變頻調(diào)速的原理

1、1 變頻調(diào)速的原理21異步電機(jī)的靜態(tài)等效電路 根據(jù)電機(jī)學(xué)原理，在下述三個假定條件下：忽略空間和時間諧波，忽略磁飽和，忽略鐵損，異步電機(jī)的穩(wěn)態(tài)等效電路示于圖一。 圖一 異步電機(jī)T形等效電路Rs、Rr 定子每相電阻和折合到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相電阻；Lls、Llr 定子每相漏感和折合到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相漏感；Lm定子每相繞組產(chǎn)生氣隙主磁通的等效電感，即勵磁電感；Us、w1 定子相電壓和供電角頻率；s 轉(zhuǎn)差率。由圖可以導(dǎo)出 （2-1）式中 （2-2）令電磁功率 （2-3）則異步電機(jī)的機(jī)械特性： （2-4）22變頻調(diào)速的基本原理交流電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速可以表示為： （2-5）式中-交流電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速；f-交流電

2、動機(jī)定子繞組的宮殿頻率；p-交流電動機(jī)定子繞組的磁極對數(shù)。根據(jù)異步電動機(jī)轉(zhuǎn)差率的定義： （2-6）可知交流異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速為： （2-7）由（2-6）（2-7）可知，如果均勻的改變交流電動機(jī)定子繞組的供電頻率，電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速就可以平滑的改變，從而電動機(jī)的轉(zhuǎn)速也可以平滑的改變，這樣就實(shí)現(xiàn)了對電動機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)和控制。變頻調(diào)速被人們公認(rèn)為具有高效率，高精度和款調(diào)速范圍的調(diào)速性能，因此是交流電動機(jī)的一種比較理想的調(diào)速方法。23變頻調(diào)速的控制方式 （2-8）式中：Eg 氣隙磁通在定子每相中感應(yīng)電動勢的有效值，單位為V；f1定子頻率，單位為Hz；Ns定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)；kNs基波繞組系數(shù)；Fm每極氣隙

3、磁通量，單位為Wb。 基頻以下調(diào)速：繞組中的感應(yīng)電動勢是難以直接控制的，當(dāng)電動勢值較高時，可以忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降，而認(rèn)為定子相電壓 Us Eg，則得，這就是恒壓頻比的控制方式。但是，在低頻時 Us 和 Eg 都較小，定子阻抗壓降所占的份量就比較顯著，不再能忽略。這時，需要人為地把電壓 Us 抬高一些，以便近似地補(bǔ)償定子壓降。帶定子壓降補(bǔ)償?shù)暮銐侯l比控制特性示于圖二中的 b 線，無補(bǔ)償?shù)目刂铺匦詣t為a 線。 圖二 恒壓頻比控制特性 圖三 異步電機(jī)變壓變頻調(diào)速的控制特性 基頻以上調(diào)速：頻率從向上升高，受到電動機(jī)絕緣耐壓和磁路飽和的限制，定子電壓不能隨之升高，最多只能保持額定電壓不變，這將導(dǎo)

4、致磁通與頻率成反比的降低，使得異步電動機(jī)工作在弱磁狀態(tài)。把基頻以下和基頻以上兩種情況的控制特性畫在一起。如圖三。3變頻調(diào)速的方法舉例31基于SVPWM的交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的介紹在交流調(diào)速領(lǐng)域中,隨著高開關(guān)頻率的功率器件(如IGBT、MOSFET等)出現(xiàn),脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)取代了老式相控技術(shù),一躍占據(jù)了主導(dǎo)地位。在眾多PWM技術(shù)中,電壓空間矢量PWM(也稱為磁鏈跟蹤PWM)調(diào)制具有比較顯著的優(yōu)點(diǎn):電流諧波少,轉(zhuǎn)矩脈動小,噪聲低。SVPWM的基本原理：在交流電機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)中,三相電壓型逆變器可等效成由圖四所示的6個開關(guān)元件組成,電機(jī)的相電壓和線電壓依賴于它所對應(yīng)的逆變器橋臂上下6個功率

5、開關(guān)的狀態(tài),根據(jù)SA、SB、SC為0或1可以組合8個狀態(tài),這8種工作狀態(tài)可相應(yīng)表示為8個矢量稱作基本空間電壓矢量,根據(jù)其相位分別命名為，其中，為零矢量。把他們映射到Park復(fù)平面下，就可以得到空間矢量圖，如圖五所示。 圖四 逆變器-電動機(jī)等效電路圖 圖五 三相電壓型逆變器的基本空間電壓矢量 SVPWM通常有硬件實(shí)現(xiàn)和軟件實(shí)現(xiàn)兩種方法,硬件實(shí)現(xiàn)是通過DSP內(nèi)置的SVPWM狀態(tài)機(jī),編程簡單,易于實(shí)現(xiàn),但輸出線電壓的諧波含量大。軟件方法是通過常規(guī)的比較功能實(shí)現(xiàn),輸出電壓諧波含量小,是目前最為常用方法。目前最流行的是七段式空間電壓矢量PWM波形,它由3段零矢量和4段相鄰的非零矢量組成,3段零矢量分別位

6、于PWM波的開始、中間和結(jié)尾。 32矢量控制在異步電動機(jī)變頻調(diào)速中的應(yīng)用介紹 矢量控制基本設(shè)想：根據(jù)一個三相交流的磁場系統(tǒng)和一個旋轉(zhuǎn)體上的直流磁場系統(tǒng)，以兩相系統(tǒng)作過渡，可以相互進(jìn)行等效變換的原理，所以將變頻器的給定信號變換成類似直流電動機(jī)磁場系統(tǒng)的控制信號，也就是說，假設(shè)有兩個互相垂直的直流繞組同處于一個旋轉(zhuǎn)體上，兩個繞組中分別獨(dú)立地通入由給定信號分解而得的勵磁電流信號和轉(zhuǎn)矩電流信號，并且和作為基本控制信號，則通過等效變換，可以得到與基本控制信號等效的三相交流控制信號、去控制逆變電路。對于電動機(jī)在運(yùn)行過程中的三相交流系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，又可以等效變換成兩個互相垂直的直流信號，反饋到給定控制部分，用以

7、修正基本控制信號和。進(jìn)行矢量控制時，可以和直流電動機(jī)一樣，使其中一個磁場電流信號不變，而控制另一個磁場電流信號，從而獲得和直流電動機(jī)類似的控制功能?；究驁D如圖六： 圖六 控制反饋圖給定控制器將信號分解成兩個相互垂直且獨(dú)立的直流信號和，然后通過直/交變換將和變換成兩相直流電流信號i1和i2，又經(jīng)過2/3變換，得到三相交流控制信號、，去控制逆變橋。電流反饋用于反映負(fù)載的狀況，使直流信號的轉(zhuǎn)矩分量能隨負(fù)載而變，從而模擬出類似于直流電動機(jī)的工作狀況。速度反饋用于反映拖動系統(tǒng)的實(shí)際轉(zhuǎn)速和給定值之間的差異，并使之以最快的速度進(jìn)行校正，從而提高系統(tǒng)的動態(tài)特性。4變頻調(diào)速的應(yīng)用問題 目前，交流拖動控制系統(tǒng)的

8、應(yīng)用領(lǐng)域主要有下面三個方面：1）一般性能調(diào)速和節(jié)能調(diào)速；2）高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)；3）特大容量，極高轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速。41變頻器運(yùn)行時對普通異步電機(jī)的影響普通異步電動機(jī)在用變頻器進(jìn)行調(diào)速時，由于供電系統(tǒng)中電壓除基波外不可避免含有高次諧波分量，以及電動機(jī)運(yùn)行速度范圍的擴(kuò)大，運(yùn)行過程中，普通異步電動機(jī)存在以下問題：1、電動機(jī)的效率問題：使用變頻調(diào)速，雖然綜合效率提高，但電機(jī)效率有所下降。不論哪種形式的變頻器，在運(yùn)行中均產(chǎn)生不同程度的諧波電壓和電流，使電動機(jī)在非正弦電壓、電流下運(yùn)行，高次諧波會引起電動機(jī)定子銅耗、轉(zhuǎn)子銅（鋁）耗、鐵耗及附加損耗的增加，最為顯著的是轉(zhuǎn)子銅（鋁）耗。因?yàn)楫惒诫妱訖C(jī)

9、是以接近于基波頻率所對應(yīng)的同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的，因此，高次諧波電壓以較大的轉(zhuǎn)差切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)條后，便會產(chǎn)生很大的轉(zhuǎn)子損耗。除此之外，因集膚效應(yīng)所產(chǎn)生的附加銅耗，這些損耗都使得電動機(jī)的功率因數(shù)和效率變差。2、電動機(jī)的溫升問題：普通異步電動機(jī)因變頻器產(chǎn)生的高次諧波，還會使電動機(jī)額外發(fā)熱。3、電動機(jī)絕緣強(qiáng)度問題：普通異步電動機(jī)用變頻器調(diào)速時，變頻器載波頻率約為幾千到十幾千赫，這就使得電動機(jī)定子繞組要承受很高的電壓上升率，相當(dāng)于對電動機(jī)施加陡度很大的沖擊電壓，使電動機(jī)的匝間絕緣承受較為嚴(yán)酷的考驗(yàn)。4、電機(jī)軸承強(qiáng)度問題：變頻宮殿式，產(chǎn)生的軸電壓和軸電流會對電機(jī)軸承作用，縮短軸承使用壽命；普通異步電動機(jī)高頻率運(yùn)轉(zhuǎn)時

10、電機(jī)軸承受力增大，需考慮軸承強(qiáng)度。5、諧波電磁噪聲與震動:6、電動機(jī)對頻繁啟動、制動的適應(yīng)能力：采用變頻器供電后，電動機(jī)可以在很低的頻率和電壓下以無沖擊電流的方式啟動，并可利用變頻器所供的各種制動方式進(jìn)行快速制動。42普通電機(jī)在變頻運(yùn)行時的注意事項(xiàng)1、盡量采用絕緣等級高的電機(jī)：絕緣等級越高，電機(jī)絕緣強(qiáng)度越高、允許的工作溫度越高，因變頻調(diào)速產(chǎn)生的溫升、絕緣問題影響越小。2、盡量選用強(qiáng)度高、質(zhì)量好的軸承，并選用專用潤滑脂；增加軸承的電氣絕緣或者將電機(jī)軸通過電刷接地，或設(shè)法隔斷軸電流的回路，如采用陶瓷滾子軸承或?qū)崿F(xiàn)軸承室絕緣，減小軸電流對電機(jī)軸承的影響。3、普通電機(jī)在變頻狀態(tài)下工作，頻率調(diào)整不要過于

11、頻繁，應(yīng)根據(jù)電機(jī)極對數(shù)，在適當(dāng)?shù)念l率范圍內(nèi)對普通異步電動機(jī)進(jìn)行頻率調(diào)整：2極為2065Hz范圍長期運(yùn)行，4極為2575Hz范圍長期運(yùn)行，6極為3085Hz范圍長期運(yùn)行，8極為35100Hz范圍長期運(yùn)行。5結(jié)論本文介紹了交流變頻調(diào)速的發(fā)展概述，基本原理，應(yīng)用領(lǐng)域，具體方法舉例，和應(yīng)用注意事項(xiàng)。隨著電力電子技術(shù)，控制技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，交流調(diào)速系統(tǒng)已逐步普及，打破了以往直流調(diào)速系統(tǒng)一統(tǒng)高性能調(diào)速天下的格局。參考文獻(xiàn)陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)運(yùn)動控制系統(tǒng)M.4版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.牛鴻.關(guān)于交流電動機(jī)變頻調(diào)速的一些探討J.變頻器世界，2010，（08）.李晶.矢量控制在異步電動機(jī)變頻調(diào)速的應(yīng)用J.