第5章 基于稳态模型的异步电动机调速系统（2011）

1 第第55章章 基于稳态模型的基于稳态模型的 异异 步步 电电 动动 机机 调调 速速 系系 统统 电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统 ————《《运动控制系统运动控制系统》》 2 河南科大河南科大《《运动控制系统运动控制系统》》课件课件第五章第五章 基于稳态模型的异步电机调速系统基于稳态模型的异步电机调速系统 引引 言言 异步电动机结构简单、制造容易、维修工作量小。 早期：不调速系统。 随着电力电子技术的发展，变频器诞生。广泛应用 于调速系统。 调速控制：调速控制：基于稳态模型的调速系统、 基于动态模型的调速系统。 „„ 基于动态模型的异步电动机调速系统基于动态模型的异步电动机调速系统: 矢量控制、直接 转矩控制等。（第6章内容）。 „„ 基于稳态模型的异步电动机调速系统基于稳态模型的异步电动机调速系统: 根据“稳态等值 电路”，来 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 异步电动机在不同电压和频率供电条件下的“转 矩与磁通的稳态关系”和“机械特性”，并在此基础上 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 调速系统。 两类常用调速方法：变压（恒频）调速、变压变频调速。 （本章内容）。 3 河南科大河南科大《《运动控制系统运动控制系统》》课件课件第五章第五章 基于稳态模型的异步电机调速系统基于稳态模型的异步电机调速系统 本章内容提要本章内容提要 5.1 异步电动机稳态数学模型和调速方法。 5.2 异步电动机的调压调速（机械特性，应用：软起动器、轻 载节能应用等）。 5.3 异步电动机的“变压变频”调速（基本原理、机械特性-压 频协调控制） 。 5.4 电力电子变压变频器（PWM变频器主电路，四种PWM 控 制方式——重点：重点：SVPWMSVPWM）。 „„ 基于异步电动机基于异步电动机稳态模型稳态模型的变压变频调速系统的变压变频调速系统 5.5 “转速开环”变压变频调速系统（通用变频器-异步机系统）. 5.6 “转速闭环”转差频率控制的变压变频调速系统（转差 频率控制概念和规律、系统结构与性能分析等）。 4 河南科大河南科大《《运动控制系统运动控制系统》》课件课件第五章第五章 基于稳态模型的异步电机调速系统基于稳态模型的异步电机调速系统 5.1 5.1 异步电动机稳态数学模型和调速方法异步电动机稳态数学模型和调速方法 ¾异步电动机稳态数学模型，包括： ① 异步电动机稳态等值电路、 ② 机械特性。 两者既有联系，又有区别： •• 稳态等值电路稳态等值电路：：描述了在一定的转差率下电动机 的（电压、电流、频率等间）稳态电气特性。 •• 机械特性机械特性：：则 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 征了转矩与转差率（或转速）的 稳态关系。 5.1.15.1.1异步电动机稳态数学模型异步电动机稳态数学模型 5 河南科大河南科大《《运动控制系统运动控制系统》》课件课件第五章第五章 基于稳态模型的异步电机调速系统基于稳态模型的异步电机调速系统 z转差率与转速的关系 1 1 n ns n −= 1(1 )n s n= −或 电动机极对数 供电电源频率 同步转速11 60 p fn n = 1f pn 11、异步电动机稳态等效电路、异步电动机稳态等效电路 其中： 6 河南科大河南科大《《运动控制系统运动控制系统》》课件课件第五章第五章 基于稳态模型的异步电机调速系统基于稳态模型的异步电机调速系统 图5-1 异步电动机T型等效电路 ¾¾三个假定条件三个假定条件:: ①①忽略空间和时间谐波，忽略空间和时间谐波， ②忽略磁饱和，②忽略磁饱和， ③忽略铁损③忽略铁损 异步电动机的稳态模型稳态模型 可表示为TT型等效电路。型等效电路。 Rs、R’r ——定子每相电阻和折合到定子侧的转子每相电阻. L1s、L’1r ——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. Us、ω1 ——定子相电压和供电角频率. s ——转差率。 z等效短路参数： 11、异步电动机稳态等效电路、异步电动机稳态等效电路 2 7 河南科大河南科大《《运动控制系统运动控制系统》》课件课件第五章第五章 基于稳态模型的异步电机调速系统基于稳态模型的异步电机调速系统 式中: z （折合到定子侧）转子相电流 ( )2'121 2' 1 ' lrls r s s r LCL s R CR U I ++⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ + = ω m ls m lss L L Lj LjRC +≈++= 11 1 1 1 ω ω z 忽略励磁电流，简化等效电路 图5-2 异步电动机简化等效电路 ( )2'212' ' lrls r s s rs LL s RR UII ++⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ + =≈ ω 简化等效电路的相电流相电流： 11、异步电动机稳态等效电路、异步电动机稳态等效电路 8 河南科大河南科大《《运动控制系统运动控制系统》》课件课件第五章第五章 基于稳态模型的异步电机调速系统基于稳态模型的异步电机调速系统 22、异步电机的机械特性、异步电机的机械特性 z 异步电机传递的 电磁功率电磁功率：： s RIP rrm '2'3= 机械同步角速度 p m n 1 1 ωω = z 异步电动机的电磁转矩（机械特性方程式）（机械特性方程式）:: 图5-2 异步电动机简化等效电路 ( )2'212' ' lrls r s s rs LL s RR UII ++⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ + =≈ ω 简化等效电路的相电流相电流： ( ) ( ) 2 '' '2 2 2' 2 2 '1 1 1 1 3 3p p s rm r e r m s r ls lr n n U R sP RT I s sR R s L Lω ω ω ω = = = ⎡ ⎤+ + +⎢ ⎥⎣ ⎦ （5-5） 9 河南科大河南科大《《运动控制系统运动控制系统》》课件课件第五章第五章 基于稳态模型的异步电机调速系统基于稳态模型的异步电机调速系统 对s求导，并令： 0= ds dTe •（最大转矩或）临界转矩临界转矩: [ ]2'2121 2 )(2 3 lrlsss sp em LLRR Un T +++= ωω •（对应于Tem的）临界转差率临界转差率:: 2'2 1 2 ' )( lrlss r m LLR Rs ++ = ω 求得：求得： z异步电动机的电磁转矩 （机械特性（机械特性方程式方程式 ））:: ( ) ( ) 2 ' 2 2' 2 2 ' 1 1 3 p s r e s r ls lr n U R s T sR R s L Lω ω = ⎡ ⎤+ + +⎢ ⎥⎣ ⎦ （5-5） 10 河南科大河南科大《《运动控制系统运动控制系统》》课件课件第五章第五章 基于稳态模型的异步电机调速系统基于稳态模型的异步电机调速系统 将机械特性方程式分母展开 ( ) 2 ' 22 ' 2 2 2 ' '2 1 1 3 2 p s r e ls lr s s r r n U R s T L L s R s sR R Rω ω = ⎡ ⎤+ + + +⎢ ⎥⎣ ⎦ • 当s很小时。忽略 分母中含s各项 2 ' 1 3 p s e r n U s T s Rω≈ ∝ • 当s较大时。忽略 分母中s的一次项 和零次项 ( ) 2 ' 22 2 ' 1 1 3 1p s r e s ls lr n U R T ss R L Lω ω ≈ ∝⎡ ⎤+ +⎢ ⎥⎣ ⎦ 转矩近似与s成正比，机械 特性近似为直线。 转矩近似与s成反比，机械特性是一段双曲线。 • 当s为以上两段中间数值时：机械特性从直线逐渐过渡到双曲线。 z异步电动机的电磁转矩 （机械特性（机械特性方程式方程式 ））:: ( ) ( ) 2 ' 2 2' 2 2 ' 1 1 3 p s r e s r ls lr n U R s T sR R s L Lω ω = ⎡ ⎤+ + +⎢ ⎥⎣ ⎦ （5-5） 11 河南科大河南科大《《运动控制系统运动控制系统》》课件课件第五章第五章 基于稳态模型的异步电机调速系统基于稳态模型的异步电机调速系统 „由“额定电压、额定频率供电”，且“无外加电阻、和 电抗”时，其机械特性方程式，称作固有特性，或自固有特性，或自 然特性然特性。 图5-3 异步电动机的机械特性 •• 当当ss很小时很小时:: 转矩近似与s成正 比，机械特性近似为直线。 •• 当当ss较大时较大时:: 转矩近似与s成反 比，机械特性是一段双曲线。 •• 当当ss为以上两段中间数值时为以上两段中间数值时:: 机械特性从直线逐渐过渡到 双曲线。 （需按精确（5-5）式计算） 。 z异步电动机的电磁转矩 （机械特性（机械特性方程式方程式 ））:: ( ) ( ) 2 ' 2 2' 2 2 ' 1 1 3 p s r e s r ls lr n U R s T sR R s L Lω ω = ⎡ ⎤+ + +⎢ ⎥⎣ ⎦ （5-5） 12 河南科大河南科大《《运动控制系统运动控制系统》》课件课件第五章第五章 基于稳态模型的异步电机调速系统基于稳态模型的异步电机调速系统 5.1.25.1.2异步电动机的调速方法与气隙磁通异步电动机的调速方法与气隙磁通 11、异步电动机的调速方法、异步电动机的调速方法 所谓调速：就是人为地改变机械特性的参数，使电动机 的稳定工作点偏离固有特性，工作在人为机械特性上，以达 到调速的目的。 由由机械特性方程式 可知可知，能够改变的“参数”可分为分为33类：类： 11）电动机参数）电动机参数 ——人为机械特性，如串电阻调速 （见《电拖》课程）。 22）电源电压）电源电压 ——“变压”调速。 33）电源角频率）电源角频率 ——“变频”调速（基频以下同时改变电压）。 ( ) ( ) 2 ' 2 2' 2 2 ' 1 1 3 p s r e s r ls lr n U R s T sR R s L Lω ω = ⎡ ⎤+ + +⎢ ⎥⎣ ⎦ 3 13 河南科大河南科大《《运动控制系统运动控制系统》》课件课件第五章第五章 基于稳态模型的异步电机调速系统基于稳态模型的异步电机调速系统 三相异步电动机定子每相电动势的有效值 忽略定子绕组电阻和漏感抗压降 14 .44 ΦSg s mNE f N k= 14.44 ΦSs g s mNU E f N k≈ = 22、异步电动机的气隙磁通、异步电动机的气隙磁通 „„气隙磁通气隙磁通 1 1Φ / /m g sE f U f∝ ≈ ¾ 为了保持气隙磁通恒定，应使 1 gE f =常数 s 1 U f = 常数或近似为 14 河南科大河南科大《《运动控制系统运动控制系统》》课件课件第五章第五章 基于稳态模型的异步电机调速系统基于稳态模型的异步电机调速系统 5.2 5.2 异步电动机调压调速异步电动机调压调速 由电力拖动原理可知由电力拖动原理可知：当异步电机等效电路的参 数不变时，在相同的转速（或s）条件下，电磁转矩电磁转矩TTee 与定子电压的平方成正比与定子电压的平方成正比。。 因此，改变定子外加电压就可以改变定子外加电压就可以改变机械特性的改变机械特性的 函数关系，从而函数关系，从而改变电机在一定负载转矩下的转速改变电机在一定负载转矩下的转速。。 这种：保持电源频率为额定频率，只改变定子电 压的调速方法称作调压调速。调压调速。是异步机调速方法中较 简便的一种。 15 河南科大河南科大《《运动控制系统运动控制系统》》课件课件第五章第五章 基于稳态模型的异步电机调速系统基于稳态模型的异步电机调速系统 同步转速保持额定值不变 气隙磁通 将随定子电压的降低而减小，属于弱磁调速弱磁调速。。 1 1 1 60 N N p fn n n = = 1 Φ 4.44 S s m s N U f N k ≈ ①① 只能降压调速只能降压调速。。由于受电动机绝缘和磁路饱和 的限制，定子电压只能降低，不能升高，故又称 作降压调速。 „„ 调压调速调压调速的基本特征的基本特征::（降压、弱磁调速）（降压、弱磁调速） ②② 属于弱磁调速。属于弱磁调速。 16 河南科大河南科大《《运动控制系统运动控制系统》》课件课件第五章第五章 基于稳态模型的异步电机调速系统基于稳态模型的异步电机调速系统 5.2.1 5.2.1 异步电动机调压调速的主电路异步电动机调压调速的主电路 图5-4 晶闸管交流调压器调速 a) 不可逆电路; b) 可逆电路 TVC——双向晶闸管交流调压器 5.2 5.2 异步电动机调压调速异步电动机调压调速 •• 过去：过去：多用自耦变 压器或带直流磁化绕 组的饱和电抗器（笨 重）。 •• 现在：现在：晶闸管交流 调压器。三对晶闸管 反并联或三个双向晶 闸管分别串接在三相 电路中，用相位控制 改变输出电压。 „„改变交流电压的方法改变交流电压的方法 17 河南科大河南科大《《运动控制系统运动控制系统》》课件课件第五章第五章 基于稳态模型的异步电机调速系统基于稳态模型的异步电机调速系统 UUss可调可调 调压调速的机械特性表达式 可见：磁转矩与定子电压的平方成正比。 5.2.2 异步电动机调压调速的机械特性 ( ) ( ) 2 ' 2 2' 2 2 ' 1 1 3 p s r e s r ls lr n U R s T sR R s L Lω ω⎡ ⎤⎢ ⎥⎣ ⎦ = + + + （5-5） z 电源频率为额定频率，理想空载转速 保持为同步转速不变。 0 1Nn n= 5.2 5.2 异步电动机调压调速异步电动机调压调速 18 河南科大河南科大《《运动控制系统运动控制系统》》课件课件第五章第五章 基于稳态模型的异步电机调速系统基于稳态模型的异步电机调速系统 zz 临界转差率保持不变临界转差率保持不变 2'2 1 2 ' )( lrlss r m LLR Rs ++ = ω zz 临界转矩临界转矩 [ ]2'2121 2 )(2 3 lrlsss sp em LLRR Un T +++= ωω 随定子电压的减小而成平方比地下降。 5.2.2 异步电动机调压调速的机械特性 与电枢端 电压无关 4 19 河南科大河南科大《《运动控制系统运动控制系统》》课件课件第五章第五章 基于稳态模型的异步电机调速系统基于稳态模型的异步电机调速系统 zz带恒转矩负载时，带恒转矩负载时，普通笼 型异步电动机降压调速时降压调速时 的稳定工作范围：的稳定工作范围： 调速范围有限。调速范围有限。图中 A、B、C为恒转矩负载在不 同电压时的稳定工作点。 0 ms s< < zz 带风机类负载运行，调带风机类负载运行，调 速范围可以稍大一些。速范围可以稍大一些。 图中D、E、F为风机类负载 在不同电压时的稳定工作点。 5.2.2 异步电动机调压调速的机械特性 图5-5 异步电动机调压调速的机械特性 20 河南科大河南科大《《运动控制系统运动控制系统》》课件课件第五章第五章 基于稳态模型的异步电机调速系统基于稳态模型的异步电机调速系统 „„带恒转矩负载时的能量关系：带恒转矩负载时的能量关系： 11）定子侧输入的电磁功率）定子侧输入的电磁功率 1 1 L m m L p TP T n ωω= = 恒定不变,与转速无关。 22）转差功率）转差功率 1(1 ) m Lmech m L p TP T s n ωω= = − 随转差s增大而减小。 33）转差功率）转差功率 1 1 L s m m L p TP sP s T s n ωω= = = 随转差s增大而增大。 可见： • 带恒TL负载降压调速是靠增大降压调速是靠增大PPss、、减小Pmech换取转速降低的。 • 增加的Ps全部消耗在转子电阻上，转差功率消耗型的由来。转差功率消耗型的由来。 5.2.2 异步电动机调压调速的机械特性 图5-5 异步电动机调压调速的机械特性 21 河南科大河南科大《《运动控制系统运动控制系统》》课件课件第五章第五章 基于稳态模型的异步电机调速系统基于稳态模型的异步电机调速系统 z 增加转子电阻值，临界转 差率加大，可以扩大恒转 矩负载下的调速范围，这 种“高转子电阻电动机”又 称作“交流力矩电动机”。 zz 缺点：缺点：机械特性较软。 图5-6 高转子电阻电动机 （交流力矩电动机）（交流力矩电动机） 在不同电压下的机械特性 5.2.2 异步电动机调压调速的机械特性 2'2 1 2 ' )( lrlss r m LLR Rs ++ = ω 22 河南科大河南科大《《运动控制系统运动控制系统》》课件课件第五章第五章 基于稳态模型的异步电机调速系统基于稳态模型的异步电机调速系统 5.2.3 5.2.3 闭环控制的调压调速系统闭环控制的调压调速系统 z 采用普通异步电机的 变电压调速时，调速 范围很窄。 z 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 带恒转矩负载的 调压系统具有较大的 调速范围时（D>2 时），开环控制无能 为力。 须采用带转速反馈的 闭环控制系统。 图5-7 带转速负反馈闭环控 制的交流调压调速系统 1. 1. 系统组成系统组成 23 河南科大河南科大《《运动控制系统运动控制系统》》课件课件第五章第五章 基于稳态模型的异步电机调速系统基于稳态模型的异步电机调速系统 5.2.3 5.2.3 闭环控制的调压调速系统闭环控制的调压调速系统 图5-7 带转速负反馈闭环控制的交 流调压调速系统 图5-8 转速闭环控制的交流调压 调速系统静特性 2. 闭环系统静特性 24 河南科大河南科大《《运动控制系统运动控制系统》》课件课件第五章第五章 基于稳态模型的异步电机调速系统基于稳态模型的异步电机调速系统 „„当系统带负载当系统带负载TTLL在在““AA点点”” 运行时：运行时： • 如果负载增大引起转速下降， 反馈控制作用能提高定子电 压，从而在右边一条机械特性 上找到新的工作点A´。 • 同理，当负载降低时，会在左 边一条特性上得到定子电压低 一些的工作点A´´。 • 按照反馈控制规律，将不同负 载时的稳定工作点“A´、A、 A´´等连接起来便是闭环系统闭环系统 的的静特性静特性。。 图5-8 转速闭环控制的交流调压调速系统静特性 5.2.3 5.2.3 闭环控制的调压调速系统闭环控制的调压调速系统 2. 闭环系统静特性 5 25 河南科大河南科大《《运动控制系统运动控制系统》》课件课件第五章第五章 基于稳态模型的异步电机调速系统基于稳态模型的异步电机调速系统 „„可见：可见： z尽管异步（力矩）电机的 机械特性很软，但由系统 放大系数决定的闭环系统 静特性却可以很硬。 ————如果采用如果采用PIPI调节器，调节器， 照样可以做到无静差。照样可以做到无静差。 z改变给定信号，则静特性 平行地上下移动，达到调 速的目的。 图5-8 转速闭环控制的交流调 压调速系统静特性 5.2.3 5.2.3 闭环控制的调压调速系统闭环控制的调压调速系统 2. 闭环系统静特性 26 河南科大河南科大《《运动控制系统运动控制系统》》课件课件第五章第五章 基于稳态模型的异步电机调速系统基于稳态模型的异步电机调速系统 zz 静特性左右两边都静特性左右两边都 有极限。有极限。它们是： ① “额定电压”下的机 械特性。 ② “最小输出电压”下 的机械特性。 图5-8 转速闭环控制的交流 调压调速系统静特性 sNU minsU ———— 与直流电机闭环与直流电机闭环 变压调速不同之处。变压调速不同之处。 5.2.3 5.2.3 闭环控制的调压调速系统闭环控制的调压调速系统 **5.2.45.2.4降压控制应用降压控制应用（软起动、轻载降压节能运行）（软起动、轻载降压节能运行） z 三相异步电动机直接接电网起动时，起动电流比 较大，而起动转矩并不大。 ( ) ( )2'212' ' lrlsrs s rstsst LLRR UII +++ =≈ ω ( ) ( ) 2 ' 2 2' 2 ' 1 1 3 p s r est s r ls lr n U R T R R L Lω ω = ⎡ ⎤+ + +⎢ ⎥⎣ ⎦ 1*1*、降压软起动、降压软起动 zz 中、大容量电动机的起动电流大中、大容量电动机的起动电流大，会使电网压降 过大，影响其它用电设备的正常运行，甚至使该 电动机本身根本起动不起来。 z 必须采取措施来降低其起动电流，常用的办法是采取措施来降低其起动电流，常用的办法是 降压起动。降压起动。 1*1*、降压软起动、降压软起动 z 当电压降低时，起动电流将随电压成正比地降 低，从而可以避开起动电流冲击的高峰。 zz 起动转矩与电压的平方成正比，起动转矩的减小起动转矩与电压的平方成正比，起动转矩的减小 将比起动电流的降低更多，将比起动电流的降低更多，降压起动时又会出现 起动转矩不够的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 。 z 降压起动只适用于中、大容量电动机空载（或轻 载）起动的场合。 1*1*、降压软起动、降压软起动 传统的降压起动方法： • 星-三角（Y-△）起动 • 定子串电阻或电抗起动 • 自耦变压器（又称起动补 偿器）降压起动 它们都是一级降压起动, 起动过 程中电流有两次冲击, 其幅值都比直 接起动电流低, 起动过程时间略长。 sN s I I 异步电动机的起动 过程与电流冲击 一级降压起动 软起动器 直接起动 1*1*、降压软起动、降压软起动 现代软起动法：现代软起动法： • 带电流闭环的“电子控制软起动器”可以限制起动电流并保持恒 值，直到转速升高后电流自动衰减下来。 • 起动时间短于一级降压起动。 • 主电路采用晶闸管交流调压器，用连续地改变其输出电压来保证恒流起动。 • 稳定运行时可用接触器给晶闸管旁路，以免晶闸管不必要地长期工作。 6 z 三相异步电动机运行时的总损耗 smechCurFeCus pppppp ++++=∑ z 电机的运行效率 pP P P P ∑+== 2 2 1 2η 2*2*、轻载降压节能运行、轻载降压节能运行 **5.2.45.2.4降压控制应用降压控制应用（软起动、轻载降压节能运行）（软起动、轻载降压节能运行） z 为了减少轻载时的能量损耗，降低定子电压降低定子电压可以 降低气隙磁通，这样可以可以同时降低降低铁损和励磁电铁损和励磁电 流流。 z 过分降低电压和磁通，转子电流必然增大，定子 电流反而可能增加，铁损的降低将被铜损的增加 填补，效率反而更差了。 z 当负载转矩一定时，轻载降压运行有一个最佳电 压值，此时效率最高。 2*2*、轻载降压节能运行、轻载降压节能运行 33 河南科大河南科大《《运动控制系统运动控制系统》》课件课件第五章第五章 基于稳态模型的异步电机调速系统基于稳态模型的异步电机调速系统 5.3 5.3 异步电动机变压变频调速异步电动机变压变频调速 z 极对数一定时，同步转速随频率而变化 pp nn fn π ω 2 6060 11 1 == 5.3.1 变压变频调速的基本原理 转差功率不变型转差功率不变型 z 异步电动机的实际转速 1 1 1 1(1 )n s n n sn n n= − = − = − Δ z 稳态速降 1snn =Δ 随负载大小变化 异步电动机常用的调速方法。 变频调速，就是通过调节同步转速变频调速，就是通过调节同步转速nn11，实现转速，实现转速nn的调节。的调节。 34 河南科大河南科大《《运动控制系统运动控制系统》》课件课件第五章第五章 基于稳态模型的异步电机调速系统基于稳态模型的异步电机调速系统 „„气隙磁通控制气隙磁通控制 14.44 ΦSg s mNE f N k= 5.3.1 5.3.1 变压变频调速的基本原理变压变频调速的基本原理 每相电动势的有效值： 只要控制只要控制EEgg和和ff11，便可控制气隙磁通。，便可控制气隙磁通。 调速时常要考虑因素： 如何控制电机的每极磁通？如何控制电机的每极磁通？ 对此，需要考虑基频（额定频率）以下和以上两种情况。 直流电机：励磁系统独立，加上电枢反映补偿，易保持恒定。 交流异步：磁通由定转子磁势合成产生，保持磁通恒定困难。 35 河南科大河南科大《《运动控制系统运动控制系统》》课件课件第五章第五章 基于稳态模型的异步电机调速系统基于稳态模型的异步电机调速系统 11、基频以下调速时、基频以下调速时 „„ 当异步电动机在基频（额定频率）以下运行时：当异步电动机在基频（额定频率）以下运行时： •• 如果磁通太弱如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费； •• 如果磁通过大如果磁通过大，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电 流，严重时还会因绕组过热而损坏电机。 •• 最好是保持每极磁通量为额定值不变。最好是保持每极磁通量为额定值不变。 „„气隙磁通控制气隙磁通控制 36 河南科大河南科大《《运动控制系统运动控制系统》》课件课件第五章第五章 基于稳态模型的异步电机调速系统基于稳态模型的异步电机调速系统 为保持Φm不变，当频率f1从额定值向下调节时，必须降 低Eg，使： 1 4.44 Φ S g s N mN E N k f = =常值 但，感应电动势不好直接测量和控制。 ¾¾频率较高（电动势值较高）时频率较高（电动势值较高）时：：可忽略定子绕组电阻 和漏抗压降，认为： 1、基频以下调速时 „„气隙磁通控制气隙磁通控制 即：恒即：恒““电动势频比电动势频比””控制方式。控制方式。 14.44 ΦSs g s mNU E f N k≈ = 采用： 1 4.44 Φ S s s N mN U N k f = ≈常值 即：即：““恒压频比恒压频比””控制方式。控制方式。 7 37 河南科大河南科大《《运动控制系统运动控制系统》》课件课件第五章第五章 基于稳态模型的异步电机调速系统基于稳态模型的异步电机调速系统 ¾¾低频电压补偿（低频转矩提升）低频电压补偿（低频转矩提升） 低频时，定子电阻和漏感压降所占的份量比较显著， 不能再忽略。 办法：办法：人为地把定子电压抬高一些，以补偿定子阻抗 压降。 负载大小不同，需要补偿的定子电压也不一样。控制 软件中须具备不同斜率的补偿特性，以便用户选择。 1、基频以下调速时 „„气隙磁通控制气隙磁通控制 当频率较低（电动势值较低）时怎么办？当频率较低（电动势值较低）时怎么办？ 38 河南科大河南科大《《运动控制系统运动控制系统》》课件课件第五章第五章 基于稳态模型的异步电机调速系统基于稳态模型的异步电机调速系统 z 通常在控制软件中备 有不同斜率的补偿特 性，以供用户选择。 a——无补偿 b——带定子电压补偿 图5-9 恒压频比控制特性 1、基频以下调速时 „„气隙磁通控制气隙磁通控制 39 河南科大河南科大《《运动控制系统运动控制系统》》课件课件第五章第五章 基于稳态模型的异步电机调速系统基于稳态模型的异步电机调速系统 z 在基频以上调速时，频率从向上升高，受到电机绝缘受到电机绝缘 耐压和磁路饱和的限制耐压和磁路饱和的限制，定子电压Us不能随之升高， 最多只能保持额定电压不变。 即：即：UUss==UUsNsN.. zz 这将导致磁通与频率成反比地降低这将导致磁通与频率成反比地降低，使得异步电动机 工作在弱磁状态工作在弱磁状态。 22、基频以上调速时、基频以上调速时 „„气隙磁通控制气隙磁通控制 40 河南科大河南科大《《运动控制系统运动控制系统》》课件课件第五章第五章 基于稳态模型的异步电机调速系统基于稳态模型的异步电机调速系统 变压变频调速时的控制特性： 图5-10 异步电动机变压变频调速的 控制特性 把“基频以下” 和 “基频以上” ，两种情况的控制特性画在一起： ① 基频以下：磁通恒定，允许输出转矩恒定。 属 “恒转矩调速” ② 基频以上：转 速升高时，磁通 降低，允许输出 转矩随之降低。 但转矩与转速之 积基本不变。 属 “恒功率调速”。 41 河南科大河南科大《《运动控制系统运动控制系统》》课件课件第五章第五章 基于稳态模型的异步电机调速系统基于稳态模型的异步电机调速系统 5.3.2 “电压-频率”协调控制时的机械特性5.3.2 5.3.2 ““电压电压--频率频率””协调控制时的机械特性协调控制时的机械特性 一、基频以下一、基频以下““变压变频变压变频””调速时的机械特性调速时的机械特性 2'2 1 22' ' 1 2 1 )()( 3 lrlsrs rs pe LLsRsR RsUnT +++⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛= ω ω ω 把异步电动机机械特性 方程式改写为： 11、当、当ss很小时：忽略分母中含很小时：忽略分母中含ss各项。各项。 s R sUnT r s pe ∝⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛≈ ' 1 2 1 3 ωω 或 2 1 ' 1 3 ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ω ≈ω s p er Un TR s 同一转矩，转速降落基本不变！ 2' 1 1 1 2 1060 2 r e e p p s R Tn sn s T n n U ωωπ π ⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠ Δ = = ≈ ∝ 教材5.3.2节/教材5.3.3节 （一）基频以下（一）基频以下““恒压频比控制恒压频比控制””时的机械特性时的机械特性 42 河南科大河南科大《《运动控制系统运动控制系统》》课件课件第五章第五章 基于稳态模型的异步电机调速系统基于稳态模型的异步电机调速系统 11、当、当ss很小时（的机械特性）：很小时（的机械特性）： ① 机械特性是一段直线。 ② 在“恒压频比”的条件下，频 率向下调节时，线性段特性 基本上是“平行下移”的。 •• 当当ss接近于接近于11时时：：一段双曲线。 •• 当当 s s 值为两段的中间值时值为两段的中间值时：特性在 直线和双曲线之间逐渐过渡（特性 是非线性的, 有临界转矩！）。 而当 （一）基频以下（一）基频以下““恒压频比控制恒压频比控制””时的机械特性时的机械特性 8 43 河南科大河南科大《《运动控制系统运动控制系统》》课件课件第五章第五章 基于稳态模型的异步电机调速系统基于稳态模型的异步电机调速系统 22、临界转矩、临界转矩 • 当频率较低时，电动机带载能力减弱。 •• 解决办法解决办法：：采用低频定子压降补偿， 适当地提高电压，可以增强带载能力。 2' 2 11 2 1 )( 1 2 3 lrls ss sp em LLRR UnT ++⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛+ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛= ωω ω 对前（5-7）Tem公式，整理： 随着频率的降低而减小！随着频率的降低而减小！ （一）基频以下（一）基频以下““恒压频比控制恒压频比控制””时的机械特性时的机械特性 ' 2 2 ' 2 1 ( ) r m s ls lr Rs R L Lω= + + zz 临界转差率临界转差率 44 河南科大河南科大《《运动控制系统运动控制系统》》课件课件第五章第五章 基于稳态模型的异步电机调速系统基于稳态模型的异步电机调速系统 33、转差功率、转差功率 PPs 与转速无关，故称作转差功率不变型。 ' 2 1 2 1 3 r e s m e s p R TP sP s T Un ω ω = = ≈ ⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠ （一）基频以下（一）基频以下““恒压频比控制恒压频比控制””时的机械特性时的机械特性 45 河南科大河南科大《《运动控制系统运动控制系统》》课件课件第五章第五章 基于稳态模型的异步电机调速系统基于稳态模型的异步电机调速系统 z 在基频以下运行时，采用“恒压频比”的控制方法具有“控制简便”的优 点。 z 但低频时，定子漏阻抗压降将导致（气隙等）磁通的改变，须采用定 子电压补偿控制。即：根据定子电流大小，适当提高定子电压，以保 持磁通恒定。 z 根据对“定子电压”补偿的程度： 1）仅补偿定子电阻压降、 2）补偿定子漏阻抗压降、 3）定子漏阻抗压降、转子漏抗压降全补偿。 可得到不同的电压-频率协调控制机械特性。 （二）基频以下变压变频调速时的（二）基频以下变压变频调速时的““电压补偿控制电压补偿控制”” 一、基频以下一、基频以下““变压变频变压变频””调速时的机械特性调速时的机械特性 46 河南科大河南科大《《运动控制系统运动控制系统》》课件课件第五章第五章 基于稳态模型的异步电机调速系统基于稳态模型的异步电机调速系统 图5-12 异步电动机等值电路和感应电动势 „„三种磁通三种磁通 在相应的绕组中，感应出三种感应电动势： 气隙磁通Φm， 定子绕组： 14.44 ΦSg s mNE f N k= 定子全磁通Φms，定子绕组： 14.44 ΦSs s msNE f N k= 转子全磁通Φmr，转子绕组： 14.44 ΦSr s mrNE f N k′ = 为了使参考极性与“电动状态 下的实际极性”相吻合，感应 电动势采用电压降的表示方 法，由高电位指向低电位。 分别讨论：分别讨论：保持Φms、Φm和Φmr恒定的情况下， “电压-频率”协调 控制时的机械特性。 （二）基频以下变压变频调速时的（二）基频以下变压变频调速时的““电压补偿控制电压补偿控制”” 47 河南科大河南科大《《运动控制系统运动控制系统》》课件课件第五章第五章 基于稳态模型的异步电机调速系统基于稳态模型的异步电机调速系统 (1) (1) 恒定子磁通控制恒定子磁通控制【【恒恒EEss//ωω11控制控制】】 z 保持定子磁通恒定： 定子电动势不好直接控制，能够直接控制的只有定子电 压。关系： z 只要补偿定子电阻压降补偿定子电阻压降，维持Es/f1=常数，就能够得到 恒定子磁通。 sss EIRU ��� += 1 =1/ fEs 常值 （二）基频以下变压变频调速时的（二）基频以下变压变频调速时的““电压补偿控制电压补偿控制”” 定子全磁通Φms，在定子绕 组中感应的电动势： 14.44 ΦSs s msNE f N k= 可知：可知： 48 河南科大河南科大《《运动控制系统运动控制系统》》课件课件第五章第五章 基于稳态模型的异步电机调速系统基于稳态模型的异步电机调速系统 忽略励磁电流，转转 子电流幅值：子电流幅值： z 电磁转矩： 2'2 1 2' ' )( lrls r s r LL s R E I ++⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ = ω ' '2 1 1 2 ' 1 '2 2 2 ' 2 1 1 3 3 ( ) pm r e r m s r p r ls lr nP RT I s E s Rn R s L L ω ω ω ω ω = = ⎛ ⎞= ⎜ ⎟ + +⎝ ⎠ (1) (1) 恒定子磁通控制恒定子磁通控制 图5-12 异步电动机等值电路和感应电动势 ¾¾ 整条特性与恒压频比特性相似！也是非线性的：整条特性与恒压频比特性相似！也是非线性的： 当s很小时： 特性近似为一条直线； 当s接近于1时：一段双曲线； 当s 值为上述两段的中间值时：机械特性在直线和 双曲线之间逐渐过渡。 9 49 河南科大河南科大《《运动控制系统运动控制系统》》课件课件第五章第五章 基于稳态模型的异步电机调速系统基于稳态模型的异步电机调速系统 „„ 比较可知比较可知：恒Φms定子磁通控制时，转矩表达式的分母小于恒压频比 控制特性中的同类项。因此， 当转差率s相同时，采用恒定子磁通控制方式的电磁转矩大于恒压频 比控制方式。 或：当负载转矩相同时，恒定子磁通控制时恒定子磁通控制时的转速降要小于恒压频 比控制，机械特性比恒压频比控制时要硬机械特性比恒压频比控制时要硬。。 (1) (1) 恒定子磁通控制恒定子磁通控制 对比对比（“恒压频比恒压频比”控制时的转矩式）： 2'2 1 22' ' 1 2 1 )()( 3 lrlsrs rs pe LLsRsR RsUnT +++⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛= ω ω ω zz恒恒ΦΦmsms控制时控制时电磁转矩电磁转矩：： 2 ' 1 '2 2 2 ' 2 1 1 3 ( ) s r e p r ls lr E s RT n R s L L ω ω ω ⎛ ⎞= ⎜ ⎟ + +⎝ ⎠ 50 河南科大河南科大《《运动控制系统运动控制系统》》课件课件第五章第五章 基于稳态模型的异步电机调速系统基于稳态模型的异步电机调速系统 zz临界转矩、临界转差率临界转矩、临界转差率 2 ' 1 ' ' 1 3 1 2 ( ) ( ) p s em ls lr r m ls lr n ET L L Rs L L ω ω ⎛ ⎞= ⎜ ⎟ +⎝ ⎠ = + (1) (1) 恒定子磁通控制恒定子磁通控制 对比对比（“恒压频比恒压频比”控制时的转矩式）： 2 2 1 ' 2 1 1 3 1 2 ( ) p s em s s ls lr n UT R R L L ω ω ω ⎛ ⎞= ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎛ ⎞+ + +⎜ ⎟⎝ ⎠ ' 2 2 ' 2 1 ( ) r m s ls lr Rs R L Lω= + + • 频率变化时，恒定子磁通控制的临界转矩 Tem 恒定不变 ，且大于恒压 频比控制方式。 • 恒定子磁通控制的临界转差率sm，大于恒压频比控制方式。 „„比较可知比较可知 51 河南科大河南科大《《运动控制系统运动控制系统》》课件课件第五章第五章 基于稳态模型的异步电机调速系统基于稳态模型的异步电机调速系统 (2) (2) 恒气隙磁通控制恒气隙磁通控制【【恒恒EEgg//ωω11控制控制】】 z 保持气隙磁通恒定： z 定子电压： 1 1( )s s ls gU R j L I Eω= + +� � � 1/gE f = 常值 （二）基频以下变压变频调速时的（二）基频以下变压变频调速时的““电压补偿控制电压补偿控制”” 气隙磁通Φs，在定子每相绕 组中感应的电动势： 14.44 ΦSg s mNE f N k= 可知：可知： ——除了补偿定子电阻压降外，还应补偿定子漏抗压 降。（定子漏阻抗压降补偿）。 52 河南科大河南科大《《运动控制系统运动控制系统》》课件课件第五章第五章 基于稳态模型的异步电机调速系统基于稳态模型的异步电机调速系统 z 转子电流 z 电磁转矩 2'2 1 2' ' lr r g r L s R E I ω+⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ = ' '2 1 1 2 ' 1 '2 2 2 '2 1 1 3 3 pm r e r m g r p r lr nP RT I s E s Rn R s L ω ω ω ω ω = = ⎛ ⎞= ⎜ ⎟ +⎝ ⎠ (2) (2) 恒气隙磁通控制恒气隙磁通控制 图5-12 异步电动机等值电路和感应电动势 ——这就是恒ΦΦmm时的机械特性方程式。整条特性也与恒 压频比特性相似！仍是非线性的。 当s很小时：特性近似为一条直线； 当s接近于1时：一段双曲线； 当s 值为上述两段的中间值时，特性在直线和双曲线间逐渐过渡。 53 河南科大河南科大《《运动控制系统运动控制系统》》课件课件第五章第五章 基于稳态模型的异步电机调速系统基于稳态模型的异步电机调速系统 „„ 比较可知比较可知：恒气隙Φm磁通控制时，转矩表达式的分母略小于定子磁通 控制特性中的同类项。因此， 当转差率s相同时，恒气隙磁通控制的电磁转矩大于恒气隙磁通控制 方式。 或：或：同等负载下，恒气隙磁通控制时恒气隙磁通控制时的的“转速降”要小于恒定子磁通控 制，机械机械特性比恒定子磁通控制时更硬特性比恒定子磁通控制时更硬。。 对比对比（“恒定子磁通”控制时的转矩式）： 2 ' 1 '2 2 2 ' 2 1 1 3 ( ) s r e p r ls lr E s RT n R s L L ω ω ω ⎛ ⎞= ⎜ ⎟ + +⎝ ⎠ zz恒气隙磁通控制恒气隙磁通控制 时时电磁转矩电磁转矩：： 2 ' 1 '2 2 2 '2 1 1 3 g re p r lr E s RT n R s L ω ω ω ⎛ ⎞= ⎜ ⎟ +⎝ ⎠ (2) (2) 恒气隙磁通控制恒气隙磁通控制 54 河南科大河南科大《《运动控制系统运动控制系统》》课件课件第五章第五章 基于稳态模型的异步电机调速系统基于稳态模型的异步电机调速系统 • 恒气隙磁通控制方式时的临界转矩也是恒定的临界转矩也是恒定的； • （与恒定子磁通控制相比），恒气隙磁通控制时的临界转矩临界转矩、 和临界转差率更大更大，机械特性更硬机械特性更硬。 (2) (2) 恒气隙磁通控制恒气隙磁通控制 ' 1 ' lr r m L Rs ω=' 2 1 1 2 3 lr sp em L EnT ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛= ω zz临界转矩、临界转差率临界转矩、临界转差率 对比对比（（“恒定子磁通”控 制的转矩式): 2 ' 1 ' ' 1 3 1 2 ( ) ( ) p s em ls lr r m ls lr n ET L L Rs L L ω ω ⎛ ⎞= ⎜ ⎟ +⎝ ⎠ = +„„比较可知比较可知 10 55 河南科大河南科大《《运动控制系统运动控制系统》》课件课件第五章第五章 基于稳态模型的异步电机调速系统基于稳态模型的异步电机调速系统 •• 机械特性机械特性与恒定子磁通控制时基本一致：都有恒定的临界转 矩限制，整体都是非线性的。 •• 不同的是不同的是：恒气隙磁通控制时的临界转矩临界转矩 更大更大，，机械特性更机械特性更 硬些硬些。。 ————恒压频比控制中补偿定子电压所追求的目标。恒压频比控制中补偿定子电压所追求的目标。 (2) (2) 恒气隙磁通控制恒气隙磁通控制 （与恒定子磁通控制相比） 56 河南科大河南科大《《运动控制系统运动控制系统》》课件课件第五章第五章 基于稳态模型的异步电机调速系统基于稳态模型的异步电机调速系统 z 定子电压 除补偿定子电阻压降外，还应补偿定子和转子漏 抗压降。 ' 1 1[ ( )]s s ls lr rU R j L L I Eω= + + +� � � (3) (3) 恒转子磁通控制恒转子磁通控制【【恒恒EErr//ωω11控制控制】】 如果把电压-频率协调控制中的电压Us再进一步提高，把转 子“漏抗压降”也抵消掉，并保持： EErr//ωω11==常值常值 ======》》转子磁通转子磁通 ΦΦmrmr恒定！恒定！ 此时的机械特性会怎样呢？此时的机械特性会怎样呢？ 57 河南科大河南科大《《运动控制系统运动控制系统》》课件课件第五章第五章 基于稳态模型的异步电机调速系统基于稳态模型的异步电机调速系统 z 转子电流 z 电磁转矩 sR E I r r r /' ' = ' 1 2 1 ' 2' 2 1 3 3 r r p r r rp e R sEn s R s R EnT ωωω ⋅⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛=⋅ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ⋅= (3) (3) 恒转子磁通控制恒转子磁通控制 图5-12 异步电动机等值电路和感应电动势 ——机械特性完全是一条直线机械特性完全是一条直线。可以获得和直流电动机一样的 线性机械特性，这正是高性能交流变频调速所要求的稳高性能交流变频调速所要求的稳 态性能。态性能。 58 河南科大河南科大《《运动控制系统运动控制系统》》课件课件第五章第五章 基于稳态模型的异步电机调速系统基于稳态模型的异步电机调速系统 „„不同控制方式下的机械特性不同控制方式下的机械特性 图5-13 异步电动机在不同控制方式下的机械特性 a）恒压频比控制 b）恒定子磁通控制 c）恒气隙磁通控制 d）恒转子磁通控制 59 河南科大河南科大《《运动控制系统运动控制系统》》课件课件第五章第五章 基于稳态模型的异步电机调速系统基于稳态模型的异步电机调速系统 „„不同控制方式的特性比较不同控制方式的特性比较 ①① 恒压频比控制最容易实现恒压频比控制最容易实现，它的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。低速时 需适当提高定子电压，以近似补偿定子阻抗压降。 ②② 恒定子磁通、恒气隙磁通的控制方式恒定子磁通、恒气隙磁通的控制方式，虽改善了低速性能。 但机械特性还是非线性的，仍受到临界转矩的限制。 ③③ 恒转子磁通控制方式恒转子磁通控制方式可以获得和直流他励电动机一样的线 性机械特性，性能最佳性能最佳。在动态中也尽可能保持保持φφmrmr恒定是恒定是 ““矢量控制矢量控制””系统系统””所追求的目标，当然实现复杂。 60 河南科大河南科大《《运动控制系统运动控制系统》》课件课件第五章第五章 基于稳态模型的异步电机调速系统基于稳态模型的异步电机调速系统 基频以上调速时，电压不能从额定值再向上提高，只能 保持不变，机械特性方程式可写成 1）临界转矩表达式（改写固有特性的临界转矩式）： [ ]2'2122'1 ' 2 )()( 3 lrlsrs r sNpe LLsRsR sRUnT +++= ωω [ ]2'21212 )(123 lrlssssNpem LLRRUnT +++= ωω 二、基频以上二、基频以上““恒压变频恒压变频””调速时的机械特性调速时的机械特性 5.3.2 “电压-频率”协调控制时的机械特性5.3.2 5.3.2 ““电压电压--频率频率””协调控制时的机械特性协调控制时的机械特性 ÎÎωω11升高时，升高时，TTemem下降。下降。 2）临界转差率（同固有特性）： ' 2 2 ' 2 1 ( ) r m s ls lr Rs R L Lω= + + ÎÎωω11升高时，升高时，ssmm下降。下降。 11 61 河南科大河南科大《《运动控制系统运动控制系统》》课件课件第五章第五章 基于稳态模型的异步电机调速系统基于稳态模型的异步电机调速系统 当s很小时，忽略上式分母中含s各项 ，则：则： 2 ' 1 3 sNe p r U sT n Rω≈ 或 ' 2 1 1 23 r e p sN R Ts n U ωω ≈ 基频以上基频以上““恒压变频恒压变频””调速时的机械特性调速时的机械特性 33）转速降△）转速降△n:n: [ ]2'2122'1 ' 2 )()( 3 lrlsrs r sNpe LLsRsR sRUnT +++= ωω z 带负载时的转速降落 ' 2 1 1 1 2 2 1060 2 r e p p sN R Tn sn s n n U ωωπ πΔ = = ≈