变频调速原理上课讲义.ppt

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1、异步电动机和变频调速原理目前市场上，实现交、直流电动机调速的驱动器产品有多种，就调速性能来说，无论对直流电动机还是对交流电动机都可以实现十分优良的无级调速；但从电动机本身的现场使用来说，交流电动机远优于直流电动机，主要原因在于直流电动机内部有碳刷和换向片，需要经常检修，不能适用于恶劣的环境，耐压和容量也受限制。因此，近年来交流电动机调速技术在使用上取得了绝对优势，在交流电动机的各种调速技术中，异步电动机的变频调速技术最具代表性。我们知道，电网提供的交流电是恒压恒频的，变频器产品的作用是改变电源的频率和电压，对交流异步电动机实现无

2、级变速。变频调速技术是功率电子技术、微电子技术与微机控制技术高度发展的产物，在变频器—交流电动机调速系统中，变频器具有升速快，无级变速范围宽，动特性好等优点，而交流电动机又具有环境适应性强，维修简单，价格低等优势，这使得变频调速技术在机械、钢铁、有色金属、矿山、石油化工、纺织、电力、建材、轻工、医药、造纸、卷烟、自来水等行业中均获得广泛应用。交流异步电动机的变频调速的原理，可从异步电动机的转速方程得出。转速方程如下所示：式中：n——电动机的实际转速f1——电动机定子绕组的供电频率p——旋转磁场的极对数S——转差率，表示定子旋转

3、磁场的同步转速n1与n的关系：n=n1(1-S)因此，只要平滑地调节异步电动机的定子供电频率f1，就可以平滑调节异步电动机的同步转速n1。由于转子是跟随旋转磁场同步旋转的，转子转速为n=n1(1-s)，所以变频能通过同步转速的改变实现异步电动机的无级调速。表面看来，只要改变定子电压的频率f1就可以调节转速的大小，但是事实上，只改变f1并不能正常调速。参考异步电动机的电压方程U1≈E1=4.44f1K1N1Φ式中：U1——定子相电压E1——定子相电动势N1——定子相绕组总匝数K1——基波绕组系数Φ——每极气隙磁通假设现在只改

4、变f1进行调速，设供电频率f1上下调节，而供电电压U1不变，因K1N1为常数，则异步电动机的主磁通Φ必将改变：如f1向上调，则Φ会下降，这使得拖动转矩T下降，因为T=CTΦI2cosφ2，电动机的拖动能力会降低，对恒转矩负载会因拖不动而堵转；如f1向下调，则Φ会增强，这会带来更大的危险，因为电机铁磁材料的磁化曲线不是直线而具有饱和特性，设计电机时为了建立更强的磁场，其工频下的工作点已经接近磁饱和，如再增强磁场势必引起励磁电流（体现在定子电流上）急剧升高，最终烧坏电机。由上可知，只改变频率f1实际上并不能正常调速。在许多场合，要求

5、在调节定子供电频率f1的同时，调节定子供电电压U1的大小，通过U1和f1的不同配合实现安全的调频调速。1．保持U1/f1=常数的近似恒磁通控制方式由于Φ∝E1/f1≈U1/f1，故调节三相异步电动机的供电频率f1时，按比例调节供电电压的U1的大小可以近似实现Φ为常数。以星形接法的电机为例，变频调速时，如供电50Hz对应220V相电压（一般为额定点），则25Hz需提供110V相电压，10Hz需提供44V相电压。图1保持U1/f1=常数控制方式的机械特性在机械特性上，保持U1/f1=常数的近似恒磁通控制方式的机械特性曲线族体现为近似

6、恒转矩性质，如图1所示。由机械特性曲线可以看出，U1/f1=常数调速方式在低频低速运行时拖动力矩不足，显然，U1/f1=常数的调速方式并不是真正的恒磁通调速，这是因为电动机的主磁通Φ与E1/f1成正比例，严格意义上不是与U1/f1成正比，外加电压U1只是在不计定子内阻时才近似等于反电势E1。当供电频率和电压变得较低时，内阻的影响增大，E1达不到要求值，就出现了低速下拖动转矩明显不足的问题。解决这个问题的方法是采用E1/f1=常数的严格恒磁通控制方式。2．保持E1/f1=常数的严格恒磁通控制方式在三相异步电动机中，E1不是一个可以

7、直接测量和控制的物理量，所以变频调速所能做的仍然是通过控制供电电压U1来间接控制反电势E1。在通用变频器产品中，通常采用的措施是低频段电压补偿法，使U1与f1满足下图的配合关系。图2中U1N和f1N分别为电动机的额定电压和额定频率。利用图2实现严格恒磁通的基本思路是以近似恒磁通控制方式为基础，在U1/f1=常数的基础上加一定的供电电压U1提升，以补偿定子内阻压降对反电势E1的影响，使E1/f1=常数。低频低速运行时内阻压降较小，需要加强U1的补偿量；而额定工作点附近（50Hz）内阻压降较小，可以不加补偿。图2实现严格恒磁通的U1

8、与f1配合关系图3保持E1/f1=常数控制方式的机械特性严格恒磁通控制方式下，变频调速电动机的机械特性如图3所示，特性曲线族呈现恒转矩性质。实际补偿时，必须根据不同参数的电动机运用不同的补偿曲线才能取得理想的补偿效果，补偿不足会造成拉力不足，过度补偿则会造成起动