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(xué)原理，交流異步電動機的轉(zhuǎn)速可表示為： （2-1-1）式中： n 一 電動機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速的因素有：電動機的磁極對數(shù) p ，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)差率 s不易被直接測量，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差率來調(diào)速在工程上并未得到廣泛應(yīng)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(yīng)該是可行的，這就是所謂變頻調(diào)速。由電機學(xué)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(yīng)電動勢； I 一 定子繞組的相電流； r 一 定子繞組電阻與轉(zhuǎn)子繞組電阻折算到定子側(cè)的電阻之和。 交流異步電動機的定子繞組的感應(yīng)電動勢是定于繞組切割旋轉(zhuǎn)磁場磁力線的結(jié)果， 其有效值計算如下：E = K * f * （2-1-3） 式中： 一 與電動機結(jié)構(gòu)有

3、關(guān)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(yīng)電動勢，另一部分消耗在電阻 r （ 定子繞組電阻與轉(zhuǎn)子繞組電阻折算到定子側(cè)的電阻之和 ）上 。其中定子繞組的相電流 I 由兩部分構(gòu)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(yīng)電動勢隨之比例減小；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(yīng)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(dǎo)致主磁通的增大。由式 （2-1-3），主磁通的增大，將引起感應(yīng)電動勢比例增大；由式（2-1-2），感應(yīng)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(guān)。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(shè)計來說，設(shè)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(dǎo)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(dǎo)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(zhuǎn)差率s變大），帶載能力下降。結(jié)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(zhuǎn)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(yīng)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(yīng)用中，為了保持轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(yīng)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(yīng)電動勢的測量，可實現(xiàn)轉(zhuǎn)速開環(huán)控制，簡化了控制結(jié)構(gòu)。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)