變頻調(diào)速的基本控制方式和機(jī)械特性

1、交流調(diào)速系統(tǒng),變頻器的控制方式與機(jī)械特性,變頻調(diào)速是實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)平滑調(diào)速的最理想方法。變頻調(diào)速是通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)定子繞組的供電頻率來(lái)改變同步轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)速。 為了提供變頻電源，人們?cè)捎枚喾N方法，比如20世紀(jì)50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(méi)有得到實(shí)際應(yīng)用。20世紀(jì)70年代以來(lái)，隨著電力電子及大功率半導(dǎo)體器件的迅速發(fā)展，人們對(duì)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)用的熱點(diǎn)之一。 相對(duì)于過(guò)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(chēng)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)的普及。 在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，變頻

2、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(dòng)的絕對(duì)統(tǒng)治地位。 目前，我國(guó)變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，進(jìn)口產(chǎn)品幾乎統(tǒng)治著整個(gè)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，國(guó)產(chǎn)變頻器正在奮起反擊，主要應(yīng)用于專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域，如專(zhuān)為印染、紡織產(chǎn)業(yè)的配套，專(zhuān)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(jià)格昂貴，每kw在一千元左右，大功率的相對(duì)便宜一些。變頻器的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)和變頻器的應(yīng)用都離不開(kāi)對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的掌握。,異步電動(dòng)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(duì)數(shù)；s轉(zhuǎn)差率。 從上式可以看出，異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速可以通過(guò)三條途徑進(jìn)行：變頻率f1、改變極對(duì)數(shù)p和改變轉(zhuǎn)差率

3、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(dòng)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(dòng)態(tài)性能，是應(yīng)用最為廣泛的一種交流調(diào)速方式。,恒磁通控制 為了充分利用鐵芯材料，在設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)時(shí)，一般將額定工作點(diǎn)選在磁化曲線開(kāi)始彎曲處，也就是書(shū)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(méi)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(guò)分飽和，勵(lì)磁電流過(guò)大，繞組過(guò)熱；而勵(lì)磁減小，將使電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩下降，如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩仍保持不變，勢(shì)必導(dǎo)致定、轉(zhuǎn)子過(guò)電流，也要產(chǎn)生過(guò)熱，故而希望保持磁通恒定，即實(shí)現(xiàn)恒磁通

4、變頻調(diào)速。 異步電動(dòng)機(jī)定子繞組的感應(yīng)電勢(shì)為 如果忽略定子繞組壓降，則感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)近似等于定子外加電壓 式中C1常數(shù)；C14.44N1k1。,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(huì)增加，造成磁路過(guò)飽和，使勵(lì)磁電流增加，這將使電動(dòng)機(jī)帶負(fù)載能力降低，功率因數(shù)變壞，鐵損增加，電動(dòng)機(jī)過(guò)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩公式 可以看出，磁通m的減小勢(shì)必導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)勻許輸出轉(zhuǎn)矩T的下降，使電動(dòng)機(jī)的利用率降低，在一定的負(fù)載下有過(guò)電流的危險(xiǎn)。正是基于上述原因，一般要求磁通保持恒定即mconst。 為

5、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。,變頻調(diào)速的恒轉(zhuǎn)矩控制,變頻調(diào)速的恒轉(zhuǎn)矩控制,恒轉(zhuǎn)矩控制 由異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩表達(dá)式可知，電動(dòng)機(jī)在變頻調(diào)速過(guò)程中，若等于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子額定有功電流，磁通m保持不變，那么電動(dòng)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(guò)程中，要獲得恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速特性，必須采用電壓/頻率協(xié)調(diào)控制。,變頻調(diào)速的恒轉(zhuǎn)矩控制,E1/f1恒定 根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)定子每相繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 式中N1定子繞組每相串聯(lián)匝數(shù)； 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(shí)，必

6、須按比例改變感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E1，亦即 這就要求對(duì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)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。,變頻調(diào)速的恒轉(zhuǎn)矩控制,變頻調(diào)速的恒轉(zhuǎn)矩控制,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(dòng)勢(shì)； 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 式中m1定子相數(shù) 電磁轉(zhuǎn)矩 式中同步機(jī)械角速度,變頻調(diào)速的恒轉(zhuǎn)矩控制,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(shí)的轉(zhuǎn)差率 其相應(yīng)的最大轉(zhuǎn)矩為 式中轉(zhuǎn)子每相漏感（折算到定子繞組）。,變頻調(diào)速的恒轉(zhuǎn)矩控制,結(jié)論： （1）保持E1/f1恒定進(jìn)行變頻調(diào)速時(shí)，最大轉(zhuǎn)矩保持不變。

7、（2）當(dāng)s很小時(shí)， 說(shuō)明s很小時(shí)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(shí)，對(duì)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(dòng)。 （3）在變頻調(diào)速過(guò)程中，即頻率變化前后，電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力應(yīng)相等。,變頻調(diào)速的恒轉(zhuǎn)矩控制,變頻調(diào)速的恒轉(zhuǎn)矩控制,（3）在變頻調(diào)速過(guò)程中，即頻率變化前后，電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力應(yīng)相等。 據(jù)電機(jī)學(xué)過(guò)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(guò)載能 力相等的條件，保持E1/f1恒定時(shí)，則。表明輸出轉(zhuǎn)矩不變，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。,變頻調(diào)速的恒轉(zhuǎn)矩控制,U1/f1恒定 實(shí)際上由于感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

8、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(shí)，近似地可以認(rèn)為定子相電壓 因此保持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(guò)對(duì)定子相電壓和頻率進(jìn)行協(xié)調(diào)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。 由異步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)等效電路可以導(dǎo)出保持U1/f1恒定時(shí)的機(jī)械特性方程。,變頻調(diào)速的恒轉(zhuǎn)矩控制,轉(zhuǎn)子電流 式中 xm與氣隙主磁通相對(duì)應(yīng)的定子每相繞組勵(lì)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,變頻調(diào)速的恒轉(zhuǎn)矩控制,令dT/ds=0，可以求得產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩時(shí)的轉(zhuǎn)差率 最大轉(zhuǎn)矩 式中定子每相漏感；,變頻調(diào)速的恒轉(zhuǎn)矩控制,結(jié)論： （1）保持U1/f1恒

9、定進(jìn)行變頻調(diào)速時(shí)，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(shí)才成立。 （3）在負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變時(shí)，電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力降低。,變頻調(diào)速的恒轉(zhuǎn)矩控制,圖33保持U1/f1恒定時(shí)變頻調(diào)速的機(jī)械特性,變頻調(diào)速的恒轉(zhuǎn)矩控制,帶電壓補(bǔ)償（函數(shù)發(fā)生器補(bǔ)償）的恒U1/f1控制 采用U1E1，使控制易于實(shí)現(xiàn)，但也帶來(lái)誤差，由異步電動(dòng)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(dòng)勢(shì)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

10、定。 電壓補(bǔ)償雖可有效改善機(jī)械特性，但在低頻空載時(shí)，亦減小補(bǔ)償，避免m較大。,變頻調(diào)速的恒轉(zhuǎn)矩控制,變頻調(diào)速的恒功率控制,在額定頻率（基頻）以上調(diào)速時(shí)，鑒于電動(dòng)機(jī)繞組是按額定電壓等級(jí)設(shè)計(jì)的，超過(guò)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(shì)表達(dá)式可知，這時(shí)氣隙磁通隨著頻率f1的升高而反比例下降，類(lèi)似于直流電動(dòng)機(jī)的弱磁升速。,變頻調(diào)速的恒功率控制,體現(xiàn)定子電壓、供電頻率及電動(dòng)機(jī)參數(shù)關(guān)系的機(jī)械特性方程式如下： 電磁轉(zhuǎn)矩 令dT/ds=0，即可求出最大轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)差率,變頻調(diào)速的恒功率控制,相應(yīng)的最大轉(zhuǎn)矩為 可見(jiàn)，保持電壓為額定值進(jìn)行變頻調(diào)速時(shí)，最大轉(zhuǎn)矩將隨f1的升高而減小。,變頻調(diào)速的恒功率控制,結(jié)論： （1）保持電壓為額定值進(jìn)行變頻調(diào)速時(shí)，最大轉(zhuǎn)矩將隨f1的升高而減小。 （2）當(dāng)s很小時(shí)，有及，轉(zhuǎn)矩公式可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為 此時(shí)，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(shí)，對(duì)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。,變頻調(diào)速的恒功率控制,變頻調(diào)速的恒功率控制,（3）當(dāng)保持電壓為額定值且s變化范圍不大時(shí)，如果頻率f1增