（电力电子与电力传动专业论文）异步电动机变频调速系统高功率因数控制研究.pdf

贵州大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ei n d u c t i o nm o t o rd r i v i n gt e c h n o l o g i e sa r eb e i n gi m p r o v e dq u i c k l ya n dn e wc o n t r o l s t r a t e g e sa r ed e v e l o p e da n da p p l i e df o r d i f f e r e n ta p p l i c a t i o n s t h ea d v a n c e da cm o t o rd r i v i n g s y s t e m s a r eo fh i g hp e r f o r m a n c e sa n d c o m p e t e n t t ot h ed cm o t o r d r i v i n gs y s t e m s v a r i a b l e - f r e q u e n c ys p e e dr e g u l a t i o n i sa t i p t o pw a ya b o u ts p e e dr e g u l a t i o n t h ec o m p u t e r s i m u l a t i o no ft h ee l e c t r i cd r i v es y s t e mi so n eo ft h eq u i t ei m p o r t a n tm e a n si nt h es c i e n c er e s e a r c h u s i n gm o d e ms c i e n t i f i cm e a n s i tm a i n l yi n t r o d u c e dt h ed e v e l o p m e n to fa c r e g u l a t i n gs p e e ds y s t e ma n dt h eb a s i se l e m e n t so f s p w m ( s v p w m ) c o n t r o la n dh o wt ou s es i m u l i n ki ns o f t w a r em a t l a ba n de s t a b l i s h i n g a s y n c h r o n o u sm o t o r sm a t hm o d e l t h ee m p h a s e sa l es i m u l a t i o na b o u te v e r yp a r to ft h es y s t e m a n ds p w m ( s v p w m ) c o n t r o ls y s t e m ，a n da n a l y z e da n dr e s e a r c h e dp o w e rf a c t o ro fi n d u c t i o n m o t o rt h er e l a t i o nb e t w e e nt h es e l f - p a r a m e t e ra n da c a t h r o u g hm a n yo ft h es i m u l a t i o nt e s t ， s y s t e m sc a p a b i l i t yw a sr e s e a r c h e da b o u ts t e a d yc o n d i t i o na n dd y n a m i ca n dd i v e r s i f i e dc i t e s i ti s b a s ef o rm o r ed e v e l o p m e n ta n du s i n go fn e we x p e r i m e n t a li n s t a l l a t i o n k e y w o r d s ：s p w ms v p w mv w fs i n u l i n k v 贵州大学硕士学位论文 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究曾做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 雍主茧 日 期： ! q q 姓么旦 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解贵州大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权贵州大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：瞬扯导师签名 e t 期：2q q 墨生垒旦 贵州大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 交流调速系统的发展1 1 5 】 直流电气传动和交流电气传动在1 9 世纪先后诞生。在2 0 世纪的大部分年代里，鉴于 直流传动具有优越的调速性能，高性能可调速传动都采用直流电动机，而约占电气传动总容 量8 0 的不变速传动则采用交流电动机，这种分工在一段时间内成为一种举世公认的格局。 交流调速系统虽然早已有多种方案问世，并以获得一些实际应用的领域，但其性能却始终无 法与直流调速系统相匹敌。直到2 0 世纪7 0 年代末，这种认为是天经地义的交直流传动按调 速分工的格局终于被打破了。此后，交流调速系统主要沿着三个方向发展和应用，一是以节 能为目的的改恒速为调速，在原来大量的变频不调速领域( 如压缩机、风机等) 中，改直接 起动为软起动，改恒速为可调速，在调速性技术能要求不高的场合，可采用开环调速。仅水 泵控制改造一项，节电率就达2 0 以上。二是以少维护、经济省力为目的取代直流调速系 统，在关系到生产和入身安全的场合，为减少直流电机的故障，改用交流调速系统，直流轧 机改为交流轧机，电动汽车中采用交流调速可以减少体积和重量，提高可靠性。三是在直流 调速难以实现的特大容量、高电压、极高转速领域中( 如厚板轧机，离心机等) ，交流调速 可以大显身手。 1 2 变频技术的发展和意义m 1 随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，电气传动技术面临着一 场历史革命，即交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展 趋势。在众多的交流调速技术中，交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品 质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。变频技术的发展得益于微电子和电力电子 技术以及异步电动机控制理论的发展，也来自于市场的巨大推动力。一般占工业用电 5 0 、6 0 的风机、泵和压缩机等通用机械上使用变频调速装置，将可节电3 0 左右，因此有 着巨大的市场潜力。变频调速以其优异的调速和起制动性能，节电效果，广泛的适用范同及 其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。 变频调速技术是由变频器将固定电压、固定频率的交流电变换为可调电压、可调频率 的交流电，通过变频器向交流电动机供电的技术。它作为电气传动领域中重要的基础技术， 贵州大学硕士学位论文 在改善电机特性，节能运行方面有显著作用，对生产实践有很高的理论价值，已经在工业领 域的各个部门得到了广泛的应用。变频调速的优点在于当频率改变的时候转差率不变，因此 转差损耗小，特性硬，调速范围宽，调速精度高，适用于各类调速性能较高的场合。变频调 速的方法主要有标量控制、矢量控制( 直接磁场定向和间接磁场定向) 、直接转矩控制等。 1 3 本论文的意义及任务 在研究交流电动机变频调速时，我们做了无数实验，在实验中大量的贵重元器件由于各 种原因损坏了，因此我们想到了“系统仿真”。系统仿真是指使用数字计算机设备来模拟或 描述一个系统或过程的行为从而解决问题的一种技术。系统仿真是设计出系统的可以计算的 模型( 模拟模型) ，并利用它在计算机上进行试验以了解系统行为或评估系统运用的各种策略 的定量分析过程或技术。 仿真技术是集控制论、系统理论、相似原理、计算机技术于一体的综合性高科技。虽然 它才仅仅出现几十年，却在社会、经济、科学、军事、教育和企业管理等各个领域得到了广 泛的应用。据估计，在日本企业，用系统工程解决的事件管理与决策的问题中，有8 0 以 上是通过系统仿真方法解决的。在我国，目前也正在大力推广和普及，并已在交通运输、军 事训练、地区发展规划、工业过程设计、人口问题研究等方面取得了丰硕的成果。系统仿真 如此蓬勃发展，一方面由于我们面临的各种实际系统往往都是包括大量随机因素的动态的复 杂系统。对这些系统很难采用传统方法建立数学模型，分析求解。另一方面是由于系统仿真 方法具有可控性、无破坏性、安全、不受外界条件的限制等优点，它能通过建立逼真的仿真 模型和在计算机上反复的仿真试验，对复杂问题进行综合分析和比较，从而为科学决策提供 可靠的依据。 本文详细研究变频调速的两种控制方法( s p 删和s v p w m ) ，重点分析研究功率因数与电机 各项参数以及运行条件的关系，并研究了应用8 0 c 1 9 6 m c 单片机控制的脉宽调制( p 州) 变频 调速系统。通过大量的仿真实验，研究了异步电动机变频调速系统的稳态特性、动态特性以 及系统参数变化等因素对系统性能的影响，更证明了系统仿真的必要性和重要性，为新的实 验设备的进一步开发和利用奠定了坚实的基础。 2 贵州大学硕士学位论文 第二章变频调速的基本原理 2 1 变频调速的原理和控制方式 2 1 1 交流调速系统的分类 由电机拖动原理，已知交流异步电动机的转速表达式【l 】为 玎。盟( 1 一s ) 一6 0 c a 、 1 一s ) ( 2 - 1 ) p 2 , f f p 式中五加到异步电动机定子绕组上的交流电的频率； q 相应的角频率； p 异步电动机的极对数； s 电动机运行时的转差率，s ，鱼二旦；竺二竺； n oq 一异步蚴机的同步髓”警丽6 0 c 0 1 ； 因此可归纳出交流异步电动机的三类调速方法：变极对数p 的调速，变转差率s 调速 及变电源频率厶调速。为此常见的交流调速系统分类有：变极调速：变压调速；绕 线式异步电动机转子串电阻调速；绕线式异步电动机串级调速；电磁转差离合器调速； 变频调速等等：以上是一种比较原始的分类方法。 现代科学的分类是：看调速系统的是如何处理转差率的，转差率是消耗掉还是得到回 收，还是保持不变。从这点出发，可以把异步电动机的调速系统分成三类：( 1 ) 转差功率消 耗型调速系统转差功率全部转化为热能而被消耗掉。这类系统的调速效率低，它们是以 增加转差功率的消耗来换取转速的降低( 恒转矩负载时) ，越向下调速，效率越低。可这类系 统结构最简单，因而还有一定的应用场合。上述第、的调速系统就属于这类系统。 ( 2 ) 转差功率回馈型调速系统转差功率的少部分被消耗，大部分则通过交流装置回 馈给电网或转化为机械给予以利用。转速越低，回收的转差功率越多。异步电动机串级调速 就属于这类系统。这类系统的效率显然比上一类要高得多。 3 贵州大学硕士学位论文 ( 3 ) 转差功率不变型调速系统这类系统在调速过程中，转差功率的消耗基本不变， 因此效率最高。上述的第、种调速系统属于此类。其中变极对数p 的方法只能实现有 级调速，应用场合有限。只有变频调速应用最广，可以构成高动态性能的交流调速系统，是 最有发展前途的。 2 1 2 变频调速的基本控制方式 单从式( 2 1 ) 来看，只要改变定子交流电的频率 就可以调节电动机的转速了，但是事 实上，只改变五并不能实现正常的调速。实际应用时，通常不仅要求实现转速调节，同时 还要求调速系统具有满足生产工艺要求的机械特性和调速指标。 由电机学知 e sia 触l 叠墨n p m 互；巳m 。ec o s 仍 式中，幺定子每相中气隙磁通感应电动势有效值，单位为矿； 1 定子每相绕组串匝数； k 1 - 基波绕组系数； 中，每级气隙主磁通量，单位为肋； 互电磁转矩，单位为n d n ； q 转矩常数： e 转子电流折算至定子侧的有效值，单位为a ； c o s 仍转子电路的功率因数； 如果忽略定子上的电阻压降，则有 u 。- t = 4 4 4 1 j 0 。西。 式中u ，定子相电压，单位为v 。 于是，主磁通 4 ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) 贵州大学硕士学位论文 卟彘一忘 从上式看出，若u 1 不变，则五上升时，中。将下降，于是电磁转矩i 下降，这样电动 机的拖动能力会降低；若降低五，则中。上升，当，l 小于额定频率时，主磁通m 。将超过额 定值。由于在设计电动机时，主磁通。的额定值一般选择在定子铁心的临界饱和点，所以 当在额定频率以下调频时，将会引起主磁通饱和，这样励磁电流急剧升高，使定子铁心损耗 e 心急剧增加。这两种情况都是实际中所不允许的。为此，在实际调速过程中常采用下列 变频控制方式。 一、基频以下的变频控制方式 在进行电机调速时，通常希望保持电机中每极磁通量为额定值，并保持不变。如果磁通 太弱，没有充分利用电机的铁心是一种浪费：如磁通过大，又会使铁心饱和，从而导致过大 的磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。 要保持垂。不变，当频率五从额定值向下调时，须同时降低t ，采用恒定的电动势 频率比的控制方式，即 和值 但是绕组中的气隙磁通感应电动势很难直接控制，当电动势值较高时，我们可以忽略定子绕 组的漏磁阻抗压降，认为定子相电压u t ，此时为恒压频比的控制方式，即 鲁啪 恒压频比的变频控制在低频时，由于砜和t 都比较小，定子阻抗压降所占的份量比较显著， 不能忽略。这时，可以认为地把电压抬高一些，以便近似的补偿定子压降。恒压频比控 制特性如图2 1 所示。 5 贵州大学硕士学位论文 图2 - 1 恒压频比控制特性 口一无偿的控制特性：b 一带定子阻抗压降补偿的恒压频比控制特性 二、基频以上的变频控制方式 在基频以上调速时，频率可以从凡往上增大，但电压酞却不能增加得比额定电压u l 大，一般保持在电动机允许的最高额定电压【o 。在式( 2 2 ) 可知，这样只能迫使磁通与频率 成反比，相当于直流电动机弱磁升速的情况，即 西。一 在基频以下和基频以上两种情况结合起来，得图2 - 2 所示的异步电动机变频调速控制 特性。在基频以下，属于“恒转矩调速”；在基频以上，基本属于“恒功率调速”。 以 u b n 图2 2 异步电动机变频调速控制特性 2 1 3 变频调速的其他控制方式 交流异步电动机的变频调速除了上述两种基本控制方式之外，还有其他的控制方式，简 单介绍如下： 1 、转差率控制方式 6 贵州大学硕士学位论文 在恰当的控制定子电流使得主磁通总是保持为恒定值的情况下，电磁转矩与转差频率成 正比。因此控制转差频率，就能实现对电磁转矩的控制。这种控制方式在适当的磁通补偿下， 不需要使用速度传感器，就可实现转速较高精度的控制。 2 、电流限制控制方式 电流限制控制方式适用于电动机载重的情况下。当负载特别重或负载突然有很大的增 加时，电动机的转差频率就会变的特别大，定子电流将上升到跳闸保护的水平，结果使变频 器发生跳闸保护动作。为了客服这种现象，可采用电流限制控制方式，这种控制将使电动机 发出某一个最大转矩，并且不管负载有多重，变频器也不会跳闸，实现挖土机特性。这种转 矩控制功能是通过恰当地调节定子电压u 和定子交流电频率五来实现的，因而仍然属于 u 五控制方式a 3 、二次方电压频率控制方式 这种控制方式适用于风机、泵类等转矩与转速的二次方成正比的负载。 4 、矢量控制方式 1 9 7 1 年由f b l a s c h k e 提出的矢量控制理论将交流传动的发展向前推进了一大步，使交 流电机控制理论获得第一次质的飞跃。其实质是指通过对旋转坐标系上直流量一磁场电流分 量与转矩电流分量的控制达到对静止坐标系上三相交流量的控制。这样在旋转坐标系上，交 流电机可以等效为直流电机，在磁场电流恒定时，通过控制转矩电流，获得与直流电机同样 优良的静动态性能。尽管矢量控制方法从理论上可以使异步电机传动系统的动态特性得到显 著改善，但矢量控制的实现需要用到转子磁链，转子磁链定向时对转子参数变化的敏感性使 得实际控制效果难以达到理论分析的结果。一方面会使磁链和转矩偏离指令值，不能达到准 确的磁场定向，从而引起额外损耗和最大转矩降低；另一方面系统动态响应时间延长，达不 到所要求的动态性能指标。 5 、直接转矩控制 针对矢量控制存在的不足，d e p e n b r o c k 教授于1 9 8 5 年首次提出异步电机直接转矩控制 方法，接着1 9 8 7 年将其推广到弱磁调速范围。不同于矢量控制技术，它无需将交流电动机 与直流电动机作比较、等效、转化，不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化 交流电动机的数学模型。它是在定子坐标系下，利用空间矢量的概念，通过易于测量的定 子电压电流和转速等，直接对磁链和转矩进行控制。由于选用了定子磁链，因而避开了未知 且时变的转子参数，故参数鲁棒性好。转矩与定子磁链讽节器采用b a n g b a n g 控制，可以 7 贵州大学硕士学位论文 获得快速的动态响应，但同时带来了转矩脉动、调速范围受限的缺点，低速时调速性能明显 下降。其中，六边形磁链控制方案，转矩脉动、噪声都比较大，但有利于减小功率器件的开 关频率，适用于大功率领域；近似圆磁链的控制方案，则比较接近理想情况，电机损耗、转 矩脉动及噪声均很小，侧重于中小功率高性能调速领域。 2 2 变频调速的机械特性【1 4 l 2 2 i 基频以下恒压频比协调控制方式时的机械特性 由电机学可知，三相交流异步电动机在正弦恒压恒频供电时的机械特性方程为 t 吨2 面希。 g q 式中， u 异步电动机的定子电压( y ) ； q 异步电机的定子角频率( 恐) ： r 定子绕组电阻( q ) ； 折算到定子侧的转子绕组电阻( q ) ； 厶l - 定子每相漏电感( 日) ； 折算到定子侧的转子每相漏电感( 日) ； 见电机的极对数。 对式( 2 4 ) ，如果令d 互出一0 。可求得电动机的最大电磁转矩互眦和对应的临界转差率 为 。吾见2 1 2 丽蓊雨al 2 雨亍 p ( 2 - 5 ) c - 6 ) 由公式( 2 4 ) 可知，对于同一组转矩t 和转速万( 或转差率s ) 的要求，定子电压与频率可以有 8 贵州大学硕士学位论文 多种配合方式。在阢和q 的不同配合下机械特性也是不一样的，因此，有不同方式的电压、 频率控制。 1 、恒u q 控制 为了近似的保持气隙磁通中。不变，以充分利用电机的铁心，发挥电机产生转矩的能力， 在基频以下须采用恒压频比控制。这时，同步转速以。自然随频率变化。 ( 2 7 ) ( 2 - 8 ) w 见薏文s ， 即菊 0 ) 速再降低，特性就折回来。而且频率越低最大转矩越小。互螂太小将限制系统的带载能力。 o 图2 - 3 恒压频比控制时变频的机械特性 9 q 毒 嵩 一幼 2 嗍 h 。 l 厅 以 厅 为 衄 幽 落降速转时载负带 此 因 贵州大学硕士学位论文 2 、恒乓q 控制 如果在电压、频率协调控制中，恰当地提高电压矽1 的份量，使它能克服定子的阻抗压 降，维持t q 为恒值。根据式( 2 2 ) 可知，此时每极磁通中中，为常值，由图2 - 4 等效电路 可以得到此时转子电流值为： 焉 i 厶， 图2 - 4 异步电动机稳态等效电路和感应电动势 e i 将它代入电磁转矩基本关系式，得 ( 2 - 1 1 ) 互2 奄警州2 燕 ( 2 - 1 2 ) 这就是恒乞q 时的机械特征性方程式。 利用与前相似的分析方法，当s 很小时，可以忽略式( 2 1 2 ) 分母中含的s 2 项，则 w p 。2 薏s ( 2 1 3 ) 这表明机械特性的这一段近似为一条直线。当s 接近于1 时，可忽略式( 2 1 2 ) 分母中的2 项， 电磁转矩方程可表示为： w n 2 鑫詈 ( 2 1 4 ) 这是一段双曲线，当s 为上述两段的中间值时，机械特性在直线与双曲线之间逐渐过渡， 整条曲线和恒压频比的特性曲线相似a 但是，对比式( 2 - 9 ) 和( 2 - 1 2 ) 可知i ，恒t q 特性分母 1 0 贵州大学硕士学位论文 中含s 项的参数要小于恒“q 特性中的同类项，s 值要更大一些才能使该项占有显著的比 重，从而不能被忽略。因此，恒e g q 特性的线性段更宽。 对式( 2 - 1 2 ) 中变量s 求导，并令d 互出= 0 ，求得相应的最大转矩 。主见阿专 和在最大转矩时的转差率 一音 ( 2 1 6 ) q 2 在式( 2 - 1 5 ) 中，当t q 为恒值时，互一恒定不变。可见恒t q 的控制的稳态性能 优于恒u q 控制的，它正是恒u q 控制中补偿定子压降所追求的目标。 3 、恒巨q 控制 如果将电压一频率曲线中低频段的电压阢值再提高一些，且随时补偿转子漏抗上的压 降以保持转子电势巨随频率做线性变化，即可以实现恒e q 控制。根据图2 - 4 的等值电 路，转子电流可以表示为 e = 南 ( 2 - 1 7 ) 代入到电磁转矩公式中，求得 即以嚼 此时异步电机的机械特性互一厂( s ) 为一条精确的直线，可以获得与直流电机一样的线 性机械特性，没有最大转矩的限制，这是高性能交流电机变频调速所最终追求的目标。图 贵州大学硕士学位论文 o 图2 - 5 不同电压、频率协调控制方式时的机械特性 综上所述，按不同规律实现电压、频率协调控制可得到不同类型的机械特性。恒压频 比的控制最容易实现，它的变频机械特性基本上是平行下移的，硬度也较好，能满足一般的 调速要求，但低速时带载能力差，须对定子电压实行补偿控制；恒t q 控制是通常对恒 压频比控制实行电压补偿的目标，可以在稳态时达到西。= 恒值的目标，从而改善低速性能。 但是它的机械特性还是非线性的，产生转矩的能力受到限制；恒e q 控制可以得到和他 励直流电机一样的线性的机械特性，按照转子全磁通m 。恒定进行控制，即得e q = 恒 定值，在稳态和动态都能保持m 。恒定，是矢量控制系统实现的目标，当然实现起来是比较 复杂的。 2 2 2 基频以上电压、频率协调控制时的机械特性 在基频凡以上调速时，定子电压不能与频率成正比的升高，只能保持在额定电压，此 时气隙磁通。将随频率q 的升高而下降，导致转矩的减小，但转速升高了，可以认为输 出功率基本保持不变，近似看作恒功率调速。此时的机械特性方程如下 城币丽焉瓦丽 p 柳 令d r , d , 一0 ，得最人转矩 i 咖= 兰以u 。：1 j 南 1 2 ( 2 2 0 ) 贵州大学硕士学位论文 同步转速仍为要坐生 三孔p 。 可见，当角频率q 提高时，同步转速随之提高，最大转矩减小，机械特性上移。由于 频率提高而电压不变，气隙磁动势比减小，导致转矩的减下，但转速提高了，所以基频以上 调速属于弱磁恒功率调速。如图2 - 6 所示： - r 图2 - 6 基频以上变频调速的机械特性 2 3 负载性质与变频调速特点 2 3 1 负载性质吲 电动机所带的负载性质如何，是调速系统控制方式选择和控制方案确定时需要考虑的 一个重要方面。恰当的控制方式选择和控制方案确定能提高系统运行的质量，减少成本，并 达到生产工艺的要求和调速性能指标。 负载的性质通常用下式表示 互一c n 。( 2 - 2 1 ) 式中，c 是负载大小的常数，口是负载转矩曲线的形状系数。 如果口一0 ，则表示是恒转矩负载；如果a - 1 ，则表示是转矩与转速成比例的负载； 如果a 一2 ，则表示是转矩与转速的二次方成比例的负载；如果口；一1 ，则表示是恒功率 负载。负载性质是调速系统需要考虑的首要因素。 1 3 贵州大学硕士学位论文 2 3 2 转差频率和转差功率 1 、转差频率 转差频率是指转子转速与同步转速之间的转速差的频率，反映的是转子转速落后同步 转速的程度，并且显然与转差率s - ( n 。- n ) n o 有着密切的关系。由此，如果用正来表示 转差频率，则有如下关系 正一矾 ( 2 2 2 ) 相应地转差角频率q 为q s q ( 2 2 3 ) 转差频率反映转子与同步转速之间转速差的程度，是电动机调速系统运行时的一个极 其重要的参数与性能指标。 2 、转差功率 同步转速的旋转磁场与低于同步转速的转子有着同样大小的转矩，但具有不同的转速， 因此传到转子上的电磁功率罡与转子轴上产生的机械功率巳之间存在着功率差，对应于转 差频率，这个功率差成为转差功率。转差功率只为 只- 罡一昂一去砜一去劢；啦( 2 - 2 4 ) 显然，如果没有转速差，即s 一0 ，则p = 0 。但是异步电动机是必然存在转速差的， 有转速差才会在转子导体中出现感应电流，转子才可能旋转。因此，转差功率实际上是通过 具有一定电阻大小的转子导体发热而消耗掉的，所以转差功率又称为转差损耗。 2 3 3 变频调速的突出特点 1 、变频调速正是通过改变加到电动机定子绕组的交流电的频率五来使同步转速以变 化的，五下降则万，下降，缩小转速差，得到较小的转差率s 。 2 、由于较小的转差率s ，所以转差损耗功率只也较小。 3 、同样由于较小的转差率s ，电动机的效率，7 提高了。 4 、对于口比较大的负载，由于最大损耗并不太大，可考虑采用其他调速方法，如调压 调速等，但采用变频调速可实现节能。 1 4 贵州大学硕士学位论文 2 4 变频器的分类与特点【7 】 2 4 i 变频器及分类 变频器是对交流电动机实现变频调速的装置，它将由电网提供的恒压恒频的交流电变换 为新的电压新的频率的交流电，将这个变压变频了的交流电接入到电动机定子绕组中，实现 对交流电动机的变频无级调速。变频器的分类大致如下： 变频器 交一交变频器 按相数分 兰耄 按环流情况分 按输出波形分 交一直一交变频器 有环流 无环流 正弦波 方波 按无功能量处理方式分 詈蒙篓 按调压分式分脉冲幅度调制型 誓纂薯裂耄主 l 脉冲宽度调制型 2 4 2 交交变频器与交直交变频器 交交变频器与交直交变频器的结构如图2 - 7 所示。 a )b ) 图2 7 两种类型的变频器 a ) 交- 交变频器b ) 交- 直交变频器 交交变频器可将工频交流电直接变换成频率、电压均可调节控制的交流电，又称为直 接变频器。而交直交变频器是先把电网的工频交流电通过整流器变成直流电，通过中间滤 波环节后，再把直流电逆变成频率、电压均可调节控制的交流电，因此又称为间接变频器。 这两类变频器的主要特点比较如表2 1 所示。 1 5 贵州大学硕士学位论文 表2 1 交交变频器与交直- 交变频器的主要特点比较 l 菇蕊卜耋型 交交变频器交直交变频器 换能方式一般换能，效率较高二次换能，效率略低 换流方式电网电压换流强迫环流或负载换流 装置元件数量比较多比较少 元件利用率比较低比较高 输出最高频率为电网 调频范围频率调节范围宽 频率的1 3 - 1 2 如用可控整流，则低频低压时功率因数比较低； 电网功率因数比较低 用不可控整流p 形m 方式调压，则功率因数高 适用场合低速大功率用于各种拖动装置、稳压稳频电源和不停电电源 2 4 3 电压型与电流型交直交变频器 交直交变频器变频器是应用最多的一种变频器，由主电路和控制电路组成，主电路又 包括整流器、中间直流环节和逆变器。这两类变频器的主要特点比较如表2 2 所示 表2 - 2 电压型与电流型交直交变频器的主要特点比较 嘉_ 芝 电流型电压型 比较内容 直流回路环节抗电器电容器 决定于负载，当负载为异步电 输出电压波形矩形 动机时，近似为正弦波 决定于逆变器电压与负载电 输出电流波形 矩形动机的电势，近似为正弦波， 有较大的谐波分量 输出动态阻抗大小 尽管整流器电流为单向， 整流器电流为单向，并且 但l d 上电压反向容易，再生 c 上电压极性不易改变，再 再生制动 制动方便，主电路不需要附加生制动困难，需要在电源侧设 设备置反并联有源逆变器 过流与短路保护 容易凼难 动态特性快较慢，如用p w m 则快 耐压高，对关断时间无严耐压一般可较低，关断时间 对晶闸管要求 格要求要求短 线路结构 较简单 较复杂 单机、多机拖动，稳压稳 适用范围单机，多机拖动 频电源或不停电电源 1 6 贵州大学硕士学位论文 2 4 4p a m 型与p w m 型交直交变频器 变频调速时，需要同时调节逆变器的输出电压和频率，以保证电动机主磁通的恒定。 对输出电压的调节，主要有p a m 型和p w m 型两种方式。 1 、p a m 方式 脉冲幅值调节方式( p u l s ea m p l i t u d em o d u l a t i o n ，p a m ) ，是通过改变直流侧的电压幅值 进行调压的。在变频器中，逆变器只负责调节输出频率，而输出电压则由相控整流器或直流 斩波器通过调节中间直流环节的直流电压来实现。采用相控整流器调压时，网侧的功率因数 在不考虑谐波影响时，功率因数可接近于1 。采用直流斩波器的p a m 方式如图2 - 7 。 调压调频 图2 7 采用直流斩波器的p a m 方式 2 、p w m 方式 脉冲宽度调节方式( p u l s e w i d t hm o d u l a t i o n ，p w m ) ，变频器中的整流器采用不可控的二 极管整流，是功率因数较高。变频器的输出频率和输出电压均由逆变器按p w m 方式来完成。 p w m 方式的电路结构如图2 8 。 调压、 调频 图2 - 8p w m 方式的电路结构 1 7 贵州大学硕士学位论文 第三章异步电动机的运行性能分析 3 1 异步电动机的运行特性分析 3 1 1 负载变化对电动机稳定运行的分析 当电动机工作在额定电压和额定频率时，负载的变化将引起电动机转差率、定子电流、 转子电流以及转矩的变化，从而又引起电动机损耗功率因数、效率的变化。 定义负载率k 为表征负载变化程度的物理量，k 晶。 a 、负载变化对电机损耗的影响 电动机带动额定负载时的总损耗分为不变损耗和可变损耗e ，电动机从空载运行到 负载运行，由于主磁通和转速的变化很小，铁损和机械损耗近似不变，称为不变损耗。而定、 转子的铜损和附加损耗是随负载变化而变化的，称为可变损耗。可变损耗与负载率的平方成 正比，e = k 2 ，所以电动机的总损耗为罗p 一+ k 2 。 _ 任意负载率下电动机的效率叩为 叩2 每。南2 理1 。矗巫1 互2 矗丽1 p 哪 驴芎。磅2 瑶。碍2 蕊k p mp m p d k 吸，k 口r 以负载率k 为变量，对上式求导，当“撼似哮一。时， 只一k 2 厶0 ，m k 2 口k 即在一定负载率下，当可变损耗等于不变损耗时，电动机的效率最高。 c 、负载变化对电动机功率因数的影响 由异步电机等效电路求得的总阻抗是感性的，所以对电源来说，异步电动机相当于一个 感性阻抗，其功率因数小于1 。空载时，定子电流基本上是无功的励磁电流，所以功率因数 很低。当负载增加时，转子电流的有功分量增加，定子电流的有功分量随之增加，功率因数 上升，由于在空载到额定负载范围内，电动机的转差率很小，所以转子功率因数角几乎不变 1 8 贵州大学硕士学位论文 但负载超过额定值时，转差率变大，功率因数角也增大，转子电流的无功分量增加，使电动 机的定子功率因数有所下降。 d 、负载变化对电磁转矩的影响 电动机在转子中感应的电流与旋转磁场相互作用产生转矩使电机旋转，并拖动机械设备 转动。当电动机稳定运行时，负载转矩和电磁转矩相等。若负载增大，电动机偏离平衡点， 使转差率增大，随之转子电流增大，电磁转矩也增大，直至等于负载转矩。如果负载转矩大 于电动机的最大转矩，电动机则因不能承载而减速至停转。如果负载在小于额定值内变化， 且转速为额定值时，电机可以稳定运行。电动机的电磁转矩与负载率的关系为： 口垃；垃( 3 - 2 ) 胍，k 试中，k 一乙巧电动机的额定最大转矩倍数； 一t 任意负载时的组转矩与额定转矩之比，成为电动机的转矩率； 口；乙互任意负载时的最大转矩与该负载时的阻转矩之比。 由上可知，电动机在负载变化时的实际承载能力与负载率成反比，负载越小，承载能力 越大，系统运行越稳定，反之，承载能力越小，系统的稳定性要降低。 3 1 2 电压变化对电动机的功率和功率因数的影响 a 、电压变化对输出功率的影响 对于恒转矩负载，特别是对于恒转矩在重载时的运行状况，电动机转速、负载转矩受电 压的变化影响很小。因此电动机的输出功率基本不变，因此可认为，恒转矩负载时，电动机 的输出功率与电压变化无关。 对于变转矩负载，由于电动机在低速时也能稳定运行，因此允许的电压、转差率和相应 的转速变化范围较大，而变转矩负载的阻转矩是随转矩变化而变化的，例如对风机、泵类的 负载转矩与速度成平方关系。因此变转矩负载的输出功率将随电压的降低而降低，对于转差 较小的电机，当电压下降，转速和输出功率随之下降的幅度很小，而对转差较大的电机，转 速和输出功率随电压下降而下降的幅度较大。 b 、电压变化对功率因数的影响 由于电压的降低总是使励磁电流减小，转子电流增大。尽管定子电流可能增大或减小， 1 9 贵州大学硕士学位论文 但定子电流与电源电压之间的相角总是减小的，所以，功率因数将随电压的增加而减小，随 电压的减小而增大。 3 1 3 定子频率变化对电动机稳定运行的分析 a 、频率变化对转矩和转差率的影响 因为磁通和响应的励磁电流正比于u 厂，所以当电机的结构参数与电压不变，只改变 频率时，转矩与频率的平方成反比。 如果考虑电压与频率同时变化的慨有卢一k 墙热 k = u u 电压变化率。 k ，- 厂厶频率变化率。 电动机的实际负载转矩倍数与电压的平方成正比，与负载成反比，与频率的平方成反比 变化。 考虑电压和频率同时变化的情况，转差率与频率的关系可写为： s 册。暖； 一- - - - - - - 一 s n砭 转差率与负载率成正比，与频率变化成正比，与电压变化的平方成反比变化。 b 、频率变化对输出功率、损耗、效率和功率因数的影响 根据变频调速原理，当定子频率改变时，电动机的转子转速也相应变化，而转差率的变 化很小，对于恒转矩负载，转矩为常数，所以输出功正比于转速，即随频率的减小而减小； 对于恒功率负载，输出功率等于常数；对于大多数风机、泵类等变转矩负载，其轴输出功率 随转速的三次正比变化。 当频率降低时，由于铁芯中磁通增加，励磁电流增加，会使铁损明增加。转子电流将随 频率的降低成比例的降低，定子电流则可能增大也能减小，所以，铜损的变化视情况而定。 因为励磁电流增加，使得功率数有所下降。输出功率降低，效率一般降低。 3 2 异步电动机的节能控制方法分析 目前，大部分异步电动机的运行点并不在额定工作区间上，有些负载是变动的，运行点 贵州大学硕士学位论文 常常偏离额定工作点：有些电机由于选择的容量偏大，长期工作在轻载状态。当负载小于额 定值的三分之一时，电动机的运行效率和功率因数会明显下降，而一般系列的异步电机都是 根据满载或四分之三负载的效率值作为设计的依据，并没有涉及轻载点的运行状况。因此， 对于长期轻载运行或负载变化范围较宽的异步电动机，存在很大的节能空间。 提高变频调速电动机的运行效率，节能优化的研究主要分为以下三个方向p 3 】【3 4 】： a 、改进电动机本身与变频调速装置的设计； b 、研究异步电动机的效率优化控制策略； c 、从整个系统的角度，研究多台电机的协调运行优化控制策略。 具体的实现方法有： a 、基于模型的效率优化控制需要检测或估计电机的转速和电流信号，由电机和损耗模 型推导损耗最小或效率最高时的最优磁通值，这种方法可以实现变频调速系统的效率全局最 优化，最优磁通直接由计算得到，控制速度快。但是，由于温度和饱和效应的影响，模型的 参数在不同工况下变化明显，特别是对p w m 变频驱动的异步电动机，由于处于非正弦波电 压下供电，电机气隙中存在大量谐波励磁电流产生的时间谐波磁场，这些谐波磁场增加了电 机的定转子铁损，从而影响了模型的控制精度； b 、最小输入功率控制是在电机输出功率不变的前提下，通过在线搜索的方式使输入功 率达到最小，实现节能目标，这种方法能实现电机传动系统的效率全局最优，不需要电机参 数和模型的先验信息，但是，该方法的动态收敛速度不能另人满意，尤其不适用于负载变化 快的调速系统； c 、最小定子电流控制的方法直接以定子电流最小为搜索目标，实现起来比较简单，但 是只能实现部分效率的优化，而且其控制效果受到饱和现象和电机参数变化的影响，不能实 现节能控制的全局最优。 3 3 异步电动机的功率因数 1 功率因数是对电能进行安全有效利用的衡量标准之一。从最初的因为大量感性负载投 入电网带来的无功损耗，到后来的因为各种非线性整流装置投入电网带来的谐波污染，再到 现在的电力电子装置尤其是开关电源的广泛使用而带来的大量谐波对电网的危害，功率因数 校正技术走过了从无功功率补偿到无源、有源滤波，再到有源功率因数校正和单位功率因数 变换技术的发展历程。功率因数校正技术的发展，成为电力电子技术发展日益重要的组成部 2 1 盘 学啦i # 位建立 分，并成为r u 力电子技术进一步发腥的重要支撑 3 3 1 功率因数与效率 功率网数是反映电气设备从电源取得有功功率的效率的物理姑。降低异步电动机的无 功损耗使电机在较高的功率因数状态f 运行姓电动机能，高效率1 作的有效方法。 图0 - 1 ) 为功率因数c 0 3 妒与转子角频率吐和转差柏频率的函数曲线，可见，j 吐 较人时，电动机的功率冈数变化较小当吡降低较多时，功率困数则增加较快，曲线n 现 上翘现象。这是田为正常运行时，电机的转速比较大，般有砒口椰，此时定子角频率 q - 屿，( q m ) 比q k 人得多，k 比。，“：凡一个数越级，因此此时的电机功率 田数主要由0 和决定，所咀在相当人的转速范m 内，功率闻数的变化范围根小。但是， 当转于角频率减小到与转蒂角频率人小差不多时，定于电阻r 对电动机功率冈数的影响不 能被忽略，随着转述的降低，电路中的电抗迅速减小+ 而电阻的变化相对较小，田此功率 圳数随着吡的降低而增加。 幽3 1 功牢闪数与和的芙系曲线 幽3 - 2 教率_ 与蚺剌“的芙系曲线 贵州大学硕士学位论文 图( 3 2 ) 是效率叩与转子角频率吡和转差角频率的函数曲线，由图所示，当一 定时，电动机的效率随着转速的上升而单调递增：当毡一定时，随着转差频率的增加，电 机的效率存在一个最大值。 图( 3 - 3 ) 是功率因数随输入功率墨的变化曲线。 图3 3 叼、c o s 驴和输入功率层的关系 由图可知，接近空载时，功率因数随输入功率足增加而增加的速度远慢于效率提高的 速度。因此在异步电动机拖动系统中采用功率因数自动控制，使电动机在欠载情况下也能使 功率因数维持较高的数值，这对节能是有实际意义的。 3 3 2 功率因数与转差角频率 1 、功率因数与转差角频率的关系 异步电动机是一个高阶、非线性和强耦合的多变量系统。这是因为首先异步电动机在进 行变频调速时，电压和频率之间必须进行协调控制，故输入变量有电压和频率。而在输出变 量中，除转速以外，由于在调速过程中必须保持磁通为恒定，所以磁通也是一个控制量，而 且是一个独立的输出量。再考虑异步电动机是三相的，所以异步电动机的动态数学模型是一 个多输入、多输出( 多变量) 的系统；而电压( 电流) 、频率、磁通、转速之间又相互影响，所以 它是一个强耦合的多变量系统。其次，异步电动机的电磁转矩是磁通和电流相互作用产生的， 旋转感应电动势是转速和磁通相互作用产生的，因此，在数学模型中会含有两个变量的乘积 项，再考虑磁饱和的因素，所以异步电动机的数学模型是一个非线性的系统。最后，由于异 步电动机定、转子三相绕组中的电流产生的磁通存在电磁惯性，转速的变化存在机械惯性等 因素，所以异步电动机的数学模型是一个高阶系统。因此为便于分析，作如下假设： 贵州大学硕士学位论文 1 ) 三相绕组空间对称，忽略空间谐波，磁势沿气隙圆周按正弦分布； 2 ) 忽略磁饱和，各绕组的自感和互感都是线性的； 3 ) 不考虑铁芯损耗和定子电阻； 4 ) 忽略频率和温度变化对电机参数的影响。 得到异步电动机的t 型等效电路，如图( 3 - 4 ) 所示： 图3 _ 4 异步电机等效电路 图中，定子相电压m ； 置定子感应电动势( v ) ； 厶。，k ，k 定子、转子的漏电感和励磁电感( h ) 。 根据等效电路图可得出经过频率和绕组折算后的基本关系方程关系式： u i1 一e l + i l z l 乓i l l i ；z 2 ， 巨i ll + i ：i l 。 e l - 一i m z m 式中，z lir + q 上1 1( 定子电阻和定子漏抗) z 乏= 肛+ ，q ( 转子折算到定子侧的阻抗) 乙= 心+ j 峨 ( 励磁阻抗) ( 3 - 3 ) 为了便于分析，把异步电动机转化为理想化模型，忽略了定子电阻足和铁心损耗电阻 ，：，i ，因此有如下关系： z 。一q 厶。z 乞= 砭肛+ j q 砭z ，= - q k ( 3 - 4 ) 贵州大学硕士学位论文 由式( 3 3 ) 和( 3 - 4 ) 可得： 由克莱姆法则，可推导出： 另厶tl - 4 - 厶。 l 2 一