交流變頻調(diào)速

緒論概述隨著大功率電子器件及微電子器件的迅速發(fā)展，特別電力電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，使交流調(diào)速在技術(shù)上發(fā)展也十分迅速，并達(dá)到了實(shí)用化程度。而電機(jī)交流變頻調(diào)速技術(shù)則是當(dāng)今節(jié)電、改善工藝流程以提高產(chǎn)品質(zhì)量和改善環(huán)境、推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步的一種主要手段。變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速和起制動(dòng)性能，高效率、高功率因數(shù)和節(jié)間效果，廣泛的適用范圍及其它許多優(yōu)點(diǎn)而被國內(nèi)外公認(rèn)為最有發(fā)展前途的調(diào)速方式。目前，國內(nèi)變頻調(diào)速系統(tǒng)的研究非?；钴S，但是在產(chǎn)業(yè)化方面還不是很理想，市場的大部分還是被國外公司所占據(jù)。因此，為了加快國內(nèi)變頻調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展，就需要對(duì)國際變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展趨勢和國內(nèi)的市場需求有一個(gè)全面的了解。交流變頻調(diào)速在國內(nèi)外的發(fā)展情況交流變頻調(diào)速國外現(xiàn)狀在大功率變頻調(diào)速技術(shù)方面，法國阿爾斯通已能提供單機(jī)容量達(dá)3萬kW的電氣傳動(dòng)設(shè)備用于船舶推進(jìn)系統(tǒng)。在大功率無換向器電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)方面，意大利ABB公司提供了單機(jī)容量為6萬kW的設(shè)備用于抽水蓄能電站。在中功率變頻調(diào)速技術(shù)方面，德國西門子公司SimovertA電流型晶閘管變頻調(diào)速設(shè)備單機(jī)容量為10~2600kVA和SimovertPGTOPWM變頻調(diào)速設(shè)備單機(jī)容量為100~900kVA，其控制系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化，用于電力機(jī)車、風(fēng)機(jī)、水泵傳動(dòng)。在小功率交流變頻調(diào)速技術(shù)反面，日本富士BJT變頻器最大單機(jī)容量可達(dá)700kVA，IGBT變頻器已形成系列產(chǎn)品，其控制系統(tǒng)也已實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化。國外交流變頻調(diào)速技術(shù)高速發(fā)展有以下特點(diǎn)：市場需求量大；功率器件的發(fā)展走向集成化；控制理論和微電子技術(shù)的發(fā)展為實(shí)現(xiàn)變頻器高精度、多功能提供了硬件手段；變頻器相關(guān)配套件社會(huì)化、專業(yè)化生產(chǎn)。交流變頻調(diào)速國內(nèi)現(xiàn)狀從總體上看我國電氣傳動(dòng)的技術(shù)水平較國際先進(jìn)水平差距10~15年。在大功率-交、無換向器電機(jī)等變頻技術(shù)方面，國內(nèi)只有少數(shù)科研單位有能力制造，但在數(shù)字化及系統(tǒng)可靠性方面與國外還有相當(dāng)差距。而這方面產(chǎn)品在諸如抽水蓄能電站機(jī)組起動(dòng)及運(yùn)行、大容量風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)和軋機(jī)傳動(dòng)、礦井卷場方面有很大需求。在中小功率變頻技術(shù)方面，國內(nèi)幾乎所有的產(chǎn)品都是普通的V/f控制，僅有少量的樣機(jī)采用矢量控制，品種與質(zhì)量本系統(tǒng)采用還不能滿足市場需要，每年大量進(jìn)口。國內(nèi)交流變頻調(diào)速技術(shù)產(chǎn)業(yè)狀況表現(xiàn)如下。變頻器的整機(jī)技術(shù)落后；變頻器產(chǎn)品所用半導(dǎo)體功率器件的制造業(yè)幾乎是空白；相關(guān)配套產(chǎn)業(yè)及行業(yè)落后；產(chǎn)銷量少，可靠性及工藝水平不高。變頻電機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢在變頻技術(shù)日新月異地發(fā)展的同時(shí)，交流電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)取得了突破性進(jìn)展。70年代初提出的矢量控制理論解決了交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制問題，獲得了與直流調(diào)速系統(tǒng)同樣優(yōu)良的靜動(dòng)態(tài)性能，開創(chuàng)了交流調(diào)速與直流調(diào)速相競爭的時(shí)代。直接轉(zhuǎn)矩控制是80年代中期提出的又一轉(zhuǎn)矩控制方法，其思路是把電機(jī)與逆變器看作一個(gè)整體，采用空間電壓矢量分析方法在定子坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行磁通、轉(zhuǎn)矩計(jì)算，通過磁通跟蹤PWM逆變器的開關(guān)狀態(tài)直接控制轉(zhuǎn)矩。因此，無須對(duì)定子電流進(jìn)行解藕，免去了矢量變換的復(fù)雜計(jì)算，控制結(jié)構(gòu)簡單，便于實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化，目前正受到各國學(xué)者的重視。近10多年來，各國學(xué)者致力于無速度傳感器控制系統(tǒng)的研究，利用檢測定子電壓、電流等容易測量的物理量進(jìn)行速度估算以取代速度傳感器。其關(guān)鍵在于在線獲取速度信息在保證較高控制精度的同時(shí)，滿足實(shí)時(shí)控制要求。無傳感器控制技術(shù)不需要檢測硬件，也免去了傳感器帶來的環(huán)境適應(yīng)性、安裝維護(hù)等麻煩，提高了系統(tǒng)可靠性，降低了成本，因而引起了廣泛興趣。微處理機(jī)引入控制系統(tǒng)，促進(jìn)了模擬控制系統(tǒng)向數(shù)字控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化。數(shù)字化技術(shù)使得復(fù)雜的矢量控制得以實(shí)現(xiàn)，大大簡化了硬件，降低了成本，提高了控制精度，而自診斷功能和自調(diào)功能的實(shí)現(xiàn)又進(jìn)一步提高了系統(tǒng)可靠性，節(jié)約了大量人力和時(shí)間，操作、維修都更加方便。微機(jī)運(yùn)算速度的提高、存儲(chǔ)器的大容量化，將進(jìn)一步促進(jìn)數(shù)字控制系統(tǒng)取代模擬控制系統(tǒng)，數(shù)字化己成為控制技術(shù)的方向。隨著現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，交流電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展方興未艾，非線性解禍控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制、模糊控制等各種新的控制策略正在不斷涌現(xiàn)，展現(xiàn)出更為廣闊的前景，必將進(jìn)一步推動(dòng)交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展。1.4本課題的意義、目的及內(nèi)容三相異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速傳動(dòng)與直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速傳動(dòng)相比具有下列優(yōu)點(diǎn):(1)單機(jī)容量不受限制;(2)體積小、重量輕、占地面積小;(3)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小;(4)動(dòng)態(tài)響應(yīng)好;(5)維護(hù)簡單;(6)節(jié)約能源。三相異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速傳動(dòng)的主要目的是:(1)節(jié)能;(2)實(shí)現(xiàn)高精度的速度轉(zhuǎn)矩控制;(3)實(shí)現(xiàn)高速傳動(dòng)。正是由于三相異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速傳動(dòng)具有上述優(yōu)點(diǎn)，開發(fā)和改進(jìn)了變頻器供電三相異步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)、制造技術(shù)，特別是對(duì)變頻器和異步電動(dòng)機(jī)組合后的系統(tǒng)性能越來越重視。為了使電動(dòng)機(jī)與變頻器特性相匹配，必須對(duì)變頻電動(dòng)機(jī)的理論、設(shè)計(jì)、制造及試驗(yàn)的成套技術(shù)進(jìn)行充分的研究。目前設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造變頻電機(jī)的廠家中的大多數(shù)及直接用戶，對(duì)變頻電機(jī)的起動(dòng)及運(yùn)行還不太了解。他們還只停留在對(duì)標(biāo)準(zhǔn)籠形異步電機(jī)的理解上，因此急需研究變頻器和變頻電機(jī)組成一體后的機(jī)械特性。從而為設(shè)計(jì)和使用變頻電機(jī)提供一種依據(jù)。本課題的研究目的在于根據(jù)變頻器的控制特性，結(jié)合電機(jī)學(xué)基本原理，分析研究出變頻電機(jī)的運(yùn)行特性，并且繪制出相應(yīng)曲線，這將有助于用戶選型，使用及為電機(jī)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。本課題的研究內(nèi)容主要包括以下三個(gè)方面:變頻運(yùn)行電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性的研究:根據(jù)電機(jī)學(xué)的基本理論并結(jié)合頻器的輸出特性及變頻調(diào)速控制理論，推導(dǎo)出變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性公式，并繪制出相應(yīng)曲線;變頻運(yùn)行電動(dòng)機(jī)的效率的研究:基于異步電動(dòng)機(jī)的損耗模型，推導(dǎo)出了變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率與其工作頻率之間的具體關(guān)系，同時(shí)也找出了轉(zhuǎn)差率和頻率的關(guān)系，并分析其特征;變頻運(yùn)行電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流特性的研究:變頻電動(dòng)機(jī)電流特性和工頻供電時(shí)的起動(dòng)電流特性不一樣，前者是在低頻逐漸向高頻過渡，本課題研究了其起動(dòng)過程的特性曲線。變頻器簡介本章主要簡單地介紹變頻器的原理、類型和特點(diǎn)。變頻器是一種靜止的頻率變換器，可將配電網(wǎng)電源的50Hz恒定頻率的交流電變成可調(diào)頻率的交流電，作為電動(dòng)機(jī)的電源裝置，當(dāng)前國內(nèi)外使用較為普遍。頻器的基本工作原理及特點(diǎn)異步電動(dòng)機(jī)用逆變器傳動(dòng)時(shí)的框圖示于圖2－1。如圖所示，變流器將交流變?yōu)橹绷?，?jīng)直流濾波后，由逆變器將它變換為頻率可調(diào)的交流。為了進(jìn)行電動(dòng)機(jī)的調(diào)速，所給出的操作量有電壓、電流、頻率。這里以單相變頻器為例來說明電壓型、電流型等變頻器的基本工作原理。圖2－1變頻器的基本結(jié)構(gòu)逆變的基本原理首先通過單相逆變橋的工作情況來看一下直流電是如何逆變成交流電的。單相逆變橋的構(gòu)成圖如圖2－2。圖中,將四個(gè)開關(guān)器件結(jié)成橋形電路，兩端加直流電壓Ud,負(fù)載ZL接至兩橋臂的中點(diǎn)a與b之間?，F(xiàn)在就來看看負(fù)載ZL上是怎樣得到交變電壓和電流的。前半周期令VI、V2導(dǎo)通，V3、V4截止。則負(fù)載ZL上所得電壓為a“+"、b“一"，設(shè)這時(shí)的電壓為正。后半周期令V1、V2截止，V3、V4導(dǎo)通。則負(fù)載ZL上所得電壓為a“一”、b“+”，則這時(shí)的電壓為負(fù)。上述兩種狀態(tài)如能不斷的反復(fù)交替進(jìn)行，則負(fù)載ZL上所得便是交變

電壓了。這就是把直流電逆變成交流電的過程。三相逆變橋的工作過程與單相逆變橋相同，只是注意三相之間互隔爲(wèi)(T是周期)就可以了，即，V相比U相滯后爲(wèi)，W相又比V相滯后「如圖2—3。具體的導(dǎo)通順序如下： 3 3(a)逆變電路 (b)電壓波形圖2(a)逆變電路 (b)電壓波形圖2—2單相逆變橋:V4\V3\V6\V5\V2\BHUVwA(+)(b)電壓波形(a)逆變電路圖2—3三相逆變橋第1個(gè)第1個(gè)T:VI、-6第2個(gè)t:VI、'6第3個(gè)T:VI、-6第4個(gè)T:V4、-6第5個(gè)T:V4、'6V6、V5導(dǎo)通，V6、V2導(dǎo)通V3、V2導(dǎo)通V3、V2導(dǎo)通V3、V5導(dǎo)通V4、V3、V2截止V4、V3、V5截止V4、V6、V5截止V1、V6、V5截止VI、V6、V2截止;第6個(gè)T:V4、V6、V5導(dǎo)通，VI、V3、V2截止。總之，所謂逆變過程，就是若干個(gè)開關(guān)器件長時(shí)間不停息地交替導(dǎo)通和關(guān)斷地過程。2.1.2電壓型變頻器電壓型變頻器的原理圖及其工作示于圖2-4中圖a為單相橋式電壓型變頻器，如果使開關(guān)VI?V4;像VI?ZL?V2或V3?ZL?V4那樣導(dǎo)通、關(guān)斷，那么負(fù)載電壓U就成為矩形波交流電壓，其大小等于直流電壓源Ed,如圖b中所示。這里我們假定：負(fù)載電流i由于負(fù)載電感的平滑作用為正弦波狀交流電流，如圖b中所示?，F(xiàn)在，使開關(guān)V1,V2導(dǎo)通，由直流電壓源Ed沿路線VI?ZL?V2供給負(fù)載電流i。在時(shí)刻t。使這兩個(gè)開關(guān)關(guān)斷，同時(shí)使開關(guān)V3、V4導(dǎo)通，于是負(fù)載電流就沿V3?ZL?V4路線經(jīng)直流電壓源Ed續(xù)流。考慮負(fù)載電流i和開關(guān)的動(dòng)作狀態(tài)，直流電流Id的波形如圖c所示。另外，負(fù)載電壓U與負(fù)載電流的積為瞬時(shí)功率P,它與直流Id的波形相同，瞬時(shí)功率P的平均值Pa為向負(fù)載提供的有功功率時(shí)刻tl?t2的滯后角屮，相當(dāng)于異步電動(dòng)機(jī)的滯后功率因數(shù)角，屮＞90°時(shí)為負(fù)（再生狀態(tài)）。當(dāng)開關(guān)采用單向?qū)ǖ陌雽?dǎo)體開關(guān)時(shí)，以晶體管為例，為了向電源回饋（線路V3?ZL?V4），要同晶體管二極管反并聯(lián)續(xù)流。圖2-4型逆變器的原理（a）回路構(gòu)成 （b）電壓/電流波形 （c）直流電流波形（瞬時(shí)功率）2.1.3電流型變頻器電流型變頻器的原理及其動(dòng)作示于圖2-5。其中圖a為單相橋式電流型變頻器，如果使開關(guān)VI?V4;像VI?ZL?V2或V3?ZL?V4那樣導(dǎo)通、關(guān)斷，則負(fù)載電流i就變?yōu)榫匦尾ń涣麟?，大小等于直流電流源Id，如圖b所示。負(fù)載電壓U由負(fù)載的感應(yīng)電勢e決定，為正弦波形，如圖b所示?，F(xiàn)在，使開關(guān)VI、V2，負(fù)載電流i從電流源Id經(jīng)路線VI?ZL?V2流出。在時(shí)刻t1關(guān)斷這兩個(gè)開關(guān)時(shí)，因?yàn)槭请娏髟?，?fù)載電流必須急速地反向，但是電感負(fù)載的電流不可能瞬時(shí)反向,在負(fù)載兩端需要有吸收電感內(nèi)所貯存能量的回路。在吸收此能量期間，負(fù)載兩端將產(chǎn)生基于Ldi/dt的尖峰電壓。圖2-5電流型逆變器原理（a）回路構(gòu)成（b）輸出電壓電流波形（c）直流電壓波形（瞬時(shí)功率）作狀態(tài)由于能量吸收回路的作用，負(fù)載電流反向后，功率從負(fù)載向電源回饋，在時(shí)刻t2負(fù)載電壓反向。此后，在VI、V2再次導(dǎo)通時(shí)刻t3前的期間，為功率從電源流向負(fù)載電動(dòng)狀態(tài)。考慮負(fù)載電壓U和開關(guān)的動(dòng)作狀態(tài)，直流電壓波形Ed為圖c的波形。另外瞬時(shí)功率P與直流電壓波形相同?此瞬時(shí)功率P的平均值為有功功率Pa,如圖c中虛線所示。采用半導(dǎo)體開關(guān)時(shí)，對(duì)于電流型變頻器，通常采用晶閘管，它雖然需要換相回路，但可以兼作能量吸收回路。

2.2通用變頻器的簡介按變換頻率的方法分類:交-交變頻器交-交變頻器是指無直流中間環(huán)節(jié)、直接將較高固定頻率(f)的電壓i變換為頻率(f)較低而可變的輸出電壓的變換器。這種變頻器具有過載0能力強(qiáng)、效率高、輸出波形好等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在著輸出頻率低(最高頻率小于1/2電網(wǎng)頻率)、電網(wǎng)功率因數(shù)低、旁頻諧波影響等缺點(diǎn)，交-交變頻分為有環(huán)流方式和無環(huán)流方式，可驅(qū)動(dòng)同步電動(dòng)機(jī)或異步電動(dòng)機(jī)。交-直-交變頻器交-直-交變頻器首先將恒定50Hz的交流經(jīng)整流，變換成直流，經(jīng)過濾波，再將平滑的直流逆變成頻率可調(diào)的交流。根據(jù)濾波部分使用的元件不同，變頻器的型式又分為兩種:一種是用電容濾波，其直流回路的電壓波形比較平直，輸出阻抗很小，電壓不易突變，相當(dāng)于直流恒壓源，稱之為電壓型變頻器;另一種是用電感濾波，其直流回路的電流波形比較平直，輸出阻抗很大，電流不易突變，稱之為電流型變頻器。按改變變頻器輸出電壓的方法分類PAM(PulseAmplitudeModulation)所謂PAM是一種改變電壓源E或電流源的電流I的幅值，進(jìn)行輸出控制的方式。因此，在逆變器部dd分只控制頻率，在變流器部分控制輸出的電壓或電流。采用PAM調(diào)節(jié)電壓時(shí)，高電壓及低電壓時(shí)的輸出電壓波形示于圖2-6。—啞—啞Id(a)高電壓時(shí) (b)牴電壓時(shí)圖2-6PAM的電壓調(diào)節(jié)PWM(PulseWidthModulation)所謂PWM方式是在輸出波形的

半個(gè)周期中產(chǎn)生多個(gè)脈沖，使各脈沖的等值電壓為正弦波狀,輸出電壓或電流波形平滑且低次的諧波少。(a)調(diào)解波(載波)半個(gè)周期中產(chǎn)生多個(gè)脈沖，使各脈沖的等值電壓為正弦波狀,輸出電壓或電流波形平滑且低次的諧波少。(a)調(diào)解波(載波)(b)(c)(b)圖2-7為PWM逆變器電壓調(diào)節(jié)原理圖2-7為PWM逆變器電壓調(diào)節(jié)原理。在圖(a)中，三角波形的調(diào)制波與正弦波形的信號(hào)波比較，取其邏輯(設(shè)信號(hào)波比三角波大時(shí)為正邏輯)，就可得到相應(yīng)于信號(hào)波幅值的脈沖寬度調(diào)制電壓輸出波形，它與正弦波形等效，如圖(b)和圖(c)所示。2.3不同類型變頻器的基本特點(diǎn)比較在前兩節(jié)分別介紹了變頻器基本原理與分類，下面介紹一下不同類型變頻器的特點(diǎn)。表2－1交－直－交變頻器與交－交變頻器主要特點(diǎn)比較類型比較項(xiàng)目、、、、交一直一交變頻器交一交變頻器換能方式兩次換能，效率較低一次換能，效率較咼晶閘管換相方式強(qiáng)迫換相或負(fù)載換相電網(wǎng)電壓還相所用器件數(shù)量較少較多調(diào)頻范圍頻率調(diào)節(jié)范圍一般情況下，輸出最高頻率為電網(wǎng)頻率的1/3~1/2

續(xù)表2－1、一 類型比較項(xiàng)目交一直一交變頻器交一交變頻器電網(wǎng)功率因數(shù)低頻低壓時(shí)功率因數(shù)底；采用斬波器或PWM方式調(diào)節(jié)，功率因數(shù)高較低適用場合可用于電力拖動(dòng)系統(tǒng)，穩(wěn)頻穩(wěn)壓電源適用于低頻大功率拖動(dòng)表2－2電壓型與電流型交－直－交變頻器主要特點(diǎn)比較、、類型比較項(xiàng)目電壓型變頻器電流型變頻器直流回路濾波環(huán)節(jié)電容器電抗器輸出電壓波形矩形波負(fù)載近似為正弦波輸出電源波形決定于負(fù)載功率因數(shù)的諧波分量矩形波輸出主抗小大回饋制動(dòng)需在電源側(cè)設(shè)置反并聯(lián)逆變器方便，主電路不需附加設(shè)備調(diào)速動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢快對(duì)晶閘管的要求關(guān)斷時(shí)間要短，對(duì)耐壓要求一般較低耐壓高，對(duì)關(guān)斷時(shí)間無特殊要求適用范圍多電機(jī)拖動(dòng)，穩(wěn)頻穩(wěn)壓電源單電機(jī)拖動(dòng)，可逆拖動(dòng)2.4本章小結(jié)1.變頻器的分類：按變換頻率方法分類:交-直-交變頻器;交-交變頻器。按改變變頻器輸出電壓（或電流）的方法分類:PAM是一種改變電壓源的電壓E或電流源的電流I的幅值，進(jìn)行輸出控制的方式；PWM是在輸dd出波形的半個(gè)周期中產(chǎn)生多個(gè)脈沖，使各脈沖的等值電壓為正弦波狀，輸出電壓或電流波形平滑且低次的諧波少。2.變頻器的基本工作原理及特點(diǎn)：異步電動(dòng)機(jī)用變頻器傳動(dòng)時(shí)，如圖2-1示，變頻器將交流變?yōu)橹绷鳎交芈穼⒋酥绷髌交?，由逆變器將它變?yōu)轭l率可調(diào)的交流。作為主回路方式有電壓型逆變器和電流型逆變器。電壓型是指將電壓源的直流變換為交流逆變器，電流型是指將電流源的直流變換為交流的方式。變頻器的控制方式概述變頻器具有調(diào)速功能，但采用不同的控制方式所得到的調(diào)速性能、特性以及用途是不同的,如下所示?？刂品绞酱篌w可分為兩種:開環(huán)控制和閉環(huán)控制。后者進(jìn)行電動(dòng)機(jī)速度反饋。作為開環(huán)控制有U/f控制方式，閉環(huán)控制有轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制等方式?！_壞〔無速度檢出1 U/f控制調(diào)速控 別方式—閉壞〔由速度檢岀） Pig控制、矢目前，各種控制方式的變頻器己經(jīng)產(chǎn)品化，根據(jù)調(diào)速目的、用途和所要求的性能選擇最適宜控制方式的變頻器，可以構(gòu)成性能高的系統(tǒng).下面就變頻器的各控制方式說明其控制原理和控制特性等。3.2U/f控制異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速由電源頻率和極數(shù)決定，所以改變頻率，電動(dòng)機(jī)就可以調(diào)速運(yùn)轉(zhuǎn)。但是頻率改變時(shí)電機(jī)內(nèi)部阻抗也改變，這樣單是改變頻率將產(chǎn)生由弱勵(lì)磁引起的轉(zhuǎn)矩不足、由過勵(lì)磁引起的磁飽和等現(xiàn)象，使電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)、效率顯著下降。U/f控制是這樣一種控制方式，改變頻率的同時(shí)控制變頻器輸出電壓，使電動(dòng)機(jī)磁通保持一定，在廣范圍內(nèi)調(diào)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)電動(dòng)機(jī)的效率、功率因數(shù)不下降。控制原理異步電動(dòng)機(jī)的特性可以利用圖3-1的T型等值電路求出。圖中忽略鐵損，這在實(shí)用上不成問題。給異步電動(dòng)機(jī)各相施加電壓U，則流過定子電流I。如等值電路所11示，定子電流I分為勵(lì)磁電流I和轉(zhuǎn)子電流I。勵(lì)磁電流I流過互感1M2M線圈M時(shí)產(chǎn)生磁通。此磁通用氣隙磁通表示，再設(shè)M兩端產(chǎn)生的感

圖3-1異步電動(dòng)機(jī)的T形等效電路r1-定子電阻感應(yīng)電勢為E，1圖3-1異步電動(dòng)機(jī)的T形等效電路r1-定子電阻感應(yīng)電勢為E，1有下列關(guān)系:則勵(lì)磁電流I、氣隙磁通屮、感應(yīng)電勢E，轉(zhuǎn)子電流I12屮=MIME=j?MI=j?屮1 1M 1i=E2r[(卡+j?L)]s12(3-1)(3-2)(3(3-1)(3-2)(3-3)11異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子流過轉(zhuǎn)子電流則根據(jù)左手法則，它與氣隙磁通之間將產(chǎn)生一轉(zhuǎn)矩。由圖可見，由于轉(zhuǎn)子回路漏抗?L的作用屮與I不垂直,22實(shí)際上產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的是屮與垂直的分量I。2丄屮I2丄E1呼2屮I2丄E1呼2)(fi)2=Tx[r2+(?L)2]2S2(3-4)式中?二2兀?為轉(zhuǎn)差角頻率.由式3-4可見，如果Ejf一定，則電動(dòng)機(jī)s s 1 1產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩決定于轉(zhuǎn)差頻率。另外，由式3-2可知，如果E/?1一定，則屮一定，就不會(huì)產(chǎn)生由弱勵(lì)磁或過勵(lì)磁引起的不正常情況。式（3-3）也可用下式給出：

1-(E1-(Ei)(3-5)這就是說，如果Ejf一定，則12也決定于轉(zhuǎn)差頻率。將轉(zhuǎn)差頻率、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子電流的關(guān)系用圖示出，可得圖3-2，圖3-3所示特性。由以上討論可知，為了改變電動(dòng)機(jī)的速度而改變頻率f1時(shí)，如果圖3-2電動(dòng)時(shí)特性圖圖3-2電動(dòng)時(shí)特性圖3-3電動(dòng)再生時(shí)的特性進(jìn)行控制使f1與感應(yīng)電勢E的比一定，則可有以下效果：1可以使氣隙磁通經(jīng)常保持額定值;由于產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和電流僅決定于轉(zhuǎn)差頻率，從低速到高速轉(zhuǎn)矩與電流的關(guān)系不變。換句話說，就是電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)、效率變化不大。特別是第(2)項(xiàng)，對(duì)于主回路使用半導(dǎo)體器件(電流值有限制)的變頻器是適合的。實(shí)際上，感應(yīng)電勢E1為電動(dòng)機(jī)內(nèi)部電壓，不能直接控制，并且檢出也困難，所以我們控制電動(dòng)機(jī)的端電壓U。1由圖3-1的等值電路可以看出，端電壓U對(duì)于感應(yīng)電勢E來說，需11要補(bǔ)償定子電阻r1，和定子漏抗?]L產(chǎn)生的電壓分量。此補(bǔ)償電壓根據(jù)定子電流值而變化，同時(shí)電阻分量與漏抗分量的比例根據(jù)頻率變化，所以要想完全補(bǔ)償是困難的，另外電壓控制的構(gòu)成也變?yōu)閺?fù)雜，因此，通常根據(jù)估計(jì)的產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩模式(負(fù)載模式)和電壓模式來控制變頻器的輸出電壓，以簡單地獲得/f一定控制相的特性。11控制構(gòu)成圖3-4示出電壓模式的一例。對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，不根據(jù)速度而根據(jù)電流與速度變化相同采用圖中（a）所示電壓模式進(jìn)行控制;像風(fēng)機(jī)傳動(dòng)那樣，負(fù)載轉(zhuǎn)矩以速度的平方增加的場合，電流也同樣增加，所以采用補(bǔ)償電壓隨頻率增加而增加的（b）模式進(jìn)行控制。（a）恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載模式 （b）平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載模式圖3-4U/f控制的電壓模式轉(zhuǎn)差頻率控制轉(zhuǎn)差頻率控制是這樣一種控制方式，檢出電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，然后以電動(dòng)機(jī)速度相對(duì)應(yīng)的頻率與轉(zhuǎn)差頻率的和給定變頻器的輸出頻率。由于能夠任意控制與轉(zhuǎn)矩、電流有直接關(guān)系的轉(zhuǎn)差頻率，與U/f控制相比其加減速特性和限制過電流的能力得到提高。另外，它具有速度控制器利用速度反饋進(jìn)行速度閉環(huán)控制，適用于自動(dòng)控制系統(tǒng)。還有，在轉(zhuǎn)差頻率控制中由于反饋電動(dòng)機(jī)的速度，需速度檢出器通常用于單機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，即一臺(tái)變頻器控制一臺(tái)電動(dòng)機(jī)。控制原理如果增加控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差頻率的功能，那么異步電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩就可以控制。轉(zhuǎn)差頻率就是施加于電動(dòng)機(jī)的交流電壓頻率與電動(dòng)機(jī)速度（電氣角頻率）的差頻率在電動(dòng)機(jī)上安裝測速發(fā)電機(jī)（PG）等速度檢出器可以知道電動(dòng)機(jī)的速度，此速度加上轉(zhuǎn)差頻率（與產(chǎn)生所要求的轉(zhuǎn)矩相對(duì)應(yīng)）就是變頻器的輸出頻率，在電動(dòng)機(jī)容許的過載轉(zhuǎn)矩(額定轉(zhuǎn)矩的150%~200%)以下，大體可以認(rèn)為產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差頻率成比例。另外，電流隨轉(zhuǎn)差頻率的增加而單調(diào)增加。所以如果我們給出的轉(zhuǎn)差頻率不超過容許過載時(shí)的轉(zhuǎn)差頻率，那么就可以具有限制電流的功能。如上所述，進(jìn)行U/f控制時(shí)，根據(jù)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩大體與轉(zhuǎn)差頻率成比例關(guān)系這一事實(shí)，想控制電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，這就是轉(zhuǎn)差頻率控制的原理?？刂茦?gòu)成在轉(zhuǎn)差頻率控制中設(shè)有速度控制器(SC)，它將給定的速度指令信號(hào)f'與來自速度檢出器的反饋值f的偏差放大，產(chǎn)生轉(zhuǎn)差頻率指令f'，mms變頻器的輸出頻率f'+f進(jìn)行控制，其他構(gòu)成與U/f相同。mm速度控制器(SC)為比例(P)型或比例積分(PI)型,給定比例增益及積分增益可以獲得所要求的速度控制響應(yīng)特性。另外，由速度控制器的轉(zhuǎn)差頻率限幅器限制轉(zhuǎn)差頻率，使電動(dòng)機(jī)可以用變頻器容許電流內(nèi)的最大轉(zhuǎn)矩進(jìn)行加減速運(yùn)轉(zhuǎn)，所以不需調(diào)整加減速時(shí)間就能以最短的時(shí)間實(shí)現(xiàn)加減速。矢量控制近年來，異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速技術(shù)迅速發(fā)展，其成果之一就是矢量控制的實(shí)用化。矢量控制原理的特點(diǎn)是認(rèn)為異步電動(dòng)機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)有相同的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生機(jī)理。即回到磁場同與其相垂直的電流的積為轉(zhuǎn)矩這一基本原理進(jìn)行分析，將供給異步電動(dòng)機(jī)的定子電流在理論上分成兩部分:產(chǎn)生磁場的電流分量(磁場電流)和與磁場相垂直、產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量(轉(zhuǎn)矩電流)。在磁場電流、轉(zhuǎn)矩電流與直流電動(dòng)機(jī)的磁場電流電樞電流相當(dāng)。在直流電動(dòng)機(jī)，利用整流子和電刷在機(jī)械上使兩者保持垂直的關(guān)系，并且可以分別供電。另一方面，異步電動(dòng)機(jī)的定子電流是在電動(dòng)機(jī)內(nèi)部，利用電磁感應(yīng)作用在電氣上被分解為磁場電流和轉(zhuǎn)矩電流。矢量控制方式就是將定子電流分解成規(guī)定的磁場電流和轉(zhuǎn)矩電流分別進(jìn)行任意控制，同時(shí)將二者合成后的定子電流供給電動(dòng)機(jī)。因此，從

原理上說可以得到與直流電動(dòng)機(jī)相同的控制性能，并且與直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)比較，有下列優(yōu)點(diǎn):故障少;不需抑制電流變化率，可以謀求電流控制的快速響應(yīng);磁場控制范圍(恒功率范圍)廣，可以高速旋轉(zhuǎn)。3.4.1控制原理異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩平衡方程為:ELdtELdt式中?為電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，T為異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，T負(fù)載轉(zhuǎn)矩，JEL為只與電動(dòng)機(jī)本身有關(guān)的常數(shù)。在負(fù)載確定的情況下，T也為常數(shù)，那L么由上式可見，在動(dòng)態(tài)過程中電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?的變化規(guī)律完全取決于對(duì)電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩T的控制。E設(shè)異步電動(dòng)機(jī)的磁場磁通為e，產(chǎn)生磁場的電流為i，與磁場垂EE直的電流為I。矢量控制的出發(fā)點(diǎn)是推導(dǎo)這些量在電動(dòng)機(jī)內(nèi)部有怎樣的關(guān)系。由于研究方向限定，在這里僅用下式表示出結(jié)果，理論上的詳細(xì)推導(dǎo)請參看有關(guān)專業(yè)書籍。3-6)3-7)3-8)e=m-3-6)3-7)3-8)EEt*eiETriO= TsLi2E式中T 產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩;3——轉(zhuǎn)差角頻率；sM，r,L 電動(dòng)機(jī)參數(shù)22電動(dòng)機(jī)的參數(shù)與圖3-1的T形等值電路參數(shù)相同式(3-6)表示e與磁場電流I成比例，式(3-7)表示T與e和I的積E E ET成比例。考慮式(3-8)的意義，顯然是轉(zhuǎn)差角頻率3決定I與I的比。因s TE此，要產(chǎn)生規(guī)定的磁場和轉(zhuǎn)矩時(shí)，根據(jù)式(3-6),(3-7)求出需要的電流，將

它們合成作為定子電流供電的同時(shí)，如用式(3-8)控制轉(zhuǎn)差頻率則在電動(dòng)

機(jī)內(nèi)部就可以被分解成規(guī)定值。另外，由于I與I的比可以任意選擇，ETI、I能分別控制，因而可以實(shí)現(xiàn)與直流電動(dòng)機(jī)分別控制磁場電流和電ET樞電流相同的控制。供給異步電動(dòng)機(jī)的定子電流實(shí)際為3相交流，I、IET與正弦波的幅值相對(duì)應(yīng)。這里就每一相的電流加以說明。設(shè)定子電流的瞬時(shí)值為i，將它分解為磁場電流的瞬時(shí)值i和轉(zhuǎn)矩SE電流的瞬時(shí)值i。設(shè)磁場電流的相位為0，則轉(zhuǎn)矩電流必須超前900，因T此i,i可用下式表示ETi二Isin (3—9)EEi=IcoesTT(3-10)定子電流i，為二者的合成值：Si=i+i=Icos0+1sin0=■,：(I2+12)sin(0+0)STET E 、ET T式中 0=taniI(11 )T T E(3-11)(3-12)另外，設(shè)電動(dòng)機(jī)角速度為?，且用式(3-8)控制轉(zhuǎn)差角頻率，則0可m用下式給出：e=j(①+o)dtMS有上面的式子可得到電流的瞬時(shí)值，關(guān)系如圖3-5。3.4.2與直流調(diào)速、恒u/f調(diào)速、轉(zhuǎn)差頻率控制直接轉(zhuǎn)矩控制的比較矢量控制系統(tǒng)和直流調(diào)速系統(tǒng)的比較矢量控制系統(tǒng)是類比于直流系統(tǒng)得到的，其動(dòng)靜態(tài)性能和直流調(diào)速系統(tǒng)相近，但矢量控制系統(tǒng)的拖動(dòng)工具比異步電機(jī)的容量大，速度較高，對(duì)工作環(huán)境要求低;而直流系統(tǒng)則相反，且其換向器、電刷不便維護(hù)。矢量控制系統(tǒng)和恒U/f系統(tǒng)、轉(zhuǎn)差頻率控制的比較恒UIf調(diào)速系統(tǒng)利用了異步電機(jī)的靜態(tài)相電壓公式U二E=4.44fNK111M通過上式可知，只要使U//］恒定，則①m就近似不變，如果電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下都能達(dá)到額定電流，則轉(zhuǎn)矩基本隨磁通變化，所以基頻以下轉(zhuǎn)矩基本恒定，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速;基頻以上電壓一定，屬于恒功率調(diào)速。轉(zhuǎn)差頻率控制的基本公式為&sm—R'2圖3-5 矢量控制的關(guān)系圖前提是:電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)差率S很小，使得這時(shí)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩近似正比于轉(zhuǎn)差頻率es，控制轉(zhuǎn)差頻率es就能達(dá)到間接控制轉(zhuǎn)矩的目的。以上分析可以看出恒U/F系統(tǒng)、轉(zhuǎn)差頻率控制的基礎(chǔ)是電機(jī)的穩(wěn)態(tài)公式，在動(dòng)態(tài)過程中①加不恒定，從而影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能;而矢量控制系統(tǒng)是利用電機(jī)的動(dòng)態(tài)方程對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，因而其動(dòng)態(tài)性能比較好。3.5各種控制方式的特性比較1.U/f控制U/f控制的特點(diǎn)可列舉如下:在控制構(gòu)成上是最簡單的一種控制方式，調(diào)整因素少，不選擇電動(dòng)機(jī)，通用性優(yōu)良。與其他方式相比在低速區(qū)電壓調(diào)整困難，通常在1:10左右的調(diào)速范圍內(nèi)使用。不檢出電動(dòng)機(jī)的速度，不能直接控制轉(zhuǎn)差頻率，所以不可能進(jìn)行轉(zhuǎn)矩控制。急加減速或負(fù)載過大時(shí)，抵制因轉(zhuǎn)差頻率增大引起的過電流的能力有限。負(fù)載不同則轉(zhuǎn)差頻率變化，不能精密控制電動(dòng)機(jī)的實(shí)際速度，不適于要求同步運(yùn)轉(zhuǎn)的用途。轉(zhuǎn)差頻率控制轉(zhuǎn)差頻率控制的主要特點(diǎn)可列舉如下:與U/f控制相比增加了轉(zhuǎn)差頻率的控制功能，雖然需要調(diào)整轉(zhuǎn)差頻率，但過電流的抑制、速度精度等諸特性比U/f控制有所提高。在低速區(qū)的電壓調(diào)整與U/f控制同樣困難，但采用轉(zhuǎn)差頻率控制可以限制電流，使用的速度范圍與U/f控制相比，得到了擴(kuò)大。在使用速度范圍內(nèi)可以確保10rad/s左右的響應(yīng)，所以能適用于要求某種程度同步運(yùn)轉(zhuǎn)的用途。矢量控制失量控制的特點(diǎn)如下:(1)控制特性比其他控制方式格外優(yōu)越，能實(shí)現(xiàn)與直流電動(dòng)機(jī)同等以上的控制特性?？梢赃M(jìn)行轉(zhuǎn)矩控制。在電動(dòng)機(jī)靜止?fàn)顟B(tài)，能控制它所產(chǎn)生的靜止轉(zhuǎn)矩。控制運(yùn)算中要使用電動(dòng)機(jī)參數(shù)，作為專用使用性質(zhì)增強(qiáng)。(2)對(duì)于要求高速響應(yīng)的用途，要求從極低速到高速的寬廣調(diào)速范圍的有途，以及要求頻繁急加減速運(yùn)轉(zhuǎn)和連續(xù)4象限運(yùn)轉(zhuǎn)等用途，以前異步電動(dòng)機(jī)適用困難，現(xiàn)在不論哪一種場合能勝任。3.6本章小結(jié)本章介紹了變頻器的控制方式:開環(huán)控制和閉環(huán)控制。分為開環(huán)控制:U/f控制方式;閉環(huán)控制:轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制.U/f控制方式是指改變頻率的同時(shí)控制變頻器輸出電壓，使電動(dòng)機(jī)磁通保持一致，在廣范圍內(nèi)調(diào)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)電動(dòng)機(jī)的效率、功率因數(shù)不下降。U/f控制方式可以使氣隙磁通經(jīng)常保持額定值，由于產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和電流僅決定于轉(zhuǎn)差頻率，從低速到高速與電流的關(guān)系不變。轉(zhuǎn)差頻率的控制方式是通過檢出電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，然后以電動(dòng)機(jī)速度相對(duì)應(yīng)的頻率與轉(zhuǎn)差頻率的和給定變頻器的輸出頻率。該控制方式可以根據(jù)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩大體與轉(zhuǎn)差頻率成比例關(guān)系來控制電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。控制系統(tǒng)的加減速特性和穩(wěn)定性較高且過電流的限制效果較好。矢量控制方式是將定子電流分解成規(guī)定的磁場電流和轉(zhuǎn)矩電流分別進(jìn)行任意控制，同時(shí)將二者合成后的定子電流供給電動(dòng)機(jī)。變頻電機(jī)運(yùn)行時(shí)機(jī)械特性的分析概述異步電動(dòng)機(jī)的等效電路異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子相對(duì)于以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的氣隙磁場有轉(zhuǎn)差時(shí)，在轉(zhuǎn)子回路將產(chǎn)生速度電勢，它與轉(zhuǎn)差成比例。此電勢產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子電流與旋轉(zhuǎn)磁場相互作用，就產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。異步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)特性〔忽略鐵損等〕可用圖4-1所示的T形等效電路表示。圖中，X2、表示與轉(zhuǎn)子電路的銅損相對(duì)應(yīng)的電阻，(1-s)r2、/s表示與機(jī)械輸出功率相對(duì)應(yīng)的電阻，圖4-1中。圖4-1圖4-1異步電動(dòng)機(jī)的T形等效電路U:定子相電壓(V)1I：轉(zhuǎn)子電流(A)2r1:定子電阻(0)：定子電流(A) E:定子感應(yīng)電勢(V)IIE:轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢(V)Im:勵(lì)磁電流(A)2U:機(jī)械負(fù)載等效電阻兩端的電壓(V);2通過等效電路，容易得出異步電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程中的關(guān)系式。（4一1）（4一1）U二一E+1-r+jI-X11111此式表明，和電源電壓相平衡的，除電動(dòng)勢E夕卜，還有阻抗壓降:1電壓U是從電源輸入電能的標(biāo)志；電流I是電能做功的標(biāo)志；電能11做功過程中要克服的主要是反電動(dòng)勢。

(2)電流方程(由磁動(dòng)勢的平衡方程導(dǎo)出)4-2)I=—I+I4-2)12m此式表明，定子電流由兩部分組成，小部分用于建立主磁大0m，大部分則提供給轉(zhuǎn)子側(cè)，使轉(zhuǎn)子得到能量而拖動(dòng)負(fù)載。轉(zhuǎn)子電流I的有效值總2是和負(fù)載轉(zhuǎn)矩成比例，故常稱為轉(zhuǎn)矩分量。轉(zhuǎn)子的電動(dòng)勢方程E二U+I?'r+j-1'X (4-3)222222乘積U-1等于機(jī)械負(fù)載功率；Ir'+jIX'是轉(zhuǎn)子測的阻抗壓降，所占比222222例很小。在轉(zhuǎn)子回路中，電動(dòng)勢E是從定子通過磁通傳輸給轉(zhuǎn)子，并轉(zhuǎn)換2為電能的；電流I是電能做功的標(biāo)志；電能在做功過程中要克服的主要2反作用是負(fù)載轉(zhuǎn)矩的等效電阻RL、(匕r2')。s異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式n二n(1—s)二60f(1—s)/p01P 電機(jī)極對(duì)數(shù)；fP 電機(jī)極對(duì)數(shù)；f―――定子供電頻率10S 轉(zhuǎn)差率；5)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩公式r、_P_3P—―m— —、_P_3P—―m— —eQ①112sr :①[(r+—)2 2L+L')]1 1s 1 1 2r式中P 電磁功率,P=3-(12)--2；m m 2s3 定子角頻率;10 同步機(jī)械角速度，0=T；p 電機(jī)極對(duì)數(shù);L 定子每相漏電抗；L' 折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相漏電抗124.1.2在額定頻率以下調(diào)速時(shí)的恒壓頻比1額定頻率時(shí)的電動(dòng)勢，定子繞組的反電動(dòng)勢E是定子繞組切割1旋轉(zhuǎn)磁場磁力線的結(jié)果，本質(zhì)上是定子繞組的自感電動(dòng)勢。其有效值為E=4.44NfK申 (4-4)1111式中K 繞組系數(shù)；1N1 每相繞組的匝數(shù)；0m氣隙主磁通可見，El的大小是和f與0的乘積成正比。1m2變頻時(shí)的電動(dòng)勢，在式(4-1)所示的電動(dòng)勢平衡方程中，接近額定頻率時(shí)，阻抗壓降A(chǔ)U=I(r+j-X)所占的比例很小。如略去AU,不計(jì)，1111則電源電壓U和E的有效值近似相等：11UuE11但低頻時(shí),U和E都較小，定子漏磁阻抗壓降所占得分量就比較顯著，不11能忽略。這時(shí)，可以人為的把電壓U抬高一些，以便近似的補(bǔ)償定子壓1降，帶補(bǔ)償定子壓降的恒壓頻比控制特性示意圖如4—2中的b線，不帶補(bǔ)償定子壓降的恒壓頻比控制特性示意圖如4—2中的a線。在實(shí)際應(yīng)用中，由于負(fù)載大小的不同，需要補(bǔ)償?shù)亩ㄗ訅航狄膊灰粯?。在控制軟件中，繪有不同斜率的補(bǔ)償特性以便用戶選擇。圖4—2恒壓頻比控制特性曲線今設(shè)f1從額定頻率開始下降，則由式(4-4),E必下降。但U未變，11故AU必增加，實(shí)際是定子電流增大，但轉(zhuǎn)子側(cè)的負(fù)載并未增加，故I不2變。由式(4-2)所示的電流平衡方程可知，勵(lì)磁電流Im必增大，因而磁通

中0m增大，結(jié)果使午增加，達(dá)到新的平衡。上述過程可歸納如下:f1 E1 I1Tt0mTtE1t綜上，當(dāng)f1下降時(shí)，為了保持恒定的E1,①必須增加。M3.保持①=const(常數(shù))的措施，①增加，將導(dǎo)致鐵心過飽和,MM進(jìn)而引起勵(lì)磁電流波形的畸變，所以是不希望的。式(4-4)表明，如保持4-5)E4-5)了=const1則磁通①可保持不變(①=const)。MM將式(4-4)改寫成如下形式:E14.4E14.4KfN11_E1=Kf1EU14-6)式中K 常數(shù)①式(4-5)表明，如果在變頻過程中使(4-7)U(4-7)=const1則磁通①可保持基本不變(①=const)。所以，在變頻的同時(shí)也要變壓,MM常用VVVF表示。調(diào)頻比與調(diào)壓比如f1調(diào)節(jié)為f時(shí)，U1調(diào)節(jié)Ux,則x頻率調(diào)節(jié)比(調(diào)頻比)Kf為K_f (4-8)ffN電壓調(diào)節(jié)比(調(diào)壓比)Ku為k_k_UxuU4-9)式中fN---電動(dòng)機(jī)的額定頻率;U---電動(dòng)機(jī)的額定相電壓。N所以，保持①-const的近似方法是：MK=K (4-10)uf在額定頻率以上調(diào)速時(shí)恒功率控制當(dāng)電動(dòng)機(jī)在基頻以上調(diào)速時(shí)，頻率應(yīng)該從f向上升速但定子電壓卻N不可能超過額定電壓U，最多只能保持U=E，這將迫使磁通①與頻111M率f1成反比降低，相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)的弱磁升速情況。參照式(4-4)可以看出，U不變，E也基本不變，f增加了，①減小了。11M把基頻以下和基頻以上的兩種情況的控制特性畫在一起，如圖4－3示。如果電動(dòng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速時(shí)所帶負(fù)載都能使電流達(dá)到額定值，即都能在允許溫升下長期運(yùn)行，則轉(zhuǎn)速基本上隨磁通變化。按照電力拖動(dòng)原理，在基頻以下時(shí)磁通恒定時(shí)轉(zhuǎn)矩也恒定，屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”性質(zhì)；在基頻以上時(shí)轉(zhuǎn)速升高時(shí)轉(zhuǎn)矩降低，基本上屬于“恒功率調(diào)速”性質(zhì)。圖4－3機(jī)械特性曲線4.2電動(dòng)機(jī)變頻運(yùn)行的機(jī)械特性變頻后的轉(zhuǎn)矩計(jì)算在異步電動(dòng)機(jī)中，由于轉(zhuǎn)子電流的頻率f和轉(zhuǎn)差率s成正比，導(dǎo)致2轉(zhuǎn)子側(cè)的E和X：等也和s有關(guān)。所以電磁轉(zhuǎn)矩公式也可以用Tm=f⑸22的方式表達(dá)。

f3p-s-rUIf3p-s-rUI2T=2兀f[(s-r+r)2+s2X1+X2、)]1則由(4-8)和(4-9)4-11)代入得：1得：fx=KffNUx=KuUNf3psrKu2U2N-2兀Kf[(sr+r')2+s2K2(X1+X2')2]

fNx1 2 xfs二An/nxxx4-12)式中，s 當(dāng)頻率為fx4-12)xn 頻率為fx時(shí)的同步轉(zhuǎn)速xAn 頻率為fx時(shí)時(shí)的轉(zhuǎn)差x這里，S是以n為分母的。于是，在fx不同時(shí)，由于n各不相同,x x x則即使△n值相等，S值也是不相等的。這對(duì)于以n為橫坐標(biāo)的機(jī)械特xx性來說，將引起坐標(biāo)和比例尺方面的混亂。為了避免這種混亂，在作機(jī)械特性曲線時(shí)，有必要將S換算成以n為分母的“折算值”x enSx、=An/n=KS （4-13）xenfxTs二3pr2'Ts二3pr2'U122吋[(rl+r2')2+(X1+X2肓4-14)n 額定頻率時(shí)的同步轉(zhuǎn)速。en幾個(gè)特殊點(diǎn)的坐標(biāo)如下:（1）理想空載點(diǎn)（0，n）0電動(dòng)機(jī)輸出軸上的轉(zhuǎn)矩為0（T=0）,稱為理想空載。這時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可以達(dá)到同步轉(zhuǎn)速n。所以，理想空載點(diǎn)的坐標(biāo)是（0,n）。00（2）啟動(dòng)點(diǎn)（T，0）sx

電動(dòng)機(jī)剛接通電源，但轉(zhuǎn)速還是0時(shí)稱為起動(dòng)點(diǎn)。這時(shí)轉(zhuǎn)矩稱為啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，也稱為堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。由(4-14)得：f4－15)3prKu2U24－15)T— 2 n sx2兀fK[(r1+r2')2+K2(X1+X2')2]Nf f式中T--sx f1—fx時(shí)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。(3)臨界點(diǎn)K(T,n)kk對(duì)于非變頻電機(jī)的自然機(jī)械特性中的臨界點(diǎn)(T.=T,n)，臨界點(diǎn)Kkk的位置對(duì)于評(píng)價(jià)機(jī)械特性來說，是十分重要的。n是臨界點(diǎn)轉(zhuǎn)速，它的k大小決定了K點(diǎn)的位置，主要反映了機(jī)械特性的硬度。機(jī)械特性曲線見圖4-4,圖4-4機(jī)械特性曲線與n對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)差率S稱為臨界轉(zhuǎn)差率，其大小由下式?jīng)Q定kkfrS— 2 (4—16)kQr2+(X1+X2')2T是臨界轉(zhuǎn)矩，也叫最大轉(zhuǎn)矩,是異步電動(dòng)機(jī)所能產(chǎn)生的最大電磁轉(zhuǎn)矩。k其大小反映了電動(dòng)機(jī)的過載能力。4－17)3pU24－17)T— 匕k4兀f[r+\：72+(X1+X2')2]

111將f和Ux代入(4-17),x

3pKu2U2NT= KX4兀Kf[3pKu2U2NT= KX4兀Kf[r+\:r2+K2(X1+X2')2]fN1 1fn只能通過臨界轉(zhuǎn)差率s來間接求出。由式(4-16)得KX KXrc4－18)S=kx :r2+K2(X1+X2)21 f由此式求出的sKX4－19)是以n為分母的，將它折算為以n作為分母為OXOX4－20)kx則：式中4.2.2An =s'KXKXT f1=f時(shí)的臨界轉(zhuǎn)矩\o"CurrentDocument"KX xs f1=f時(shí)的臨界轉(zhuǎn)差率\o"CurrentDocument"KX xs ' s的折算\o"CurrentDocument"KX KXK二K<1時(shí)的機(jī)械特性u(píng)f4－21)1.臨界轉(zhuǎn)矩這里，只是根據(jù)兩種極端情況，大概地分析其變化趨勢。K(X+X')?(1)當(dāng)K二(1)當(dāng)K二K-1時(shí)，有:

uf如果忽略r不計(jì)，貝U：1TqKX3pU2N4兀fX+1XN2T)KN值。即，當(dāng)K二K-1時(shí)，得T大小趨近于T值。uf KX KN(2)當(dāng)K二K—0時(shí)，有： K(X+Xuf f1如果忽略K(X+X')不計(jì)，貝U：f1 23pKuU2

Tq igKukx 8兀fr1但因?yàn)樵贜但因?yàn)樵诩矗?dāng)K二K-0時(shí)，T得大小近似于與K成正比。uf KX uK=1時(shí),K(X+X')?r,所以只有當(dāng)KV0.1時(shí)，K(X+X')=rff121ff121才是成立的。TOC\o"1-5"\h\z綜上兩種情況，從K=1-K=0,T是逐漸減小的，開始時(shí)減小f f KX比較慢。當(dāng)K很小時(shí)，T減小得較快。f KX2臨界轉(zhuǎn)差由式(4-20)可知:(1)K-1時(shí)，如忽略r1不計(jì)，貝Uf , r2s沁KXX1+X2所以，s'和An幾乎不變。KXx(2)K-0時(shí)，如果忽略K(X+X')不計(jì)，則f f1 2fsKX所以，?和皿都隨Kf而減小。綜上所述，可以繪出叮KfVI時(shí)的機(jī)械特性曲線簇如圖4-5所示。圖4-5K二KV1時(shí)的機(jī)械特uf由圖4—5可以看到：f不同時(shí)，在相同轉(zhuǎn)矩時(shí)的速度降A(chǔ)nx變化很小,x所以工作區(qū)的機(jī)械特性曲線大致是平行的，保持了較硬的機(jī)械特性；隨著f的下降，臨界轉(zhuǎn)矩T逐漸減小，電動(dòng)機(jī)的帶負(fù)載能力也隨之下降。xkx4.2.3K>1時(shí)的機(jī)械特性fK>1時(shí)的一個(gè)重要特點(diǎn)是，電動(dòng)機(jī)不可能在超過額定電壓的情況下運(yùn)行。與<1時(shí)一樣，仍通過臨界點(diǎn)的坐標(biāo)來進(jìn)行觀察。1.臨界轉(zhuǎn)矩將K=1代入(4-18)得：u

3pU21T=kx4兀Kf[r+,:r23pU21T=kx4兀Kf[r+,:r2+K2(X1+X2')2]

fN-V- -因?yàn)镵>1時(shí)K(X1+X2、)>>rl，則上式可簡化為:4-22)3pU2N-TuKX4兀K2f(X1+X2)KfN4-23)式中T K-=1(f=f)時(shí)的臨界轉(zhuǎn)矩。上式表明，臨界轉(zhuǎn)矩的KN f xN大小與K2成反比，故隨著K的增加，臨界轉(zhuǎn)矩的減小是十分明顯的。2.臨界轉(zhuǎn)差率由于S：和s均與電壓無關(guān)，KXkx決定。如果忽略r1不計(jì)，則s'Ur/(X4X2)kx而臨界轉(zhuǎn)差A(yù)n的大小為KxAn=s'nuAnKxKxoN KN所以其大小還是由(4-16)和(4-20)sKN4－24)(4-25)以上各式中，帶“X”均為f1=f時(shí)的值，帶“N”均為f=f時(shí)的值。x 1N式(4-23)表明，臨界轉(zhuǎn)矩的大小與K2反比。故隨著K的增加，臨界轉(zhuǎn)矩的減小是十分明顯的。由(4—25)，可見臨界轉(zhuǎn)差率幾乎不變。綜上所述，可以繪出K>1時(shí)的機(jī)械特性曲線簇如圖4-6所示.由圖4—6可以看到：臨界轉(zhuǎn)差A(yù)n變化很小，但因臨界轉(zhuǎn)矩減小很Kx多，故機(jī)械性的傾斜度加大，工作區(qū)的機(jī)械特性略為變軟。4.2.4對(duì)基頻以下變頻調(diào)速特性的修正在低頻時(shí)，T的大幅度減小，嚴(yán)重影響到電動(dòng)機(jī)在低速時(shí)的帶負(fù)載kx的能力。為解決這個(gè)問題，必須了解低頻時(shí)的T減小的原因。kx1.T減小的原因kx調(diào)頻時(shí)為維持電動(dòng)機(jī)的主磁通0不變，需保證E/f=const。由于E不M易檢測和控制，用U/f=const來代替上述式子。這種代替是以忽略電動(dòng)機(jī)定子繞組阻抗壓降A(chǔ)U為代價(jià)的。但低頻時(shí)f降的很低，U也很小，xx此時(shí)在忽略AU會(huì)引起很大誤差，引起T的大幅度減小?，F(xiàn)分析如下：kx當(dāng)頻率為f時(shí)，可得電動(dòng)機(jī)定子電壓為xU二E+AU (4-26)xxx式中 AU———電動(dòng)機(jī)定子繞組得阻抗壓降，可用下式表示，xAU二Ir+jIKX=AU+AUx11 1f1rlx式中 AU―――電動(dòng)機(jī)定子繞組的電阻壓降rAU―――電動(dòng)機(jī)定子繞組的漏抗壓降lxf下降時(shí)，AU也隨其下降，但電動(dòng)機(jī)的額定電流是不變的，故定xlx子繞組的電阻壓降A(chǔ)U與f無關(guān)。因此，當(dāng)f降低時(shí)，U也已很小，AUrx x x x在U中的比重越來越大，而E在U中的比重越來越小。如仍保持xxxU/f=const，E/f的比值卻在不斷減小。此時(shí)主磁通0減小。從而引xxxxM起電磁轉(zhuǎn)矩的減小。歸結(jié)上述分析：KJ(K=K)—> xT—>―J—>0J—》TJTOC\o"1-5"\h\zfufU U M kxxx2.解決的辦法針對(duì)K=K下降時(shí)，E在U中的比重越來越小，從而造成0及T減uf xx Mkx小的情況，可適當(dāng)提高調(diào)壓比K，使K>K，即提高U的值，使得Eu uf x x的值增加，從而保證E/f=const。這樣一來，主磁通0就會(huì)基本不變。xx M最終使電動(dòng)機(jī)的臨界轉(zhuǎn)矩得到補(bǔ)償。經(jīng)過電壓補(bǔ)償后，電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特圖4－7補(bǔ)償調(diào)速特性曲線圖性在低頻時(shí)的T得到了大幅度提高，如圖4—7所示。4.3本章小結(jié)I.過對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的等效電路的分析總結(jié)出：額定頻率以下調(diào)速時(shí)恒轉(zhuǎn)矩控制。額定頻率以上調(diào)速時(shí)恒功率控制電壓保持不變。II.電動(dòng)機(jī)變頻運(yùn)行的機(jī)械特性變頻轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式：r3psrKu2U2T= x^2 N 2nKf[(sr+r')2+s2K2(X1+X2')2]fNx1 2 xf幾個(gè)特殊點(diǎn)的參數(shù)：a：理想空載點(diǎn)(0,n) b：起動(dòng)點(diǎn)(T,0)c：臨界點(diǎn)(T,n)0 sx KXK通過這三個(gè)特殊點(diǎn)即可確定機(jī)械特性曲線及機(jī)械特性的硬度。III：機(jī)械特性在不同情況下繪制(1)K二K<1時(shí)的機(jī)械特性u(píng)fTOC\o"1-5"\h\z當(dāng)K二K-1時(shí)，得T大小趨近于T值；如忽略r1不計(jì)，則s'uf KX KN KX和An幾乎不變。當(dāng)K二K-0時(shí)，T得大小近似于與K成正比；如x uf KX u果忽略K(X+X')不計(jì)，貝Us'和Anx都隨kf而減小。f1 2 KX(2)K>1時(shí)的機(jī)械特性K>1時(shí)臨界轉(zhuǎn)矩的大小與K2成反比，故隨K的增加，臨界轉(zhuǎn)矩f f f減小是十分明顯的；臨界轉(zhuǎn)差率幾乎不變。W：變頻調(diào)速時(shí)變頻變壓的關(guān)系。具體說來分為兩部分：（1） k=k<1時(shí)：在該范圍內(nèi)需保證電動(dòng)機(jī)的主磁通e不變，實(shí)ufM現(xiàn)的方法是維持E/f=const,由于E不易控制，根據(jù)U-E，用U/f=const來近似維持e不變。這種近似方法在低頻時(shí)誤差較大，表現(xiàn)就是臨界轉(zhuǎn)M矩T變小，使電動(dòng)機(jī)的過載能力變小。為了保證電動(dòng)機(jī)的帶負(fù)載的能力，kx在低頻時(shí)需進(jìn)行電壓補(bǔ)償。實(shí)現(xiàn)方法是低頻時(shí)適當(dāng)提高電壓值，使主磁通e不變，補(bǔ)償后的機(jī)械特性基本上具有了恒轉(zhuǎn)矩的特性。M（2） k>1，k=1時(shí)：在該范圍內(nèi)調(diào)速fT—eJ。電動(dòng)機(jī)輸出功f u M率基本維持不變，所以在該變頻范圍內(nèi)電動(dòng)機(jī)具有恒功率的調(diào)速特性。變頻電機(jī)運(yùn)行時(shí)效率的分析變頻調(diào)速中的效率問題變頻調(diào)速技術(shù)的廣泛應(yīng)用，極大地推動(dòng)了異步電動(dòng)機(jī)的節(jié)能降耗。對(duì)于采用恒U/f控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)，輕載時(shí)的異步電動(dòng)機(jī)仍運(yùn)行于額定磁通，其鐵損和由勵(lì)磁電流產(chǎn)生的定子銅損保持不變，使電機(jī)的運(yùn)行效率明顯下降，造成電能的浪費(fèi)。由此可知，對(duì)于長期輕載運(yùn)行或負(fù)載變化范圍較寬的異步電動(dòng)機(jī)，仍存在著很大的節(jié)能空間。變頻調(diào)速中的轉(zhuǎn)差率與頻率關(guān)系異步電動(dòng)機(jī)負(fù)載運(yùn)行的過程中，不僅轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速隨定子電流頻率的改變而改變，而且電機(jī)的轉(zhuǎn)差率也跟隨著變化。所以，只有找出轉(zhuǎn)差率和頻率之間的具體關(guān)系，才能更好地討論效率的變化。為便于討論，本節(jié)把電機(jī)極小的機(jī)械損耗當(dāng)作負(fù)載的一部分。5.2.1恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載由圖4—1是中的異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行等效電路可知:l2 2Z=I’[(也于了+Z]2Z2 1mU二IZ+1'Z'二(Il2 2Z=I’[(也于了+Z]2Z2 1m11122m2=(-2^+I')Z+I’Z'Z2122(5—(5—1)二I'(clZ+ Z)221式中C1=1+么是修正系數(shù)，通常將其間化為實(shí)數(shù)，即c1=￡。于是ZXmm廠=一Ui一 (5—2)c1Z+Z21由圖5—1可知，異步電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械功率可表示為：Pi二3廠Pi二3廠221-s rs23U21-s1(r+clr'+c1 r')2+(X+c1X')212s2125—3)河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)說明書所以，異步機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為：frPiTe=—(1)PiTe=—(1)el(1-s)psf2兀f[(r+cl*)2+(X+clX')2]TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"1 1 s 1 25－4)=也也)5－4)2兀f (sr+clr)2+s2(2兀fL+2兀clfL)2l l2 ll l2式中，p 磁極對(duì)數(shù)；=牛 定子電源頻率。f又因?yàn)楫惒诫妱?dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)r= clT2。所以1s丁_3p(U)5－5)Te_ ?(l)2■5－5)2兀f (clr')2+4兀2(Ll+clL')2(sf)2l 2 2l由式(5—5)可知，采用恒U/f控制，對(duì)于起重機(jī)、印刷機(jī)等負(fù)載轉(zhuǎn)矩不隨轉(zhuǎn)速而變化的恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，存在著“f=常量”這一關(guān)系。則隨著定l子電源頻率f的降低，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率s在相應(yīng)地反比增大。兩者的l乘積始終不變。同時(shí)也說明了異步電動(dòng)機(jī)的硬特性隨著f的減小而變軟。l轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速平方正比變化的負(fù)載設(shè)異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度為。，則由式(5—4)可得°2 [(l-s)2兀f]2(sr+clr')2+s2(2兀fL+2兀clfL')25－6)TOC\o"1-5"\h\zp l2 ll l25－6)[s(r-sr-clr')+clr']2+[s(1-s)(2兀fL+2兀clfL')]2ll2 2 ll l2因?yàn)楫惒诫妱?dòng)機(jī)滿載或輕載穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，[s(r-sr-clr')+clr']2?[s(l-s)(2兀fL+2兀clL')]2，而s(r-sr-clr')ll2 2 ll 2 ll2-37-也近似為零。所以，竺—巫(￡1)2(2)丄02忍3ffc12也近似為零。所以，竺—巫(￡1)2(2)丄02忍3ffc12r'5－7）2由式（5－7）可知，對(duì)于風(fēng)機(jī)、水泵等負(fù)載轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速平方正比變化的負(fù)載，如果也采用恒U/f控制，則存在著“s二常量”的關(guān)系。則f1隨著定子電源頻率f的降低，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率s相應(yīng)地正比減小。兩1者的商始終不變。5.3變頻調(diào)速中的效率與頻率關(guān)系5.3.1恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載由圖4－1可知，異步電動(dòng)機(jī)的定子電流為：U-IZT—1 1―——IZ2m5－8）將式（5－2）代入上式，并整理，U 1—Z+Z1U+ 1—c1Z1+c1Z225－9）則：P二3U1門cos申1in3U2(c1r+—c12r')1 1s23U2(r+r)— 1 1 m +(r+r)2+(X+X)21m 1 m1s1(c1r+c12r2)2?(c1X+C12X')2，所以1s(clr+1c—r2)2+(c1X+C—X')22由于，(r+r)2=(X+X')2,1m125－10）5－11）廠 3U2(r+r) 3U25－11）P— 1 1m+ 1 m(X+X)2 c1r+—c12r'1m 1s2設(shè)異步電動(dòng)機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)輸出機(jī)械轉(zhuǎn)矩為T,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為n。則其22輸出功率可表示為

于是，pout222兀nc

Z"60c"Z"15－于是，pout222兀nc

Z"60c"Z"15－12)p耳=匚Pin-out—2兀T(1 )r2(1—s)f

P 1\o"CurrentDocument"3U2(r+r) 3U211m+ 1 (X1+X)2clr+c12r'\o"CurrentDocument"1 m 1s 22兀T(1—s)fU r+rTOC\o"1-5"\h\z3P(T)2[ -1__m +\o"CurrentDocument"f4兀2(L+L)21 1m]5－13)兀T(f—]5－13)2 1NNU -+- (sf)-f3p(—)2[ 1m+N~N 1]f 4兀2(L+L)2 c12r/N1m2由式(5—13)可知，對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，由于恒U/f控制的過程中，sf的乘積也是一個(gè)不變量。所以，當(dāng)f很大時(shí)，隨著定子電源頻率f的111降低，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率s在相應(yīng)地增大，而耳非常緩慢地減小。當(dāng)f1很小時(shí)，隨著定子電源頻率f的降低，異步電動(dòng)機(jī)的工作效率耳則較為1顯著地減小。根據(jù)通用電機(jī)給定的各參數(shù)，由式(5—13)可以算出，當(dāng)定子電源頻率f降至到lOHz左右時(shí)，電機(jī)的運(yùn)行效率耳就下降到額定值的10.707倍(大約降低30%)。然后，隨著f的下降，n開始快速減小。根1據(jù)計(jì)算而繪出的效率n隨定子電源頻率的變化關(guān)系曲線如圖5—2所示。轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速平方正比變化的負(fù)載PoutP

in2兀TpQ2PoutP

in2兀TpQ23U2(r+r)11m+(X+X')21m3U]2c1r+—c12-'1s22兀T 2兀f-2[(1一S)十]2(1一S)fTOC\o"1-5"\h\z02 p 1rr+r f22[ +m + 1 ]4兀2(L+L)2 1丄11Tv1m c1r+—c12r1s28兀3丄(1--)3f021u—Ur+r-f23p(N)2[ 1m+ 1]f 4兀2(L+L)2 c12r'N1m2Ts8兀3斗[1-(-N)f]35－14）02f15－14）N 負(fù)載轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速平方正圖5－2負(fù)載轉(zhuǎn)矩恒定時(shí)比變化時(shí)耳（f）曲線n（負(fù)載轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速平方正圖5－2負(fù)載轉(zhuǎn)矩恒定時(shí)比變化時(shí)耳（f）曲線由式（5－14）可知，對(duì)于風(fēng)機(jī)、水泵等負(fù)載轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速平方正比變化的負(fù)載，由于恒U/f控制的過程中，仝的商也是一個(gè)不變量。所以,f1電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率n隨其定子電源頻率f的變化較為迅速。只有在額定1頻率f附近其變化才較為平坦。根據(jù)通用電機(jī)給定的各參數(shù)，由式可以1算出，當(dāng)定子電源頻率f降到30Hz左右時(shí)，電機(jī)的運(yùn)行效率n就下降到1額定值的0.707倍（大約降低30%）。然后，隨著f的下降，n開始快速1減小。根據(jù)計(jì)算而繪出的的運(yùn)行效率n隨定子電源頻率f的變化關(guān)系曲1線如圖5－3所示。由分析可知，對(duì)于轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速平方正比變化的負(fù)載，如果也采用恒U/f控制，可調(diào)的頻率范圍比恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載要小得多。同時(shí)也可看出，對(duì)于VVVF變頻調(diào)速系統(tǒng)，其效率優(yōu)化控制主要應(yīng)集中在低頻部分。如何提高變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)低頻段的運(yùn)行效率，應(yīng)該是值得關(guān)注的問題。5.4本章小結(jié)轉(zhuǎn)差率和頻率的關(guān)系采用恒u/f控制，對(duì)于負(fù)載轉(zhuǎn)矩不隨轉(zhuǎn)速而變化的恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，存在著“sf二常量”這一關(guān)系。這就是說，隨著定子電源頻率f的降低，11異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率S在相應(yīng)地反比增大。兩者的乘積始終不變。采用恒U/f控制，對(duì)于負(fù)載轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速平方正比變化的負(fù)載，存在著“？二常量”的關(guān)系。這就是說，隨著定子電源頻率f的降低，異步f1電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率s相應(yīng)地正比減小。兩者的商始終不變。效率與頻率關(guān)系采用恒U/f控制，對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，sf的乘積也是一個(gè)不變量。1所以，當(dāng)f很大時(shí)，隨著定子電源頻率f的降低，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率s11在相應(yīng)地增大，而n非常緩慢地減小。當(dāng)f很小時(shí)，隨著定子電源頻率f11的降低，異步電動(dòng)機(jī)的工作效率n則較為顯著地減小。采用恒u/f控制，對(duì)于轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速平方正比變化的負(fù)載，可調(diào)的頻率范圍比恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載要小得多。同時(shí)也可看出，對(duì)于VVVF變頻調(diào)速系統(tǒng)，其效率優(yōu)化控制主要應(yīng)集中在低頻部分。6變頻電機(jī)運(yùn)行時(shí)起動(dòng)特性分析6.1異步電機(jī)改變電壓時(shí)的電流和轉(zhuǎn)矩根據(jù)電機(jī)學(xué)中異步電動(dòng)機(jī)的等值電路圖4—1可推知U16變頻電機(jī)運(yùn)行時(shí)起動(dòng)特性分析6.1異步電機(jī)改變電壓時(shí)的電流和轉(zhuǎn)矩根據(jù)電機(jī)學(xué)中異步電動(dòng)機(jī)的等值電路圖4—1可推知U16－1)fr' ,'(r+ci+(X+cX)21 1s 1 12在一般情況下，L?L，則c沁1，這相當(dāng)于將電機(jī)學(xué)原理中忽略m11鐵損改為忽略鐵損和勵(lì)磁電流。這樣電流公式可以簡化為U1二I'126－2)由公式(4－5)f(r+i+(X+X')1_知：fr3pU12亠6－3)s6－3)rco[(r+2)2+32(L+L)2]1 1s 1 1 2變頻電機(jī)的起動(dòng)時(shí)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和起動(dòng)電流由式(6—2)和式(6—3)推知它們與電壓U1，頻率f的關(guān)系為:1st=U1UZf6-4)<(r+r')2+(X12+X')2\()2+4兀2(L+L)2Tst=Tst=pU2r 1_2 2兀f[(r+r')2+(X1+X2)2]12

p(U/f)2r12 f￥|￥[(1 2)2+4兀2(L+L')2]f 1 2由上可知，當(dāng)施加電壓隨頻率降低而降低時(shí)，保持比值U1/f為常數(shù),起動(dòng)電流I也隨之降低。而起動(dòng)轉(zhuǎn)矩T的變化則較復(fù)雜，在頻率很低時(shí),st st由于定轉(zhuǎn)子電阻在阻抗中所占的比例明顯增大，轉(zhuǎn)子擠流效應(yīng)又不明顯

-42-T將隨f降低而明顯降低，但頻率較高時(shí)，在某一頻率范圍內(nèi)可能會(huì)出st現(xiàn)T隨f降低而稍有升高的現(xiàn)象。st為了了解變頻時(shí)復(fù)雜的起動(dòng)特性和頻率的關(guān)系，在U/f-常數(shù)時(shí)，根據(jù)表6-1中160kW-4P型電機(jī)參數(shù)繪出T-n曲線和I-n曲線如圖6-1,6-2所示。由表6-1,當(dāng)U/f=常數(shù)時(shí)，起動(dòng)電流隨頻率的降低而降低，但起動(dòng)轉(zhuǎn)矩在f=10HZ附近有最大值，然后隨頻率降低而稍有下降，在低頻區(qū)域內(nèi)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩則隨頻率降低而明顯下降，且當(dāng)f<4Hz時(shí)曲線不再出現(xiàn)凹陷現(xiàn)象，最大轉(zhuǎn)矩接近起動(dòng)轉(zhuǎn)矩值，這與理論分析是相符合的。表6-1YPT315M-4l60kW不同頻率時(shí)起動(dòng)電流、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、最大轉(zhuǎn)矩值f(Hz)504030201054321U(V)880304228152763830.422.815.27.6Ist(A)17341681160915111305984858697496260.2Tst(x9.8N.m)202.5180.5161.6148.2150.3148.6139.6120.190.749.4Tmax(x9.8N.m)299.1294.5287272.4243.1176.6155.512893.750.1注:U/f=常數(shù)，額定電流In=286.5A，額定轉(zhuǎn)矩Tn=104.9x9.8N.m下面我們將對(duì)變頻調(diào)速電機(jī)的起動(dòng)特性，負(fù)載與起動(dòng)特性的關(guān)系，作進(jìn)一步的分析。電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)曲線6.3.1普通異步電機(jī)的起動(dòng)曲線普通異步電機(jī)的直接起動(dòng)曲線如圖6-3所示，對(duì)應(yīng)與特定的頻率值就有一條相應(yīng)的T-S曲線，不同頻率值，就有不同的T-n曲線，只有當(dāng)電機(jī)的T-n曲線高于它的負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩曲線時(shí)，它才能平穩(wěn)地起動(dòng)，并穩(wěn)定運(yùn)行在曲線的交點(diǎn)（A點(diǎn)）。T-n曲線比負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩線高的愈多，則起動(dòng)

加速穩(wěn)迅速快，反之，若T-n曲線低于負(fù)載線，則電機(jī)無法起動(dòng)。圖6－1160KW－4p電機(jī)不同頻率時(shí)T－n曲線圖6－2160KW－4p電機(jī)不同頻率時(shí)I－n曲線6.3.2變頻調(diào)速電機(jī)的起動(dòng)曲線在起動(dòng)過程中，由低頻開始起動(dòng)，其電壓和頻率同時(shí)都在增加。鑒于不同電壓和不同頻率下的T-s曲線不同，因而，它的起動(dòng)曲線是不同頻率電壓相對(duì)應(yīng)的I-n曲線族組成。為了便于分析其低頻起動(dòng)情況，單獨(dú)畫出電機(jī)的低頻起動(dòng)轉(zhuǎn)矩及與之對(duì)