(5.1)--第六次课课件电力拖动自动控制系统.ppt

交流调速技术变压变频调速的变压变频调速的不同控制方式不同控制方式本次课内容提要o由异步电机等效电路图分析机械特性的方法（掌握，回顾复习内容）o恒压频比控制方式（掌握，回顾复习内容）o恒定子磁通控制（了解）o恒气隙磁通控制（掌握）o恒转子磁通控制（掌握）1.异步电机等效电路参数定义参数定义nRs、Rr 定子每相电阻和折合到定子侧的 转子每相电阻；nLls、Llr 定子每相漏感和折合到定子侧的 转子每相漏感；nLm定子每相绕组产生气隙主磁通的 等效电感，即励磁电感；nUs、1 定子相电压和电源角频率；n s 转差率转差率。异步电动机简化等效电路异步电动机简化等效电路o忽略励磁电流，得到简化等效电路忽略励磁电流，得到简化等效电路图图6-2 异步电动机简化等效电路异步电动机简化等效电路 电磁转矩电磁转矩公式公式电磁功率电磁功率 Pm=3Ir2 Rr/s 同步机械角速度同步机械角速度 m1=1/np式中式中 np 极对数，异步电机的电磁转矩极对数，异步电机的电磁转矩：式（6-5）即异步电机的机械特性方程式。即异步电机的机械特性方程式。临界转差率和临界转矩临界转差率和临界转矩 o将式（将式（6-5）对）对s求导，并令求导，并令临界转差率临界转差率o临界转矩临界转矩（6-6）（6-7）机械特性os很小时，忽略定子电阻与电感压降，o当s很小时，转矩近似与s成正比，机械特性近似为一段直线，smnn0sTe100TeTemaxTemaxo当s较大时，忽略分母中s的一次项和零次项（忽略转子电阻影响求电流），则o是一段双曲线。os为中间数值时，机械特性从直线段逐渐过渡到双曲线段，如图6-3所示。smnn0sTe100TeTemaxTemax机械特性 当 s 为以上两段的中间数值时，机械特性从直线段逐渐过渡到双曲线段，如图所示。smnn0sTe100TeTemaxTemax图4-3 恒压恒频时异步电机的机械特性o异步电动机由额定电压、额定频率供电，且无外加电阻和电抗时的机械特性方程式为固有特性。o人为地改变机械特性的参数，包括电动机参数、电源电压和电源频率（或角频率），使电动机的稳定工作点偏离固有特性，工作在人为机械特性上，以达到调速的目的。p三相异步电动机定子每相电动势的有效值三相异步电动机定子每相电动势的有效值p忽略定子绕组电阻和漏磁感抗压降忽略定子绕组电阻和漏磁感抗压降单独变频可以吗？单独变频可以吗？p单降低频率，单降低频率，磁通增加！磁通增加！o三相异步电动机定子每相电动势的有效值三相异步电动机定子每相电动势的有效值（4-8）气隙磁通在定子每相中感应电动势的 定子每相绕组串联匝数 定子基波绕组系数 每极气隙磁通量o只要控制好只要控制好 和和 ，便可达到控制气隙磁通的目的。，便可达到控制气隙磁通的目的。o对对此此，需需要要考考虑虑基基频频（额额定定频频率率）以以下下和和基基频频以以上上两两种种情况。情况。变频调速时的气隙磁通控制变频调速时的气隙磁通控制基频以下变频调速的基本原则基频以下变频调速的基本原则 l当异步电动机在基频（额定频率）以下运行当异步电动机在基频（额定频率）以下运行时，如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁时，如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；如果磁通过大，又会使铁心，是一种浪费；如果磁通过大，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时还会因绕组过热而损坏电机。还会因绕组过热而损坏电机。l最好是保持每极磁通量为额定值不变。最好是保持每极磁通量为额定值不变。2.恒压频调速的基本原理恒压频调速的基本原理o基频以下调速基频以下调速:o保持每极磁通量为额定值不变。因此，当频率保持每极磁通量为额定值不变。因此，当频率 f1 从额定值从额定值 f1N 向下调节时，必须同时降低向下调节时，必须同时降低 Eg，使：，使：（4-9）即采用电动势频率比为恒值的控制方式。即采用电动势频率比为恒值的控制方式。恒压频比控制恒压频比控制o异步电动机绕组中的电动势是难以直接控制的，当电动异步电动机绕组中的电动势是难以直接控制的，当电动势值较高时，可忽略定子电阻和漏磁感抗压降，认为势值较高时，可忽略定子电阻和漏磁感抗压降，认为 ，则得，则得这就是这就是恒压频比的控制方式。恒压频比的控制方式。基频以下调速基频以下调速 p低频补偿（低频转矩提升）低频补偿（低频转矩提升）低频时（低速，尤其极低速），低频时（低速，尤其极低速），反电动势越来越小，定子电阻和漏反电动势越来越小，定子电阻和漏感压降所占的份量比较显著，不能感压降所占的份量比较显著，不能再忽略。再忽略。仍旧按照仍旧按照U/f=const，导致低频磁通大幅下降，带载能力导致低频磁通大幅下降，带载能力减弱！减弱！人为地把定子电压抬高一些，以人为地把定子电压抬高一些，以补偿定子阻抗压降。补偿定子阻抗压降。负载大小不同，需要补偿的定子负载大小不同，需要补偿的定子电压也不一样。电压也不一样。OUsf 1图4.4 恒压频比控制特性带压降补偿的恒压频比控制特性带压降补偿的恒压频比控制特性UsNf 1Na 无补偿无补偿 b 带定子压降补偿带定子压降补偿 基频以上调速基频以上调速 l在基频以上调速时，频率从向上升高，在基频以上调速时，频率从向上升高，受到电机绝缘耐压和磁路饱和的限制，受到电机绝缘耐压和磁路饱和的限制，定子电压不能随之升高，最多只能保持定子电压不能随之升高，最多只能保持额定电压不变。额定电压不变。l这将导致磁通与频率成反比地降低，使这将导致磁通与频率成反比地降低，使得异步电动机工作在弱磁状态。得异步电动机工作在弱磁状态。变压变频控制特性变压变频控制特性f1N图4-5 异步电机变压变频调速的控制特性 恒转矩调速恒转矩调速UsUsNmNm恒功率调速恒功率调速mUsf1O不同调速区的特性不同调速区的特性 基频以下基频以下：由于保持气隙磁通不变，故由于保持气隙磁通不变，故允许输出转矩允许输出转矩基基本不变，所以基频以下的变频调速属于恒转矩调速。本不变，所以基频以下的变频调速属于恒转矩调速。属于属于“恒转矩调速恒转矩调速”。基频以上：基频以上：由于频率提高而定子电压不变，气隙磁通由于频率提高而定子电压不变，气隙磁通势必减弱，允许输出转矩减小，但转速却升高了，可以势必减弱，允许输出转矩减小，但转速却升高了，可以认为允许输出功率基本不变。所以基频以上的变频调速认为允许输出功率基本不变。所以基频以上的变频调速属于弱磁恒功率调速。属于弱磁恒功率调速。属于属于“恒功率调速恒功率调速”。3.恒压频比控制的机械特性恒压频比控制的机械特性o在基频以下采用恒压频比控制时，可将异在基频以下采用恒压频比控制时，可将异步电动机的电磁转矩改写为步电动机的电磁转矩改写为（6-28）n当当s很小时，可忽略上式分母中含很小时，可忽略上式分母中含s各项，各项，（6-29）转速降落转速降落o带负载时的转速降落带负载时的转速降落 （6-31）为恒值时，对于同一转矩为恒值时，对于同一转矩基本不变。基本不变。注：注：在恒压频比的条件下改变频率在恒压频比的条件下改变频率 1 时，机械特性基本上是时，机械特性基本上是平行下移，和直流他励电机变压调速时的情况相似。平行下移，和直流他励电机变压调速时的情况相似。恒压频比控制的临界转矩恒压频比控制的临界转矩 o临界转矩临界转矩 （6-32）临界转矩临界转矩随着随着的降低而减小。的降低而减小。恒转矩调速恒转矩调速o当频率较低时，当频率较低时，Temax很小，电动机带载能很小，电动机带载能力减弱，采用低频定子压降补偿，适当地提力减弱，采用低频定子压降补偿，适当地提高电压高电压Us，可以增强带载能力。，可以增强带载能力。o由于保持气隙磁通不变，故由于保持气隙磁通不变，故允许输出转矩基允许输出转矩基本不变，本不变，所以基频以下的变频调速属于恒转所以基频以下的变频调速属于恒转矩调速。矩调速。On补偿定子压降后的特性恒压频比控制时的机械特性恒压频比控制时的机械特性固有特性基频以下机械特性基频以下调速基频以下调速l转差功率转差功率 与转速无关，故称作转差功率不变型。基频以下为什么引入电压补偿控制o基频以下，保持基频以下，保持Eg/f1恒恒定，可保持定子磁通恒定，可保持定子磁通恒定。定。o当电动势值较高时，忽当电动势值较高时，忽略定子电阻和漏磁感抗略定子电阻和漏磁感抗压降，认为压降，认为o负载变化时导致定子磁负载变化时导致定子磁通改变，怎么办？通改变，怎么办？图图6-10 异步电动机变压变频调速的控制特性异步电动机变压变频调速的控制特性4.基频以下电压补偿控制基频以下电压补偿控制 o基频以下运行时，采用定子电压补偿控基频以下运行时，采用定子电压补偿控制，根据定子电流的大小改变定子电压，制，根据定子电流的大小改变定子电压，可更好保持可更好保持磁通恒定磁通恒定。o重点是不同磁通恒定时机械特性的变化重点是不同磁通恒定时机械特性的变化分为：分为：（1）恒定子磁通控制）恒定子磁通控制（2）恒气隙磁通控制）恒气隙磁通控制（3）恒转子磁通控制）恒转子磁通控制再看异步电动机等效电路再看异步电动机等效电路o为了使参考为了使参考极性与极性与电动电动状态下状态下的实的实际极性相吻际极性相吻合，感应电合，感应电动势采用电动势采用电压降的表示压降的表示方法，方法，由高由高电位指向低电位指向低电位。电位。异步电动机等效电路异步电动机等效电路注：注：参考方向，定子侧：电动机，转子侧：发电机磁通及对应的感应电动势磁通及对应的感应电动势o气隙磁通气隙磁通在定子每相绕组中的感应电动势在定子每相绕组中的感应电动势有效值：有效值：o定子全磁通（定子磁通）在定子每相绕组中的感应定子全磁通（定子磁通）在定子每相绕组中的感应电动势电动势 o转子全磁通（转子磁通）转子全磁通（转子磁通）在转子绕组中的感应电动在转子绕组中的感应电动势（折合到定子边）势（折合到定子边）o分别讨论保持定子磁通分别讨论保持定子磁通 、气隙磁通、气隙磁通 和转子磁通和转子磁通 恒定恒定的控制方法及机械特的控制方法及机械特性。性。o漏磁通未参与能量转换漏磁通未参与能量转换（1）.恒定子磁通控制恒定子磁通控制 o从数学表达式来看：只要使从数学表达式来看：只要使 为常为常值，即可保持定子磁通值，即可保持定子磁通 恒定恒定 。（2）恒气隙磁通控制）恒气隙磁通控制 o维持为维持为 恒值，保持气隙磁通为常恒值，保持气隙磁通为常值，定子电压为值，定子电压为 n除了补偿定子电阻压降外，还应补偿定子除了补偿定子电阻压降外，还应补偿定子漏抗电阻压降。漏抗电阻压降。（2）恒气隙磁通控制）恒气隙磁通控制 o由等效电路可得由等效电路可得 （2）恒气隙磁通控制）恒气隙磁通控制 o恒气隙磁通控制下的电恒气隙磁通控制下的电磁转矩（绿色）磁转矩（绿色）o恒定子磁通控制下的电恒定子磁通控制下的电磁转矩磁转矩 （蓝色）（蓝色）相同负载变化，相同负载变化，恒恒气隙磁通气隙磁通控制控制时转速降落更小！时转速降落更小！机械特性更硬！机械特性更硬！（2）恒气隙磁通控制）恒气隙磁通控制 o临界转差率临界转差率 （6-50）v临界转矩临界转矩（6-51）注：当频率变化时，临界转矩更大，且恒定不变。注：当频率变化时，临界转矩更大，且恒定不变。（3）恒转子磁通控制）恒转子磁通控制 o定子电压定子电压（6-52）n且保持且保持 恒定，即可保持转子磁通恒定，即可保持转子磁通恒定恒定（3）恒转子磁通控制）恒转子磁通控制 o转子电流为转子电流为 （6-53）v电磁转矩电磁转矩（3）恒转子磁通控制）恒转子磁通控制 o机械特性完全是一条直线，恒机械特性完全是一条直线，恒 控制的稳态性能最好，可以获得和直流电动机控制的稳态性能最好，可以获得和直流电动机一样的线性机械特性，这正是高性能交流变频一样的线性机械特性，这正是高性能交流变频调速所要求的性能。调速所要求的性能。小结小结 o恒压频比控制最容易实现，变频机械特性基本上恒压频比控制最容易实现，变频机械特性基本上平行，硬度也较好，能够满足一般的调速要求，平行，硬度也较好，能够满足一般的调速要求，低速时需适当提高定子电压，以近似补偿定子低速时需适当提高定子电压，以近似补偿定子阻抗压降。阻抗压降。o恒定子磁通和恒气隙磁通的控制方式虽然改善了恒定子磁通和恒气隙磁通的控制方式虽然改善了低速性能。但机械特性还是非线性的，产生转低速性能。但机械特性还是非线性的，产生转矩的能力仍受到限制。矩的能力仍受到限制。o恒转子磁通的控制方式，可以得到和直流他励电恒转子磁通的控制方式，可以得到和直流他励电动机一样的线性机械特性，性能最佳动机一样的线性机械特性，性能最佳。不同控制方式下，异步电动机的机械不同控制方式下，异步电动机的机械特性特性a 恒压频比控制恒压频比控制b 恒定子磁通控制恒定子磁通控制c 恒气隙磁通控制恒气隙磁通控制d 恒转子磁通控制恒转子磁通控制不同控制方式下的机械特性曲线对比不同控制方式下的机械特性曲线对比