异步电动机变频调速系统

1、异步电动机变频调速系统异步电动机变频调速系统是属于转差功率不变型调速系统，是异步电动机各种调速方法中调速性能最好、效率最高的一种调速方法，因而在实际生产中得到广泛应用。变频调速的基本工作原理异步电动机的转速表达式为n = 60fi ° _ s） = n0（1 _ s）nP在三相异步电动机中存在下列关系：Eq =4.44fiNikN1 m如忽略定子阻抗压降，则U 1 ： Eq 二 4.44 fiNik|Ni m式中 Ui-定子相电压Eq 气隙磁通在定子每相绕组中感应电动势的有效值，V；fi-定子的电源频率Ni 定子每相绕组串联匝数；kNi 基波绕组系数；m每极气隙磁通量，Wb。变频调速

2、的基本控制方式和机械特性变频调速的基本控制方式1. 基频以下调速控制方式&Eq一要保持'm不变，当频率fi从额定值fiN向下调节时，应同时降低 Eq,使-上=常数，即采 fi用恒定电动势频率比的控制方式。U厂Eq ,取 5 =常数，即采用恒压频比的控制方式。qfi在低频时，Ui和Eq都较小，定子阻抗压降所占的分量就比较显著，不能忽略，因而必须对Ui进行定子阻抗压降补偿，人为地把电压Ui提高一些，尽可能维持磁通m基本不变。基频以上调速控制方式ii在基频以上调速时， 可以从fiN往上增加，如要维持 m恒定，必须随频率fl的增加而相应增加Ui，但电压Ui 般不能超过电动机的额定电压U

3、in，只能保持在电动机的额定电压U 1N上。所以在基频以上调速时只能放弃维持磁通 'm恒值的要求，使磁通'm与频率成反比 地降低，相当于直流电动机的弱磁升速的情况。 在基频以下调速属于恒转矩调速， 在基频以 上调速属于恒功率调速。变频调速的机械特性异步电动机恒压恒频时的机械特性当定子电压Ui和角频率1都为恒定值时，异步电动机的电磁转矩Te为理J止=3入巴）2_s2冬-创s也（sR +R2）2+s2d2（Lii+Li2）2式中Pm-电磁功率-'1 -电源角频率打_同步机械角速度n p-极对数Ui-定子电压FRi、R2 -定子每相电阻和折合到定子侧的转子每相电阻FLn、L1

4、2 -定子每相漏感和折合到定子侧的转子每相漏感当s很小时，可忽略上式分母中含s项，转矩近似与s成正比，这时机械特性fTe二f (S)是一段直线，如图i9-3所示。当s接近i时，可忽略上式分母中的 R2，转矩近 似与s成反比，这时机械特性Te = f (s)是一段双曲线。2. 变频调速的机械特性(i)基频以下变频调速的机械特性现以恒压频比控制为例说明基频以下变频调速的机械特性。恒压频比控制 U i / f,，)=恒值的机械特性。特性基本上是上下平移的，硬度较好，但最大转矩Temax随着fi降低而减小。当频率很低时，最大转矩Temax太小将限制变频调速系统的带负载能力，为此需要采用定子阻抗压降补偿

5、， 适当提高电压Ui，增强带负载能力。基频以上变频调速的机械特性当角频率.1提高时，同步转速 n。?随之提高，最大转矩 Temax减小，机械特性上移。机械特 性基本上亦是上下平移的。调速用静止式变频器类型及其特点静止式变频器从整体结构上可分为交-直-交变频器和交-交变频器；而从电源性质上分为电压源型和电流源型变频器。实际应用中大部分的变频器都为交-直-交电压源型变频器。交-直-交变频器交-直-交变频器先将恒压恒频的交流电通过整流器变换成直流电，再通过无源逆变器将直流电变换成变压和变频的交流电。由于这类变频器在恒压恒频的交流电源和输出的变压和变频的交流电源之间有一个中间直流环节，在变压和变频的过

6、程中经历了电能的两次变换， 所以又称为间接变频器。交-交变频器交-交变频器是将恒压恒频的交流电不经过其它中间环节而直接变换为变压和变频的交流 电，所以又称为直接变频器。交-交变频器输出的每一相都是相当于一套由正、反两组晶闸管可控整流电路反并联组成 的直流可逆调速线路所示。这种交-交变频器由于直接变换，效率较高，但其最高输出频率不超过电网频率的1/2，其主电路使用晶闸管元件数量多，如每组可控整流电路采用三相桥式电路，则需要36只晶闸管元件。此外，交-交变频器的缺点是输入功率因数较低，谐波电流含量较大。因此，交-交变频器主要用于轧机主传动、球磨机等低速大容量拖动埸合。电压源型变频器和电流源型变频器

7、在交一直一交变频器根据主回路中间直流环节直流电源性质可分成电压源型变频器 和电流源型变频器两大类。电压源型变频器变频器主电路的中间直流环节采用大电容滤波， 整流器输出电压经大电容的滤波作用后 使直流侧电压波形比较平直。 此时在逆变器前级的整流、 滤波电路可认为是内抗阻小的恒压 源，逆变器输出交流电压波形为矩形波或阶梯波。在变频调速系统中， 变频器的负载是异步电动机，属于感性负载。在中间直流环节与电机之间，除了有功功率的传递外， 还存在无功功率的交换。因而电压源型变频器中间直流环节储能元件采用大电容，电容除了滤波外还起着无功能量缓冲作用。电流源型变频器变频器主电路的中间直流环节采用大电感滤波，大

8、电感的滤波作用使直流侧电流波形比较平直。此时在逆变器前级的电路可认为是内抗阻很大的恒流源，逆变器输出交流电流波形为矩形波或阶梯波。 把具有这种直流电源性质的交一直一交变频器称为电流源型变频器，简称为电流型变频器。 电流型变频器主电路的中间直流环节的储能元件采用大电感，大电感除 了滤波外还起着无功能量缓冲作用。交一直一交电压源型变频器和电流源型变频器性能比较电压源型变频器和电流源型变频器在主电路上区别仅仅是中间直流滤波环节的不同，但就造成两类变频器具有完全不同的性能。采用电流源型变频器给异步电动机供电的电流源型变频调速系统的最大特点是容易实 现回馈制动，从而实现变频调速电机的四象限运行，适用于需

9、要快速制动和频繁正、反转的生产机械。电流源型交-直-交变频器供电的变频调速系统在电动状态运行时，可控整流器UR工作在整流状态(控制角:90 )，直流回路电压 Ud的极性为上正下负，电流 Id由Ud的正端 经大电感Ld流入逆变器CSI，CSI工作在逆变状态。此时，变频器的输出电压频率-i> ， 电动机以转速运行，电能由交流电网经变频器传送给电机，电机处于电动运行状态。当 电动机要减速停车时，可降低变频器的输出频率，使=：，异步电动机进入发电状态，同时使可控整流器 UR的控制角:90，UR进入有源逆变状态，直流回路电压Ud立即反 向，由于大电感Ld的作用，直流Id方向不变。于是逆变器CSI变

10、成整流器，可控整流器UR 成为逆变器，电动机把机械能转换为电能回馈给交流电网，电动机处于回馈制动工作状态，。采用电压源型变频器给异步电动机供电的电压源型变频调速系统要实现回馈制动和四 象限运行却比较困难。因为电压源型变频器采用大电容滤波，由于大电容上电压的极性不能迅速反向，而且电流受到器件单向导电性的制约也不能反向，所以在原装置上无法实现回馈制动。当变频调速系统需要制动时，可以在变频器中间直流电路上并联能耗制动电路，将电动机在发电制动状态反送到中间直流电路的能量消耗在制动电阻上，实现能耗制动；或者在输入可控整流器UR上反并联一个可控整流器， 使它工作在有源逆变状态将电动机在发电制 动状态反送到

11、中间直流电路的能量回馈交流电网，实现回馈制动。由于电流源型变频器的直流电压极性可以迅速改变，所以由它供电的变频调速系统的动态响应比较快，而电压源型变频器由于采用大电容滤波，使直流侧的电压不能有快速响应， 所以由它供电的变频调速系统的动态响应则要差一些。电压源型变频器适用于多台电动机同步运行时的供电电源，或单台电动机调速但不要求快速起制动埸合。而电流源型变频器不适用于多台电动机运行， 而适用于单台电动机调速且 要求快速起制动、频繁可逆运行埸合。正弦波脉宽调制型(SPWM)变频器SPWM型变频器的概念在交-直-交变频器中，当前应用最广的是SPWM变频器。它的整流器是由二极管组成的不可控整流器，输出

12、电压经电容滤波后形成恒定幅值的直流电压加在逆变器UI上，逆变器UI的功率开关器件采用全控型电力电子器件 （如IGBT）,按一定规律控制逆变器 UI的功率 开关器件导通或断开，使输出端获得一系列宽度不等的矩形脉冲波形。 在这种变频器中，采 用脉宽调制方法，即通过改变矩形脉冲的宽度耒改变逆变器输出交流基波电压的幅值，通过改变调制周期耒改变逆变器输出频率，从而在逆变器上同时实现调压和调频的功能。所谓SPWM波形就是脉冲的宽度按正弦规律变化并与正弦波等效的一系列等幅不等宽 的矩形脉冲波形。在传统的模拟控制系统中常采用调制的方法，即把所期望的波形（如正弦波）作为调制波，采用等腰三角波作为载波。当三角载波

13、与正弦调制波相交时，在交点时刻 控制逆变器中开关元件的通断，在逆变器的输出就可以得到一组等幅而脉冲宽度正比于正弦 调制波的矩形脉冲波（SPWM波）。SPWM型变频器的工作原理SPWM型变频器的主电路，整流器是采用二极管组成的三相桥式不可控整流电路，并采用大电容滤波，为逆变器提供恒值直流电压Us。逆变器中六个功率开关器件VT1VT6采用全控型电力电子器件（如 IGBT）,它们各有一个续流二极管反并联，如VD1VD6SPWM型变频器传统的模拟控制电路中，正弦调制波发生器提供一组三相对称的正弦调制 波信号Ug、Urb、Uc，其频率决定逆变器输出的基波频率，可在所要求的输出频率范围内 调节；正弦调制波

14、电压的幅值也可在一定范围内变化，以决定逆变器输出基波电压的大小。三角波载波发生器提供三角波载波信号Ut是共用的，分别与每相正弦调制波电压比较后,经过相应比较器，就可产生SPWM脉冲序列波Uda、Udb、Udc,作为逆变器三相桥臂的六个功率开关器件的驱动控制信号。SPWM控制方式可以是单极式，也可以是双极式。单极式控制单极式控制时，在正弦波的半个周期内每相只有一个开关器件开通或关断。例如，A相正半周时VT1反复通断，而 VT4关断。双极式控制双极式控制时.逆变器同一桥臂上下两个功率开关器件交替导通与断开.处于互补的工作方式。如 A相正半周时VT1与VT4交替导通与断开。SPWM型逆变器的调制方式

15、在SPWM逆变器中，载波频率 ft与调制波频率fr之比N称为载波比。根据载波比 N的 变化与否，SPWM逆变器有同步调制和异步调制之分。而为了使输出波形保持三相对称且谐 波少，可采用同步调制与异步调制相结合的分段同步调制方式。同步调制在同步调制方式中，载波比N等于常数，并在变频时使载波信号的频率与调制波信号的 频率保持同步变化。 在该调制方式中，调制波信号频率变化时载波比N不变，因而，逆变器输出电压半个周期内的矩形脉冲数是固定的，如果取N等于3的倍数，则同步调制能保证逆变器输出波形的正、负半波始终保持对称，并能严格保证三相输出波形间具有互差120的对称关系。但是当逆变器输出频率很低时，由于在半

16、周期内输出脉冲的数目是固定的，所以，相邻两脉冲间的间距增大， 谐波会显著增加，使负载电动机产生较大的脉动转矩和较强的噪 声，给电动机的正常工作带来不利影响，这是同步调制方式的主要缺点。异步调制为了消除上述同步调制的缺点，可以采用异步调制方式。这种载波信号和调制波信号不 保持同步关系的调制方式称为异步调制。在异步调制方式中，在逆变器的整个变频范围内， 载波比N是不等于常数的。一般在改变调制波信号频率fr时保持三角载波频率 ft不变，因而提高了低频时的载波比。 这样逆变器输出电压半周期内的矩形脉冲数可随输出频率的降低 而增加，相应地可减少负载电动机的转矩脉动与噪声，改善了低频工作性能。但是异步调制

17、方式在改善低频工作性能的同时，又失去同步调制方式的优点，当载波比N随着输出频率的改变而连续变化时，它不可能一直是3的倍数，势必使逆变器输出电压的波形及其相位都发生变化，难以保持三相输出的对称关系，因而引起电动机工作的不平稳。分段同步调制为了扬长避短，可将同步和异步两种调制方式结合起来，成为分段同步的调制方式。在一定频率范围内，采用同步调制，以保持输出波形对称的优点，当频率降低较多时，使载波 比N分段有级地增加，以发挥异步调制方式的优点，这就是分段同步调制方式。具体地说， 将逆变器输出的整个变频范围划分成若干个频段，在每个频段内都保持载波比N为恒定，而对不同频段取不同的载波比 N。在输出频率的高

18、频段采用较低的载波比N值，在输出频率的低频段采用较高的载波比 N值，使各频段开关频率的变化范围基本一致，以适应逆变器功率开关器件对开关频率的限制。几种典型的交流变频调速系统变频调速系统按其控制方式可分为开环控制和闭环控制两种，开环控制有恒压频比(V/F )控制方式，闭环控制有转差频率控制、矢量控制等控制方式。下面对转速开环、恒 压频比控制的交流变频调速系统、转速闭环、转差频率控制的交流变频调速系统及矢量控制的交流变频调速系统作一介绍。转速开环、恒压频比控制的交流变频调速系统采用V/F控制时，异步电动机在不同频率下都获得较硬的机械特性线性段。如果生产 机械对调速系统的静、动态性能要求不高时，可以

19、采用转速开环、恒压频比带低频补偿的控 制方案，其控制系统结构最简单，成本最低，特别适合风机、水泵等的节能调速。系统主要由给定积分器 GI、绝对值变换器 GAB电压控制环节及可控整流器UR、频率控制环节及电压型逆变器 VSI等组成。其中，用电压控制环节控制可控整流器 UR的输出 直流电压；用频率控制环节控制电压型逆变器 VSI的输出频率。电压和频率控制采用同一个 控制信号Uabs以保证二者之间的协调控制。由于转速控制是开环的，所以设置了给定积分器GI，它将阶跃的转速给定信号 U .转变成按设定的斜率逐渐变化的斜坡信号U gi，从而使电压和转速都能平缓地升高或降低。如果不设置了给定积分器GI，让阶

20、跃的转速给定信号U .直接加到控制系统上，将会产生很大的冲击电流而可能使电源跳闸。由于U gi是可逆的，而电机的旋转方向取决于变频输出电压的相序，并不需要在电压和频率的控制信号上反映极性，因此在 GI后面再设置了绝对值变换器GAB将U gi变换成只输出其绝对值的信abs °电压控制环节一般采用电压、电流双闭环的控制结构。内环设电流调节器 ACR用以限制动态电流，兼起保护作用。外环设电压调节器AVR用以控制变频器输出电压。电压一频率控制信号Uabs加到AVR之前，先通过函数发生器 GF,把电压给定信号 U；相对地提高 一些，以补偿定子阻抗压降，改善调速时（特别是低速时）的机械特性，提高

21、带载能力。频率控制环节主要由压频变换器GVF环形分配器 DRC和脉冲放大器 AP等部分组成，将电压-频率控制信号Uabs转变成具有所需频率的脉冲列，再通过环形分配器 DRC和脉冲放大器AP,按6个脉冲一组依次分配给逆变器，分别触发桥臂上相应的6个晶闸管。压频变换器GVF是一个由电压控制的振荡器，将电压信号转变为一系列脉冲信号，脉冲列的频率与控制电压的大小成正比， 从而得到恒压频比的控制作用；其频率值是输出频率的 6倍，以便在逆变器的一个周期内发出 6个脉冲。环形分配器DRC是一个具有六分频作用的环形计数器， 它将GVF俞出的脉冲列分配成 6个一组相互间隔60°的具有适当宽度的脉冲触发

22、信号。U gi通过极性鉴别器DPI得到正、反转控制信号，控制环形分配器DRC改变晶闸管触发的顺序以 改变输出电压的相序，从而改变电动机的转向。在交一直一交电压型变频器的调速系统中， 由于中间直流回路有大容量电容 Cd滤波，电压的实际变化很缓慢，而频率控制环节的响应 是较快的，为了使动态过程中电压和频率变化协调一致，在压频变换器 GVF前面加设一个频率给定动态校正器 GFC用以延缓频率的变化。转速闭环、转差频率控制的交流变频调速系统上面所叙的转速开环变频调速系统可以满足一般调速的要求，但静、动态性能都有限。对静、动态性能有一定要求的装置，必须要应用闭环控制系统，以提高静、动态性能。要提高调速系统

23、的动态性能，主要依靠控制转速的变化率dn/dt，显然，控制电磁转矩Te就能控制dn/dt。因此归根结底，调速系统的动态性能就是控制其转矩的能力。转差频率控制的基本概念在直流电动机中，转矩公式为 Te= km 'mid，转矩与电枢电流成正比，只要控制电枢电流I d 就能控制转矩。直流双闭环调速系统中转速调节器不但实现了系统转速无静差，并且它的输出值作为电流给定信号（即转矩给定信号），使系统在动态时能在最大电流 （最大转矩）下工作， 从而获得良好的动态性能。而在交流异步电机中，转矩公式为fTe 二 Cm ml 2 COS ；式中Cm"电机的转矩常数，m -电机气隙磁通I2 -电机

24、转子电流（己折算到定子侧）cos 2 -电机转子回路功率因数F由上式可知，除Cm为常数外，气隙磁通、转子电流丨2及转子回路功率因数 COS2 都将影响到异步电机的转矩， 而这些量又都和转速有关， 不象直流电动机转矩与电枢电流成 简单的比例关系，所以控制交流异步电机转矩的问题就复杂得多。经过推导，异步电机的转矩 Te还可表示为:T- K 2s® Re m m.22R2( s ' 1 Ll 2 )322式中 Km npNi K N1令''s = S '1，并定义为转差角频率，则可得到T K© 2 sR2e m m.22R2C sLl2 ),2在电

25、机稳定运行时，s值很小，因而 s也很小，一般为 r的2%-5%因而分母中R2C sLi2 )2，则转矩Te可近似表示为.2叽Te ： Km m R2由上式可见，在s值很小的范围内，如能够维持气隙磁通-m不变，则异步电机的转矩 近似和转差角频率-s成正比。也就是说，在异步电机中控制-'s和直流电动机中控制电枢电流一样，能够达到间接控制转矩的目的。控制转差角频率-s就代表控制转矩，这就是转差频率控制的基本概念。4.转差频率控制基本规律根据转矩公式，可以画出在'm恒定时的Te二f ()的曲线。由上图可看出，在S较小时，Te与成线性正比关系，当 ' s= ' smax时

26、，Te=Temax。F,、R2R2K m© m经过推导可得到：smax 一 -，Temax一 。当s更大时，特性呈双曲线。Ll2 Ll22Ll2在转差频率控制系统中，只要给 -'s限幅，使 s的限幅值为 sm 'smax，就可以基L|2本保持Te与s成正比关系，也就是可以用转差频率控制耒代表转矩控制。这是转差频率控 制的基本规律之一。上述规律是在保持'm恒定的前提下成立的，那么如何才能保持m的恒定呢？当忽略铁损且不计磁路饱和时， 气隙磁通'm与励磁电流I。成正比，而相量 A是定子、转子电流相 量I 1、I 2之差，I 0、I 1与丨2之间有下列关系：!

27、* * 4=1 2 I 0根据异步电机的等值电路可以得到Eg理JEgj ：， i L m经整理后可求出I IR22'；（Lm LAX = Io ,'22 '2VR2 FL12根据上式，可画出保持 爲恒定时打=fC，s）的特性曲线。上述关系表明，只要使Il与 s的函数关系符合规律，就能保持 'm恒定。这是转差频 率控制的基本规律之二。5.转差频率控制的交流变频调速系统系统采用由可控整流器 UR和电流源型逆变器 CSI组成的交-直-交电流源型变频器， 便于实现四象限运行和回馈制动，使控制对象具有良好的动态性能。在控制系统中和直流调速系统一样，采用转速、电流双闭环控制

28、。转速调节器ASR的输出是转差频率给定信号 U.S并通过I I=f（3s）函数发生器GF输出定子电流给定信号 U，再通过电流调节器 ACR控制 定子电流，以保持 m为恒值。转差频率给定信号与电机转速检测信号相加得到逆变器输出 频率（电机定子频率）的控制电玉U“，再通过逆变器 CSI频率控制环节决定逆变器的输出频率。这样就形成了在转速外环内的电流-频率协调控制。转速给定信号U.反向时，U.s ”、U.,、Ui都反向。用极性鉴别器 DPI判断Uy的极性，以决定环形分配器 DRC的输出相序，而U1信号本身则经过绝对值变换器GAB决定输 出频率的高低。这样就很方便地实现了可逆运行。矢量控制的交流变频调

29、速系统上面所述的转差频率控制方式采用的是一种速度反馈控制的闭环控制方式，因此其性能优于开环的U/F控制方式，可以应用于对速度和精度有较高要求的各种调速系统。但是由于转差频率控制方式是建立在异步电动机稳态数学模型基础上的，其动态性能仍不够理想。 为适应高动态性能需要，常采用矢量控制的变频调速系统。直流电动机的电磁转矩 Te=km mId，如果不考虑磁路饱和，采用补偿绕组使电枢反应得到全补偿时，磁通'm正比于直流励磁电流If，且与电枢电流ld互成直角。影响电磁转 矩Te的励磁电流If与电枢电流Id是二个独立的变量， 互不相关，电枢电流Id的变化并不影 响磁通'm。直流电动机的磁通

30、'm和电枢电流Id可以独立进行控制。在没有弱磁调速的情 况下，可以认为磁通'm在系统的动态过程中是恒定的，电磁转矩Te与电枢电流Id成正比，因此控制电枢电流Id也就控制了电磁转矩 Te。由于电枢电流Id的响应速度很快，因此可以 实现电磁转矩Te的快速调节，从而可获得良好的动态性能。异步电动机矢量控制的基本原理就是将异步电动机的物理模型设法等效变换成类似于直流电动机的模式，然后再模仿直流电动机的控制方式，将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量（励磁电流）和产生转矩的电流分量 （转矩电流），分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量， 从而达到控制异步电动机转矩的目的。这种等效变换是借助坐标变换来实现。在这里，不同电动机模型彼此等效的原则是：在不同坐标系下电动机模型所产生的磁动势相同。现在先分析直流电机的物理模型，二极直流电机的物理模型。图中，电枢绕组A在电枢转