變頻調(diào)速的原理

1、1 變頻調(diào)速的原理21異步電機的靜態(tài)等效電路 根據(jù)電機學原理，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，異步電機的穩(wěn)態(tài)等效電路示于圖一。 圖一 異步電機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。由圖可以導出 （2-1）式中 （2-2）令電磁功率 （2-3）則異步電機的機械特性： （2-4）22變頻調(diào)速的基本原理交流電動機的同步轉(zhuǎn)速可以表示為： （2-5）式中-交流電動機的同步轉(zhuǎn)速；f-交流電

2、動機定子繞組的宮殿頻率；p-交流電動機定子繞組的磁極對數(shù)。根據(jù)異步電動機轉(zhuǎn)差率的定義： （2-6）可知交流異步電動機的轉(zhuǎn)速為： （2-7）由（2-6）（2-7）可知，如果均勻的改變交流電動機定子繞組的供電頻率，電動機的同步轉(zhuǎn)速就可以平滑的改變，從而電動機的轉(zhuǎn)速也可以平滑的改變，這樣就實現(xiàn)了對電動機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)和控制。變頻調(diào)速被人們公認為具有高效率，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，當電動勢值較高時，可以忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降，而認為定子相電壓 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，以便近似地補償定子壓降。帶定子壓降補償?shù)暮銐侯l比控制特性示于圖二中的 b 線，無補償?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

4、致磁通與頻率成反比的降低，使得異步電動機工作在弱磁狀態(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: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通常有硬件實現(xiàn)和軟件實現(xiàn)兩種方法,硬件實現(xiàn)是通過DSP內(nèi)置的SVPWM狀態(tài)機,編程簡單,易于實現(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。對于電動機在運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。進行矢量控制時，可以和直流電動機一樣，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載的狀況，使直流信號的轉(zhuǎn)矩分量能隨負載而變，從而模擬出類似于直流電動機的工作狀況。速度反饋用于反映拖動系統(tǒng)的實際轉(zhuǎn)速和給定值之間的差異，并使之以最快的速度進行校正，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變頻器運行時對普通異步電機的影響普通異步電動機在用變頻器進行調(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，以及電動機運行速度范圍的擴大，運行過程中，普通異步電動機存在以下問題：1、電動機的效率問題：使用變頻調(diào)速，雖然綜合效率提高，但電機效率有所下降。不論哪種形式的變頻器，在運行中均產(chǎn)生不同程度的諧波電壓和電流，使電動機在非正弦電壓、電流下運行，高次諧波會引起電動機定子銅耗、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。因為異步電動機

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的功率因數(shù)和效率變差。2、電動機的溫升問題：普通異步電動機因變頻器產(chǎn)生的高次諧波，還會使電動機額外發(fā)熱。3、電動機絕緣強度問題：普通異步電動機用變頻器調(diào)速時，變頻器載波頻率約為幾千到十幾千赫，這就使得電動機定子繞組要承受很高的電壓上升率，相當于對電動機施加陡度很大的沖擊電壓，使電動機的匝間絕緣承受較為嚴酷的考驗。4、電機軸承強度問題：變頻宮殿式，產(chǎn)生的軸電壓和軸電流會對電機軸承作用，縮短軸承使用壽命；普通異步電動機高頻率運轉(zhuǎn)時

10、電機軸承受力增大，需考慮軸承強度。5、諧波電磁噪聲與震動:6、電動機對頻繁啟動、制動的適應(yīng)能力：采用變頻器供電后，電動機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行快速制動。42普通電機在變頻運行時的注意事項1、盡量采用絕緣等級高的電機：絕緣等級越高，電機絕緣強度越高、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，減小軸電流對電機軸承的影響。3、普通電機在變頻狀態(tài)下工作，頻率調(diào)整不要過于

11、頻繁，應(yīng)根據(jù)電機極對數(shù)，在適當?shù)念l率范圍內(nèi)對普通異步電動機進行頻率調(diào)整：2極為2065Hz范圍長期運行，4極為2575Hz范圍長期運行，6極為3085Hz范圍長期運行，8極為35100Hz范圍長期運行。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。隨著電力電子技術(shù)，控制技術(shù)和計算機技術(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。參考文獻陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)運動控制系統(tǒng)M.4版.北京：機械工業(yè)出版社，2010.牛鴻.關(guān)于交流電動機變頻調(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變頻調(diào)速的應(yīng)用J.