感应电动机调速方法

弱电转贴员

感应电动机调速方法

作 者 ：上海大学    阮   毅

摘 要 ：本文从感应电动机的数学模型出发，讨论了感应电动机各种调速方法的基本特征及应用场合。本文分为两部分，第一部分讨论基于稳态等值电路的调速方法，第二部分讨论动态数学模型及高动态性能的调速系统。

英文摘 要 ：In the view of mathematical model, this paper discusses basic characteristics and applications of various speed control methods. It includes two parts: (1) speed control methods based on steady mathematical model. (2) dynamic model and high-performance speed control systems.

关键词： 感应电动机   调速   转矩控制

1  概述     与直流电动机相比，感应电动机具有结构简单、制造容易、维护工作量小等优点，但感应电动机的控制却比直流电动机复杂的多。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，随着电力电子技术、控制技术和计算机技术的发展，交流可调传动的应用已成为不争的事实。交流可调传动的应用主要分为三个方面: ·用于大量的风机、水泵类电机的调速，以获得可观的节能效益; ·用于高性能的传动系统，取代直流传动系统; ·用于特大容量、极高转速的交流调速。 按照感应电动机的功率流向，从定子传入转子的电磁功率可分成两部分: ·一部分是机械轴上输出的机械功率; ·另一部分是与转差s成正比的转差功率。 按转差功率可以把感应电动机的调速系统分成三类: (1) 转差功率消耗型调速系统 转差功率转换成热能消耗在转子回路中，以增加转差功率的消耗来换取转速的降低，这类系统的效率较低，且随着转速的降低而降低，这类系统结构简单，设备成本低，仍具有一定的应用价值，例如降电压调速。 (2) 转差功率馈送型调速系统 转差功率的一部分被消耗掉，大部分则通过变换装置回馈给电网或转化成机械能予以利用，这类系统的效率比转差功率消耗型高，若转差功率由转子侧送入，则可使转速高于同步转速，此类系统只能用于绕线型感应电动机，应用场合受到一定的限制，设备成本高于前一种，例如绕线电动机双馈调速。 (3) 转差功率不变型调速系统 在这类系统中，无论转速高低，转差功率都为转子铜损，保持不变，因此效率也较高，变极对数调速和变压变频调速属于此类。其中变极对数调速是有级的，应用场合有限。只有变压变频调速应用最广。 感应电动机的转速表达式为 其中: s—转差;      f—电源频率;      —电机极对数;    —同步转速。 由式(1)可知，可以通过改变转差s或同步转速实现调速，转差功率消耗型和转差功率馈送型属于改变转差的调速方法，转差功率不变型属于改变同步转速的调速方法。 电力传动控制系统的运动方程为: 由式(2)可知，通过电磁转矩来控制转速的变化率，进而达到控制转速或转角的目的。因此，转矩控制是电力传动系统的根本问题。为了有效地控制电磁转矩，充分利用电机铁芯，必须在控制转矩的同时对磁链(或磁通)进行控制。因为当磁链(或磁通)很小时，即使电流很大，实际转矩仍然很小。何况由于物理条件限定，电流总是有限的。因此，磁链控制与转矩控制同样重要，不可偏废[1]。 2  感应电动机稳态模型及基于稳态模型的控制方法 2.1 感应电动机稳态模型 根据电机学原理[2]，在下述三个假定条件下: ·忽略空间和时间谐波; · 忽略磁饱和; ·忽略铁损，感应电动机的稳态模型可以用T型等效电路表示，如图１所示。 图1  感应电动机T型等效电路 各参数定义如下: Rs、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; Is、Is′—定子相电流和折合到定子侧的转子相电流。 忽略励磁电流, 得到如图2所示的简化等效电路: 图2  感应电动机简化等效电路 电流公式可表示为 和最大转矩 恒压恒频供电时感应电动机的机械特性如图3所示，其中为同步转速。 图3  感应电动机恒压恒频供电时的机械特性 2.2 感应电动机降压恒频调速 降低供电电压的幅值，保持电源的频率不变，一般称作调压调速，降压恒频调速的特点是同步转速保持不变，每极气隙磁通φm将随定子电压Us的降低而减小，最大转矩Temax将随定子电压Us的降低而成平方的减小，临界静差保持不变，其机械特性如图4所示。当负载转矩恒定时, 电磁功率随着转速的降低而增加，而机械功率却随之减小。因此，降压恒频调速属于转差功率消耗型调速方式。 图4  感应电动机降压恒频供电时的机械特性 降压恒频调速的缺点是机械特性变软，过载能力差，启动转矩减小，转矩负载调速范围小。降压恒频调速主回路结构简单，控制容易，但性能欠佳。随着变频调速技术的发展，降压恒频调速已不作为调速的主要手段，常用于中、大功率感应电动机的降压起动[3]。 2.3 绕线型感应电动机双馈调速 定子侧供电电源保持额定状态，加大转子回路电阻Rr′即为绕线型感应电动机转子回路串电阻调速，其特点是:同步转速和气隙磁通φm保持不变，最大转矩Temax也保持不变，临界静差随着电阻Rr′的增加而加大。由式(4)可知，当电磁转矩相同时，转子回路电阻与转差之比为常数，绕线型感应电动机转子回路串电阻的机械特性如图5所示。 图5  绕线型感应电动机转子回路串电阻的机械特性 转子回路电阻越大，转差功率越大，效率越低，为了提高调速系统的效率，可在转子回路串入用功率变换器构成的附加电动势，等值电路如图6所示，将经频率折算和绕组折算得到定子侧等效附加电动势。当>0时，功率变换器将转差功率回馈至电网，这就是低于同步转速的串级调速。当<0时,转子回路串入的附加电动势从电网吸取能量注入转子回路,使转差s<0，转速n高于同步转速，这就是高于同步转速的串级调速，或称为超同步串级调速。超同步串级调速转子回路的功率变换器要求能量可以双向流动，其结构与控制比低于同步转速的串级调速复杂[3]。 绕线型感应电动机双馈调速的基本特征是:气隙磁通  φm和同步转速保持不变，理想空载转速随转子回路串入的附加电动势而变化，由图6等值电路得转矩表达式， 图6  绕线型感应电动机转子回路串电动势等值电路 图7为绕线型感应电动机双馈调速机械特性，当>0时，理想空载转速低于同步转速<;当<0时，理想空载转速高于同步转速>;当=0时，理想空载转速等于同步转速=。 图7  绕线型感应电动机双馈调速机械特性 感应电动机双馈调速只能用于绕线型电机，应用场合受到限制，常用于大功率的风机、水泵类负载的调速，随着中、高压大功率变频技术的发展，双馈调速的应用市场正在逐步萎缩。与变频调速相比较，双馈调速的优点是:由于气隙磁通φm不变，在高于同步转速的范围内，允许输出功率较大，但转子回路承受电压较高;转子回路功率变换器的容量随着调速范围的减小而降低。 2.4 转速开环的感应电动机变压变频调速(VVVF) 变压变频调速是改变同步转速的调速方法，同步转速随频率而变化， 为了达到良好的控制效果，常采用电压-频率协调控制，分基频(额定频率)以下和基频以上两种情况。 (1) 基频以下调速 以便充分利用电动机铁心，发挥电动机产生转矩的能力，在基频以下采用恒磁通控制方式，要保持φm不变，当频率从额定值向下调节时，必须同时降低Eg，使     常值    (11) 即采用电动势频率比为恒值的控制方式。然而，绕组中的感应电动势是难以直接控制的，当电动势值较高时，可以忽略定子电阻和漏磁感抗压降，而认为定子相电压Us≈Eg，则得 这是恒压频比的控制方式。 低频时，Us和Eg都较小，定子电阻和漏磁感抗压降所占的份量相对较大，可以人为地抬高定子相电压Us，以便补偿定子压降，称作低频补偿或转矩提升。带定子压降补偿的恒压频比控制特性示于图8中的b线，无补偿的控制特性则为a线。 图8  恒压频比控制特性 (2) 基频以上调速 在基频以上调速时，频率从向上升高，但定子电压Us却不可能超过额定电压，只能保持Us=不变，这将使磁通与频率成反比地下降，使得感应电动机工作在弱磁状态。 把基频以下和基频以上两种情况的控制特性画在一起，如图9所示。如果电动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期运行，则转矩基本上随磁通变化而变化。按照电力拖动原理，在基频以下，磁通恒定，转矩也恒定，属于“恒转矩调速”性质，而在基频以上，转速升高时磁通恒减小，转矩也随着降低，基本上属于“恒功率调速”。 图9  感应电动机变压变频调速的控制特性 (3) 电压-频率协调控制时的机械特性 基频以下须采用恒压频比控制，感应电动机的电磁转矩为 由此可见，当Us/ω1为恒值时，对于同一转矩Te，Δn基本不变。这就是说，在恒压频比的条件下改变频率ω1时，机械特性基本上是平行下移，如图10所示。将最大转矩改写为 图10 感应电动机变压变频调速机械特性 可见最大转矩Temax是随着ω1的降低而减小的。频率很低时, Temax很小，电动机带载能力减弱，采用低频定子压降补偿，适当地提高电压Us，可以增强带载能力。 在基频以上变频调速时，电压Us=不变，机械特性方程式可写成 当角频率ω1提高时，同步转速随之提高，最大转矩减小，机械特性上移，而形状基本不变，如图10所示。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，但转速却升高了, 可以认为输出功率基本不变。 图11  感应电动机转速开环变压变频调速系统结构原理图 图11为感应电动机转速开环变压变频调速系统结构原理图，一般称为通用变频器，被广泛应用于调速性能要求不高的场合，中、高压大功率风机、水泵类负载的一般多采用这种调速方法，为了避免突加给定造成的过流，在频率给定后设置了给定积分环节。由于转速开环，现场调试工作量小，使用方便，但转速有静差，低速性能欠佳。 2.5 感应电动机转速闭环的转差频率控制调速系统 在负载转矩扰动下，转速开环变频调速系统存在静态误差，采用转速反馈闭环控制可有效减小或消除静差，转差频率控制就是一种转速闭环的调速系统。 2.5.1 转差频率控制的基本概念 采用恒Eg/ω1控制(即恒φm控制)时的电磁转矩公式为 如果保持气隙磁通φm不变，感应电动机的转矩就近似与转差角频率成正比。这就是说，控制转差频率就可以控制转矩，这就是转差频率控制的基本概念。 转差频率控制的前提是保持φm恒定，那么如何能保持φm恒定？显然，按恒Eg/ω1控制，即可保持φm恒定。由等效电路可得: 由此可见，要实现恒Eg/ω1控制，必须采用定子电流补偿控制，严格说来，应该既有幅值补偿，又需要相位补偿，为了简化系统结构，一般仅采用幅值补偿， 其中，分别为额定状态下定子每相感应电动势的有效值和额定电源角频率。 总结起来，转差频率控制的规律是: (1) 在的范围内，转矩Te基本上与成正比，条件是气隙磁通不变。 (2) 在不同的定子电流值时，需要定子电流补偿，以保持气隙磁通φm恒定。 2.5.2 转差频率控制的变压变频调速系统 图12  转差频率控制的转速闭环变压变频调速系统结构原理图 实现上述转差频率控制规律的转速闭环变压变频调速系统结构原理图如图12所示，转速调节器ASR的输出信号是转差频率给定，与实测转速信号ω相加，即得定子频率给定信号，即 为了保证系统工作在的范围内，应限制最 频率来控制转矩。 由给定角频率和定子电流反馈信号Is构成定子电压给定信号Us*，用Us*和控制电压型PWM逆变器，即得感应电动机调速所需的变压变频电源。 转差角频率ωs*与实测转速信号ω相加后得到定子频率给定信号，这一关系是转差频率控制系统突出的特点或优点。它表明，在调速过程中，实际频率ω1随着实际转速ω同步地上升或下降，有如水涨而船高，因此加、减速平滑而且稳定。同时，由于在动态过程中转速调节器ASR饱和，系统能用对应于的限幅转Tem进行控制，保证了在允许条件下的快速性。 然而，它的静、动态性能还不能完全达到直流双闭环系统的水平，存在差距的原因有以下几个方面: （1) 在分析转差频率控制规律时, 是从感应电动机稳态等效电路和稳态转矩公式出发的, 所谓的“保持磁通φm恒定”的结论也只在稳态情况下才能成立。在动态中φm的变化将影响系统的动态性能。 （2) 仅采用了定子电流幅值的补偿, 而没有电流的相位补偿, 在动态中电流的相位也是影响转矩变化的因素。 （3) 在频率控制环节中, 取ω1=ωs+ω, 使频率ω1得以与转速ω同步升降, 这本是转差频率控制的优点。然而，如果转速检测信号不准确或存在干扰，也就会直接给频率造成误差，因为所有这些偏差和干扰都以正反馈的形式毫无衰减地传递到频率控制信号上来了。 参考文献 [1] 阮 毅,陈伯时. 电力传动系统的转矩控制规律. 电气传动.1999(5):3～5 [2] 汤蕴璆,史 乃. 电机学. 北京:机械工业出版社,1999 [3] 陈伯时. 电力拖动自动控制系统—运动控制系统. 北京:机械工业出版社,2003

beauty1970

这个理论我学过,在实际中用处不大