变流技术与运动控制--第 11 课

1、概概 述述 与直流电动机相比，交流电动机具有结与直流电动机相比，交流电动机具有结构简单、制造容易、维护工作量小等优点，构简单、制造容易、维护工作量小等优点，但交流电动机的控制却比直流电动机复杂得但交流电动机的控制却比直流电动机复杂得多。多。 早期的交流传动均用于不可调传动，早期的交流传动均用于不可调传动，而可调传动则用直流传动；而可调传动则用直流传动； 随着随着电力电子技术电力电子技术、控制技术控制技术和和计算计算机技术机技术的发展，交流可调传动已逐步普及，的发展，交流可调传动已逐步普及，其应用现在已经超过了直流传动。其应用现在已经超过了直流传动。 一、交流拖动控制系统的应用领域一、交流拖动控

2、制系统的应用领域 主要有四个方面：主要有四个方面： 1 1、生产工艺要求的一般性能调速；、生产工艺要求的一般性能调速； 2 2、风机、泵类传动电动机调速，以、风机、泵类传动电动机调速，以获得可观的节能效益；获得可观的节能效益； 3 3、高性能的交流调速系统和伺服系、高性能的交流调速系统和伺服系统；统； 4 4、特大容量、极高转速的交流调速。、特大容量、极高转速的交流调速。 二、二、交流调速系统的主要类型交流调速系统的主要类型 交流电机主要分为两大类：交流电机主要分为两大类： 异步电机异步电机（即感应电机）（即感应电机） 同步电机同步电机 每类电机又有不同类型的调速系统。每类电机又有不同类型的调

3、速系统。电动机的能量转换电动机的能量转换 按照交流异步电机的按照交流异步电机的原理，从定子传入转子的原理，从定子传入转子的电磁功率电磁功率Pm可分成两部分：可分成两部分： 一部分是拖动负载的一部分是拖动负载的有效功率，称作有效功率，称作机械功率机械功率Pmech； 另一部分是传输给转另一部分是传输给转子电路的子电路的转差功率转差功率Ps，与，与转差率转差率 s s 成正比。成正比。 PmechPmPs 即即 Pm = Pmech + Ps Pmech = (1 s) Pm Ps = sPm 从能量转换的角度上看，从能量转换的角度上看，转差功率转差功率是否增大，是否增大，是是消耗掉消耗掉还是得到

4、还是得到回收回收，是，是评价评价调速系统调速系统效率高效率高低的标志低的标志。 从这点出发，可以把从这点出发，可以把异步电机的调速系统异步电机的调速系统分分成三类。成三类。1. 1. 转差功率消耗型调速系统转差功率消耗型调速系统 这类系统的全部转差功率都转换成热这类系统的全部转差功率都转换成热能消耗在转子回路中。能消耗在转子回路中。 它是以增加转差功率的消耗来换取转它是以增加转差功率的消耗来换取转速的降低的（恒转矩负载时），因而效率速的降低的（恒转矩负载时），因而效率较低，而且转速越低时效率也越低。较低，而且转速越低时效率也越低。 可是这类系统结构简单，设备成本最可是这类系统结构简单，设备成本

5、最低，所以还有一定的应用价值。低，所以还有一定的应用价值。2.2.转差功率馈送型调速系统转差功率馈送型调速系统 在这类系统中，除转子铜损外，大部在这类系统中，除转子铜损外，大部分转差功率在转子侧通过变流装置馈出或馈分转差功率在转子侧通过变流装置馈出或馈入，转速越低，能馈送的功率越多。入，转速越低，能馈送的功率越多。 无论是馈出还是馈入的转差功率，扣除无论是馈出还是馈入的转差功率，扣除变流装置本身的损耗后，最终都转化成有用变流装置本身的损耗后，最终都转化成有用的功率，因此这类系统的效率较高。的功率，因此这类系统的效率较高。 但要增加一些设备。但要增加一些设备。3. 3. 转差功率不变型调速系统转

6、差功率不变型调速系统 在这类系统中，转差功率只有转子铜损，而在这类系统中，转差功率只有转子铜损，而且无论转速高低，转差功率基本不变，因此效率且无论转速高低，转差功率基本不变，因此效率更高。更高。 异步电动机异步电动机变极对数调速变极对数调速和和变压变频调速变压变频调速均均属于此类。属于此类。 （1 1）变极对数调速是有级的，应用场合有）变极对数调速是有级的，应用场合有限。限。 （2 2）只有变压变频调速应用最广，可以构）只有变压变频调速应用最广，可以构成高动态性能的交流调速系统，取代直流调速；成高动态性能的交流调速系统，取代直流调速； 但在定子电路中须配备与电动机容量相当的但在定子电路中须配备

7、与电动机容量相当的变压变频器，相比之下，设备成本最高。变压变频器，相比之下，设备成本最高。 四、同步电机的调速四、同步电机的调速 同步电机同步电机没有转差没有转差，也就没有转差功率，也就没有转差功率，所以同步电机调速系统只能是所以同步电机调速系统只能是转差功率不变转差功率不变型型（恒等于（恒等于0 0）的。）的。 而同步电机转子极对数又是固定的。而同步电机转子极对数又是固定的。 因此只能靠因此只能靠变压变频调速变压变频调速，没有像异步，没有像异步电机那样的多种调速方法。电机那样的多种调速方法。4.1 4.1 异步电动机变压变频调速基本原理异步电动机变压变频调速基本原理 异步电机的异步电机的变压

8、变频调速系统变压变频调速系统一般简称为一般简称为变频变频调速系统调速系统。特点：特点： 1 1调速时转差功率不随转速而变化，调速时转差功率不随转速而变化， 2 2调速范围宽，调速范围宽， 3 3无论是高速还是低速时效率都较高，无论是高速还是低速时效率都较高， 4 4在采取一定的技术措施后能实现高动态性能，在采取一定的技术措施后能实现高动态性能，可与直流调速系统媲美。可与直流调速系统媲美。 因此因此变频调速变频调速现在应用面很广，是本篇的重点。现在应用面很广，是本篇的重点。4.1.1 4.1.1 异步电动机稳态数学模型异步电动机稳态数学模型 根据电机学原理，在下述三个假定条件下：根据电机学原理，

9、在下述三个假定条件下： 1 1、忽略空间和时间谐波，、忽略空间和时间谐波， 2 2、忽略磁饱和，、忽略磁饱和， 3 3、忽略铁损，、忽略铁损， 异步电机的稳态模型可以用异步电机的稳态模型可以用T T型等效电型等效电路表示。路表示。图图4-1 4-1 异步电动机异步电动机T T型等效电路型等效电路 1RsLlsLmsUsI0IrIlrLrRsRs、Rr 定子每相电阻和折合到定子侧的转子每相电阻；定子每相电阻和折合到定子侧的转子每相电阻；Lls、Llr 定子每相漏感和折合到定子侧的转子每相漏感；定子每相漏感和折合到定子侧的转子每相漏感； Lm 定子每相绕组产生气隙主磁通的等效电感，即励磁电感；定子

10、每相绕组产生气隙主磁通的等效电感，即励磁电感；Us、1 定子相电压和供电角频率；定子相电压和供电角频率； S 转差率。转差率。1 1、等效电路图、等效电路图2、转子相电流公式（折合到定子侧）、转子相电流公式（折合到定子侧）由由等效电路等效电路图可以导出：图可以导出：(4-1) 式中：式中：2r1s212r1ssrllLCLsRCRUImsm1s1s111LLLjLjRCll 在一般情况下，在一般情况下，L Lm mL Ll ls s，则，则，C C1 1 1 1。 因因此，可以忽略励磁电流，得简化等效电路图：此，可以忽略励磁电流，得简化等效电路图：2rs212rssrsllLLsRRUII (

11、4-2) 这样，电流公式可简化成：这样，电流公式可简化成：1RsLlsLmsUsI0IrIlrLrRs 3 3、转矩公式、转矩公式令电磁功率令电磁功率 Pm = 3Ir2 Rr /s 同步机械角转速同步机械角转速 m1 = 1 / np 式中：式中： np极对数，极对数，则异步电机的电磁转矩为：则异步电机的电磁转矩为：上式就是异步电机的上式就是异步电机的机械机械特性方程式特性方程式。它表明，当。它表明，当转速或转差率一定时，转速或转差率一定时，电电磁转矩磁转矩与与定子电压的平方定子电压的平方成成正比。正比。1mmePT 2rs212rs1r2spr2 r1p/33llLLsRRsRUnsRIn

12、（4-3）2esUT 不同定子电压下的机械特性曲线：不同定子电压下的机械特性曲线：调速特性：调速特性： 1 1、恒转矩负载：、恒转矩负载：nA、nB、nC 调速范围很窄；调速范围很窄； 2 2、风机类负载：、风机类负载：nD、nE、nF 调速范围宽，稳调速范围宽，稳定性差定性差在转差率在转差率 S 等等于于Sm时最大转时最大转矩变化与电枢矩变化与电枢电压变化有关电压变化有关4、最大转矩公式、最大转矩公式 将式（将式（4-34-3）对）对s s求导，并令求导，并令dTe / ds=0=0，可求，可求出对应于出对应于最大转矩时的静差率最大转矩时的静差率（称作（称作临界静差率临界静差率sm）和）和最

13、大转矩最大转矩（称作（称作临界转矩临界转矩Temax）：）：2rs212srm)(llLLRRs（4-44-4）2rs212ss12spmaxe)(23llLLRRUnT（4-54-5）图图4-3 4-3 异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性smnsTe01n00Tem 恒压恒频供电时异步电动机的机械特性恒压恒频供电时异步电动机的机械特性曲线如图所示，曲线如图所示，n0 为同步转速。为同步转速。交流异步电动机要调速很困难交流异步电动机要调速很困难4.1.2 4.1.2 变压变频调速基本原理变压变频调速基本原理 变压变频调速是变压变频调速是改变同步转速改变同步转速的一种调速的一种调速方法。即

14、同步转速方法。即同步转速n1是随频率变化而变化的：是随频率变化而变化的：11160602ppfnnn(4-6)异步电动机转速为：异步电动机转速为：11111nnsnsnnn(4-7)其中，稳态速降其中，稳态速降 与负载有关。与负载有关。1nsn 在进行电机调速时，常须考虑的一个重要因在进行电机调速时，常须考虑的一个重要因素是，希望保持电机中每极素是，希望保持电机中每极磁通量磁通量m 为额定值不为额定值不变。因为：变。因为： (1) (1) 如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；心，是一种浪费； (2) (2) 如果过分增大磁通，又会使铁心饱和，如果

15、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从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。损坏电机。 在交流异步电机中，磁通在交流异步电机中，磁通m 由由定子和转子定子和转子磁磁势合成产生，要保持磁通恒定就需要费一些周折了。势合成产生，要保持磁通恒定就需要费一些周折了。定子每相电动势定子每相电动势mNs1g44. 4SkNfE （4-8） 式中：式中：E Eg g 气隙磁通在定子每相中感应电动势的有气隙磁通在定子每相中感应电动势的有 效值，单位为效值，单位为V V； 定子频率，单位为定子频率，单位为H Hz z； 定子每相绕组串联匝数；定子每相绕组串联匝数

16、； 基波绕组系数；基波绕组系数； 每极气隙磁通量，单位为每极气隙磁通量，单位为WbWb。 f1NskNs m要控制磁通要控制磁通 m为恒定为恒定值，只要控制好值，只要控制好Eg 和和 f1 的比值就可满足。的比值就可满足。 调速，需要考虑调速，需要考虑基频（额定频率）以基频（额定频率）以下下和和基频以上基频以上两种情况。两种情况。 常值mnsskNffE11g44. 4（4-9） 即：即： 采用采用电动势频率比电动势频率比为恒值的控制方式。为恒值的控制方式。 1. 1. 基频以下调速基频以下调速 由式由式 可知，要保可知，要保持持 m 不变，当频率不变，当频率 f1 从额定值从额定值 f1N

17、向下向下调节时，必须同时降低调节时，必须同时降低 E Eg g ，使：，使： mNs1g44. 4SkNfE （1）恒电动势频率比控制方式）恒电动势频率比控制方式 对于直流电机，励磁系统是独立的，对于直流电机，励磁系统是独立的，只要对电枢反应有恰当的补偿，只要对电枢反应有恰当的补偿， m m 保持不保持不变是很容易做到的。变是很容易做到的。 在交流异步电机中，磁通在交流异步电机中，磁通 m m 由定子由定子和转子磁势合成产生，要保持磁通恒定就和转子磁势合成产生，要保持磁通恒定就需要费一些周折了。需要费一些周折了。 （2 2）恒压频比的控制方式）恒压频比的控制方式 然而然而 绕组中的感应电动势绕

18、组中的感应电动势 Eg 是难以直接控制。是难以直接控制。 所以所以 当电动势值当电动势值 Eg 较高时，可以忽略定较高时，可以忽略定 子绕组的漏磁阻抗压降。子绕组的漏磁阻抗压降。 而而 认为定子相电压认为定子相电压 Us Eg这是这是 恒压频比的控制方式恒压频比的控制方式。常值1fUs（4-10）则得：则得：条件是：条件是： E Eg g 较高较高 低频时，由于低频时，由于Us 和和 Eg 都较小，定子阻都较小，定子阻抗压降所占的份量就比较显著，不再能忽略。抗压降所占的份量就比较显著，不再能忽略。 这时，需要人为地把电压这时，需要人为地把电压 Us 抬高一些，以抬高一些，以便便近似地补偿定子压

19、降近似地补偿定子压降。OUsf 1图图6-1 6-1 恒压频比控制特性恒压频比控制特性UsNf 1Na 无补偿无补偿 b 带定子压降补偿带定子压降补偿 2. 2. 基频以上调速基频以上调速 在在基频以上调速基频以上调速时，频率应该从时，频率应该从f1N向上向上升高。升高。 但定子电压但定子电压Us却不可能超过额定电压却不可能超过额定电压UsN，最多只能保持最多只能保持Us = UsN ，这将迫使磁通与频率，这将迫使磁通与频率成反比地降低，相当于直流电机弱磁升速的情成反比地降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。况。 把把基频以下基频以下和和基频以上基频以上两种情况的控制两种情况的控制特性画在一起，

20、如下图所示。特性画在一起，如下图所示。 f1N 变压变频控制特性变压变频控制特性图图6-2 6-2 异步电机变压变频调速的控制特性异步电机变压变频调速的控制特性 恒转矩调速恒转矩调速UsUsNmNm恒功率调速恒功率调速mUsf1O 如果电机在不同转速时所带的负载都能如果电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。期运行，则转矩基本上随磁通变化。 按照电力拖动原理按照电力拖动原理： （1 1）在基频以下，磁通恒定时转矩也在基频以下，磁通恒定时转矩也恒定，属于恒定，属于“恒转矩调速恒转矩调速”性质性质；

21、（2 2）在基频以上，转速升高时转矩降在基频以上，转速升高时转矩降低，基本上属于低，基本上属于“恒功率调速恒功率调速”。3. 3. 异步电动机电压异步电动机电压- -频率协调控制频率协调控制(1)(1)在基频以下采用恒压频比控制时在基频以下采用恒压频比控制时21222211113srepsrsrUsRTnsRRsLL(4-11) 当当s s很小时，可忽略上式分母中含很小时，可忽略上式分母中含s s各项。各项。2113seprUsTnsR(4-12)则则：或：或：21sper13UnTRs（4-13） 异步电动机的电磁转矩可改写为：异步电动机的电磁转矩可改写为： 当当s s接近于接近于1 1时时

22、可忽略分母中的可忽略分母中的R Rr r 21222211113srepsrsrUsRTnsRRsLL由式：由式：sLLRsRUnTll1)(32rs212sr121spe 也就是说，当也就是说，当s s 很小时，转矩近似与很小时，转矩近似与s s 成正比，成正比，机械特性机械特性 Te = f（s）是一段直线，见图是一段直线，见图: : 即即s s 接近于接近于1 1时转矩近似与时转矩近似与s s 成反比，这时，成反比，这时， Te = f（s）是对称于原点的一段双曲线。是对称于原点的一段双曲线。s s 接近于接近于1 1时转矩近时转矩近似与似与 s s 成反比，这成反比，这时，时， Te

23、= f（s）是是对称于原点的一段对称于原点的一段双曲线。双曲线。s 很小时，转矩近似与很小时，转矩近似与s 成正比，机械特性成正比，机械特性 Te = f（s）是一段直线，是一段直线，Te Temax n sn0 sm 0 10 恒压频比异步电动机机械特性恒压频比异步电动机机械特性 带负载时的转速降落为：带负载时的转速降落为： 21112p10602reepsR TnsnsTnnU （4-144-14） 由此可见，当由此可见，当Us / 1 为恒值时，对于同为恒值时，对于同一转矩一转矩Te ，s 1 是基本不变的，因而是基本不变的，因而 n 也是基本不变的。也是基本不变的。 这就是说，在恒压频

24、比的条件下改变这就是说，在恒压频比的条件下改变频率频率 1 1 时，机械特性基本上是时，机械特性基本上是平行下移平行下移，如图如图4-64-6所示。所示。40neTOnN0n03n02n01nN111314114131211N1图图4-6 4-6 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 它们和直流他励电机变压调速时的情它们和直流他励电机变压调速时的情况基本相似。况基本相似。121lT 临界转矩亦可改写为：临界转矩亦可改写为： （4-154-15）2rs21s1s21spmaxe)(123llLLRRUnT 可见最大转矩可见最大转矩 Temax 是随着是随着 1 1 降低而

25、减小的。降低而减小的。 频率很低时，频率很低时，Temax太小将限制电机的带载能力。太小将限制电机的带载能力。 采用定子压降补偿，适当地提高电压采用定子压降补偿，适当地提高电压Us，可以增，可以增强带载能力，见图强带载能力，见图4-64-6。 由于保持气隙磁通不变，故允许输出转矩基本不由于保持气隙磁通不变，故允许输出转矩基本不变，所以变，所以基频以下的变频调速属于恒转矩调速基频以下的变频调速属于恒转矩调速。40neTOnN0n03n02n01nN111314114131211N1图图4-6 4-6 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121lT2lT补偿定子压补偿定子压

26、降后的特性降后的特性 基频以下采用恒压频比控制基频以下采用恒压频比控制机械特性曲线机械特性曲线(2)基频以上恒压变频时基频以上恒压变频时 性能分析性能分析 在基频以上变频调速时，由于定子电压在基频以上变频调速时，由于定子电压 Us= UsN 不变，式不变，式（4-34-3）的机械特性方程式的机械特性方程式可写成：可写成： 2rs2122rs1r2sNpe)()(3llLLsRsRsRUnT（4-164-16） 而式而式（4-54-5）的临界转矩表达式可改写成：的临界转矩表达式可改写成：2rs212ss12sNpmaxe)(123llLLRRUnT（4-17）同步转速的表达式仍和式同步转速的表达

27、式仍和式（4-64-6）一样。一样。11160602ppfnnn(4-6) 基频以上恒压变频调速机械特性曲线基频以上恒压变频调速机械特性曲线恒功率调速恒功率调速eTOnN0nc0nb0na0nN1a1b1c1c1b1a1N1 由此可见，由此可见，当角频率当角频率 1 提高提高时，同步转速时，同步转速n1随之提高，最大随之提高，最大转矩转矩Temax减小，减小，机械特性上移，机械特性上移，而形状基本不变，而形状基本不变，如图所示。如图所示。基频以上恒压变频调速的机械特性基频以上恒压变频调速的机械特性 由于频率提高而电压不变，气隙磁通势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

28、速升高了，必减弱，导致转矩的减小，但转速升高了，可以认为输出功率基本不变。可以认为输出功率基本不变。 所以所以基频以上变频调速属于弱磁恒功率基频以上变频调速属于弱磁恒功率调速调速。4.1.3 4.1.3 基频以下电流补偿控制基频以下电流补偿控制恒压频比控制方法恒压频比控制方法: : 优点优点-控制简便控制简便 缺点缺点-负载变化导致磁通改变负载变化导致磁通改变保持磁通恒定方法：保持磁通恒定方法： 用定子电流补偿控制法用定子电流补偿控制法-即根据即根据定子电流的大小改变定子电压，以保持定子电流的大小改变定子电压，以保持磁通基本恒定。磁通基本恒定。图图4-7 4-7 异步电动机等效电路和感应电动势

29、异步电动机等效电路和感应电动势 1RsLlsLmsUsI0IrIlrLrRssEgErE异步电动机等效电路和感应电动势异步电动机等效电路和感应电动势 （1 1）气隙磁通）气隙磁通m 在定子每相绕组中的感应电动势：在定子每相绕组中的感应电动势：（2 2）定子全磁通）定子全磁通ms 在定子每相绕组中的感应电动势：在定子每相绕组中的感应电动势：（3 3）转子全磁通）转子全磁通mr 在转子绕组中的感应电动势在转子绕组中的感应电动势( (折合到定折合到定子边子边) )：14.44sgsNmEf N k(4-8)14.44sssNmsEf N k(4-18)14.44srsNmrEf N k (4-19)定子全磁通定子全磁通ms气隙磁通气隙磁通m转子全磁通转子全磁通mr定子定子转子转子气隙气隙异步电动机横切面图异步电动机横切面图1.1.恒定子磁通恒定子磁通ms控制控制只要使只要使 常值常值 即可保持定子磁通即可保持定子磁通ms恒定恒定1/sEf 外加电压应按上式提高以补偿外加电压应按上式提高以补偿定子电阻压降定子电阻压降。根据式根据式14.44sssNmsEf N kssssUR IE(4-20)则定子电压为：则定子电压为：忽略励磁电流忽略励磁电流 时，由等效电路可得：时，由等效电路可得：0Is