变频调速技术及应用第3章.ppt

第3章变频调速原理 随着交流电动机调速控制理论、电力电子技术、数字化控制技术的发展，交流变频调速技术日趋成熟，其应用越来越广泛。变频调速技术的应用已扩展到工业生产的所有领域，并且在家电产品中也得到广泛的应用。 3．1变频调速原理 3．1．1交流异步电动机的调速原理 交流异步电动机的转速关系式如下： 式中f为定子供电频率（Hz）； p为磁极对数； s为转差率； n为电动机转速（r／min）。 由式（3－l）可知，交流异步电动机的调速方式一般有三种：变极调速、改变电机转差率调速、变频调速。 1．变极调速 通过改变电动机定于绕组的接线方式以改变电机极数实现调速，这种调速方法是有级调速，不能平滑调速，而且只适用于鼠笼式异步电动机。 2 ．改变电机转差率调速 其中有通过改变电机转子回路的电阻进行调速，此种调速方式效率不高，且不经济，只适用于绕线式异步电动机。其次是采用电磁转差离合器进行调速，调速范围宽且能平滑调速，但这种调速装置结构复杂，低速运行时损耗较大、效率低。较好的转差率调速方式是串级调速，这种调速方法是通过在转子回路串入附加电动势实现调速的。这种调速方式效率高、机械特性好，但设备投资费用大、操作不方便。 3．变频调速 通过改变异步电动机定子的供电频率人，以改变电动机的同步转速达到调速的目的，其调速性能优越，调速范围宽，能实现无级调速。 过去只能通过旋转变频发电机组实现电源频率的改变，这种变频方式造价高、使用不方便。随着电力电子技术的飞速发展，采用新型电力电子器件制造变频电源装置（变频器）成为可能，使异步电动机的变频调速的应用越来越广泛。 3．1．2变频调速的工作原理 由《电机学》中的相关知识可知，异步电动机定子绕组的感应电动势E1的有效值为： 式中， E1为气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值（V）；f1为定子频率（HZ）； N1为定子每相绕组串联匝数；krl为与绕组有关的结构常数；Фm为每极气隙磁通量（Wb）。 由式可知，如果定子每根电动势的有效值E1不变，改变走子频率时会出现下面两种情况： （1）如果f1大于电动机的额定频率f1N。，气隙磁通Ф m就会小于额定气隙磁通Ф mN。，结果是电动机的铁芯没有得到充分利用，造成浪费，而且在相同的转子电流下，电磁转矩将变小，使电动机带负载能力下降。若要保证电动机带负载能力不变，就必须加大转子电流，此时电动机势必会出现过电流。 （2）如果F1小于电动机的额定频率人。，气隙磁通也就会大于额定气隙磁通Ф mN ，结果是电动机的铁芯产生过饱和，从而导致过大的励磁电流，使电动机功率因数、效率下降，严重时会因绕组过热烧坏电动机。 因此，要实现变频调速，且在不损坏电动机的情况下充分利用电机铁芯，应保持每极气隙磁通中Ф m不变。 1．基频以下调速 要保持Ф m不变，当频率f1从额定值f1N向下调时，必须降低E1，使E1／f1=常数，即采用电动势与频率之比恒定的控制方式。但绕组中的感应电动势不易直接控制，当电动势的值较高时，可以认为电机输入电压V1≈E1，则可通过控制V1达到控制E1的目的，即 基频以下调速时的机械特性曲线如图3．l所示。如果电动机在不同转速下都具有额定电流，则电动机都能在温升允许的条件下长期运行，这时转矩基本上随磁通变化。由于在基频以下调速时磁通恒定，所以转矩恒定，其调速属于恒转矩调速。 2．基频以上调速 在基颜以上调速时，频率可以从f1N向上增加，但电压V1却不能超过额定电压V1N，最大为V1＝V1N。由式（3－2）可知，这将使磁通Ф m随频率f1的升高而降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。在基频以上调速时，由于电压V1＝V1N不变，当频率升高时，电动机的同步转速n1随之升高，气隙磁动势减弱，最大转矩减小，电磁功率P＝T2πn1/60基本不变。所以，基频以上变频调速属于弱磁恒功率调速。其机械特性如图所示。 3．2交流变频系统的基本形式 从交流变频调速的系统结构上来分可以分为交—交变频系统和交—直—交变频系统。 3．2．1交—交变频系统 交一交变频系统是一种可直接将某固定频率交流变换成可调频率交流的电路系统，无须中间直流环节。与交一直一交变频系统相比，提高了系统变换效率。又由于整个变频电路直接与电网相连接，各晶闸管元件上承受的是交流电压，故可采用电网电压自然换流，无须强迫换流装置，简化了变频器主电路结构，提高了换流能力。 交一交变频电路广泛应用于大功率低转速的交流电动机调速传