交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速原理

1、交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速原理根據(jù)電機(jī)學(xué)原理，交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可表示為： （2-1-1）式中： n 一 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速/分鐘，單位：r/min ； p 一 電動(dòng)機(jī)磁極對(duì)數(shù)； f 一 電源頻率，單位：Hz ； s 一 轉(zhuǎn)差率， 。 注：p是磁極對(duì)數(shù)，不是磁極數(shù)。由式（2-1-1）知，影響電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的因素有：電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù) p ，轉(zhuǎn)差率 s 和電源頻率f 。對(duì)于給定的電動(dòng)機(jī)，磁極對(duì)數(shù) p 一般是固定的；通常情況下，轉(zhuǎn)差率 s 對(duì)于特定負(fù)載來(lái)說(shuō)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(cè)量，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差率來(lái)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(guò)改變電源頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)

2、交流異步電動(dòng)機(jī)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(jī)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(dòng)機(jī)的相等效穩(wěn)態(tài)電路如圖 2-1。圖 2-1 交流異步電動(dòng)機(jī)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(dòng)勢(shì)； 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(dòng)機(jī)的定子繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是定于繞組切割旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)磁力線的結(jié)果， 其有效值計(jì)算如下：E = K * f * （2-1-3） 式中： 一 與電動(dòng)機(jī)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(jī)繞組端的電源電壓，一部分產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，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(jī)的定子電流有一小部分 用于建立磁場(chǎng)的主磁通，其余大部分用于產(chǎn)生拖動(dòng)負(fù)載的電磁力。由式 （2-1-1）知，調(diào)整電源頻率f時(shí)，可以調(diào)節(jié)速度n。 當(dāng)電源頻率f下降時(shí)，由式 （2-1-3）知，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)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(yīng)增大。在很多情況下，電機(jī)的負(fù)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(dòng)勢(shì)比例增大；由式（2-1-2），感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的增大將使定子電流I減小。不難理解，通過(guò)這樣的負(fù)反饋，電機(jī)將最終穩(wěn)定在一個(gè)新的工作點(diǎn)。這樣的控制方法看起來(lái)似乎沒(méi)有問(wèn)題。但實(shí)際情況是主磁通容量上限與電機(jī)的鐵芯有關(guān)。電機(jī)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(duì)于電機(jī)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)目標(biāo)之一就是：當(dāng)電機(jī)處于額定工作狀態(tài)下時(shí)，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(shí)，將會(huì)導(dǎo)致鐵心磁飽和，引起電流波形畸變，有效力矩下降；嚴(yán)重時(shí)，將導(dǎo)致電機(jī)發(fā)熱過(guò)快，振動(dòng)和噪音加

5、大；工作在額定頻率以上時(shí)，鐵心處于弱磁狀態(tài)，電磁力矩不足，電機(jī)的機(jī)械特性變軟（轉(zhuǎn)差率s變大），帶載能力下降。結(jié)論：通過(guò)只調(diào)節(jié)電源頻率來(lái)調(diào)節(jié)速度的方法不可取。既然不可取的原因是因?yàn)殍F心磁飽和。那么在調(diào)節(jié)電源頻率的同時(shí)，通過(guò)某種處理使電機(jī)的磁通量保持恒定。由式（2-1-3）知： E/f (2-1-5)在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度不是很低的情況下，由于電機(jī)的電阻r很小，電機(jī)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(shí)同比例地調(diào)節(jié)電源電壓U可保持磁通量基本恒定，達(dá)到了調(diào)節(jié)

6、速度的目的，又不影響電機(jī)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(dāng)電源頻率較低時(shí)，因定子繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)較小，忽略電機(jī)定子線圈上的阻抗壓降（I*r）時(shí)引入了較大的誤差，直接表現(xiàn)就是電機(jī)的帶栽能力下降。實(shí)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(duì)V/F 曲線進(jìn)行補(bǔ)償。所以低頻段也稱恒轉(zhuǎn)矩區(qū)。見(jiàn)圖 2-2。當(dāng)電源頻率高于一定頻率時(shí)，電機(jī)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(jī)繞組的絕緣強(qiáng)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(shí)際中的做法是：當(dāng)電源頻率高于一定閾值時(shí)，相電壓保持不變。見(jiàn)圖 2-1-2。此區(qū)間相電流基本保持不變，即電機(jī)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(shí)鐵心處于弱磁狀態(tài)，電磁力矩不足，電機(jī)的帶載能力下降，機(jī)械特性變軟。圖2-2 ：異步電機(jī)V/F控制特性圖2-2中：理想V/F 特性曲線；：實(shí)際V/F 特性曲線（低頻力矩補(bǔ)償高頻限壓）；：對(duì)應(yīng)的主磁通特性。V/F控制法最大的優(yōu)點(diǎn)是繞開(kāi)了定子繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的測(cè)量，可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)控制，簡(jiǎn)化了控制結(jié)構(gòu)。我們知道，交流異步電動(dòng)機(jī)的理想激勵(lì)源是正弦波。在早期的V/F調(diào)速系統(tǒng)