61变压变频调速的基本控制方式 教学内容 62异步电动机电压-频率协调控制时的机械特性 掌握异步电动机变压变频调速的基本方法,变频调速的稳态机械 教学目的 特性 基频以下:恒压频比,恒E/O1控制,恒E,/m控制,恒磁, 恒转矩调速;基频以上:电压恒定,弱磁恒功率调速。 教学重点 变频调速的稳态机械特性。 3学时 建议学时 教学教具与 PPT演示软件 61变压变频调速的基本控制方式 三相异步电动机定子每相电动势的有效值是:Eg=444Nkx、①m,只要控制 好E和f,便可达到控制磁通的目的 611基频以下调速 保持φ不变,当频率∫从额定值∫向下调节时,使一8=常值,采用电动势频 率比为恒值的控制方式。当电动势值较高时,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 fM 常值,这是恒压频比的控制方式。 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,不再能忽 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降。带定子压降 补偿的恒压频比控制特性示于图6-1中的b线,无补偿的控制特性则为a线
教学内容 6.1 变压变频调速的基本控制方式 6.2 异步电动机电压-频率协调控制时的机械特性 教学目的 掌握异步电动机变压变频调速的基本方法，变频调速的稳态机械 特性。 教学重点 基频以下：恒压频比，恒 1 Eg / 控制，恒 1 Er / 控制，恒磁， 恒转矩调速；基频以上：电压恒定，弱磁恒功率调速。 变频调速的稳态机械特性。 建议学时 3 学时 教学教具与 方法 PPT 演示软件 教 案 6.1 变压变频调速的基本控制方式 三相异步电动机定子每相电动势的有效值是： g s NS m E = 4.44 f 1N k Φ ，只要控制 好 Eg 和 1 f ，便可达到控制磁通 Φm 的目的。 6.1.1 基频以下调速 保持 Φm 不变，当频率 1 f 从额定值 1N f 向下调节时，使 = 1 f Eg 常值，采用电动势频 率比为恒值的控制方式。当电动势值较高时，忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为 定子相电压 Us Eg ，则得 = 常值 1 f Us ，这是恒压频比的控制方式。 低频时， Us 和 Eg 都较小，定子漏磁阻抗压降所占的份量就比较显著，不再能忽 略。这时，可以人为地把电压 Us 抬高一些，以便近似地补偿定子压降。带定子压降 补偿的恒压频比控制特性示于图 6-1 中的 b 线，无补偿的控制特性则为 a 线
U b一带定子压降补偿 一无补偿 图6-1恒压频比控制特性 62基频以上调速 在基频以上调速时,频率从∫向上升高,保持U,=Uw,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6-2所示。 恒转矩调速 恒功率调速 O 图6-2异步电机变压变频调速的控制特性 在基频以下,磁通恒定,属于“恒转矩调速”性质,而在基频以上,转速升高时 磁通降低,基本上属于“恒功率调速” 62异步电动机电压频率协调控制时的机械特性 621恒压恒频正弦波供电时异步电动机的机械特性 当定子电压U和电源角频率O1恒定时,可以改写成如下形式: so T=3n R (SR, +R)+sof(Li +Lr) 当s很小时,忽略分母中含s各项,则T≈3n m∝s,转矩近似与s成 R 正比,机械特性T=∫(s)是一段直线,见图6-3。当s接近于1时,可忽略分母中的R
O Us f 1 UsN f 1N a —无补偿 b —带定子压降补偿 图 6-1 恒压频比控制特性 6.1.2 基频以上调速 在基频以上调速时，频率从 1N f 向上升高，保持 Us = UsN ，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 6-2 所示。 f1N 恒转矩调速 Us UsN ΦmN Φm 恒功率调速 Us Φm f O 1 Us Φm f O 1 图 6-2 异步电机变压变频调速的控制特性 在基频以下，磁通恒定，属于“恒转矩调速”性质，而在基频以上，转速升高时 磁通降低，基本上属于“恒功率调速”。 6.2 异步电动机电压-频率协调控制时的机械特性 6.2.1 恒压恒频正弦波供电时异步电动机的机械特性 当定子电压 Us 和电源角频率 1 恒定时，可以改写成如下形式： 2 ' 2 1 ' 2 2 ' 1 2 1 ( ) ( ) 3 s r l s l r s r e p sR R s L L U s R T n + + + = 当 s 很小时，忽略分母中含 s 各项，则 s R U s T n r s e p ' 1 2 1 3 ，转矩近似与 s 成 正比，机械特性 T f (s) e = 是一段直线，见图 6-3。当 s 接近于 1 时，可忽略分母中的 ' Rr ， 则
O, R ∝-,s接近于1时转矩近似与s成反比 SIR, +O,(Ls + L 这时,T=∫(s)是对称于原点的一段双曲线。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6-3所示 emax 图6-3恒压恒频时异步电机的机械特性 622基频以下电压频率协调控制时的机械特性 恒压频比控制(UO1=恒值) 同步转速n随频率变化n=,带负载时的转速降落Mn=smn= 在机械特性近似直线段上,可以导出SO1≈ RT 由此可见,当U,/1为恒 O 值时,对于同一转矩T,sO1是基本不变的,M也是基本不变的。在恒压频比的条件 下改变频率1时,机械特性基本上是平行下移,如图6-4所示 频率越低时最大转矩值越小,最大转矩Tm是随着1的降低而减小的。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,见图6-4
s R L L s U R T n s l s l r s r e p 1 [ ( ) ] 3 2 ' 2 1 2 ' 1 2 1 + + ，s 接近于 1 时转矩近似与 s 成反比， 这时， T f (s) e = 是对称于原点的一段双曲线。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 6-3 所示。 sm n n0 s Te 1 0 0 Te n n0 s Te 1 0 0 Te Temax Temax 图 6-3 恒压恒频时异步电机的机械特性 6.2.2 基频以下电压-频率协调控制时的机械特性 1．恒压频比控制（ Us /1 = 恒值 ） 同步转速 0 n 随频率变化 p 0 n n 2 60 1 = ，带负载时的转速降落 1 2 60 s n n sn p = o = ， 在机械特性近似直线段上，可以导出 2 1 ' 1 3 s p r e U n R T s ，由此可见，当 1 Us / 为恒 值时，对于同一转矩 Te ， 1 s 是基本不变的， n 也是基本不变的。在恒压频比的条件 下改变频率 1 时，机械特性基本上是平行下移，如图 6-4 所示。 频率越低时最大转矩值越小，最大转矩 Te max 是随着 1 的降低而减小的。频率很 低时， Te max 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 Us ， 可以增强带载能力，见图 6-4
补偿定子压 降后的特性 图6-4恒压频比控制时变频调速的机械特性 2.恒E。/O1控制 Eg一气隙磁通在定子每相绕组中的感应电动势:E,一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(折合到定子边) 在电压-频率协调控制中,恰当地提高电压U,克服定子阻抗压降以后,能维持 Ex/O1为恒值(基频以下),则无论频率高低,每极磁通φ均为常值,由等效电路得 转子电流和电磁转矩 R=3n (E:SO,R R-+soL S 这就是恒Ex/1时的机械特性方程式 当s很小时,忽略分母中含s项,则,3Nm,机械特性的这一段 近似为一条直线。当s接近于1时,可忽略分母中的R2项,则 7.3En-Rx1,这是一段双曲线 O,SO, L7 将T对s求导,并令d/d=0,可得恒Eg/O1控制特性在最大转矩时的转差率
Te O n n0 N n03 n02 n01 1N 11 12 13 1N 11 12 13 补 偿 定 子 压 降后的特性 图 6-4 恒压频比控制时变频调速的机械特性 2．恒 1 Eg / 控制 Eg —气隙磁通在定子每相绕组中的感应电动势； Es —定子全磁通在定子每相绕 组中的感应电动势； Er —转子全磁通在转子绕组中的感应电动势（折合到定子边）。 在电压-频率协调控制中，恰当地提高电压 U s ，克服定子阻抗压降以后，能维持 1 Eg / 为恒值（基频以下），则无论频率高低，每极磁通 Φm 均为常值，由等效电路得 转子电流和电磁转矩 2 2 ' 1 2 ' ' lr r g r L s R E I + = , 2 '2 1 '2 2 ' 1 2 1 ' 2 2 ' 1 2 ' 2 1 3 3 r l r g r p r l r r p g e R s L E s R n s R L s R n E T + = + = 这就是恒 1 Eg / 时的机械特性方程式。 当 s 很小时，忽略分母中含 s 项，则 s R E s T n r g e p ' 1 2 1 3 ，机械特性的这一段 近 似 为 一 条 直 线 。 当 s 接 近 于 1 时 ， 可 忽 略 分 母 中 的 '2 Rr 项，则 s L s E R T n lr g r e p 1 3 '2 1 ' 2 1 ，这是一段双曲线。 将 Te 对 s 求导，并令 dTe / ds = 0 ，可得恒 1 Eg / 控制特性在最大转矩时的转差率
R 和最大转矩T 3(Eg)1 当Eg/O1为恒值时,Temx恒定不变 O, Lir 可见恒ExO1控制的稳态性能是优于恒U,/1控制的,它正是恒U,/控制中补偿 定子压降所追求的目标 3.恒E,/O1控制 如果把电压-频率协调控制中的电压U,再进一步提高,把转子漏抗的压降也抵消 得到恒E,/o,控制 E 电磁转矩 R ( E.SO,机械特性T=f(s)完全是一条直线,也 R 把它画在图6-6上。显然,恒E,/ω1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 气隙磁通的感应电动势E。对应于气隙磁通幅值φ,转子全磁通的感应电动势 E对应于转子全磁通幅值中m:E,=444JNk、中m,只要能够按照转子全磁通幅 值φm=恒值进行控制,就可以获得恒E,/o1。 恒E1/@1控制 恒E/o1控制 恒U/o1控制 图6-6不同电压一频率协调控制方式时的机械特性 4.小结 恒压频比(U,/ω1=恒值)控制最容易实现,变频机械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,但低速带载能力有些差强人意,须对定子压 降实行补偿
' 1 ' lr r m L R s = 和最大转矩 ' 2 1 max 1 2 3 lr g e p L E T n = ，当 1 Eg / 为恒值时， Te max 恒定不变。 可见恒 1 Eg / 控制的稳态性能是优于恒 1 Us / 控制的，它正是恒 1 Us / 控制中补偿 定子压降所追求的目标。 3．恒 1 Er / 控制 如果把电压-频率协调控制中的电压 U s 再进一步提高，把转子漏抗的压降也抵消 掉，得到恒 1 Er / 控制， R s E I r r r / ' ' = ，电磁转矩 ' 1 2 1 ' 2 ' 2 1 3 3 r r p r r p r e R E s n s R s R n E T = = ，机械特性 T f (s) e = 完全是一条直线，也 把它画在图 6-6 上。显然，恒 1 Er / 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。 气隙磁通的感应电动势 Eg 对应于气隙磁通幅值 Φm ，转子全磁通的感应电动势 Er 对应于转子全磁通幅值 Φrm ： r s N Φrm E f N k 1 S = 4.44 ，只要能够按照转子全磁通幅 值 Φrm = 恒值 进行控制，就可以获得恒 1 Er / 。 0 s 1 0 Te 0 s 1 0 Te 恒 Er /1 控制 恒 Eg /1 控制 恒 Us /1 控制 a b c 图 6-6 不同电压－频率协调控制方式时的机械特性 4．小结 恒压频比（ 1 Us / =恒值）控制最容易实现，变频机械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，但低速带载能力有些差强人意，须对定子压 降实行补偿