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变频空调调速原理.doc

变频空调调速原理

Gordon志强
2017-09-26 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《变频空调调速原理doc》,可适用于高等教育领域

变频空调调速原理变频调速基本原理一(异步电动机概述(异步电动机旋转原理NnFIn异步电动机的电磁转矩是由定子主磁通和转子电流相互作用产生的。磁场以n转速顺时针旋转转子绕组切割磁力线产生转子电流通电的转子绕组相对磁场运动产生电磁力电磁力使转子绕组以转速n旋转方向与磁场旋转方向相同(旋转磁场的产生旋转磁场实际上是三个交变磁场合成的结果。这三个交变磁场应满足:在空间位置上互差πrad电度角。这一点由定子三相绕组的布置来保证在时间上互差πrad相位角(或周期)。这一点由通入的三相交变电流来保证(电动机转速产生转子电流的必要条件是转子绕组切割定子磁场的磁力线。因此转子的转速n必须低于定子磁场的转速n两者之差称为转差:Δn,n,n转差与定子磁场转速(常称为同步转速)之比称为转差率:s,Δnn同步转速n由下式决定:n,fp式中f为输入电流的频率p为旋转磁场的极对数。由此可得转子的转速n,f(,s)p二(异步电动机调速由转速n,f(,s)p可知异步电动机调速有以下几方法:(改变磁极对数p(变极调速)定子磁场的极对数取决于定子绕组的结构。所以要改变p必须将定子绕组制为可以换接成两种磁极对数的特殊形式。通常一套绕组只能换接成两种磁极对数。变极调速的主要优点是设备简单、操作方便、机械特性较硬、效率高、既适用于恒转矩调速又适用于恒功率调速其缺点是有极调速且极数有限因而只适用于不需平滑调速的场合。(改变转差率s(变转差率调速)以改变转差率为目的调速方法有:定子调压调速、转子变电阻调速、电磁转差离合器调速、串极调速等。定子调压调速当负载转矩一定时随着电机定子电压的降低主磁通减少转子感应电动势减少转子电流减少转子受到的电磁力减少转差率s增大转速减小从而达到速度调节的目同理定子电压升高转速增加。调压调速的优点是调速平滑采用闭环系统时机械特性较硬调速范围较宽缺点是低速时转差功率损耗较大功率因素低电流大效率低。调压调速既非恒转矩调速也非恒功率调速比较适合于风机泵类特性的负载。分体机上的室内风机就是利用定子电压调速的方法进行调速的其调速电路如下图。根据风机速度的反馈信号控制晶闸管SCR导通的相角从而控制风机定子的输入电压以控制风机的风速。前面讲在空间位置上互差πrad电度角的三相绕组通以在时间上互差πrad相位角(或周期)三相交变电流可产生旋转磁场同样在空间位置上互差πrad电度角的两相绕组通以在时间上互差πrad相位角(或周期)两相交变电流也可产生旋转磁场。下图中电容C的作用就是把一相电流移相以产生两相在时间上互差πrad相位角(或周期)交变电流在空间位置上互差πrad电度角的两相绕组是由风机的内部结构来保证的。SCRL速度风C反馈机N转子变电阻调速当定子电压一定时电机主磁通不变若减小定子电阻则转子电流增大转子受到的电磁力增大转差率减小转速降低同理增大定子电阻转速增加。转子变电阻调速的优点是设备和线路简单投资不高但其机械特性较软调速范围受到一定限制且低速时转差功率损耗较大效率低经济效益差。目前转子变电阻调速只在一些调速要求不高的场合采用。电磁转差离合器调速异步电动机电磁转差离合器调速系统以恒定转速运转的异步电动机为原动机通过改变电磁转差离合器的励磁电流进行速度调节。电磁转差离合器由电枢和磁极两部分组成二者之间没有机械的联系均可自由旋转。离合器的电枢与异步电动机转子轴相连并以恒速旋转磁极与工作机械相连。电磁转差离合器nn异步电负载磁极电动机枢I励磁电流电磁转差离合器的工作原理是:如果磁极内励磁电流为零电枢与磁极间没有任何电磁联系磁极与工作机械静止不动相当于负载被“脱离”如果磁极内通入直流励磁电流磁极即产生磁场电枢由于被异步电动机拖动旋转因而电枢与磁极间有相对运动而在电枢绕组中产生电流并产生力矩磁极将沿着电枢的运转方向而旋转此时负载相当于被“合上”调节磁极内通入的直流励磁电流就可调节转速。电磁转差离合器调速的优点是控制简单运行可靠能平滑调速采用闭环控制后可扩大调速范围运用于通风类或恒转矩类负载其缺点是低速时损耗大效率低。串极调速前面介绍的定子调压调速、转子变电阻调速、电磁转差离合器调速均存在着转差功率损耗较大、效率低的问题是很大的浪费。如何能够将消耗于转子电阻上的功率利用起来同时又能提高调速性能,串极调速就是在这样的指导思想下提出来的。串极调速的基本思想是将转子中的转差功率通过变换装置加以利用以提高设备的效率。串极调速的工作原理实际上是在转子回路中引入了一个与转子绕组感应电动势频率相同的可控的附加电动势通过控制这个附加电动势的大小来改变转子电流的大小从而改变转速。见下图。串极调速具有机械特性比较硬、调速平滑、损耗小、效率高等优点便于向大容量发展但它也存在着功率因素较低的缺点。(改变频率f(变频调速)当极对数p不变时电动机转子转速与定子电源频率成正比因此连续的改变供电电源的频率就可以连续平滑的调节电动机的转速。异步电动机变频调速具有调速范围广、调速平滑性能好、机械特性较硬的优点可以方便的实现恒转矩或恒功率调速整个调速特性与直流电动机调压调速和弱磁调速十分相似并可与直流调速相比美。三(异步电动机变频调速(变频器与逆变器、斩波器变频调速是以变频器向交流电动机供电并构成开环或闭环系统。变频器是把固定电压、固定频率的交流电变换为可调电压、可调频率的交流电的变换器是异步电动机变频调速的控制装置。逆变器是将固定直流电压变换成固定的或可调的交流电压的装置(DC,AC变换)。将固定直流电压变换成可调的直流电压的装置称为斩波器(DC,DC变换)。(变压变频调速(VVVF)在进行电机调速时通常要考虑的一个重要因素是希望保持电机中每极磁通量为额定值并保持不变。如果磁通太弱即电机出现欠励磁将会影响电机的输出转矩由TM,KT,MICOS,,(式中TM:电磁转矩,M:主磁通I:转子电流COS,,:转子回路功率因素KT:比例系数)可知电机磁通的减小势必造成电机电磁转矩的减小。由于电机设计时电机的磁通常处于接近饱和值如果进一步增大磁通将使电机铁心出现饱和从而导致电机中流过很大的励磁电流增加电机的铜损耗和铁损耗严重时会因绕组过热而损坏电机。因此在改变电机频率时应对电机的电压进行协调控制以维持电机磁通的恒定。为此用于交流电气传动中的变频器实际上是变压(VariableVoltage简称VV)变频(VariableFrequency简称VF)器即VVVF。所以通常也把这种变频器叫作VVVF装置或VVVF。根据异步电动机的控制方式不同变压变频调速可分为恒定压频比(VF)控制变频调速、矢量控制(FOC)变频调速、直接转矩控制变频调速等。(变频器分类从变频器主电路的结构形式上可分为交,直,交变频器和交,交变频器。交,直,交变频器首先通过整流电路将电网的交流电整流成直流电再由逆变电路将直流电逆变为频率和幅值均可变的交流电。交,直,交变频器主电路结构如下图。ACDCAC整流逆变恒压恒频变压变频中间直流环节交,交变频器把一种频率的交流电直接变换为另一种频率的交流电中间不经过直流环节又称为周波变换器。它的基本结构如下图所示。正向组反向组负ui,载u常用的交,交变频器输出的每一相都是一个两组晶闸管整流装置反并联的可逆线路。正、反向两组按一定周期相互切换在负载上就获得交变的输出电压u。输出电压u的幅值决定于各组整流装置的控制角,输出电压u的频率决定于两组整流装置的切换频率。如果控制角,一直不变则输出平均电压是方波要的到正弦波输出就在每一组整流器导通期间不断改变其控制角。对于三相负载交,交变频器其他两相也各用一套反并联的可逆线路输出平均电压相位依次相差,,,:。交,交变频器由其控制方式决定了它的最高输出频率只能达到电源频率的,,,,,,,不能高速运行这是它的主要缺点。但由于没有中间环节不需换流提高了变频效率并能实现四象限运行因而多用于低速大功率系统中如回转窑、轧钢机等。从变频电源的性质上看可分为电压型变频器和电流型变频器。对交,直,交变频器电压型变频器与电流型变频器的主要区别在于中间直流环节采用什么样的滤波器。电压型变频器的主电路典型形式如下图。在电路中中间直流环节采用大电容滤波直流电压波形比较平直使施加于负载上的电压值基本上不受负载的影响而基本保持恒定类似于电压源因而称之为电压型变频器。ACDCAC整流逆变Cd中间直流环节电压型变频器逆变输出的交流电压为矩形波或阶梯波而电流的波形经过电动机负载滤波后接近于正弦波但有较大的谐波分量。由于电压型变频器是作为电压源向交流电动机提供交流电功率所以主要优点是运行几乎不受负载的功率因素或换流的影响缺点是当负载出现短路或在变频器运行状态下投入负载都易出现过电流必须在极短的时间内施加保护措施。电流型变频器与电压型变频器在主电路结构上基本相似所不同的是电流型变频器的中间直流环节采用大电感滤波见下图直流电流波形比较平直使施加于负载上的电流值稳定不变基本不受负载的影响其特性类似于电流源所以称之为电流型变频器。ACDCACLd整流逆变中间直流环节电流型变频器逆变输出的交流电流为矩形波或阶梯波当负载为异步电动机时电压波形接近于正弦波。电流型变频器的整流部分一般采用相控整流或直流斩波通过改变直流电压来控制直流电流构成可调的直流电源达到控制输出的目的。电流型变频器由于电流的可控性较好可以限制因逆变装置换流失败或负载短路等引起的过电流保护的可靠性较高所以多用于要求频繁加减速或四象限运行的场合。一般的交,交变频器虽然没有滤波电容但供电电源的低阻抗使它具有电压源的性质也属于电压型变频器。也有的交,交变频器用电抗器将输出电流强制变成矩形波或阶梯波具有电流源的性质属于电流型变频器。交,直,交变频器根据VVVF调制技术不同分为PAM和PWM两种。PAM是把VV和VF分开完成的称为脉冲幅值调制(PulseAmplitudeModulation)方式简称PAM方式。PAM调制方式又有两种:一种是调压采用可控整流即把交流电整流为直流电的同时进行相控整流调压调频采用三相六拍逆变器这种方式结构简单控制方便但由于输入环节采用晶闸管可控整流器当电压调得较低时电网端功率因素较低而输出环节采用晶闸管组成的三相六拍逆变器每周换相六次输出的谐波较大。其基本结构见图a另一种是采用不控整流、斩波调压即整流环节采用二极管不控整流只整流不调压再单独设置PWM斩波器用脉宽调压调频仍采用三相六拍逆变器这种方式虽然多了一个环节但调压时输入功率因素不变克服了上面那种方式中输入功率因数低的缺点。而其输出逆变环节未变仍有谐波较大的问题。其基本结构见图b。PWM是将VV与VF集中于逆变器一起来完成的称为脉冲宽度调制(PulseWidthModulation)方式简称PWM方式。PWM调制方式采用不控整流则输入功率因素不变用PWM逆变同时进行调压和调频则输出谐波可以减少。其基本结构见图c。ACACDC三相可控六拍整流逆变调频调压图aACDCDCAC三相PWM不控六拍斩波整流逆变调频调压图bACACDCPWM不控逆变整流调压调频图c在VVVF调制技术发展的早期均采用PAM方式这是由于当时的半导体器件是普通晶闸管等半控型器件其开关频率不高所以逆变器输出的交流电压波形只能是方波。而要使方波电压的有效值随输出频率的变化而改变只能靠改变方波的幅值即只能靠前面的环节改变中间直流电压的大小。随着全控型快速半导体开关器件BJT、IGBT、GTO等的发展才逐渐发展为PWM方式。由于PWM方式具有输入功率因数高、输出谐波少的优点因此在中小功率的变频器中几乎全部采用PWM方式但由于大功率、高电压的全控型开关器件的价格还较昂贵所以为降低成本在数百千瓦以上的大功率变频器中有时仍需要使用以普通晶闸管为开关器件的PAM方式。四(变压变频协调控制前面讲在进行电机调速时为保持电动机的磁通恒定需要对电机的电压与频率进行协调控制。那么应该怎样对电机的电压与频率进行协调控制呢,对此需要考虑基频(额定频率)以下和基频以上两种情况。基频即基本频率f是变频器对电动机进行恒转矩控制和恒功率控制的分界线应按电动机的额定电压(指额定输出电压是变频器输出电压中的最大值通常它总是和输入电压相等)进行设定即在大多数情况下额定输出电压就是变频器输出频率等于基本频率时的输出电压值所以基本频率又等于额定频率fN(即与电动机额定输出电压对应的频率)。异步电动机变压变频调速时通常在基频以下采用恒转矩调速基频以上采用恒功率调速。(基频以下调速在一定调速范围内维持磁通恒定在相同的转矩相位角的条件下如果能够控制电机的电流为恒定即可控制电机的转矩为恒定称为恒转矩控制即电机在速度变化的动态过程中具有输出恒定转矩的能力。由于恒定Uf控制能在一定调速范围内近似维持磁通恒定因此恒定Uf控制属于恒转矩控制。严格地说只有控制Egf恒定才能控制电机的转矩为恒定。恒定气隙磁通,M控制(恒定Egf控制)根据异步电动机定子的感应电势Eg=fNKN,M(式中Eg为气隙磁通在每相定子感应的电动势f为电源频率N为定子每相绕组串联匝数KN为与绕组结构有关的常数,M为每极气隙磁通)可知要保持,M不变当频率f变化时必须同时改变电动势Eg的大小使Egf,常值即采用恒定电动势与频率比的控制方式。(恒定Egf控制)又电机定子电压U,Eg(rjx)I(式中U为定子电压r为定子电阻x为定子漏磁电抗I为定子电流)如果在电压、频率协调控制中适当地提高电压U使它在克服定子阻抗压降以后能维持Egf为恒值则无论频率高低每极磁通,M均为常值就可实现恒定Egf控制。恒定Egf控制的稳态性能优于下面讲的恒定Uf控制它正是恒定Uf控制中补偿定子压降所追求的目标。恒定压频比控制(恒定Uf控制)根据上面的公式在电动机正常运行时由于电动机定子电阻r和定子漏磁电抗x的压降较小可以忽略则电机定子电压U与定子感应电动Eg近似相等即UEg则得Uf,常值这就是恒压频比的控制方式。(恒定Uf控制)由于电机的感应电势检测和控制比较困难考虑到在电机正常运转时电机的电压和电势近似相等因此可以通过控制Uf恒定以保持气隙磁通基本恒定。恒定Uf控制是异步电动机变频调速的最基本控制方式它在控制电动机的电源频率变化的同时控制变频器的输出电压并使二者之比Uf为恒定从而使电动机的磁通基本保持恒定。恒定Uf控制的出发点是电动机的稳态数学模型它的控制效果只有在稳态时才符合要求。在过渡过程中电动机所产生的转矩需要按照电动机的动态数学模型进行分析计算。因此恒定Uf控制的电动机系统难以满足动态性能的要求。在起动时为了使系统能满足稳态运行的条件频率的变化应尽可能缓慢以避免电动机出现失速现象即电动机转子的转速与旋转磁场的转速相差很大。滑差增大造成电动机中流过很大的电流电动机输出的转矩将减小。恒定Uf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突出优点是可以进行电机的开环速度控制。恒定Uf控制存在的主要问题是低速性能较差。这是由于低速时异步电动机定子电阻压降所占比重增大已不能忽略电机的电压和电势近似相等的条件已不满足仍按Uf恒定控制已不能保持电机磁通恒定。电机磁通的减小电机电磁转矩的减小。因此在低频运行的时候要适当的加大Uf的值以补偿定子压降。若采用开环控制则除了定子漏阻抗的影响外变频器桥臂上下开关元件的互锁时间也是影响电机低速性能的重要原因。对电压型变频器考虑到电力半导体器件的导通和关断均需一定时间为防止上下元件在导通关断切换时出现直通造成短路而损坏在控制导通时设置一段开关导通延迟时间。在开关导通延迟时间内桥臂上下电力半导体器件均处于关断状态因此又将开关导通延迟时间称为互锁时间。互锁时间的长短与电力半导体器件的种类有关。由于互锁时间的存在变频器的输出电压将比控制电压低。在低频的时候变频器的输出电压比较低PWM逆变脉冲的占空比比较小这时互锁时间的影响就比较大从而导致电机的低速性能降低。互锁时间造成的压降还会引起转矩脉动在一定条件下将会引起转速、电流的振荡严重时变频器不能运行。对磁通进行闭环控制是改善Uf恒定控制性能的十分有效的方法。采用磁通控制后电机的电流波形的到明显改善气隙磁通更加接近圆形。恒定转子磁通,r控制(恒定Erf控制)如果把电压、频率协调控制中的电压U进一步再提高一些把转子漏抗上的压降也抵消掉便的到恒定Erf控制其机械特性是一条直线。显然恒定Erf控制的稳态性能最好可以获得和直流电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性能。问题是怎样控制变频器的电压和频率才能获得恒定Erf的呢,按照电动势与磁通的关系Eg=fNKN,M可以看出当频率恒定时电动势与磁通成正比。在上式中气隙磁通Eg的感应电动势对应于气隙磁通,M那么转子磁通的感应电动势Er就应该对应于转子磁通,rEr=fNKN,r由此看见只要能够按照转子磁通,r,恒值进行控制就可获得恒定Erf控制。这正是矢量控制系统所遵循的原则。(基频以上调速当电机的电压随着频率的增加而升高时若电机的电压已达到电机的额定电压继续增加电压有可能破坏电机的绝缘。为此在电机达到额定电压后即使频率增加仍维持电机电压不变。这样电机所能输出的功率由电机的额定电压和额定电流的乘积所决定不随频率的变化而变化。具有恒功率特性。在基频以上调速时频率可以从基频往上增加但电压却不能超过额定电压此时电机调速属于恒转矩调速。电机在恒转矩调速时磁通与频率成反比地降低相当于直流电机弱磁升速的情况。(VF控制与VF曲线VF控制在恒定Uf控制中频率f下降时定子电阻压降在U中所占比例增大造成气隙磁通,M和转矩下降采取适当提高Uf的方法来低偿定子电阻压降的增大而保持,M,恒值最终使电动机的转矩得到补偿。这种方法称为转矩补偿因为它是通过提高Uf而得到的故又称VF控制或电压补偿。许多书中则直译为转矩提升(Torqueboost)。基本VF曲线Uf,恒值时的VF曲线称为基本VF曲线(见下图中曲线a)它表明了没有补偿时的电压U和频率f之间的关系。它是进行VF控制时的基准线。全补偿VF曲线不论f为多大(在ffN的范围内)通过补偿都能保持,M,恒值称为完全补偿VF曲线简称全补偿VF曲线(见下图中曲线b)。U(V)UNbafNf(Hz)全补偿VF曲线与电动机的参数有关而电动机的型号规格很多其全补偿VF曲线各不相同即使是同一型号、同一规格的电动机应用场合的不同其全补偿VF曲线各不相同。这是因为转矩补偿的实质是用提高电压的方法来补偿定子阻抗压降的。而定子阻抗压降的大小是和定子电流I的大小有关的定子电流的大小又与负载有关。因此电动机的负载大小不同所需的补偿电压(从而全补偿VF曲线)也不一样。过分补偿有的用户认为补偿小可能会带不动负载补偿大了没问题故而在设定VF曲线时“宁小毋大”或在设定VF曲线时只根据最重负载的要求来设定则在轻载或空载时就会出现补偿过分。补偿过分说明电压U提升过多使电动势Eg在U中的比例相对减小则定子电流I增加。但电动机的负载与转速均未变故定子电流I增大励磁电流I必增大其结果是磁通,M增加。磁通增加将使铁心达到饱和,M的波形将逐渐地由正弦波变成平顶波而励磁电流I则为尖顶波。补偿越过分铁心的饱和程度越深I的峰值也越高甚至引起变频器因过电流而跳闸。五(脉冲宽度调制(PWM)技术PWM技术是利用半导体开关器件的导通与关断把直流电压变为电压脉冲序列并通过控制电压脉冲宽度或电压脉冲周期以达到改变电压的目的或者通过控制电压脉冲宽度和电压脉冲序列的周期以达到变压和变频的目的。在变频调速中前者主要应用于PWM斩波(DC,DC变换)后者主要应用于PWM逆变(DC,AC变换)。PWM脉宽调制是利用相当于基波分量的信号波(调制波)对三角载波进行调制以达到调节输出脉冲宽度的目的。相当于基波分量的信号波(调制波)并不一定指正弦波在PWM优化模式控制中可以是预畸变的信号波正弦信号波是一种最通常的调制信号但决不是最优信号。PWM控制技术有许多种并且还在不断发展中。但从控制思想上分可把它们分成四类即等脉宽PWM法、正弦波PWM法(SPWM)、磁链跟踪PWM法(SVPWM)和电流跟踪PWM法等。

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