交流異步電動機變頻調(diào)速原理

1、交流異步電動機變頻調(diào)速原理根據(jù)電機學原理，交流異步電動機的轉速可表示為： （2-1-1）式中： n 一 電動機轉速/分鐘，單位：r/min ； p 一 電動機磁極對數(shù)； f 一 電源頻率，單位：Hz ； s 一 轉差率， 。 注：p是磁極對數(shù)，不是磁極數(shù)。由式（2-1-1）知，影響電動機轉速的因素有：電動機的磁極對數(shù) p ，轉差率 s 和電源頻率f 。對于給定的電動機，磁極對數(shù) p 一般是固定的；通常情況下，轉差率 s 對于特定負載來說是基本不變的，并且其可以調(diào)節(jié)的范圍較小，加之轉差率 s不易被直接測量，調(diào)節(jié)轉差率來調(diào)速在工程上并未得到廣泛應用。如果電源頻率可以改變，那么通過改變電源頻率來實現(xiàn)

2、交流異步電動機調(diào)速的方法應該是可行的，這就是所謂變頻調(diào)速。由電機學原理知，如忽略繞組間的互感、繞組的漏感及空間電磁諧波，交流異步電動機的相等效穩(wěn)態(tài)電路如圖 2-1。圖 2-1 交流異步電動機的相等效穩(wěn)態(tài)電路由戴維南定理，圖 2-1-1電壓平衡方程式為：U = E + I * r （2-1-2）式中： U 一 相電壓 ； E 一 定子繞組的感應電動勢； I 一 定子繞組的相電流； r 一 定子繞組電阻與轉子繞組電阻折算到定子側的電阻之和。 交流異步電動機的定子繞組的感應電動勢是定于繞組切割旋轉磁場磁力線的結果， 其有效值計算如下：E = K * f * （2-1-3） 式中： 一 與電動機結構有

3、關的常數(shù)； 一 電源頻率； 一 磁通量 。由式（2-1-2）知，加在電機繞組端的電源電壓，一部分產(chǎn)生感應電動勢，另一部分消耗在電阻 r （ 定子繞組電阻與轉子繞組電阻折算到定子側的電阻之和 ）上 。其中定子繞組的相電流 I 由兩部分構成： （2-1-4）電機的定子電流有一小部分 用于建立磁場的主磁通，其余大部分用于產(chǎn)生拖動負載的電磁力。由式 （2-1-1）知，調(diào)整電源頻率f時，可以調(diào)節(jié)速度n。 當電源頻率f下降時，由式 （2-1-3）知，感應電動勢隨之比例減??；在相電壓U保持不變的情況下，由式（2-1-2）知，定子繞組的相電流I相應增大。在很多情況下，電機的負載是基本恒定的，因此用于產(chǎn)生電磁力

4、的電流是基本不變的，于是 將增大； 的增大將直接導致主磁通的增大。由式 （2-1-3），主磁通的增大，將引起感應電動勢比例增大；由式（2-1-2），感應電動勢的增大將使定子電流I減小。不難理解，通過這樣的負反饋，電機將最終穩(wěn)定在一個新的工作點。這樣的控制方法看起來似乎沒有問題。但實際情況是主磁通容量上限與電機的鐵芯有關。電機的鐵芯受制于重量、體積、成本等因素的考慮，不可能做的很大。對于電機設計來說，設計目標之一就是：當電機處于額定工作狀態(tài)下時，主磁通接近容量上限。上述的變頻調(diào)速方法工作在額定頻率以下時，將會導致鐵心磁飽和，引起電流波形畸變，有效力矩下降；嚴重時，將導致電機發(fā)熱過快，振動和噪音加

5、大；工作在額定頻率以上時，鐵心處于弱磁狀態(tài)，電磁力矩不足，電機的機械特性變軟（轉差率s變大），帶載能力下降。結論：通過只調(diào)節(jié)電源頻率來調(diào)節(jié)速度的方法不可取。既然不可取的原因是因為鐵心磁飽和。那么在調(diào)節(jié)電源頻率的同時，通過某種處理使電機的磁通量保持恒定。由式（2-1-3）知： E/f (2-1-5)在電機運轉速度不是很低的情況下，由于電機的電阻r很小，電機定子線圈上的阻抗壓降（I*r）可以忽略。由式（2-1-2）可以得到：U E (2-1-6)于是式(2-1-5)可以表示為： U/f (2-1-7)由式(2-1-7)知，在調(diào)節(jié)電源頻率f的同時同比例地調(diào)節(jié)電源電壓U可保持磁通量基本恒定，達到了調(diào)節(jié)

6、速度的目的，又不影響電機的帶載能力。這就是所謂的變頻變壓調(diào)速法：VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）控制法，也稱恒壓頻比（V/F）控制法。當電源頻率較低時，因定子繞組的感應電動勢較小，忽略電機定子線圈上的阻抗壓降（I*r）時引入了較大的誤差，直接表現(xiàn)就是電機的帶栽能力下降。實際應用中，為了保持轉矩基本恒定，在低頻段，通常需要對V/F 曲線進行補償。所以低頻段也稱恒轉矩區(qū)。見圖 2-2。當電源頻率高于一定頻率時，電機繞組相電壓并不能依據(jù)式（2-1-7）比例增加。主要原因是： 相電壓受制于電機繞組的絕緣強度； 相電壓受制于電源的利用率； 相電壓受制于系統(tǒng)供電。實際中的做法是：當電源頻率高于一定閾值時，相電壓保持不變。見圖 2-1-2。此區(qū)間相電流基本保持不變，即電機的輸入功率基本保持不變，所以該區(qū)間也稱恒功率區(qū)。不難理解，此時鐵心處于弱磁狀態(tài)，電磁力矩不足，電機的帶載能力下降，機械特性變軟。圖2-2 ：異步電機V/F控制特性圖2-2中：理想V/F 特性曲線；：實際V/F 特性曲線（低頻力矩補償高頻限壓）；：對應的主磁通特性。V/F控制法最大的優(yōu)點是繞開了定子繞組感應電動勢的測量，可實現(xiàn)轉速開環(huán)控制，簡化了控制結構。我們知道，交流異步電動機的理想激勵源是正弦波。在早期的V/F調(diào)速系統(tǒng)