變頻調(diào)速的基本控制方式和機(jī)械特性

1、變頻調(diào)速是實(shí)現(xiàn)電動機(jī)平滑調(diào)速的最理想方法。變頻調(diào)速是實(shí)現(xiàn)電動機(jī)平滑調(diào)速的最理想方法。變頻調(diào)速是通過改變電動機(jī)定子繞組的供電頻率來變頻調(diào)速是通過改變電動機(jī)定子繞組的供電頻率來改變同步轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)交流電動機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)速。改變同步轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)交流電動機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)速。 為了提供變頻電源，人們曾采用多種方法，比如為了提供變頻電源，人們曾采用多種方法，比如20世紀(jì)世紀(jì)50年代研究旋轉(zhuǎn)變頻機(jī)組，重新發(fā)電，機(jī)年代研究旋轉(zhuǎn)變頻機(jī)組，重新發(fā)電，機(jī)械設(shè)備龐大，可靠性差，一直沒有得到實(shí)際應(yīng)用。械設(shè)備龐大，可靠性差，一直沒有得到實(shí)際應(yīng)用。20世紀(jì)世紀(jì)70年代以來，隨著電力電子及大功率半導(dǎo)年代以來，隨著電力電子及大功率半導(dǎo)體器件

2、的迅速發(fā)展，人們對變頻調(diào)速技術(shù)的研究又體器件的迅速發(fā)展，人們對變頻調(diào)速技術(shù)的研究又重新興起，并且現(xiàn)在已經(jīng)成為高科技領(lǐng)域研究和應(yīng)重新興起，并且現(xiàn)在已經(jīng)成為高科技領(lǐng)域研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)之一。用的熱點(diǎn)之一。 相對于過去的旋轉(zhuǎn)機(jī)組而言，由新型功率半導(dǎo)體相對于過去的旋轉(zhuǎn)機(jī)組而言，由新型功率半導(dǎo)體器件構(gòu)成的變頻器稱作靜止式變頻器。器件構(gòu)成的變頻器稱作靜止式變頻器。靜止式變頻器的出現(xiàn)大大促進(jìn)了變頻調(diào)速技術(shù)的普靜止式變頻器的出現(xiàn)大大促進(jìn)了變頻調(diào)速技術(shù)的普及。及。在工業(yè)發(fā)達(dá)國家，變頻器應(yīng)用已經(jīng)非常普遍，變流調(diào)速取代直流調(diào)調(diào)速，已占據(jù)調(diào)速傳動的絕對統(tǒng)治地位。目前，我國變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，進(jìn)口產(chǎn)品幾乎統(tǒng)治著

3、整個國內(nèi)市場，國產(chǎn)變頻器正在奮起反擊，主要應(yīng)用于專業(yè)領(lǐng)域，如專為印染、紡織產(chǎn)業(yè)的配套，專業(yè)性較強(qiáng)，關(guān)注于一定行業(yè)的應(yīng)用，大有在夾縫中求生存的味道。影響變頻技術(shù)進(jìn)一步推廣的主要原因是價格昂貴，每kw在一千元左右，大功率的相對便宜一些。變頻器的開發(fā)設(shè)計和變頻器的應(yīng)用都離不開對基礎(chǔ)知識的掌握。 異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速可表示為： 式中：n0同步轉(zhuǎn)速；f1定子電源頻率；p極對數(shù)；s轉(zhuǎn)差率。 從上式可以看出，異步電動機(jī)調(diào)速可以通過三條途徑進(jìn)行：變頻率f1、改變極對數(shù)p和改變轉(zhuǎn)差率s。其中變頻就是改變供電電源頻率f1，同步轉(zhuǎn)速也隨之變化，從而改變電動機(jī)轉(zhuǎn)速。變頻調(diào)速范圍寬、平滑性好、效率最高、具有優(yōu)良的靜態(tài)及動態(tài)

4、性能，是應(yīng)用最為廣泛的一種交流調(diào)速方式。 p) s1 (f60) s1 (nn10恒磁通控制為了充分利用鐵芯材料，在設(shè)計電動機(jī)時，一般將額定工作點(diǎn)選在磁化曲線開始彎曲處，也就是書中提到的“臨界值附近”，即磁化曲線的線性區(qū)頂部。磁通太小，沒有充分利用鐵芯材料是一種浪費(fèi)。磁通大小直接決定著電磁轉(zhuǎn)矩（出力）。若磁通N（額定工作點(diǎn)），將引起鐵芯過分飽和，勵磁電流過大，繞組過熱；而勵磁減小，將使電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩下降，如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩仍保持不變，勢必導(dǎo)致定、轉(zhuǎn)子過電流，也要產(chǎn)生過熱，故而希望保持磁通恒定，即實(shí)現(xiàn)恒磁通變頻調(diào)速。 異步電動機(jī)定子繞組的感應(yīng)電勢為如果忽略定子繞組壓降，則感應(yīng)電動勢近似等于定子外加電壓

5、式中C1常數(shù)；C14.44N1k1。 m1111kNf44.4Em1111fCEU 若定子供電電壓U1不變，則氣隙磁通m將隨頻率變化而變化。如果頻率f1從額定值（通常為50Hz）往下降，磁通會增加磁通會增加，造成磁路過飽和造成磁路過飽和，使勵磁電使勵磁電流增加流增加，這將使電動機(jī)帶負(fù)載能力降低，功率因數(shù)功率因數(shù)變壞，鐵損增加，電動機(jī)過熱變壞，鐵損增加，電動機(jī)過熱。反之，如果頻率從額定值（通常為50H）往上升高，磁通將減少，由異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩公式可以看出，磁通m的減小勢必導(dǎo)致電動機(jī)勻許輸出導(dǎo)致電動機(jī)勻許輸出轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩T的下降，使電動機(jī)的利用率降低的下降，使電動機(jī)的利用率降低，在一定的負(fù)載下有過電流

6、的危險。正是基于上述原因，一般要求磁通保持恒定即mconst。為了保持磁通恒定，必須保持電壓/頻率比值不變，即恒壓頻比控制，也就是恒磁通控制方式所要遵循的協(xié)調(diào)控制條件。22mMcosICTI圖1-1E1m+-x1r1U1+-恒轉(zhuǎn)矩控制由異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩表達(dá)式可知，電動機(jī)在變頻調(diào)速過程中，若等于電動機(jī)的轉(zhuǎn)子額定有功電流，磁通m保持不變，那么電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩也是恒定的，即變頻調(diào)速前后，輸出轉(zhuǎn)矩不變，可實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。在變頻調(diào)速過程中，要獲得恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速特性，必須采用電壓電壓/頻率頻率協(xié)調(diào)控制。22mMcosICTE1/f1恒定恒定 根據(jù)異步電動機(jī)定子每相繞組感應(yīng)電動勢式中N1定子繞組每相串聯(lián)匝數(shù)；

7、k1基波繞組系數(shù)； m每相氣隙磁通為保持m不變，在改變電源頻率f1的同時，必須按比例改變感應(yīng)電動勢E1，亦即這就要求對感應(yīng)電動勢和頻率進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。顯然，這是一種理想的保持磁通恒定的控制方法。 m1111kNf44. 4EconstfE11r1rmjx1jxm圖31異步電動機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路1U1IOI2E1E2jxsr22I轉(zhuǎn)子電流式中折算到定子頻率（即s=1）定子繞組和每相感應(yīng)電動勢；折算到定子頻率、定子繞組的轉(zhuǎn)子每相漏抗；折算到定子繞組的轉(zhuǎn)子每相電阻。電磁功率電磁功率式中m1定子相數(shù)電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩式中同步機(jī)械角速度 22221222222x)sr(Ex)sr(EI2E2x2rsrImP22

8、21m22222121111m1mx)sr(s /rf)fE(2pmp/f2PPT1為求得最大轉(zhuǎn)矩，令dT/ds=0，由此得到產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩時的轉(zhuǎn)差率轉(zhuǎn)差率 其相應(yīng)的最大轉(zhuǎn)矩最大轉(zhuǎn)矩為式中轉(zhuǎn)子每相漏感（折算到定子繞組）。221121mL1)fE(8pmT2L22mxrs結(jié)論：（1）保持E1/f1恒定進(jìn)行變頻調(diào)速時，最大轉(zhuǎn)矩保持不變。（2）當(dāng)s很小時，說明s很小時機(jī)械特性近似為直線，在此直線上，帶負(fù)載產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速降為上式表明，保持E1/f1恒定進(jìn)行變頻調(diào)速時，對應(yīng)于同一轉(zhuǎn)矩T，轉(zhuǎn)速降基本不變，亦即直線部分斜率不變（硬度相同），機(jī)械特性平行地移動。（3）在變頻調(diào)速過程中，即頻率變化前后，電動機(jī)的過載能

9、力應(yīng)相等。 srsf)fE(2pmT2121112111211)fE(pmTr2p60sfp60snnTn圖32保持E1/f1恒定時變頻調(diào)速的機(jī)械特性f1Nf1f2f3f3f2f1f1N（3）在變頻調(diào)速過程中，即頻率變化前后，電動機(jī)的過載能力應(yīng)相等。據(jù)電機(jī)學(xué)過載能力式中TN為額定轉(zhuǎn)矩。設(shè)調(diào)速前，調(diào)速后，按照過載能力相等的條件，保持E1/f1恒定時，則。表明輸出轉(zhuǎn)矩不變，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。NmmT/TkNmmT/Tk NmmT/ TkmmTTNNTTU1/f1恒定恒定 實(shí)際上由于感應(yīng)電動勢難以直接控制，保持E1/f1恒定只是一種理想的控制方法。當(dāng)忽略定子漏抗壓降時，近似地可以認(rèn)為定子相電壓 因此保

10、持U1/f1=const可以近似地維持m恒定，從而實(shí)現(xiàn)近似的恒磁通調(diào)速，這可通過對定子相電壓和頻率進(jìn)行協(xié)調(diào)控制來實(shí)現(xiàn)。由異步電動機(jī)的穩(wěn)態(tài)等效電路可以導(dǎo)出保持U1/f1恒定時的機(jī)械特性方程。m11111kNf44. 4EU轉(zhuǎn)子電流轉(zhuǎn)子電流式中xm與氣隙主磁通相對應(yīng)的定子每相繞組勵磁電抗；x1定子繞組每相漏抗；r1定子繞組每相電阻；電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩2211221112)()(xCxsrCrUI1x/x1Cm112212212121111m)xx()srr (s/rf)fU(2pmPT令dT/ds=0，可以求得產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩時的轉(zhuǎn)差率轉(zhuǎn)差率最大轉(zhuǎn)矩最大轉(zhuǎn)矩式中定子每相漏感； 221212m)xx(rr

11、s2212111121121m)LL()f2r(f2r1)fU(8pmT1L結(jié)論：（1）保持U1/f1恒定進(jìn)行變頻調(diào)速時，最大輸出轉(zhuǎn)矩將隨f1的降低而降低。（2）直線部分斜率不變（硬度相同），這點(diǎn)只在轉(zhuǎn)差率趨近于零（即s0）時才成立。（3）在負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變時，電動機(jī)的過載能力降低。圖33保持U1/f1恒定時變頻調(diào)速的機(jī)械特性帶電壓補(bǔ)償（函數(shù)發(fā)生器補(bǔ)償）的恒帶電壓補(bǔ)償（函數(shù)發(fā)生器補(bǔ)償）的恒U1/f1控制控制采用U1E1，使控制易于實(shí)現(xiàn)，但也帶來誤差，由異步電動機(jī)的穩(wěn)態(tài)等效電路圖31可知，U1扣除定子漏抗壓降之后的部分即由感應(yīng)電動勢E1所平衡。顯然，被忽略掉的定子漏抗壓降在U1中所占比例的大小決定了

12、它的影響。 在低頻段提高定子電壓U1，目的是補(bǔ)償定子漏阻抗壓降，近似地維持E1/f1恒定。電壓補(bǔ)償雖可有效改善機(jī)械特性，但在低頻空載時，亦減小補(bǔ)償，避免m較大。 f1Nf加補(bǔ)償n圖34常用補(bǔ)償曲線constfU11 在額定頻率（基頻）以上調(diào)速時，鑒于電動機(jī)繞組是按額定電壓等級設(shè)計的，超過額定電壓運(yùn)行將受到繞組絕緣強(qiáng)度的限制，另一方面電源電壓決定了加到定子上電壓的峰值，因此定子電壓不可能與頻率成正比地升高，只能保持在額定電壓，即U1U1N。由定子感應(yīng)電勢表達(dá)式可知，這時氣隙磁通隨著頻率f1的升高而反比例下降，類似于直流電動機(jī)的弱磁升速。體現(xiàn)定子電壓、供電頻率及電動機(jī)參數(shù)關(guān)系的機(jī)械特性方程式如下：

13、電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩令dT/ds=0，即可求出最大轉(zhuǎn)矩對應(yīng)的轉(zhuǎn)差率)xx()srr(f2s/rpUmT22122112211221212m)xx(rrs相應(yīng)的最大轉(zhuǎn)矩最大轉(zhuǎn)矩為可見，保持電壓為額定值進(jìn)行變頻調(diào)速時，最大轉(zhuǎn)矩將隨f1的升高而減小。)LL(f4rr f14UpmTm221212211121N1結(jié)論：（1）保持電壓為額定值進(jìn)行變頻調(diào)速時，最大轉(zhuǎn)矩將隨f1的升高而減小。（2）當(dāng)s很小時，有及，轉(zhuǎn)矩公式可進(jìn)一步簡化為此時，T與s關(guān)系近似為一條直線，在此直線上有帶負(fù)載后的轉(zhuǎn)速降為保持U1E1進(jìn)行變頻調(diào)速時，對應(yīng)于同一轉(zhuǎn)矩T，轉(zhuǎn)速降n隨f1的增加而平方倍加大，頻率超高，轉(zhuǎn)速降越大，即直線部分的硬度隨f1增加而迅速變軟。12rs/r)xx(s/r212srfs2pUmT2121121N121UpmTrf2s2121121112060fUpmTrspfsnnNNf1Nf2f3f4圖35保持U1為額定電壓時變頻調(diào)速的機(jī)械特性nTf4f3f2f1N（3