fēng)機(jī)負(fù)載2021-11-6282021-11-6293. 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 sREI/rrr2021-11-630代入電磁轉(zhuǎn)矩基本關(guān)系式，得 r121rpr2r2r1pe33RsEnsRsREnT 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。3. 恒 Er/ 1 控制2021-11-6310s10Te 幾種電壓頻率協(xié)調(diào)控制方式的特性比較不同電壓頻率協(xié)調(diào)控制方式時(shí)的機(jī)械特性恒恒 Er/ 1 控制控制恒恒 Eg/ 1 控制控制恒恒 Us /

16、 1 控制控制ab c2021-11-632 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。 現(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？ 3. 恒 Er/ 1 控制2021-11-633 按照式（1-30）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（ 1-30 ）中，氣隙磁通的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) Es 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 ：rmNs1r44. 4kNfEs3. 恒 Er/ 1 控制 由此可見(jiàn)，只要能夠按照

17、轉(zhuǎn)子全磁通幅值 rm=恒值 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，第3.3節(jié)中將詳細(xì)討論。 2021-11-6344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=恒值）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。 2021-11-6352）恒Es/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=恒值，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。

18、 2021-11-636 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=恒值 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。2021-11-6372021-11-638（一）近似恒功率調(diào)速方式（一）近似恒功率調(diào)速方式n事實(shí)上，電壓不變，升高頻率的調(diào)速方式是近似恒功事實(shí)上，電壓不變，升高頻率的調(diào)速方式是近似恒功率調(diào)速方式。率調(diào)速方式。 n這時(shí)由于定子端電壓這時(shí)由于定子端電壓Us= Usn保持不變，式（保持不變，式（1-22）的）的最大轉(zhuǎn)矩表達(dá)式可改寫(xiě)為最大轉(zhuǎn)矩表達(dá)式可改寫(xiě)為 2lrls212

19、s1s12snpemax)(123LLRRUnT 由上式可知，在電壓不變的前提下，隨著角頻率由上式可知，在電壓不變的前提下，隨著角頻率 1的升高，最大轉(zhuǎn)矩的升高，最大轉(zhuǎn)矩Temax隨之下降。隨之下降。 2021-11-639 機(jī)械特性曲線 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1-18 基頻以上恒壓變頻調(diào)速的機(jī)械特性恒功率調(diào)速Ob1c1a1N1nc0nb0na0nN0nc1b1a1N1eT2021-11-640（二）嚴(yán)格恒功率控制方式（二）嚴(yán)格恒功率控制方式 n電動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械功率為：電動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械功率為： pnTTP1e1eM 要實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格

20、的恒功率控制，必須使基頻以上不同頻要實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的恒功率控制，必須使基頻以上不同頻率對(duì)應(yīng)機(jī)械特性的額定功率相等率對(duì)應(yīng)機(jī)械特性的額定功率相等，即，即 pnenp1enTnTnen1efTfT2021-11-641（二）嚴(yán)格恒功率控制方式（二）嚴(yán)格恒功率控制方式n可推導(dǎo)得到可推導(dǎo)得到na12sn2sffkUU即即 na1snsffkUU（1-54） 通過(guò)上述分析，可得出如下結(jié)論：通過(guò)上述分析，可得出如下結(jié)論：（1）為了獲得嚴(yán)格的恒功率調(diào)速，在頻率由基頻上調(diào)時(shí)，）為了獲得嚴(yán)格的恒功率調(diào)速，在頻率由基頻上調(diào)時(shí)，應(yīng)使電壓與頻率的應(yīng)使電壓與頻率的1/2次方成正比變化，即次方成正比變化，即 這時(shí)這時(shí)過(guò)載倍數(shù)保持不變。過(guò)載倍數(shù)保持不變。snsUkU 2021-11-642（2）基頻上調(diào)、電壓不變的控制方式，不能實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格）基頻上調(diào)、電壓不