第3篇1变频调速异步电机控制方式课件.ppt

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1、第3篇 交流传动控制原理n概述概述n异步电动机磁通分析异步电动机磁通分析n异步电动机恒压频比调速异步电动机恒压频比调速n电力电子变压变频器电力电子变压变频器第第1章章 变频调速异步电机控制原理变频调速异步电机控制原理1.1 异步电动机概述异步电动机概述l异步电动机稳态数学模型包括异步电动机异步电动机稳态数学模型包括异步电动机稳态等值电路和机械特性，两者既有联系，稳态等值电路和机械特性，两者既有联系，又有区别。又有区别。稳态等值电路描述了在一定的转差率稳态等值电路描述了在一定的转差率下电动机的稳态电气特性。下电动机的稳态电气特性。机械特性则表征了转矩与转差率（或机械特性则表征了转矩与转差率（或转

2、速）的稳态关系。转速）的稳态关系。1.1.1异步电动机稳态数学模型异步电动机稳态数学模型l转差率与转速的关系转差率与转速的关系或或 电动机极对数电动机极对数 供电电源频率供电电源频率 l同步转速同步转速 异步电动机稳态等效电路异步电动机稳态等效电路图图1-1 异步电动机异步电动机T型等效电路型等效电路假定条件：假定条件：忽略空间和时间谐波，忽略空间和时间谐波，忽略磁饱和，忽略磁饱和，忽略铁损忽略铁损异步电动机稳态等效电路异步电动机稳态等效电路式中式中 l转子相电流（折合到定子侧）转子相电流（折合到定子侧）异步电动机稳态等效电路异步电动机稳态等效电路图图1-2 异步电动机简化等效电路异步电动机简

3、化等效电路忽略励磁电流忽略励磁电流异步电动机稳态等效电路异步电动机稳态等效电路l简化等效电路的相电流简化等效电路的相电流异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性l异步电动机传递的电磁功率异步电动机传递的电磁功率 l机械同步角速度机械同步角速度 异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性l异步电动机的电磁转矩（机械特性方程式异步电动机的电磁转矩（机械特性方程式）异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性对对s求导，并令求导，并令 l最大转矩，又称临界转矩最大转矩，又称临界转矩 异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性l临界转差率：对应最大转矩的转差率临界转差率：对应最大转矩的转差率异步电动机的机械特

4、性异步电动机的机械特性将机械特性方程式分母展开将机械特性方程式分母展开异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性当当s很小时，忽略分母中含很小时，忽略分母中含s各项各项l转矩近似与转矩近似与s成正比，机械特性近似为直成正比，机械特性近似为直线线 异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性当当s较大时，忽略分母中较大时，忽略分母中s的一次项和零次项的一次项和零次项l转矩近似与转矩近似与s成反比，机械特性是一段双曲成反比，机械特性是一段双曲线线异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性l异步电动机由额异步电动机由额定电压、额定频定电压、额定频率供电，且无外率供电，且无外加电阻和电抗时加电阻和电抗时的机械

5、特性方程的机械特性方程式，称作固有特式，称作固有特性或自然特性。性或自然特性。图图1-3 异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性1.2异步电动机的调速方法异步电动机的调速方法与气隙磁通与气隙磁通l异步电动机的调速方法异步电动机的调速方法所谓调速，就是人为地改变机械特性所谓调速，就是人为地改变机械特性的参数，使电动机的稳定工作点偏离固有的参数，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，以达到调特性，工作在人为机械特性上，以达到调速的目的。速的目的。异步电动机的调速方法异步电动机的调速方法由异步电动机的机械特性方程式由异步电动机的机械特性方程式可知，能够改变的参数可分为可知，能够改

6、变的参数可分为3类：类：电电动动机机参参数数、电电源源电电压压和和电电源源频频率率（或或角角频频率）。率）。异步电动机的气隙磁通异步电动机的气隙磁通l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异步电动机的气隙磁通异步电动机的气隙磁通l气隙磁通气隙磁通 l为了保持气隙磁通恒定，应使为了保持气隙磁通恒定，应使 或近似为或近似为 1.3 恒压频比调速恒压频比调速l变压变频调速是改变异步电动机同步转速变压变频调速是改变异步电动机同步转速的一种调速方法，同步转速随频率而变化的一种调速方法，同步转速随频率而变化1.3

7、.1 变压变频调速的基本原理变压变频调速的基本原理l异步电动机的实际转速异步电动机的实际转速 l稳态速降稳态速降 随负载大小变化随负载大小变化 气隙磁通控制气隙磁通控制l只要控制只要控制便可控制气隙磁通便可控制气隙磁通 基频以下调速基频以下调速 l当异步电动机在基频（额定频率）以下运当异步电动机在基频（额定频率）以下运行时，如果磁通太弱，没有充分利用电机行时，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，又的铁心，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，会使铁心饱和，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。严重时还会因绕组过热而损坏电

8、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。基频以下调速基频以下调速 l当频率从额定值向下调节时，必须使当频率从额定值向下调节时，必须使 l基频以下应采用电动势频率比为恒值的基频以下应采用电动势频率比为恒值的控制方式。控制方式。基频以下调速基频以下调速 l恒压频比的控制方式恒压频比的控制方式 当电动势值较高时，忽略定子电阻和漏感当电动势值较高时，忽略定子电阻和漏感压降，压降，基频以下调速基频以下调速 l低频补偿（低频转矩提升）低频补偿（低频转矩提升）低频时，定子电阻和漏感压降所占的份低频时，定子电阻和漏感压降所占的份量比较显著，不能再忽略。量比较显著，不能再忽略。

9、人为地把定子电压抬高一些，以补偿定人为地把定子电压抬高一些，以补偿定子阻抗压降。子阻抗压降。负载大小不同，需要补偿的定子电压也负载大小不同，需要补偿的定子电压也不一样。不一样。基频以下调速基频以下调速 l通常在控制软通常在控制软件中备有不同件中备有不同斜率的补偿特斜率的补偿特性，以供用户性，以供用户选择。选择。a无补偿无补偿 b带定子带定子电压补偿电压补偿图图1-9 恒压频比控制特性恒压频比控制特性1.3.2 变压变频调速时的机械特变压变频调速时的机械特性性l基频以下采用恒压频比控制基频以下采用恒压频比控制 异步电动机机械特性方程式改写为异步电动机机械特性方程式改写为基频以下调速基频以下调速l

10、当当s很小时，忽略上式分母中含很小时，忽略上式分母中含s各项，各项，或或 基频以下调速基频以下调速l对于同一转矩，转速降落基本不变对于同一转矩，转速降落基本不变在恒压频比的条件下把频率向下调节时，机械特性基本上是平行下移的。基频以下调速基频以下调速l临界转矩临界转矩 随着频率的降低而减小。随着频率的降低而减小。l当频率较低时，电动机带载能力减弱，采当频率较低时，电动机带载能力减弱，采用低频定子压降补偿，适当地提高电压，可用低频定子压降补偿，适当地提高电压，可以增强带载能力。以增强带载能力。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。1.3.3 基频以下电压补偿

11、控制基频以下电压补偿控制 l在在基基频频以以下下运运行行时时，采采用用恒恒压压频频比比的的控控制方法具有控制简便的优点。制方法具有控制简便的优点。l但但负负载载的的变变化化时时定定子子压压降降不不同同，将将导导致致磁通改变，须采用定子电压补偿控制。磁通改变，须采用定子电压补偿控制。l根根据据定定子子电电流流的的大大小小改改变变定定子子电电压压，以以保持磁通恒定。保持磁通恒定。1.3.3 基频以下电压补偿控制基频以下电压补偿控制 l为为了了使使参参考考极极性性与与电电动动状状态态下下的的实实际际极极性性相相吻吻合合，感感应应电电动动势势采采用用电电压压降降的的表表示示方方法法，由由高高电电位位指

12、向低电位。指向低电位。图图1-12 异步电动机等值电路和感应电动势异步电动机等值电路和感应电动势三种磁通三种磁通l气隙磁通在定子每相绕组中的感应电动势气隙磁通在定子每相绕组中的感应电动势 l定子全磁通在定子每相绕组中的感应电动势定子全磁通在定子每相绕组中的感应电动势 l转子全磁通在定子每相绕组中的感应电动势转子全磁通在定子每相绕组中的感应电动势 恒定子磁通控制恒定子磁通控制 l保持定子磁通恒定：保持定子磁通恒定：定定子子电电动动势势不不好好直直接接控控制制，能能够够直直接接控控制制的只有定子电压，按的只有定子电压，按l补补偿偿定定子子电电阻阻压压降降，就就能能够够得得到到恒恒定定子子磁磁通。通

13、。常值常值恒定子磁通控制恒定子磁通控制 l忽略励磁电流，转子电流忽略励磁电流，转子电流l电磁转矩电磁转矩 恒定子磁通控制恒定子磁通控制 恒压频比控制时的转矩式恒压频比控制时的转矩式 两两式式相相比比可可知知，恒恒定定子子磁磁通通控控制制时时转转矩矩表表达达式式的的分母小于恒压频比控制特性中的同类项。分母小于恒压频比控制特性中的同类项。l当当转转差差率率s相相同同时时，采采用用恒恒定定子子磁磁通通控控制制方方式式的电磁转矩大于恒压频比控制方式。的电磁转矩大于恒压频比控制方式。恒定子磁通控制恒定子磁通控制 l临界转差率临界转差率 l临界转矩临界转矩 频率变化时，恒定子磁通控制的临界转矩恒定频率变化

14、时，恒定子磁通控制的临界转矩恒定不变不变。恒定子磁通控制恒定子磁通控制 比较可知比较可知l恒定子磁通控制的临界转差率大恒定子磁通控制的临界转差率大于恒压频比控制方式。于恒压频比控制方式。l恒定子磁通控制的临界转矩也大恒定子磁通控制的临界转矩也大于恒压频比控制方式。于恒压频比控制方式。恒气隙磁通控制恒气隙磁通控制 l保持气隙磁通恒定：保持气隙磁通恒定：l定子电压定子电压l除除了了补补偿偿定定子子电电阻阻压压降降外外，还还应应补补偿偿定定子子漏抗压降。漏抗压降。常值常值恒气隙磁通控制恒气隙磁通控制 l转子电流转子电流l电磁转矩电磁转矩 恒气隙磁通控制恒气隙磁通控制 l临界转差率临界转差率 l临界转

15、矩临界转矩 l与恒定子磁通控制方式相比较，恒气隙磁通与恒定子磁通控制方式相比较，恒气隙磁通控制方式的临界转差率和临界转矩更大，机械控制方式的临界转差率和临界转矩更大，机械特性更硬。特性更硬。恒转子磁通控制恒转子磁通控制 l保持转子磁通恒定：保持转子磁通恒定：l定子电压定子电压l除除了了补补偿偿定定子子电电阻阻压压降降外外，还还应应补补偿偿定定子子和转子漏抗压降。和转子漏抗压降。常值常值恒转子磁通控制恒转子磁通控制 l转子电流转子电流l电磁转矩电磁转矩 恒转子磁通控制恒转子磁通控制 l机机械械特特性性完完全全是是一一条条直直线线，可可以以获获得得和和直直流流电电动动机机一一样样的的线线性性机机械

16、械特特性性，这这正正是是高高性性能能交交流流变变频频调调速速所所要求的稳态性能。要求的稳态性能。不同控制方式下的机械特性不同控制方式下的机械特性 图图1-13 异步电动机在不同控制方式下的机械特性异步电动机在不同控制方式下的机械特性a）恒压频比控制）恒压频比控制b）恒定子磁通控）恒定子磁通控制制c）恒气隙磁通控）恒气隙磁通控制制 d）恒转子磁通控）恒转子磁通控制制不同控制方式的比较不同控制方式的比较 l恒压频比控制最容易实现，它的变频机械恒压频比控制最容易实现，它的变频机械特性基本上是平行下移，硬度也较好，能特性基本上是平行下移，硬度也较好，能够满足一般的调速要求，低速时需适当提够满足一般的调

17、速要求，低速时需适当提高定子电压，以近似补偿定子阻抗压降。高定子电压，以近似补偿定子阻抗压降。不同控制方式下的比较不同控制方式下的比较l恒定子磁通、恒气隙磁通和恒转子磁通的恒定子磁通、恒气隙磁通和恒转子磁通的控制方式均需要定子电压补偿，控制要复控制方式均需要定子电压补偿，控制要复杂一些。杂一些。l恒定子磁通和恒气隙磁通的控制方式虽然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改善了低速性能。但机械特性还是非线性的，仍受到临界转矩的限制。的，仍受到临界转矩的限制。l恒转子磁通控制方式可以获得和直流他励恒转子磁通控制方式可以获得和直流他励电动机一样的线性机械特性，性能最

18、佳。电动机一样的线性机械特性，性能最佳。1.4 恒功率调速 在基频以上调速时，频率从基频向上升高，在基频以上调速时，频率从基频向上升高，受到电机绝缘耐压和磁路饱和的限制，定子电受到电机绝缘耐压和磁路饱和的限制，定子电压不能无限制升高，最多只能保持某电压不变。压不能无限制升高，最多只能保持某电压不变。这将导致磁通与频率成反比地降低，使得异步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。近似于直流电机弱磁电动机工作在弱磁状态。近似于直流电机弱磁状态，电机输入功率无法升高，只能以恒功率状态，电机输入功率无法升高，只能以恒功率状态运行。状态运行。恒功率运行恒功率运行 方式方式恒功率1：

19、恒功率2：第一种恒功率的特点：最小逆变器，最大电机 恒功率1：第二种恒功的特点：最大逆变器，最小电机恒功率2：变压变频调速变压变频调速 图图1-10 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基频以上调速基频以上调速l电电压压不不能能从从额额定定值值再再向向上上提提高高，只只能能保持不变，机械特性方程式可写成保持不变，机械特性方程式可写成l临界转矩表达式临界转矩表达式 基频以上调速基频以上调速l临界转差临界转差 l当当s很小时，忽略上式分母中含很小时，忽略上式分母中含s各项各项 或或基频以上调速基频以上调速l带负载时的转速降落带负载时的转速降落 l对对于于相相同同的的电电

20、磁磁转转矩矩，角角频频率率越越大大，转转速速降降落落越越大大，机机械械特特性性越越软软，与与直直流流电电动动机机弱弱磁调速相似。磁调速相似。基频以上调速基频以上调速l转差功率转差功率 l带恒功率负载运行时带恒功率负载运行时转差功率基本不变。转差功率基本不变。变压变频调速时的机械特性变压变频调速时的机械特性图图1-11 异步电动机变压变频调速机械特性异步电动机变压变频调速机械特性变压变频调速变压变频调速l在基频以下，由于磁通恒定，允许输在基频以下，由于磁通恒定，允许输出转矩也恒定，属于出转矩也恒定，属于“恒转矩调速恒转矩调速”方式。方式。l在基频以上，转速升高时磁通减小，在基频以上，转速升高时磁

21、通减小，允许输出转矩也随之降低，由于转速允许输出转矩也随之降低，由于转速上升，允许输出功率基本恒定，属于上升，允许输出功率基本恒定，属于“近似的恒功率调速近似的恒功率调速”方式。方式。法国法国 TGV TGV、西班牙西班牙AVEAVE机车主电路机车主电路（同步电机）（同步电机）励磁励磁韩国韩国 TGVTGV机车主电路（同步电机）机车主电路（同步电机）励磁励磁电流型逆变器电流型逆变器(异步电机异步电机)GTO GTO 电压型逆变器电压型逆变器(欧洲之星欧洲之星 TGV)TGV)每一个动车一台逆变器，同时为4台异步电机供电典型的地铁牵引变频器典型的地铁牵引变频器MACMACMACMACMRE_25

22、63_FR BH(O-M)DJ(M)CA2(I)TFPH(O-C)DJ(C)ONDCA2(I)-ONDCA1(I)-ONDM1PT2(15kV DB)PT1(25kV&15kV CFF)TFI-QL(M)SF-FI-50C(IS)FI-50CAP-FI-50H3-FIRHC(IS)PMCF1C(IS)E(C)R(PC)E(C)C(PC)E(C)CVS-AUX sur essieux 1 et 3C(IS)PMCF2Essieu 4Essieu 3Essieu 23 x 1 mFx 3C(PC)FI-50H(O-15)Palpage avecclateurPF(C)R(PC)FI-50PF(M)

23、E-TFPCA(I)DIFFCA(U)ECCA(U)PMCF3 x 1,33 mFCAP-ONDCC-FI-50CA2(I)PMCFSF1-HACHSF2-HACHH-INV-CONTH-INV-15H-15H-CONTCA(I)RHR(DC)CAP-ONDCAP-2FR(DC)CAP-2FOND-RHPMCFC(PC)PMCFR(PC)PMCFOption Filtre 50HzOptions non reprsentes:-ChauffagePT4(1,5kV&3kV SNCB)Nota sur les pantographes pour le fonctionnement sous 3k

24、V:-Sur le dmonstrateur,en configuration 3 pantographes,onutilisera uniquement le pantographe 3(PT3)avec un archet adaptaux essais ralissH2-FIH1-FISF1-FISF2-FICA1(I)TFPTFI-50R(DC)CAP-FI-507,2 mH7,2 mH2,835 mH2,835 mH10 mH1 mFPT3(3kV FS)CA1(I)PMCF50?50?50?3,7?适用于适用于4 4种电压供电的机车牵引变频器种电压供电的机车牵引变频器(25(25K

25、v/15kV,Kv/15kV,=3kV/1,5kV)=3kV/1,5kV)DJ(C)DJ(M)EcrteurC(ALI)FIR(ALI)FISF1-FISF2-FIH-FI-XXSF-FI-XXCAP-FI-XXX 3=380 VM1AUXPMCFONDC(PC)PMCFR(PC)PMCFCAP-PMCFCAP-ONDRH1CA(I)PMCFCA(U)PMCFCA(U)ONDFTR-17/08/1998Rev E-Page 2PalpageH(O-M)CA(U)1/2-ONDH(O-C)CA1(I)TFPCA2(I)TFPCA(U)1/3-ONDCA(I)1-ONDCA(I)2-ONDQ1L(M)H-2F C(IS)E(C)SF2-2F-FISF1-2F-FIH4-PMCFC(PC)E(C)R(PC)E(C)CAP-2FC(PC)PMCF牵引变频器牵引变频器 3 3种电压供电的机车种电压供电的机车(25(25Kv/15kV,=1,5kV)Kv/15kV,=1,5kV)