2021智能控制在變頻傳動系統(tǒng)中的應(yīng)用

智能控制在變頻傳動系統(tǒng)中的應(yīng)用目 錄第1章 變頻傳動系統(tǒng)概要 11變頻傳動概述 11.1傳動的意義和歷史 11.1.2兩種電氣傳動的競爭 11.1.3變頻調(diào)速一枝獨秀 21.1.4變頻傳動的定義與幾個術(shù)語的區(qū)分 31.1.5變頻傳動系統(tǒng)的組成 42變頻電源 51.2.1概述 52.2交－直－交電壓型變頻器 51.2.3交－直－交電流型變頻器及交－交變頻器 61.2.4變頻器的諧波與對策 81.3電動機 161.3.1異步電動機的結(jié)構(gòu)和工作原理 161.3.2異步電動的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和機械特性 171.3.3異步電動機的運行 191.3.4同步電動機4變頻傳動的負載

……………23……………244.1負載的機械特性 251.4.2主要生產(chǎn)機械的特點及其負載特性 271.4.3變頻傳動穩(wěn)定運行與機械特性的配合 321.4.4電動機、變頻器功率的選擇 3351.5.1概述

……………………35……………………355.2轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng) 35153轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)154矢量變換控制系統(tǒng)155直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)

……………………36……………………37……………………406變頻傳動系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 43附錄 43附錄1矢量控制動態(tài)方程［9］ 43附錄2直接轉(zhuǎn)矩控制動態(tài)方程［9］ 44參考文獻 45目 錄 ·Ⅴ·第2章 智能控制引論 461智能控制的定義和分類 462.1.1智能控制的定義 462.1.2智能控制的結(jié)構(gòu)理論與分類 472.1.3智能控制的特點與傳統(tǒng)控制的關(guān)系 482.2智能控制的應(yīng)用范圍及在變頻傳動系統(tǒng)中的應(yīng)用 492.3混沌控制簡介 512.3.1混沌和混沌理論 512.3.2混沌的產(chǎn)生 522.3.3混沌的定義及特點 533.4混沌控制的目標(biāo)和方法 54附錄—名詞解釋 6參考文獻 59第3章 模糊控制理論與應(yīng)用基礎(chǔ) 603.1概述 601.1模糊控制的意義 603.1.2模糊控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理 613.1.3模糊控制的優(yōu)缺點 613.2模糊集合和輸入精確量模糊化 623.2.1模糊集合和隸屬函數(shù) 623.2.2模糊集合的運算 663.2.3輸入量精確值模糊化 683.3知識庫與模糊控制規(guī)則 693.3.1知識庫 69332模糊控制規(guī)則的建立333模糊控制規(guī)則的形式334模糊控制規(guī)則的設(shè)計

…………………70…………………71…………………713.4模糊推理 723.4.1常用模糊語句 723.4.2模糊關(guān)系與模糊矩陣 733.4.3模糊推理法 753.4.4模糊關(guān)系方程 763.5解模糊化 773.5.1重心法 773.5.2加權(quán)平均法 773.5.3最大隸屬度法 773.5.4中位數(shù)法 783.6模糊控制系統(tǒng)的分類和舉例 783.6.1模糊控制系統(tǒng)的分類 78·Ⅵ·

智能控制在變頻傳動系統(tǒng)中的應(yīng)用3.6.2模糊控制系統(tǒng)舉例 7937模糊控制的應(yīng)用38模糊PID

……………84……………853.8.1傳統(tǒng)PID控制器工作特點 858.2模糊PID控制器 86附錄—名詞解釋 1參考文獻 92第4章 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制理論與應(yīng)用基礎(chǔ) 931人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)概述 93411人腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與神經(jīng)元412人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與神經(jīng)元

………………93………………944.1.3人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用 9442神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的分類與基本模型421神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的分類和功能

………………95………………954.2.2神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基本模型 954.2.3感知器 974.3神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)方法 974.3.1有導(dǎo)師學(xué)習(xí)（監(jiān)督學(xué)習(xí)） 984.3.2無導(dǎo)師學(xué)習(xí)（無監(jiān)督學(xué)習(xí)或自組織學(xué)習(xí)） 994.3.3再勵學(xué)習(xí) 994.4感知器學(xué)習(xí)算法與多層感知器 994.5BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 1014.5.1BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu) 1014.5.2BP算法 1014.6RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 1084.7反饋型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 1094.7.1Hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 1094.7.2Boltzmann學(xué)習(xí)機網(wǎng)絡(luò) 1104.7.3Kohonen神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 1104.8競爭學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 1114.8.1基本原理 1114.8.2競爭學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn) 1124.9神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的應(yīng)用 1124.9.1神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)越性與應(yīng)用領(lǐng)域 1124.9.2神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)辨識 1134.9.3神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制 1144.9.4神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測控制 1164.9.5神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器 1164.10單神經(jīng)元PID控制 116目 錄 ·Ⅶ·4.11神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器 1184.11.1神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器的結(jié)構(gòu) 1184.11.2神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器控制算法 1184.11.3仿真實例 11812模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng) 119附錄 120附錄1符號說明 120附錄2名詞解釋 121參考文獻 122第5章 遺傳算法理論與應(yīng)用基礎(chǔ) 1235.1概述 1231.1遺傳算法是新的全局優(yōu)化搜索算法 1235.1.2遺傳算法主要概念解釋及與生物學(xué)及實際問題的對應(yīng)關(guān)系 1245.2遺傳算法的基本內(nèi)容 1255.2.1選取與設(shè)定初始群體 1255.2.2參數(shù)編碼 1265.2.3適應(yīng)度函數(shù)的計算 1265.2.4遺傳操作設(shè)計 1265.2.5終止條件 1285.2.6小結(jié) 1295.3模式定理和積木假說 1295.3.1模式定理 1295.3.2積木（基因塊）假說 1305.3.3遺傳算子對模式的影響 1305.4遺傳算法的實現(xiàn) 1315.5遺傳算法特點 1345.6遺傳算法舉例 1355.7免疫算法 1375.7.1概述 1375.7.2IGA的主要步驟 1385.7.3免疫克隆算法 1395.8遺傳算法的應(yīng)用 1405.9基于遺傳算法的PID控制技術(shù) 1415.9.1PID控制概述 1415.9.2采用遺傳算法的PID控制方法 14110遺傳算法與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的應(yīng)用 1425.10.1概述 14210.2采用遺傳算法的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用示例 1425.10.3結(jié)束語 144·Ⅷ· 智能控制在變頻傳動系統(tǒng)中的應(yīng)用參考文獻 144第6章 智能控制在改進變頻電源中的應(yīng)用 1451SPWM變頻電源 1456.1.1神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制用于改進SPWM逆變器的優(yōu)化 1466.1.2模糊控制與PID控制結(jié)合的控制系統(tǒng) 1516.1.3混沌隨機TPWM低載波頻率逆變器 1556.2SVPWM變頻器 1586.2.1神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法在SVPWM技術(shù)中的改進應(yīng)用 1586.2.2IA在SVPWM逆變器控制中的應(yīng)用 1616.3變頻器中整流器的改進 1676.3.1整流器改進的必要性 1673.2基于神經(jīng)元控制的SVPWM整流器直接功率控制 168附錄—名詞解釋 3參考文獻 173第7章 智能控制在改進控制系統(tǒng)性能中的應(yīng)用 1757.1概述 1751.1控制系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo) 1757.1.2智能控制對改進控制系統(tǒng)性能的作用 1767.2轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)和轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)的改進 1767.2.1概述 1767.2.2PLC模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)變頻調(diào)速系統(tǒng) 1777.3矢量控制系統(tǒng)的改進 1837.3.1概述 1837.3.2智能控制方案簡介 1847.3.3模糊PID異步電動機矢量控制 1847.3.4免疫遺傳模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的永磁同步電動機矢量控制 1907.4直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的改進 1967.4.1概述 1967.4.2遺傳算法模糊自適應(yīng)異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制 1974.3模糊控制永磁同步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制 205參考文獻 209第8章 智能控制在改進負載性能中的應(yīng)用 2101金屬切削機床 2108.1.1概述 2108.1.2加工過程的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制 2118.2電力機車 2158.2.1引言 2158.2.2采用遺傳算法的受電弓優(yōu)化設(shè)計 2168.3起重機 220目 錄 ·Ⅸ·8.3.1引論 2208.3.2模糊PID控制器在起重機糾偏系統(tǒng)中的應(yīng)用 2208.4電梯 2258.4.1引言 2258.4.2遺傳算法電梯群控 2258.5變頻空調(diào)器 2288.5.1引言 2288.5.2模糊控制變頻空調(diào)器 2288.6多電動機群控 2348.6.1引言 2348.6.2神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多電動機同步協(xié)調(diào)控制 2348.7注塑機 2378.7.1引言 2378.7.2注塑成型智能監(jiān)控系統(tǒng)的研究 238參考文獻 243章變頻傳動系統(tǒng)概要1.1變頻傳動概述1.1.1傳動的意義和歷史傳動是指由原動機帶動生產(chǎn)機械運轉(zhuǎn)，以完成一定的生產(chǎn)任務(wù)，是一種功率傳送的過程。古時人類利用畜力拉車、磨面，就是畜力傳動，牲畜是原動機，車和磨盤是生產(chǎn)機械，屬于原始的傳動方式，用途極為有限。18世紀(jì)發(fā)明蒸汽機、內(nèi)燃機等原動機后，傳動進了一大步，利用蒸汽機、內(nèi)燃機作原動機，帶動各種機械生產(chǎn)，使生產(chǎn)產(chǎn)品多樣化和效率大為提高，用途范圍急劇增加，這種傳動屬于機械傳動。19世紀(jì)發(fā)明了電動機，由于使用方便、效率更高、裝置輕小、占地面積小等一系列優(yōu)點，很快取代了那些笨重的原動機進行傳動，這便是電氣傳動或稱電力拖動，使人類進入電氣傳動時代，對人類進步具有重大的歷史意義。1.1.2兩種電氣傳動的競爭進入電氣傳動時代存在兩種傳動方式：一種是采用直流電動機為原動機的直流傳動，另一種是采用交流電動機為原動機的交流傳動，它們之間產(chǎn)生了競爭，首先是直流傳動獨領(lǐng)風(fēng)騷。由于生產(chǎn)的需要，傳動系統(tǒng)必須有調(diào)速的功能，例如車輛運行有快和慢的需要，機床切削加工有高速和低速的要求。直流電動機能滿足要求，它可以通過調(diào)節(jié)電壓或勵磁任意改變速度，簡單方便而且是無級調(diào)速。而交流電動機在很長時期內(nèi)還無法調(diào)速，只能憑帶輪或齒輪箱去手動改變速度，裝置笨重，功率損耗也大，因此直流調(diào)速得以稱雄一時。隨后交流電動機調(diào)速方法一一發(fā)現(xiàn)，形勢大為改觀。原來交流電動機傳動，生產(chǎn)上普遍采用籠型異步電動機，這種電動機具有結(jié)構(gòu)簡單堅固、體積小、重量輕、維護簡便、價格低廉，能適應(yīng)惡劣工作環(huán)境。而直流電動機卻有著不可克服的缺點：首先，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積較大，導(dǎo)致價格較高；其次，具有換向器和電刷，經(jīng)常要清理和置換，增加了維護工作量，且不適應(yīng)潮濕、粉塵多的環(huán)境，特別是有可燃氣體的場合，電刷與換向器之間產(chǎn)生的火花會引起爆·PAGE2·PAGE2·智能控制在變頻傳動系統(tǒng)中的應(yīng)用·PAGE3·PAGE3·第1章變頻傳動系統(tǒng)概要炸。兩相對比，人們必然會歡迎交流傳動，于是它得到廣泛的應(yīng)用，發(fā)展到今日已在很多領(lǐng)域取代直流傳動。13變頻調(diào)速一枝獨秀（1-1）在交流傳動領(lǐng)域中，存在著幾種調(diào)速方式，它們的調(diào)速原理是根據(jù)電動機的下列轉(zhuǎn)速公式來劃分的：（1-1）式中 n—轉(zhuǎn)速（r／n）f—電源頻率（z）p—極對數(shù)

n＝

60f（1－s）s轉(zhuǎn)差率，對于同步電動機s＝0。從式（1-1）可知，只要改變f、s或p任一個參數(shù)，即可改變轉(zhuǎn)速（調(diào)速）。改變f即為變頻調(diào)速，其優(yōu)點下面詳述。改變p為變極調(diào)速，可以看出，只能有少數(shù)幾檔速度，且屬于有級調(diào)速，應(yīng)用范圍很小，只在那些不需多檔或無級調(diào)速的場合作為調(diào)速手段。有了變頻調(diào)速之后，此種方式很少使用。改變轉(zhuǎn)差率s調(diào)速，屬于無級調(diào)速，實現(xiàn)方法常用的有兩種；調(diào)壓調(diào)速方式，這種方式用改變串入電動機定子三相繞組的電阻或電抗來改變施加于電動機的電壓，從而實現(xiàn)調(diào)速，與此同時，電動機運行的轉(zhuǎn)差率也就跟著改變，故屬于改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速。此種方式在串聯(lián)阻抗上存在著顯著的功率損耗，還有調(diào)速范圍不寬、機械特性很軟的缺點，有了變頻調(diào)速之后，這種方式也已很少使用。轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速，這種調(diào)速是利用電動機和負載之間裝著的轉(zhuǎn)差離合器改變電動機速度，也屬于調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差率調(diào)速，雖可在一定范圍內(nèi)調(diào)速，但同時也存在轉(zhuǎn)差損耗、特性軟的缺點；特別是裝置十分龐大笨重，現(xiàn)已廢止采用?；仡^再看看改變頻率f的變頻調(diào)速有哪些優(yōu)點：可以平滑無級調(diào)速，其范圍可從幾赫茲到上萬赫茲；轉(zhuǎn)差率很小，故損耗很小，效率較高；機械特性較硬，調(diào)速精度較高；用于籠型異步電動機，可以充分發(fā)揮該型電動機的長處。根據(jù)上述優(yōu)點，可見變頻調(diào)速是一種理想的調(diào)速方式。在此補充說明一點，異步電動機還有一種繞線轉(zhuǎn)子電動機，它的轉(zhuǎn)子與籠型電動機轉(zhuǎn)子不同?；\型電動機的轉(zhuǎn)子為鑄鋁短路式繞組，而繞線轉(zhuǎn)子電動機的轉(zhuǎn)子卻嵌上三相絕緣繞組，可有兩種調(diào)速方式：一種是通過電刷和集電環(huán)與分段電阻相連，目的是減小起動電流和產(chǎn)生較大的起動轉(zhuǎn)矩，并可通過改變電阻進行調(diào)速。很明顯，它和上述調(diào)壓調(diào)速相似，存在損耗大、效率低、特性軟、調(diào)速范圍小等缺點，體積也顯著龐大。另一種是通過電刷與集電環(huán)和一個與轉(zhuǎn)子電動勢同頻率、同相位的外加電動勢相連，改變此電動勢的大小或相位而進行調(diào)速，稱為串級調(diào)速，可以克服前一種方式的缺點。但是存在低速運行過載能力低、功率因數(shù)較低、設(shè)備復(fù)雜龐大、成本高的缺點，目前逐漸被淘汰。根據(jù)以上所述，變頻調(diào)速與其他交流調(diào)速傳動相比，可說是一枝獨秀，技壓群芳。14變頻傳動的定義與幾個術(shù)語的區(qū)分變頻傳動的定義采用變頻調(diào)速的交流傳動就是本書所述的變頻傳動（VariableFrequencyDrive），變頻傳動是一種通過改變輸入電源頻率的方式來控制交流電動機，從而驅(qū)動負載完成生產(chǎn)任務(wù)的技術(shù)。上面總結(jié)變頻調(diào)速的優(yōu)點就是變頻傳動的優(yōu)點，一般來說，異步電動機變頻調(diào)速是專指籠型異步電動機，交流電動機還有同步電動機，采用變頻調(diào)速其效果基本與異步電動機的相同，故同步電動機傳動也屬于變頻傳動，其優(yōu)缺點后面將有講述。自從20世紀(jì)50年代末晶閘管誕生后，60年代交付生產(chǎn)的變頻調(diào)速裝置相繼產(chǎn)生，隨著時間的流逝，迄今已有半個世紀(jì)；依托著電力電子技術(shù)、電氣傳動技術(shù)、控制理論和計算機技術(shù)等學(xué)科不斷地發(fā)展豐富，變頻調(diào)速已從昔日的諧波嚴重、調(diào)速范圍不寬、效率不高、應(yīng)用不廣等“原始”狀態(tài)，發(fā)展到今天的開關(guān)器件不斷更新?lián)Q代，脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)日益成熟，近代控制理論得到應(yīng)用，計算機引入，促使變頻調(diào)速的控制性能、操作安全性不斷地提高完善，應(yīng)用遍及各行各業(yè)，新型變頻器不斷涌現(xiàn)，因此不僅可取代昔日稱雄調(diào)速領(lǐng)域的直流調(diào)速，而且有一統(tǒng)調(diào)速領(lǐng)域之勢。表1-1示出變頻傳動范圍，可見應(yīng)用極為廣闊。變頻傳動與幾個術(shù)語的區(qū)分變頻傳動系統(tǒng)與變頻調(diào)速系統(tǒng)這兩個術(shù)語內(nèi)容是一致的，但是變頻調(diào)速系統(tǒng)有不包含負載的意思，而變頻傳動系統(tǒng)則明確包含負載，即被驅(qū)動的生產(chǎn)機械。變頻傳動與電氣傳動變頻傳動是電氣傳動中的一類，不宜混淆和互相代用。變頻傳動系統(tǒng)與運動控制系統(tǒng)運動控制是國外將電氣傳動改用的新術(shù)語，由電源部分、執(zhí)行器部分和控制器部分組成，其中控制器接收上位計算機的指令，完成執(zhí)行器運動控制和管理。因此該術(shù)語富有時代特色，按此，變頻傳動系統(tǒng)屬于運動控制系統(tǒng)的一種。4）變頻傳動與機電一體化機電一體化是指生產(chǎn)機械與配電、電子控制結(jié)合為一體，和變頻傳動有相同的內(nèi)容，但變頻傳動的負載超過機電一體化的范圍，而且沒有生產(chǎn)機械設(shè)計方面的內(nèi)容。1-1變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用范圍及用途變頻器傳動的效能應(yīng)用領(lǐng)域主要相關(guān)技術(shù)適用變頻器節(jié)能風(fēng)扇、鼓風(fēng)機、泵、提升機、擠壓機、攪拌機、傳送帶、工業(yè)用洗衣機為提高運行可靠性，臺數(shù)控制和調(diào)速控制并用通用變頻器提高生產(chǎn)率提升機、起重機、機床、食品機械、擠壓機和自動倉庫運行程序或加工工藝的最佳速度，原有設(shè)備的增速運行，運轉(zhuǎn)可靠性提高通用變頻器、專用變頻器提高產(chǎn)品質(zhì)量風(fēng)扇、鼓風(fēng)機、泵、機床、食品機械、造紙機、薄膜生產(chǎn)線、鋼板加工生產(chǎn)線、印制電路板基板鉆孔機、高速雕刻機平滑加減速，加工對象所需最佳速度選定，高精度轉(zhuǎn)矩控制，高精度定位停止，無轉(zhuǎn)矩脈動，高速傳動通用變頻器、系統(tǒng)用矢量控制變頻器、高速通用變頻器設(shè)備合理化，少維護，低成本，機械的標(biāo)準(zhǔn)化、簡單化與工廠自動化（FA）搬送機械，金屬加工機械、纖維機械，造紙生產(chǎn)線、薄膜生產(chǎn)線、鋼板加工生產(chǎn)線原有設(shè)備的增速運行，高精度轉(zhuǎn)矩控制，多臺電動機聯(lián)動運行，多臺電動機聯(lián)動比例運行，提高運轉(zhuǎn)可靠性，傳送控制通用變頻器、通用矢量控制變頻器、系統(tǒng)用矢量控制變頻器改善或適應(yīng)環(huán)境空調(diào)機、風(fēng)扇、鼓風(fēng)機、壓縮機、電梯靜音化，平滑加減速，使用防爆電動機、安全性等技術(shù)通用變頻器、專用變頻器綜上所述，如果認為交流傳動可以取代直流傳動，變頻傳動又是交流傳動碩果僅存的一種優(yōu)勝者，那么變頻傳動將接近可取代電氣傳動和運動控制這兩個術(shù)語了。1.1.5變頻傳動系統(tǒng)的組成變頻傳動系統(tǒng)由變頻電源（變頻器）、交流電動機、負載和控制系統(tǒng)四個部分組成，如圖1-1所示。其中電動機與負載之間，有的是直接連接，有的是通過稱之為傳動機構(gòu)的帶輪或齒輪連接，不屬于主要組成部分。下面將分別講述四個主要組成部分。圖1-1變頻傳動系統(tǒng)1.2變頻電源1.2.1概述變頻電源也就是變頻器，它是變頻傳動系統(tǒng)的核心，提供傳動的功率，也是調(diào)速功能的根源。變頻器分為交－交變頻器和交－直－交變頻器兩大類。所謂交－交變頻器，就是交流電進入變頻器直接變成三相頻率可調(diào)的交流電輸出，故稱為交－交變頻器，1-2a所示。所謂交－直－交變頻器就是交流電輸入，經(jīng)整流器整流成直流電，然后經(jīng)過濾波環(huán)節(jié)，再進入逆變器，逆變成三相頻率可調(diào)的交流電，故稱為交－直－交變頻器，12b所示。交－直－交變頻器又分電壓型（大電容濾波）和電流型（大電感濾波）兩類。目前廣泛使用的主要是交－直－交電壓型變頻器，電流型和交－交變頻器已日漸減少故本書所講述的變頻傳動屬于交－直－交電壓型變頻器。由于電力電子技術(shù)的高度發(fā)展，新的開關(guān)器件絕緣柵雙極型晶體管（-BT）和集成門極換流晶閘管（IGCT）以及它們的模塊，加上計算機應(yīng)用，使此類變頻器性能更為完善，因此獲得廣泛的應(yīng)用。由于交－直－交電壓型變頻器變頻功能由逆變器部分實現(xiàn)，習(xí)慣把此種變頻器直接稱為逆變器。圖1-2變頻器分類a）交－交變頻器b）交－直－交變頻器變頻器還可按額定電壓分為低壓變頻器和高壓變頻器，低壓變頻器輸出電壓為380／220V，適配常用的電動機，將低壓變頻器和配電與控制設(shè)備組裝成一體，稱為通用變頻器，使用十分方便，國內(nèi)外市場上大量供應(yīng)。高壓變頻器適配高壓電動機，電動機電壓分為三個等級：3kV、6kV、10kV。高壓變頻器的主電路結(jié)構(gòu)除了傳統(tǒng)三相橋式外，還有功率單元串聯(lián)等結(jié)構(gòu)形式。近年來，除了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變頻器，還涌現(xiàn)一些新型變頻器。例如矩陣式變頻器可以取代傳統(tǒng)的交－交變頻器；還有軟開關(guān)變頻器可以減少開關(guān)損耗，向現(xiàn)有的硬開關(guān)變頻器提出了挑戰(zhàn)。這類變頻器進一步改善，很有廣闊的使用前景。1.2.2交－直－交電壓型變頻器圖1-3所示為一六拍交－直－交電壓型三相變頻器拓撲結(jié)構(gòu)，左側(cè)為二極管不控整流器，提供直流電源；中間為大電容濾波，以獲得平直的直流；右側(cè)為逆變器。逆變器用6個IGBTVI1～VI6構(gòu)成三相逆變橋（稱為六拍三相橋），VI1、VI3、VI5為共陽極組，VI2、VI4、VI6為共陰極組；每個橋臂由兩個IGBT串聯(lián)，從連接點引出三相接線。把一個周期T等分為30°（參看圖1-4），將I1～I6以相隔60°的電角度依次導(dǎo)通，每個BT導(dǎo)通80°；任一時刻有三個BT導(dǎo)通，同橋臂的另一個IGBT必須關(guān)斷；這樣工作下去，逆變器便可對三相負載Za～Zc輸出三相交流。調(diào)節(jié)觸發(fā)頻率（T時間長短），便可調(diào)節(jié)輸出交流的頻率，其波形如圖14所示。改變直流電壓Ud便可改變逆變器輸出交流電壓，從而完成變壓變頻（VVVF）的功能。圖1-3電壓型變頻器拓撲結(jié)構(gòu)IGBT是新一代電力電子器件，屬全控型，即導(dǎo)通及關(guān)斷均可控制；且電壓、電流等級均很高，工作頻率也很高，柵極損耗很小，為其他全控型，如大功率晶體管（GTR）和門極關(guān)斷（GTO）晶閘管所不及，故為高、低壓變頻器所廣泛采用。在大電流場合，可采用另一種新一代開關(guān)器件IGCT。采用此類器件的電壓型變頻器具有不需要換相電路，動態(tài)響應(yīng)快，抗干擾能力較強，且適于調(diào)制工作等優(yōu)點，故在高、低壓變頻器中得到廣泛應(yīng)用。在此請讀者注意，由于改變頻率的功能是在逆變器中完成，因此一般來說，逆變器就是指交－直－交變頻器，特別是電壓型，以下各章說逆變器就是指電壓型變頻器。23交－直－交電流型變頻器及交－交變頻器交－直－交電流型變頻器交－直－交電流型變頻器的結(jié)構(gòu)和工作原理與電壓型變頻器的相似，逆變器亦為六拍三相橋，只是直流環(huán)節(jié)用大電感濾波，如圖1-5a所示。由于大電感濾波，輸出電流呈矩形波，而電壓則隨負載而變化，如圖1-5b所示。由于大電感的存在，對抗負載短路的功能很強，這是此類變頻器的優(yōu)點。但大的電抗器沉重且造價高乃是缺點。變頻器的逆變器部分常采用晶閘管作為開關(guān)器件，晶閘管是最早開發(fā)成功的器圖1-4電壓型三相變頻器輸出波形1-5交－直－交電流型變頻器a）電路b）輸出電壓、電流波形件，屬于半控型，即只能控制其導(dǎo)通；導(dǎo)通以后要用換相電路對其陰極施以反向電壓，才能將其關(guān)斷，因此增加了變頻器的損耗和復(fù)雜性?；谝陨纤?，現(xiàn)在電流型變頻器少有采用。交－交變頻器交－交變頻器是將某一固定頻率的交流電直接變換為頻率可調(diào)的交流電，除了能調(diào)頻，還要求能調(diào)壓，其基本原理可用圖1-6a單相變頻器說明，由正、反兩組可控整流器反并聯(lián)組成。兩組輸入交流電，設(shè)正組整流器導(dǎo)通工作，反組整流器關(guān)斷，則在正組輸出電壓Ep作用下，負載電壓上端為正、下端為負。隔一定時間關(guān)斷正組整流器導(dǎo)通反組整流器，在反組輸出電壓EN作用下，負載流過的電流iN使負載電壓下端為正，上端為負。再隔相等時間，關(guān)斷反組并導(dǎo)通正組整流器，負載電流又使負載上端為正，下端為負。如此重復(fù)工作下去，負載上便獲得矩形交流電壓，如圖1-6b所示。虛線表示基波分量。圖1-6交－交變頻器a）基本原理b）輸出電壓波形交－交變頻器分單相和三相兩種，常用的為三相，圖1-7為常用的三相全控橋式三相交－交變頻器。交－交變頻器主要缺點是：圖1-7三相全控橋式交－交變頻器調(diào)頻范圍很窄，只能為工頻50Hz12～13；功率因數(shù)很低，諧波也較嚴重；使用開關(guān)器件多，1-7所示，36個開關(guān)器件，使控制復(fù)雜化，并提高了造價。因此應(yīng)用范圍有限，只在變頻器初期使用，新的變頻器開發(fā)成功以后，逐漸被取代，現(xiàn)在已經(jīng)很少使用。24變頻器的諧波與對策1.交－直－交變頻器工作時會產(chǎn)生嚴重諧波：1.諧波分類輸入側(cè)諧波由于變頻器采用大電容濾波和輸入側(cè)采用二極管或晶閘管整流，因此輸入電壓、電流會發(fā)生畸變而產(chǎn)生諧波，稱之為輸入側(cè)諧波。輸入側(cè)諧波對電網(wǎng)造成污染，會使其他電氣設(shè)備不能正常工作。輸出側(cè)諧波由于輸出側(cè)逆變器開關(guān)器件離散動作的特性，其輸出電壓、電流并非正弦波，除了基波之外，還含有豐富的諧波，稱為輸出側(cè)諧波。按傅里葉級數(shù)分析，電壓型變頻器輸出電壓為u＝3Udnt＋15t＋17t＋111t＋… （1-2）π 5

7 11 電流型輸出電流也有類似的諧波分析。基波是產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩工作的，而諧波給驅(qū)動的電動機產(chǎn)生噪聲、振動和發(fā)熱，往往使電動機不能正常工作。此外，開關(guān)器件頻繁動作，產(chǎn)生高頻電磁波，會影響周圍電子設(shè)備正常工作。消除諧波影響的方法有使用電抗器、濾波器，多脈波整流、PWM逆變器等措施，最有效的措施是采用逆變器脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)。目前采用行之有效的PWM技術(shù)有兩種，SPWM技術(shù)和SVPWM技術(shù)。電抗器、濾波器作為輔助工具，也常采用。SPWM技術(shù)所謂脈寬調(diào)制（PWM）就是通過開關(guān)器件的快速通斷作用，將輸出交流半周的直流電壓調(diào)制為一系列幅值相等而寬度不等的脈沖的一種方法，若脈寬是按正弦規(guī)律變化，就是正弦波脈寬調(diào)制（SPWM，電流型也可采用）。SPWM波形的形成是由圖1-8a等腰三角波uc和正弦波ur相作用形成的。三角波稱為載波，正弦波稱為調(diào)制波，它們的交點就是產(chǎn)生觸發(fā)脈沖的時刻，一次通斷就形成一個脈沖，一周內(nèi)連續(xù)通斷就形成脈沖列?？梢钥闯?，脈沖寬度按正弦波瞬時值變化，就可使輸出電壓接近正弦波。改變調(diào)制波的頻率就可改變變頻器的輸出頻率，載波頻率和調(diào)制波頻率之比叫做載波比，以K表示；調(diào)制波幅值和載波幅值之比叫做調(diào)制度，以M表示（一般在0～1之間）?？梢钥闯觯琄越大，脈沖越多，M越大，脈沖度越寬，輸出電壓越高，所以采用SPWM可以實現(xiàn)變壓變頻（VVVF）。圖1-8a為逆變器形成SPWM波形的原理，b為電路結(jié)構(gòu)。SPWM可分為單極型和雙極型兩種：單極型SPWM單極型逆變器運行時，共陽極組和共陰極組晶閘管輪流工作。雙極型SPWM其特點是半周內(nèi)脈沖極性正負交變，稱為對稱調(diào)制，載波比必須為奇數(shù)，共陽極組和共陰極組開關(guān)器件同時工作。單極型半周內(nèi)只有一組開關(guān)器件工作，對直流電壓利用率不高，雙極型無此缺點，且諧波抑制效果較好，但有出現(xiàn)橋臂短路的風(fēng)險。SPWM的優(yōu)點是：變頻器直流環(huán)節(jié)可以采用不可控整流器，功率因數(shù)達0.96，同時一套整流·PAGE10·PAGE10·智能控制在變頻傳動系統(tǒng)中的應(yīng)用·PAGE39·PAGE39·第1章變頻傳動系統(tǒng)概要圖1-8波形的形成和電路結(jié)構(gòu)a）波形形成b）變頻器結(jié)構(gòu)器可供幾臺逆變器使用，提高了效率，減小投資。電壓調(diào)節(jié)是在逆變器內(nèi)進行，調(diào)壓過程不經(jīng)過濾波環(huán)節(jié)，提高了系統(tǒng)響應(yīng)的快速性，適合于急劇加減速的傳動裝置。正弦波調(diào)制（SPWM）逆變器輸出電壓接近正弦波，大大減小諧波影響，降低了電動機損耗和脈動轉(zhuǎn)矩，調(diào)速比可達幾百以上，而靜差率不大于3％～8由于有上述優(yōu)點，此種變頻器引起人們的重視，得到市場商品廣泛的采用，其性能還在不斷完善中。SPWM也有一些缺點：SPWM直流利用率不高，直流利用率等于逆變器輸出交流基波線電壓幅值與直流電壓之比，87SPWM輸出電壓仍有一定的諧波分量，使電動機產(chǎn)生一定數(shù)量的諧波損耗和一定程度的脈動，低頻時尤為顯著。諧波分量與載波頻率成反比，載波頻率越高，諧波分量越小，但是開關(guān)損耗卻急劇增加。此外，還存在死區(qū)問題。為克服SPWM存在的缺點，專家們開發(fā)了一些優(yōu)化和改造的方案：特定諧波消除法以清除幅值最大的5、7、9次等諧波為目標(biāo)，尋求優(yōu)化開關(guān)角即開關(guān)器件通斷時刻。3次諧波法將3次諧波與載波疊加，形成馬鞍形，提高直流利用率。SVPWM技術(shù)SVPWM技術(shù)的調(diào)制原理與分類從電機學(xué)得知，用電網(wǎng)電源三相正弦波電壓加于異步電動機時，三相電壓的合成電壓產(chǎn)生磁鏈?zhǔn)噶喀?，并以同步角速度ω旋轉(zhuǎn)，其軌跡是一個圓形，即產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場，并產(chǎn)生恒定的轉(zhuǎn)矩。因此對于逆變器而言，要求其輸出合成電壓矢量符合電動機磁通軌跡為圓形。SVPWM技術(shù)是空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)，以控制電壓空間矢量，使磁鏈軌跡逼近圓形為目標(biāo)，所以諧波分量小，轉(zhuǎn)矩十分平穩(wěn)，還有直流利用率高、三相同時控制等優(yōu)點。由于SVPWM技術(shù)是逆變器運行采用的調(diào)制技術(shù)，而逆變器因結(jié)構(gòu)不同，分為兩電平、三電平和多電平三類，故SVPWM技術(shù)可分為兩電平、三電平和多電平三類，SVPWM技術(shù)的優(yōu)點與應(yīng)用SVPWM技術(shù)的優(yōu)點可概括如下幾點：逆變器輸出電壓矢量使電動機磁鏈軌跡逼近圓形，轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)，逆變器輸出諧波小，諧波損耗小。直流利用率高，比SPWM15％，充分利用輸入電能，并使逆變器輸出交流電壓符合電動機的額定電壓值。SVPWM技術(shù)控制算法極便于計算機實現(xiàn)，簡單快捷。將變頻器的整流器PWM化，可以改善功率因數(shù)，可以進行四象限運行，結(jié)構(gòu)與操作比SPWM簡單。SVPWM技術(shù)有上述優(yōu)點故此廣泛地用于變頻傳統(tǒng)系統(tǒng)此外直流電源不間斷電源（UPS）加熱爐等也普遍采用SVPWM技術(shù)還用于電力系統(tǒng)，以改善供電質(zhì)量如有源濾波電壓穩(wěn)定裝置等加上它的技術(shù)比較成熟市場上通用變頻器不少是SVPWM電壓型逆變器。兩電平SVPWM技術(shù)如圖1-3所示，逆變器輸出的電壓只有兩個電平，即Ud和0，稱為兩電平逆變器。當(dāng)兩電平逆變器的調(diào)制策略為SVPWM技術(shù)時，則此技術(shù)就是兩電平SVP-WM技術(shù)。逆變器輸出電壓空間矢量的空間分布。圖13所示為兩電平逆變器六拍運行時，每隔60°切換一次，若以1表示共陽極組BT導(dǎo)通，共陰極組BT關(guān)斷，0表示共陰極組IGBT導(dǎo)通，共陽極組IGBT關(guān)斷；運行一個周期（2π），可構(gòu)成一組三位二進制編碼，按a、b、c相序可表示為100、110、010、011、001、101、000、111共計8種開關(guān)狀態(tài)。每一種開關(guān)狀態(tài)輸出合成電壓空間矢量（也簡稱電壓矢量或空間矢量）Up，分別記為u1、u2、u3、u4、u5、u6、u0、u7統(tǒng)稱為基本矢量。它們與相應(yīng)的各開關(guān)器件狀態(tài)見表1-2。其中，u1～u6為有輸出電壓的矢量，稱為非零矢量，u0、u7無電壓輸出，稱為零矢量。8個電壓矢量在空間分布如圖1-9所示，常用為輻 圖1-9電壓空間矢量的分布射形式。各矢量互差60°，各個矢量之間可分為6個扇區(qū)I～Ⅵ。因磁鏈和電壓矢量為同一方向若按圖中電壓矢量切換方向（逆時針），使電動機正轉(zhuǎn)而按反方向切換（順時針），使電動機變?yōu)榉崔D(zhuǎn)。1-2電壓矢量開關(guān)狀態(tài)對照表電壓矢量u1u2u3u4u5u6u0u7開關(guān)狀態(tài)100110010011001101000111開關(guān)器件狀態(tài)SaVT1開開關(guān)關(guān)關(guān)開關(guān)開VT4關(guān)關(guān)開開開關(guān)開關(guān)SbVT3關(guān)開開開關(guān)關(guān)關(guān)開VT6開關(guān)關(guān)關(guān)開開開關(guān)ScVT5關(guān)關(guān)關(guān)開開開關(guān)開VT2開開開關(guān)關(guān)關(guān)開關(guān)逆變器輸出電壓合成空間矢量按下式計算：UP＝uA＋ρuB＋ρ2uC （1-3）式中 ρ—相量算子；

α＝ej23π3可以證明，電動機定子電壓空間矢量Us與逆變器輸出電壓空間矢量Up相等，矢量幅值 ｜Up｜＝2Ud3式中 Ud—直流輸入電壓?！译妷菏噶颗c磁鏈?zhǔn)噶寇壽E。根據(jù)電機學(xué)，合成電壓矢量Up與磁場磁鏈?zhǔn)噶喀椎年P(guān)系為∫當(dāng)略去電阻時

Up＝dψ／dtψ＝ （Up－iR）dtψ＝Updt＝ψ0＋Uptψ0為t＝0時的磁鏈，若ψ0＝0，則ψ＝Upt Up＝ψ／t （1-4）式（1-4）說明，Up與ψ成正比，方向為磁鏈圓的切線方向。當(dāng)ψ在旋轉(zhuǎn)一周時，Up連續(xù)按磁鏈圓的切線方向2πrad，其軌跡與磁鏈圓重合，1-10所示。當(dāng)逆變器按六拍方式運行時，形成逆時針旋轉(zhuǎn)的磁鏈軌跡為正六邊形，故要用一定的調(diào)制模式才能逼近圓形。

圖1-10磁鏈軌跡SVPWM對稱調(diào)制模式和算法。磁鏈軌跡逼近圓形是由合成電壓矢量按一定的調(diào)制模式旋轉(zhuǎn)形成的，該矢量稱為目標(biāo)參考矢量，簡稱參考矢量Uref。19中，Uref6個基本矢量重合，但可用所在扇區(qū)的兩個相鄰矢量來合成，因此要得出在任一位置的計算公式。設(shè)參考電壓矢量處于扇區(qū)I，可用相鄰兩個基本電壓矢量u1和u2的線性時間組合來合成，1-11所示。Uref＝（t1／T0）u1＋（t2／T0）u2式中 t1、t2—u1和u2的作用時間；T0扇區(qū)所經(jīng)歷的時間，T0＝2π／（6ω），ω為給定的角速度。由圖可得計算公式t1＝MT0sin（π／3－θ） （1-5）t2＝MT0sinθ （1-6）M32UM33Uα

0≤θ≤π由于t1＋t2不一定等于ω計算的時間，因此要用零矢量來調(diào)節(jié)，使T0＝t1＋t2＋t0。

1-11電壓空間矢量的線性組合t0＝T0－（t1＋t2） （1-7）插入零矢量不是集中的加入，而是將零矢量平均分成幾份，多點地插入到磁鏈軌跡中，這不但可使磁鏈的運動速度平滑，而且還可減少電動機的轉(zhuǎn)矩脈動。在實際應(yīng)用SVPWM時，常采用正六角形（n＝6）模式，取其控制較簡單，但每一個邊仍由矢量合成，對電壓波形進行特殊調(diào)制，以減小諧波分量，磁鏈軌跡逼近圓形。每一個扇區(qū)參與調(diào)制的電壓矢量為相鄰兩個非零矢量和零矢量，各扇區(qū)電壓矢量及排列的順序使開關(guān)狀態(tài)對稱分布，故稱為對稱調(diào)制模式。6個扇區(qū)調(diào)制波形如圖1-12a，以扇區(qū)I為例，基本電壓排列順序及作用時間如圖1-12b所示。圖1-12調(diào)制波形a）扇區(qū)調(diào)制波形b）基本電壓排列順序及作用時間對稱調(diào)制模式效果良好，圖1-13為逆變器輸出電流、電壓波形，電流波形很近似正弦波形，因此磁鏈軌跡也接近為圓形。對稱調(diào)制模式的特點和優(yōu)點：每個扇區(qū)雖有多次開關(guān)狀態(tài)切換，但每次切換只有一個開關(guān)動作，開關(guān)損耗較小。利用電壓空間矢量直接生成波形，適于計算機介入，非常適合數(shù)字信號處理器（DSP）等高性能單片機，計算簡便。逆變器輸出電流平衡，磁鏈軌跡逼近圓形，諧波分量小，轉(zhuǎn)矩較平穩(wěn)，噪聲小。三相同時控制，簡單方便。

圖1-13逆變器輸出電流、電壓波形線電壓基波最大值等于直流電壓，直流利用率高，比一般SPWM高出15三電平SVPWM技術(shù)三電平逆變器。逆變器能輸出三電平的稱為三電平逆變器，屬于高壓變頻器，用于3kV、6kV、10kV高壓電動機傳動。三電平逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)很多，常用的為二極管鉗位式三電平逆變器，其電路拓撲如圖114所示。逆變器采用多個二極管對相應(yīng)開關(guān)器件進行鉗位，以保證每次一個橋臂只有一個開關(guān)動作，并實現(xiàn)多電平輸出，而每一個開關(guān)器件只承受1／2的直流母線電壓。這種變頻器性能很好，得到廣泛的應(yīng)用。圖1-14二極管鉗位式逆變器三電平電壓空間矢量的分布。①三電平的形成：在圖1-14所示的IGBT三電平逆變器中，設(shè)VI11～VI14為某相中的4個IGBT，只要改變4個器件的不同開關(guān)狀態(tài)，在輸出端即可以獲得3種不同的輸出電壓（Ud，O，Ud），1-3，逆變器輸出有三個電平，、0、－或p、o、n表示開關(guān)狀態(tài)，Ud為直流電壓，這便是所謂三電平。1-3三電平變頻器輸出電壓組合VI11VI12VI13VI14輸出電壓狀態(tài)代號開開關(guān)關(guān)Ud＋或p關(guān)開開關(guān)00關(guān)關(guān)開開－Ud－或n②三電平空間電壓矢量與分析：三電平空間電壓矢量由三相輸出狀態(tài)合成，在數(shù)值上和兩電平逆變器一樣，經(jīng)Park變換后，三電平逆變器三相電壓合成的空間電壓矢量為Us＝ua＋ρub＋ρ2uc （1-8）式中 ρ—相量算子，ρ＝eπ；Us定子瞬時空間電壓矢量；ua、ub、uc三相輸出電壓矢量，幅值｜Us｜＝2Ud／3。三相電壓合成后，由于逆變器有3個橋臂，所以共有33＝27種基本電壓矢量，除掉重復(fù)冗余的，還有19個。與兩電平相比，基本矢量大為增加，故對控制算法優(yōu)化極為有利。這19個電壓矢量幅值各不相同，可分為3類：2Ud／3、3Ud／3、Ud／3。這些矢量如圖1-15a所示，一般將幅值為2Ud／3的矢量稱為大或長矢量，如PNN、PPN；幅值為3Ud／3的矢量稱為中矢量，如PON；幅值為Ud／3的矢量為小或短矢量，如POO、ONN。小矢量總是成對出現(xiàn)的，如PPO與OON，一般稱之為冗余小矢量。還有OPO和NON、OPP和NOO、OOP和NNO、POP和ONO。此外，圖中原點為零電壓矢量，也是一種冗余電壓矢量，包括有PPP、OOO和NNN三種開關(guān)狀態(tài)。三電平空間矢量分布也劃分為6個扇區(qū)，每個扇區(qū)又劃分為4個小區(qū)，如圖1-15b所示。SVPWM控制算法：三電平SVPWM的參考矢量由三個基本矢量合成三電平控制算法（簡稱算法）總的要求是使三電平三相逆變器輸出的電壓空間矢量滿足磁鏈軌跡為圓形或逼近圓形，三電平控制算法是在一個控制周期或采樣周期內(nèi)分成四步完成的：確定合成參考電壓矢量的三個基本矢量；確定三個矢量的作用時間，即每個矢量對應(yīng)的占空比；確定三個矢量對應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)；確定狀態(tài)的輸出次序以及各相輸出電平的作用時間，即確定輸出的開關(guān)狀態(tài)序列和對應(yīng)三相的占空比。圖1-15三電平SVPWM電壓空間矢量分布圖三電平逆變器運行時，會出現(xiàn)中點電壓不平衡問題，影響運行不正常和引起濾波電容被擊穿，目前已有許多措施加以改進，可以克服這個缺點。1.3電動機電動機將變頻電源傳來的電能，轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能驅(qū)動負載機械工作，故是變頻傳動系統(tǒng)的重要組成部分。變頻傳動是交流傳動，使用的電動機是交流電動機；交流電動機分異步電動機和同步電動機，兩者都適合變頻傳動，但以異步電動機用得最多，故作為本書的重點。31異步電動機的結(jié)構(gòu)和工作原理異步電動機分為三相和單相兩種，單相異步電動機不適用于變頻傳動，故變頻傳動都是采用三相異步電動機，是本書講述的重點。和其他旋轉(zhuǎn)電動機一樣，三相異步電動機主要部件是定子和轉(zhuǎn)子，即由定子和轉(zhuǎn)子組成。定子鐵心上嵌入在空間互差120°的三相繞組，當(dāng)從電網(wǎng)引入三相交流電時，定子繞組中的電流產(chǎn)生三相磁場，其合成磁鏈形成圓形旋轉(zhuǎn)磁場。轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有兩種型式：一種是鐵心中嵌入三相繞組，具有電刷和集電環(huán)可以和外電路連接，稱為繞線轉(zhuǎn)子，這種電動機稱為繞線轉(zhuǎn)子電動機，如1.1.3節(jié)所說現(xiàn)已很少使用。另一種的轉(zhuǎn)子繞組是短路鋁條，用鋁鑄成如圖116所示，稱為短路轉(zhuǎn)子或籠形轉(zhuǎn)子，

圖1-16鑄鋁短路轉(zhuǎn)子（鐵心未畫出）這種電動機稱為籠型異步電動機，乃是當(dāng)前廣泛應(yīng)用的電動機，是本書的重點，即以后講述到電動機時，即指此種電動機。當(dāng)定子繞組通上電流形成旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)產(chǎn)生電動勢，并產(chǎn)生轉(zhuǎn)子電流，此電流與定子磁場互相作用，便產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩形成旋轉(zhuǎn)運動，通過傳動裝置，便可帶動生產(chǎn)機械工作。轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度要比定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速有一定的差值，叫做轉(zhuǎn)差，兩者并不同步旋轉(zhuǎn)，故稱為異步電動機。設(shè)定子同步轉(zhuǎn)速即三相電源頻率計算所得的轉(zhuǎn)速為n0，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為n，可以得到轉(zhuǎn)差率為ss＝（n0－n）／n0轉(zhuǎn)差率不能等于0，也就是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不能等于同步轉(zhuǎn)速，否則轉(zhuǎn)子無法感應(yīng)電動勢并產(chǎn)生電流，也就不會產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩而旋轉(zhuǎn)?；\型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單堅固，造價低廉，適用于粉塵、潮濕環(huán)境，無電刷、集電環(huán)產(chǎn)生的火花，適合有易燃、易爆炸氣體的環(huán)境，已于上述不再重復(fù)。32異步電動的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和機械特性轉(zhuǎn)矩公式從電機學(xué)得知，三相異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩公式為M＝CMΦmI′sφ2按照三相異步電動機的T形等效電路，有r′2 r′2 ＋（X′） sσ2r′ r′r′2 r′2 s＋（X′）σ2r′＋（X′）222σ2電磁轉(zhuǎn)矩還有另一種表達式為M＝2πf1式中 E′—轉(zhuǎn)子電動勢；I′—轉(zhuǎn)子電流；Φm—磁通；sφ2轉(zhuǎn)子功率因數(shù)；CM轉(zhuǎn)矩系數(shù)f1電源頻率s轉(zhuǎn)差率；

［（r1

3U2r′／s＋ ＋ 12r′／s）（X

1＋X2）

］ （1-9）U1定子電壓；p極對數(shù)，常用的為1、2、3、4對極；X1、X′定子和轉(zhuǎn)子電抗；r1、r′定子和轉(zhuǎn)子電阻。由此可以看出，I′和sφ2均為轉(zhuǎn)差率s的函數(shù)，故式（1-9）為三相異步電動機機械特性M＝f（s）的一種隱函數(shù)表達式。由于式（1-9）具有較明顯的物理含義，因此稱為三相異步電動機機械特性的物理表達式。三相異步電動機電磁轉(zhuǎn)矩M的表達式，還可由電磁功率的另一種表達式推導(dǎo)得出。根據(jù)三相異步電動機的簡化等效電路可知：r＋ ＋（x1r＋ ＋（x1r′2s1σ ＋x′）σ2mI2r′／s22由于M＝Pem／Ω1＝2122式中 Pem—功率

n1／

，且n1＝60f1／pΩ1同步角速度所以可得2πf2πfr1

mI2r′2

（1-10） ＋（x1σ＋xσ）2 12ss2 顯然，式（1-10）反映了電磁轉(zhuǎn)矩M與轉(zhuǎn)差率s之間的函數(shù)關(guān)系。因此，它是三相異步電動機機械特性M＝f（s）的又一種表達式。由于式（110）與定子電壓、頻率及電動機參數(shù)等有關(guān)12ss2 額定轉(zhuǎn)矩MN可由電動機的額定功率和額定轉(zhuǎn)速NN得到，即MN＝PN＝ PN ＝9.55

（1-11）ΩN 2πnN／60 nN過載能力是三相異步電動機的一項重要性能指標(biāo)，它反映了電動機的短時過載極限。對于常用的Y系列三相異步電動機，KM＝2～2.2。（1（1－式中 n—轉(zhuǎn)速（r／n）；f電源頻率（z）；

n＝

60f （1-12）p極對數(shù)；s轉(zhuǎn)差率，對異步電動機而言，1＞s＞0，對于同步電動機，s＝0。機械特性固有特性描述異步電動機轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速關(guān)系稱為電動機的機械特性，當(dāng)定子電壓為額定電壓Un，轉(zhuǎn)差率為額定轉(zhuǎn)差率sn時，電動機的機械特性稱為固有機械特性，如圖1-17所示。圖中A為起動點，此時轉(zhuǎn)子未轉(zhuǎn)動，n＝0、s＝1，定子電流為起動電流，Mn為起動轉(zhuǎn)矩，只有轉(zhuǎn)矩M＞Mn電動機才能轉(zhuǎn)動。B為額定運行點，定子電壓、電流、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速均為額定值；sn＝0.01～0.09，曲線與n軸交點H為同步轉(zhuǎn)速點，HB一段特性屬于硬特性，運行時轉(zhuǎn)速變化不大。P點為最大轉(zhuǎn)矩點，此時M＝Mmax，s＝sm，n＝nm。運行中，負載轉(zhuǎn)矩ML不能大于Mmax，否則將造成堵轉(zhuǎn)，故P點也稱為臨界運行點。電動機的機械特性n＝f（M）對于變頻傳動十分重要，因為生產(chǎn)機械能否正常運行而收到良好的效果，關(guān)鍵在于電動機的機械特性與負載的負載特性必須有良好的配合，方能穩(wěn)定運行。人為特性當(dāng)電動機調(diào)速時機械特性發(fā)生變化，此時的機械特性稱為人為的機械特性。變頻調(diào)速時的電動機機械特性如圖1-18所示。從圖可看到，頻率調(diào)低、轉(zhuǎn)速降低時，特性曲線逐漸變軟，最大轉(zhuǎn)矩逐漸變小，所以變頻調(diào)速運行時必須采取措施，方能正常運轉(zhuǎn)，詳細情況下面將要講述。圖1-17固有機械特性 圖1-18變頻調(diào)速機械特性33異步電動機的運行起動異步電動機在工頻（50Hz）下直接運轉(zhuǎn)，起動電流往往為額定電流的（5～7）倍，但起動轉(zhuǎn)矩并不大。大的起動電流會使電網(wǎng)電壓下降，影響其他的電氣設(shè)備的正常工作；而起動轉(zhuǎn)矩小，常使帶有較重負載的電動機起動不能實現(xiàn)。在變頻傳動系統(tǒng)中，采用低頻起動可以減小起動電流，增加起動轉(zhuǎn)矩，從而加快起動過程。根據(jù)異步電動機的機械特性，在頻率較高時（低于工頻），電動機的起動轉(zhuǎn)矩是隨著頻率的降低而增大的，但當(dāng)頻率較低時，這個規(guī)律并不存在，即起動轉(zhuǎn)矩隨著頻率的降低而減小，為了縮短起動時間，便要選擇最佳的起動頻率，以使起動時轉(zhuǎn)矩為最大而電流盡可能為最小。若令式（1-9）中定子頻率f1＝aFf1N又因U1／f1＝const為恒值，則式中 U1N—定子額定電壓。 1N2F 1N2F f1Nr1＋r′）2＋（aF

U1＝aFU1NM＝2π

［（3PU2

r′as）

］ （1-13）X22N式中，XN額定頻率f1N時定轉(zhuǎn)子總漏抗，Xe＝X1N＋X2NX22N1N21N22＋a2X2r′Q［（MQ［（

3PU2f1N 1f1N1

r′a

（1-14）FNFN將上式對aF求導(dǎo)，并令其等于零，可得到最大起動轉(zhuǎn)矩時的頻率比eaF＝r1X＋r2e即efm＝r1r2f1e （1-15）efm稱為最佳起動頻率，對一般電動機而言，此值大致在125～25Hz的范圍內(nèi)，超過此值，起動轉(zhuǎn)矩都將小于最大值。起動后逐步加速到額定轉(zhuǎn)速。實際上，在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，從起動到加速至額定或給定轉(zhuǎn)速是自動實現(xiàn)的，如圖1-21所示。這種系統(tǒng)屬于恒最大轉(zhuǎn)矩或恒磁通運行，能在很低的頻率下帶負載起動和運行（詳后）。升速和調(diào)速電動機起動之后，要使電動機加速，就必須連續(xù)地提高頻率，其過程如圖1-19所示。例如從n1升速到n3，即從f1上升到f3，實際上是從工作點1沿箭頭到2再到3，達到新的穩(wěn)定運行。但是應(yīng)當(dāng)注意，頻率增加的速度要與電動機的

圖1-19電動機加速實際轉(zhuǎn)速相適應(yīng)，如果頻率改變太快，例如從f1突變到f3，轉(zhuǎn)速因慣性未跟上，工作點將從1移到f34點，轉(zhuǎn)矩將降低到MMfz（Mfz為負載轉(zhuǎn)矩），電動機就會停止。根據(jù)轉(zhuǎn)矩平衡公式，設(shè)負載轉(zhuǎn)矩Mfz＝0，則加速轉(zhuǎn)矩M為MGD2Δn375ΔM式中 GD2—電動機及負載（折算到電動機軸上）的總飛輪矩（N·m2）；Δn—轉(zhuǎn)速的增量（r／n）；Δt時間增量，即升速所需時間（s）。

（1-16）故得375MΔt＝GD2Δn （1-17）375M在閉環(huán)系統(tǒng)中，起動加速是自動實現(xiàn)的，可自動地在升速電流不超過允許值下得到最短升速時間。實際上，通常所用加速方式有三種：限流加速有轉(zhuǎn)矩控制功能的變頻器具有快速限制電流的功能，并能用最大轉(zhuǎn)矩實現(xiàn)盡可能短的起動時間，實現(xiàn)限流加速。限時加速沒有轉(zhuǎn)矩控制功能的變頻系統(tǒng)，常用階躍式轉(zhuǎn)速設(shè)定，在系統(tǒng)內(nèi)有斜坡積分環(huán)節(jié)，使隨時間線性增加，稱為限時加速。S形加速為了使加速過程和緩，可采用抑制轉(zhuǎn)矩變化率的方式，叫做S形加速，可使起動初期和結(jié)束時加速度有一個漸變過程，如電梯系統(tǒng)。加速到額定或給定轉(zhuǎn)速后，可根據(jù)需要改變頻率進行調(diào)速，在調(diào)速過程中，升速過程同圖1-19。U1f1運行方式及機械特性在變頻運行時，往往要氣隙磁通保持恒定，并保持為設(shè)計值，這樣就可以充分利用鐵心材料又不致飽和過熱，從電機學(xué)得知。E1＝4.44KWN1Φf1故 Φ E1≈U1f1 f1式中 E1、U1—電動機定子電動勢和端電壓；f1—定子頻率；KW繞組系數(shù)；N1繞組匝數(shù)Φ磁通。在運行時，必須保持U1／f1為恒值，也即U1隨f1線性變化，才能保持氣隙磁通基本不變。U／f運行方式也稱恒U／f控制。在式（1-9）中，當(dāng)在穩(wěn)態(tài)運行時，s很小，從而繪出U1／f1為恒值的機械特性，1-20所示?？梢钥闯觯谝欢ㄘ撦d轉(zhuǎn)矩下，改變定子頻率時，轉(zhuǎn)速降不變，因此不同f1時的機械特性為一簇平行曲線，如圖120中虛線所示。還可以看出在低頻下，r1不可忽略，因它引起勵磁電流減小。磁通也會減小，最大轉(zhuǎn)矩隨f1減小而減小，甚至不能帶負載。所以采用此種運行方式，應(yīng)設(shè)定補償曲線，或在低頻時，要采用升壓措施，即在較高頻率時，U1跟f1線性變化，而在低頻區(qū)域，將U1或U1／f1的比值適當(dāng)提高，參考數(shù)據(jù)是15Hz10％，10Hz20％。當(dāng)f1大于額定值f1N時，定子電壓不能再升高，即U1＝U1N。否則鐵心將過熱。Mm運行方式及機械特性

圖1-20恒U／f運行的機械特性電動機傳動運行時，常需要最大轉(zhuǎn)矩Mm，例如起動、加減速、恒轉(zhuǎn)矩負載等，常采用恒Mm運行方式，可以保證負載所需轉(zhuǎn)矩。因可采用恒磁通來實現(xiàn)，故也稱恒磁通運行。從電機學(xué)可得到轉(zhuǎn)矩表達式為M＝KMΦ2r2

2πf2

2 （1-18）2＋（2πf2L′）可知異步電動機變頻調(diào)速運行時，當(dāng)保持氣隙磁通為常數(shù)，電動機轉(zhuǎn)矩僅決定于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差頻率f2，若使f2恒定，就可以得到M等于一恒值的恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速；當(dāng)恒轉(zhuǎn)矩運行時，若使f2接近于臨界轉(zhuǎn)差頻率f2m，則在整個調(diào)速范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)矩都為最大值Mm，此時稱為恒最大轉(zhuǎn)矩運行。恒轉(zhuǎn)矩可用閉環(huán)控制來保證。從電機學(xué)得知，最大轉(zhuǎn)矩公式為3PE1211Mm＝±2πf1

4πL2

（1-19）可見E1／f1為恒值，即磁通為恒值時，Mm為恒值，故也稱恒E／f運行；恒Mm運行時的電動機機械性如圖1-21所示，這樣在整個調(diào)整范圍內(nèi)，都可得到相同的最大轉(zhuǎn)矩與過載能力，并可用閉環(huán)

1-21Mm電動機機械特性控制來實現(xiàn)。34同步電動機結(jié)構(gòu)與工作原理同步電動機和同步發(fā)電機相同，定子是三相交流繞組，轉(zhuǎn)子是磁極產(chǎn)生磁場，用于勵磁，發(fā)電機在被原動機帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)后，磁場作用于定子繞組，便產(chǎn)生電動勢，接上負載，便輸出三相電流，對負載發(fā)送電能；電動機則是繞組通入三相電流，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，對負載輸送動能，帶動工作機械。同步電動機分勵磁型和永磁型兩種結(jié)構(gòu)形式：勵磁型磁極通入直流，產(chǎn)生磁場。它又分凸極和隱極兩種，隱極沒有凸出的磁極，而在轉(zhuǎn)子上嵌入勵磁繞組，多用于大功率。永磁型用永久磁鐵代替繞組。勵磁型造價高，控制復(fù)雜，但適于制成大功率。永磁型結(jié)構(gòu)較簡單，成本較低，但不適合制成大功率，只適于中小功率傳動，用作伺服電動機最多。勵磁型要用集電環(huán)和電刷導(dǎo)入直流，不適于有粉塵和易燃、易爆氣體環(huán)境。同步電動機的起動同步電動機定子通入三相交流電，轉(zhuǎn)子開始旋轉(zhuǎn)，但轉(zhuǎn)速不能達到同步，要產(chǎn)生有效轉(zhuǎn)矩，必須采用起動的方法牽入同步。以前是采用異步起動的方法，在轉(zhuǎn)子磁極上裝入阻尼繞組，作為起動繞組。起動時先不加勵磁，將定子繞組投入電網(wǎng)，起動繞組上產(chǎn)生異步轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到接近同步轉(zhuǎn)速時，再將直流送入勵磁繞組，從而產(chǎn)生同步轉(zhuǎn)矩旋轉(zhuǎn)，拉入同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，通常稱為牽入同步，起動結(jié)束。異步起動時，如果條件不符要求，往往不一定能成功起動，后來采用變頻起動，則十分可靠，現(xiàn)已應(yīng)泛使用。此法在起動電動機時，先將逆變器投入電網(wǎng)，使逆變器輸出電壓加入電動機，改變電動機的輸入頻率，使電動機始終在同步狀態(tài)下從靜止?fàn)顟B(tài)加速至同步轉(zhuǎn)速。然后切除逆變器，將電動機投入電網(wǎng)，電動機便可正常運行。同步電動機的調(diào)速和異步電動機一樣，可以使用各種變頻電源方便地調(diào)速。同步電動機的調(diào)速具有下列特點；轉(zhuǎn)速與電源頻率同步，只要精確地控制變頻電源的頻率就能精確地控制電動機的轉(zhuǎn)速，不需要轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，并可一臺變頻器控制多臺電動機。能較強地承受轉(zhuǎn)矩變動的干擾，可以始終維持原來的同步轉(zhuǎn)速不變，轉(zhuǎn)動部分的慣牲不會影響電動機的快速響應(yīng)。轉(zhuǎn)子有勵磁，即使在極低頻下也能運行，因此調(diào)速范圍較寬。同步電動機的機械特性當(dāng)保持勵磁磁通一定時，在不同的變頻電源輸出電壓下，其機械特性如圖1-22所示。可見，其特性比較平直。同步電動機與異步電動機的比較及其使用范圍在目前變頻傳動中，異步電動機和同步電動機同時被采用，兩者比較：異步電動機的優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)簡單、堅固，造價低，適應(yīng)惡劣的工作條件等，因此得到廣泛的應(yīng)用。缺點是：1）功率因數(shù)小于1，同功率的電動機，異步電動機較同步電動機功率因數(shù)大10％～15％。2）氣隙小，低速大功率條件下不易制造。過載倍數(shù)小于25，在恒功率弱磁調(diào)速區(qū)，最大轉(zhuǎn)矩按升速倍數(shù)的二次方下降，因此不很適合恒功率和過載倍數(shù)大的場合。轉(zhuǎn)子時間常數(shù)大，不適合快速弱磁調(diào)速。

1-22同步電動機的機械特性同步電動機則剛好相反，優(yōu)點是功率因數(shù)高，接近于1，過載倍數(shù)大，可制成大功率電動機，符合低速大功率、沖擊負載及恒功率調(diào)速場合；缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價高，容易失步等。同步電動機還有一個缺點，就是起動較復(fù)雜，還有就是在運行中因一些條件影響，還會失去同步，不能繼續(xù)運轉(zhuǎn)，叫做失步。，，。，，。1.4變頻傳動的負載變頻傳動的負載就是生產(chǎn)機械。用于變頻傳動的生產(chǎn)機械種類很多，表1-4列出主要的品種及它們的機械特性，也稱為負載特性。在這些生產(chǎn)機械中，屬于高壓大功率的負載，從數(shù)量來說，遠不及低壓小功率負載；但從耗電量來說，卻大為超過，據(jù)統(tǒng)計占電動機總用電量的70％以上。1-4各類生產(chǎn)機械及其負載特性應(yīng) 用負載特性負載轉(zhuǎn)矩特性摩擦性負載重力負載流體負載慣性負載恒轉(zhuǎn)矩恒功率降轉(zhuǎn)矩降功率流體機械風(fēng)機、泵類√√壓縮機√√齒輪泵√√壓榨機√√卷扳機、拔絲機√√離心鑄造機√（續(xù)）應(yīng) 用負載特性負載轉(zhuǎn)矩特性摩擦性負載重力負載流體負載慣性負載恒轉(zhuǎn)矩恒功率降轉(zhuǎn)矩降功率金屬加工機床自動車床√√轉(zhuǎn)塔車床√車床及加工中心√√磨床、鉆床√√刨床√√√輸送機械電梯控制裝置√√電梯門√√傳送帶√√門式提升機√√起重機、升降機升降√√√起重機、升降機平移√√運載機√√自動倉庫√√√加工機械攪拌器√√農(nóng)用機械、擠壓機√分離機√印刷機、食品加工機械√商業(yè)清洗機√√鼓風(fēng)機√木材加工機√√√41負載的機械特性1.所有負載的機械特性，即負載特性可分為恒轉(zhuǎn)矩、降轉(zhuǎn)矩和恒功率三類。1.恒轉(zhuǎn)矩負載許多工作機械負載具有恒轉(zhuǎn)矩特性，例如攪拌機、起重機、卷揚機、傳送一定重量的輸送帶、機床進給機械、龍門刨、印刷機等，負載的轉(zhuǎn)矩不管轉(zhuǎn)速如何變化卻保持恒定，如起重機的重物、輸送帶上的產(chǎn)品、電梯上的人重（不加減人），運行中轉(zhuǎn)矩不會變化。這類負載，稱為恒轉(zhuǎn)矩負載，要求恒轉(zhuǎn)矩傳動。所謂恒轉(zhuǎn)矩傳動，即在不同的轉(zhuǎn)速時轉(zhuǎn)矩保持不變。換句話說，恒轉(zhuǎn)矩運行時，即使轉(zhuǎn)速升高或降低，電動機仍輸出恒定的轉(zhuǎn)矩。它可以使電動機的轉(zhuǎn)速變化的動態(tài)過程中，具有輸出恒定轉(zhuǎn)矩的能力，在加減速時，縮短了過渡過程；在機械強度和溫升等條件容許的范圍內(nèi)電動機有足夠大的加速和制動轉(zhuǎn)矩，并保持恒定最大轉(zhuǎn)矩，可采用恒磁通運行方式閉環(huán)控制。恒轉(zhuǎn)矩運行的機械特性如圖1-23a所示。圖1-23恒轉(zhuǎn)矩負載特性恒轉(zhuǎn)矩負載又分為兩類：反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載如帶式輸送機由摩擦力產(chǎn)生負載轉(zhuǎn)矩的機械負載稱為反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載。此類負載的特點是：負載轉(zhuǎn)矩ML作用的方向總是與運動方向相反，即總是阻礙性的。當(dāng)轉(zhuǎn)速n方向改變時，負載轉(zhuǎn)矩ML的大小不變，但作用方向隨之改變。如n為正方向時，ML為負，n為負時ML也改變?yōu)檎?，因此其負載特性應(yīng)在第1和第2象限，如圖1-23b所示。位能性恒轉(zhuǎn)矩負載如起重機類機械工作方式為提升或下放重物，重物總是向下，而且大小不會變化，故負載轉(zhuǎn)矩的方向也總是恒定的，不隨運動方向的改變而改變。但是提升和下放時機械特性是不同的，提升時負載轉(zhuǎn)矩ML與n的方向相反，是反抗性質(zhì)，設(shè)n為正方向，則根據(jù)負載轉(zhuǎn)矩正方向性的規(guī)定也為正，負載特性位于第1象限。下放時，n不變，而ML的方向不變?yōu)檎?，此時n與ML的方向相同是助動性質(zhì)，特性應(yīng)位于第4象限，如圖1-23c所示。降轉(zhuǎn)矩負載風(fēng)機、泵類等流體機械，如化工用的起重機、升降機、干燥機、冷凍機、吹塑機用的鼓風(fēng)機，分離機用的風(fēng)機；礦山發(fā)電廠所用的鼓風(fēng)機、排風(fēng)機，電廠用的風(fēng)機；自來水廠用的水泵、電廠用的循環(huán)水泵等，均屬于降轉(zhuǎn)矩負載。這類負載轉(zhuǎn)矩隨速度的二次方而變化，稱為降載轉(zhuǎn)矩負載，也稱二次方轉(zhuǎn)矩負載，其機械特性如圖1-24所示，而消耗功率卻與轉(zhuǎn)速的三次方成比例。M∝n2 P∝n3 （1-20）這類負載的特點是，在低速下負載轉(zhuǎn)矩非常小，反之，高速時轉(zhuǎn)矩非常大。用變頻器運轉(zhuǎn)，在溫度、圖1-24降轉(zhuǎn)矩負載機械特性轉(zhuǎn)矩方面都不存在什么問題，只要考慮在額定點變頻器運轉(zhuǎn)引起的損耗增大即可。在降轉(zhuǎn)矩運行時，電動機轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速應(yīng)按二次方關(guān)系發(fā)生變化，負載功率按轉(zhuǎn)速的三次方成正比變化。運行時，可采用圖126中虛線所示模式，可提高效率，收到更大的節(jié)能效果。應(yīng)注意的是，速度提高時，采用所示模式，可提高效率，收到更大的節(jié)能效果。應(yīng)注意的是，速度提高到工頻以上時，所需功率急劇增加，有可能超過電動機或變頻器的額定容量，導(dǎo)致停止或過熱，所以降低轉(zhuǎn)矩運行時，電壓不宜超過額定值。恒功率負載一些工作機械，如車床、刨床、軋鋼機、機床主傳動機構(gòu)、卷取機等，其共同特點是高速時需要轉(zhuǎn)矩小，低速和起動時需要轉(zhuǎn)矩大，而功率不變，稱為恒功率負載，需要恒功率傳動運行。負載為恒功率的工作機械P＝Mn、M∝1／n，則輸出轉(zhuǎn)矩比例地隨轉(zhuǎn)速的倒數(shù)而改變，此時磁通隨f1而降低，從上面可知，對不變的定子電壓U1、轉(zhuǎn)差頻率f2，≈ U1≈ 2M K f21轉(zhuǎn)矩隨f1的二次方而降低，當(dāng)f2按f1線性變化時，轉(zhuǎn)矩便反比于輸入頻率，也就是轉(zhuǎn)矩按轉(zhuǎn)速的倒數(shù)而變化，如圖1-25所示，最高轉(zhuǎn)速一般為2.5nN。

1-25恒功率負載特性恒功率運行電動機電壓不能超過額定值，否則引起電動機過熱，因此到達額定值保持不變。恒轉(zhuǎn)矩、恒功率運行時的特性如圖1-26所示。圖1-26恒轉(zhuǎn)矩、恒功率運行情況a）電壓－頻率特性b）機械特性42主要生產(chǎn)機械的特點及其負載特性風(fēng)機、泵類風(fēng)機、泵類是傳動中數(shù)量最多的負載，風(fēng)機有排風(fēng)機、鼓風(fēng)機等，泵類有水泵、油泵等，單機功率常在幾千瓦到兆瓦，用電量占各種負載總量30％～40％。這類機械過去都是恒速運行，風(fēng)量和水量用閥門調(diào)節(jié)，造成很大的功率損耗。改用變頻調(diào)速以后，根據(jù)此類負載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的二次方成正比，功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，調(diào)節(jié)風(fēng)量、水量不再用閥門，用調(diào)節(jié)頻率調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，從而改變水量、風(fēng)量，收到顯著的節(jié)能效果，據(jù)統(tǒng)計節(jié)能可達在70％以上。節(jié)能的原理可用圖1-27所示水泵節(jié)電來說明。圖中，縱坐標(biāo)H為水的壓力，也稱揚程；曲線R為管阻（即水管與閥門的阻力）特性。橫坐標(biāo)Q為水的流量，曲線為不同n下為H與Q的關(guān)系；當(dāng)水泵運行于額定轉(zhuǎn)速n0時，閥門全開，管阻特性為R1，工作點為A，水壓、流量分別為Ha、Qa?，F(xiàn)要減小流量為Qc，若用閥門控制，必須關(guān)小閥門，則管阻增加，特性移到R2，工作點為B，對應(yīng)的水壓為Hb，轉(zhuǎn)速仍為n0，此時消耗能量

圖1-27水泵節(jié)電原理P＝HbQc，即面積OHbBQc。但用調(diào)速方法將轉(zhuǎn)速減為nc，管阻特性仍為R1，閥門仍全開，可見工作點移到C，水壓降到Hc，此時消耗能量面積為OHcCQc，則節(jié)能面積為HCHbBC，可見效果顯著。圖1-28所示為風(fēng)機類的運行方式與負載特性，可見為降轉(zhuǎn)矩特性，泵類與此相同。機床金屬切削機床種類很多，在切削加工過程中，轉(zhuǎn)塔車床、磨床、鉆床屬于恒轉(zhuǎn)矩負載，車床、刨床屬于恒功率負載?，F(xiàn)以龍門刨床為例，分析它的運動、工作方式、機械特性和對變頻調(diào)速的要求。工作方式與機械特性和其他機床一樣，龍門刨床的運動

圖1-28風(fēng)扇、鼓風(fēng)機的運行方式與負載特性可分為主運動、進給運動及輔助運動。主運動是指工作臺做連續(xù)重復(fù)往返運動，進給運動是指刀架的進給，輔助運動是指調(diào)整刀架。使用變頻器調(diào)速，其優(yōu)良的調(diào)速性能可使龍門刨床變頻傳動取得良好的效果。操作方式也與其他機床一樣，龍門刨的工作分為人工單步操作和自動循環(huán)操作兩種。但刨床、銑床等，無論采用何種方式，均要求刀架的起落動作與工作臺的前后運動密切配合，協(xié)調(diào)動作。圖1-29所示是龍門刨床刨臺的往復(fù)周期運行圖。0～t1為工作臺前進起動階段，t1～t2為刀具慢速切入階段，t2～t3為加速至穩(wěn)定工作速度階段，t3～t4為穩(wěn)定工作速度階段，t4～t5為減速退出工件階段，t5～t6為反接制動到后退起動階段，t6～t7為后退穩(wěn)定速度階段，t7～t8為后退減速階段，t8～t9為后退反接制動階段。在龍門刨床的工作過程中，工作臺自動按照圖1-29所示的規(guī)律運動，拖動工作臺的電動機應(yīng)按圖1-29所示的規(guī)律改變其速度及加減速時間，由傳動系統(tǒng)控制。刨臺運動的機械負載特性如圖1-30所示。當(dāng)切削速度小于規(guī)定值時，龍門刨床允許的最大切削力相同，在調(diào)速過程中，負載具有恒轉(zhuǎn)矩負載；當(dāng)切削速度大于該值時，由于受橫梁與立柱等機械結(jié)構(gòu)的強度限制，允許的最大切削力