交流电机变频调速讲座 第一讲异步电动机的变压变频调.pdf

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1、【编者的话】自2 0 世纪8 o 年代以来，在电气传动领域中用交流电机调速取代直流电机调 速一直是不可逆转的趋势，目前，交流调速已成为满足各种生产工艺要求和节 约电能的重要措施。在多种交流调速方法中，变频调速的应用发展最快，尽管 变频器的生产成本稍高，但其调速性能和装置效率始终处于各种调速方法之 首，因此，现在变频调速的应用已成为交流电机调速的主流。据统计，近年来 国内变频器市场保持着1 2 2 o 的年增长率，处于一个高速增长的时期，预 计2 0 0 8 年的年销售量将超过1 0 0 亿元。有鉴于此，普及变频调速原理和应用的知 识十分重要，为了适应需要，变频器世界 杂志编委会要我撰写“交流电

2、机变频 调速”的连载讲座，谨在拙著 电力拖动自动控制系统运动控制系统 和 交 流调速系统 的基础上，删去深入的理论分析和公式推导，加强应用实例，以 飨 读者。陈 伯时 交流 电机 变频调速讲座 AC Mo t o r VVVF L e c t u r e 第一讲：异步电动机的变压变频调速原理和稳态特性 在异 步电动机 调速系统 中，调速 性能最好、应用最广的系统是变压变 频调速系统。在这种 系统 中，要调节 电动机的转速，须同时调节定子 供电 电源 的电压和频率，可 以使机械特性 平滑地上 下移动，并获得很 高的运行 效率。但 是，这种 系统 需要一 台专用 的变压 变 频 电源，增 加 了

3、系统 的成 本。近来，由于交流调速 日益普及，对变压变频器 的需求量不断增长，加 上 市场 竞争 的 因素，其 售 价逐 渐 走 低，使得 变压 变频调速 系统 的应用与 日俱增。下面首先叙述异步 电动机的 变压 变频 调速 原理。1 1 异步电动机变压变频 调 速原理 在进行 电动机 调速时，常须考虑 的一个重要 因素就是：希望保持电动机 中每极磁通量 为额定值不 变。如果磁 通 太弱，没 有充 分 利 用 电动机 的铁 心，是一种浪 费；如果过分增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致过大 的励 磁 电流，严重时会 因绕组过热而损坏 电动机。在交流异步 电动机 中，由于 磁通是 由定子和转子磁动

4、势合成产生 的，需要采取一定的控制方式才能保 持磁 通恒定。三相 异步 电动机定 子每相 电动势 的有效 值是 E =4 4 4 f i N k N (1 1)式 中 E。一一气隙磁 通在 定子每相 中感 应电动势的有效值(V)；f l 定子频率(Hz)；N 定子每相绕组串联匝数；k 定 子基 波绕组系数；每极气隙磁通量(Wb)。上海大学陈伯时 Ch e n Bos h 1 由式(1 一 1)可知，只要控制好电动 势E 和 频率f ，便 可达到控制 磁通 的 目的，对此，需要考虑基频(额定频 率)以下和基频 以上两种情况。1 1 1 基频以下调速 由式(1 一 1)可知，要 保持 不 变，当频

5、 率f 从 额定 值 f 向下 调节 时，必须 同时降低 电动 势E ，使 E=常值(1-2)，1 即采 用电动 势频率 比为恒值 的控 制方式。然而，绕组 中的感 应电动势是难 以直接控制 的，当电动 势值较 高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压 降，而认 为定 子相 电压 u E ，则得 r =常值(1 3)i 这 是恒压 频比的控制方式。T HE WO R L D OF f N V E R T E R S 9 9 维普资讯 http:/ 低频时，U。和E 都较小，定子 漏 磁阻抗 压降所占的份量就 比较显著，不能再 忽略。这 时，可 以人为地把电 压U。抬 高一些，以便近似地补偿定子 压

6、降。带定子压降补偿的恒压频比控 制特性如图1 1 所示的2 线，无补偿的 控 制特性则 为1 线。在 实际应 用中，由于负载大小不 同，需要 补偿 的定 子 压 降值也 不 一 样，在控制软件 中，须备有不同斜率 的补偿特性，以便用 户选择。1 1 2 基频 以上调速 在基频 以上调速 时，频 率应该从。N 1 无补偿 2带定子压 降补偿 图 1 1 恒压 频 比控制 特性 0 -图 1 2 异 步 电动机变压 变频调速 的控制特性 图 1 3 异步 电动机的稳态 等效 电路和 感应电动势 图 1 4恒压恒频 时异步 电动机 的机械特性 1 00 THE WORL D OF l NVERT E

7、RS N 向上升高，但定子电iu。不可能超过额定电iu 最多只能保持U。=u ，这 将迫使磁通与频率 成反比地降低，相当于直流电动机弱磁升速的情况。把基频以下和基频 以上两种情况的控制特性画在一起，如 图1-2 所示。如果 电动机在不 同转速时所带的负载都能使电流达到额 定值，即都 能在允 许温 升下 长期运行，则转矩基本上随磁通变化，按照电气传 动原理，在基频 以下，磁通 恒定 时转 矩也恒 定，属于“恒转 矩调速”性 质，而在基频 以上，转 速升高 时，转 矩降低，基 本上 属于“恒功 率调 速”性 质。1 2 异步电动机 电压 一频率协调控制时的稳态特性 1 2 1 异步 电动机的稳态等

8、效电路和感应电动势 按照异步电动机原理，它的稳态等效电路如图1-3 所示，图中标明了不同磁 通所产生 的感应 电动势，其 意义 如下：E 气隙磁通(或互感磁通)在定子每相绕组 中的感应 电动势；E 定子全磁通在定子每相绕组 中的感应 电动势；E 转子全磁通在转子绕组 中的感应 电动势(折合到定子侧)。式(1 1)己给出气隙磁通的感应电动势，现再写在下面：E=4 4 4f I N。k N。与此相仿 E =4 4 4 f I N k N。E=4 44 f I N。KN。1 2 2 恒压恒频正弦波供电时异步 电动机的机械特性(1 1)(1 4)(1 5)异步 电动机正常工作时，定子 由恒压恒频的正弦

9、波电源供 电，由于定子 电 压U 和电源 角频率6 3 均为恒值，这时 的机械特性方程式T=f(s)n-ff j _成如式(1 6)所示 的形式：，z 面 可 丙 可 6)当s 很小时，可忽 略上 式分母 中含S 各项，则 T e=3 n p 7 也就是说，当s 很小 时，转矩近似与S 成正 比，机械特性：f(s)是一段直 线，当S 逐渐增大后，机械特性呈现 明显的非线性，如图 1 4 所示。1 2 _ 3 基频以下 电压 一 频率协调控制时的机械特性 由式(1 6)的机械特性 方程式可以看 出，当负载要求某一组转矩 和转速n(或 转差率S)的数值时，电压U。和频率6 3 可 以有多种配合。在

10、U。和()的不 同配合 下，机械特性也是不一样的，因此可以有不同方式的电压一 频率协调控制。(1)恒压频 比控制(U ()=恒值)前 己指出，为了近似地保持气隙磁通 不变，以便充分利用电动机铁心，发挥电动机产生转矩的能力，在基频以下须 采用恒压 频比控制。这时，同步转速n (r mi n)自然要 随频率变化。6 0 c o 1(1 8)带负载时，转速 降落 X n(r mi n)为 60 An s n o 2 a n (1 9)_(01 一、，维普资讯 http:/ 在式(1 7)所表示的机械特性近似直线段上，可以导 出 葙3n l l(110)由此可见，当u ()为恒值时，对于同一转矩T。值

11、，s f D 基本不变，因而 n 也是基本不变 的。这就是说，在恒压频比的条件 下，改 变频率()。时，机械特 性基本上也是平行下移，如图1 5 所示。异步 电动机的机械 特性 上有一个转矩的 最大值，如式(1 1 1)所示，频 率越低，最 大转矩值越 小，频 率很低 时，T。太 小，将 限制 电动机的带载能力，采用定子压降补偿，适 当地提高 电压u ，可 以 增 强带载能 力，如 图1 5 所示。=3 np(U s一、f 一 一 l+J 2(2)t E J c o 控制 如果在电 压一 频 率协调控制中，恰当 地提高电 压u 的 数值，使 它在 克服定子阻抗压降以后，能维持E ，为恒值(基频

12、以下)，则由式(1 1)n-j 知，无论频率高低，每极磁通 均为常值，且由图1 3 所示的等效 电路可 以看出 1，=+0 3 11一 Li r 代入 电磁转矩 关系式，得 f l l 21 3 n p E 这就是恒E 口 时的机械特性方程 式。机械特性曲线的形状与恒压频 比特性 相似，图 1-6 中给出 了不同控 制方式时的机 械特性。将 式(1 一 l 3)对s 求导，并令d T d s=0，可得 恒E c a 控 制特性在 最大转矩时 的转差率=一(1 一 l 4)和 最 大 转 专 值得注意的是，在式(1 1 5)中，当E 为恒值时，E。恒定不变。可见恒 E c a 控制的稳态性能是优

13、于恒u c a，控制的，它正是恒U c a 控制中补偿定子 压 降所追求的 目标。(3)恒E 。控制 如果把电压一 频率协调控制中的电压u 再进一步提高，把 转子漏抗上的压降也抵消掉，得到 I E J 6 控制，那么，机械特性会怎样呢?由图 一 3 可 写出I r (1 1 6)代 入电磁转矩基本 关系式，得=Er I S 维普资讯 http:/ 很明显。这时的机械特性T =f(s)完全是一条直线，也把它画在图1-6 上。显 然。恒E ，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调速所要求的性能。问题是，怎样控制变频装置的电压和频率才能获得恒定的E ，呢

14、?按照电 动势和磁通的关系 见式(1 5)】可以看出。当频率恒定时。电动势E r 与转子全磁通 幅值中 成正 比。由此可见，只要 能够 按照转子全磁通幅值=恒值得进行控 制。就可以获得恒E r，了。1 2 4 基频以上恒压变频控制时的机械特性 在基频 以上变频调速时。由于 电压u。-U 不变，式(1 6)的机械特性方程 式可 写成 W e=3 n p Us l 2 s Rr 而式(1 1 1)的最大转矩表达式可改写成 一=n p Us N 2 1 同步转速的表达式仍和式(1 8)一样。由此可见，当角频率 提高时。同步 转速随之提高。最大转矩减小。机械特性上移，而形状基本不变。如图1 7 所 示

15、。由于频率提高而电压不变，气隙磁通势必减弱，导致转矩的减小，但转速 却升 高了。可 以认为输出功率基 本不变。所 以基频 以上变频调速属于弱磁恒功 率调速。最后应该指 出，以上所分析的机械特性都是 在正弦波 电压供 电下的情况。如果电压源中含有谐波，将使机械特性受到扭曲，并增加电动机中的损耗。因 此在设计变频装置时。应尽量减少输出电压中的谐波。作者简 介 陈伯 时男博士生导师享受国务院特殊津贴，-T-2 0 纪8 0 年代初就进 行交流变频调速系统项目的开发、研究，承担了多个国家重点攻关项 目，现已出 版专著数本。已公开发表论文1 0 0 多篇。参考文献 1 中国变频器市场研究 中国工控网 w

16、唧 g o n g k o n g c o m 2 陈伯时电力拖动自动控制系统运动控制系统(第 3 版)北京：机械工业出版社，2 0 0 3 3 陈伯时，陈敏逊交流凋速系统(第2 版)电气自动化新技术丛书北京：机械工业出版社，2 0 0 5 1 0 2 T H E WOR L D OF I N V E R T E R S 一 图 1 5 恒压频比控制时变频调速的机 械 特性 1 恒u (I)。控制 2 恒E g (I)控制3 恒E(I)。控制 图 1 6 不 同电压 一 频率 协调控制 方式 时的机械特性 图 1 7 基频以上恒压变频调速的机械 特 性 O l 、8 9 1 1 一 -1 1，、，L 维普资讯 http:/