變頻調(diào)速的基本控制方式和機械特性

1、交流調(diào)速系統(tǒng),變頻器的控制方式與機械特性,變頻調(diào)速是實現(xiàn)電動機平滑調(diào)速的最理想方法。變頻調(diào)速是通過改變電動機定子繞組的供電頻率來改變同步轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)交流電動機轉(zhuǎn)速的調(diào)速。 為了提供變頻電源，人們曾采用多種方法，比如20世紀50年代研究旋轉(zhuǎn)變頻機組，重新發(fā)電，機械設(shè)備龐大，可靠性差，一直沒有得到實際應用。20世紀70年代以來，隨著電力電子及大功率半導體器件的迅速發(fā)展，人們對變頻調(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)域研究和應用的熱點之一。 相對于過去的旋轉(zhuǎn)機組而言，由新型功率半導體器件構(gòu)成的變頻器稱作靜止式變頻器。,靜止式變頻器的出現(xiàn)大大促進了變頻調(diào)速技術(shù)的普及。 在工業(yè)發(fā)達國家，變頻

2、器應用已經(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)速傳動的絕對統(tǒng)治地位。 目前，我國變頻調(diào)速技術(shù)的應用越來越廣泛，進口產(chǎn)品幾乎統(tǒng)治著整個國內(nèi)市場，國產(chǎn)變頻器正在奮起反擊，主要應用于專業(yè)領(lǐng)域，如專為印染、紡織產(chǎn)業(yè)的配套，專業(yè)性較強，關(guān)注于一定行業(yè)的應用，大有在夾縫中求生存的味道。影響變頻技術(shù)進一步推廣的主要原因是價格昂貴，每kw在一千元左右，大功率的相對便宜一些。變頻器的開發(fā)設(shè)計和變頻器的應用都離不開對基礎(chǔ)知識的掌握。,異步電動機的轉(zhuǎn)速可表示為： 式中：n0同步轉(zhuǎn)速；f1定子電源頻率；p極對數(shù)；s轉(zhuǎn)差率。 從上式可以看出，異步電動機調(diào)速可以通過三條途徑進行：變頻率f1、改變極對數(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，從而改變電動機轉(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)及動態(tài)性能，是應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)計電動機時，一般將額定工作點選在磁化曲線開始彎曲處，也就是書中提到的“臨界值附近”，即磁化曲線的線性區(qū)頂部。磁通太小，沒有充分利用鐵芯材料是一種浪費。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），將引起鐵芯過分飽和，勵磁電流過大，繞組過熱；而勵磁減小，將使電動機輸出轉(zhuǎn)矩下降，如果負載轉(zhuǎn)矩仍保持不變，勢必導致定、轉(zhuǎn)子過電流，也要產(chǎn)生過熱，故而希望保持磁通恒定，即實現(xiàn)恒磁通

4、變頻調(diào)速。 異步電動機定子繞組的感應電勢為 如果忽略定子繞組壓降，則感應電動勢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，磁通會增加，造成磁路過飽和，使勵磁電流增加，這將使電動機帶負載能力降低，功率因數(shù)變壞，鐵損增加，電動機過熱。反之，如果頻率從額定值（通常為50H）往上升高，磁通將減少，由異步電動機的轉(zhuǎn)矩公式 可以看出，磁通m的減小勢必導致電動機勻許輸出轉(zhuǎn)矩T的下降，使電動機的利用率降低，在一定的負載下有過電流的危險。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 由異步電動機的轉(zhuǎn)矩表達式可知，電動機在變頻調(diào)速過程中，若等于電動機的轉(zhuǎn)子額定有功電流，磁通m保持不變，那么電動機的輸出轉(zhuǎn)矩也是恒定的，即變頻調(diào)速前后，輸出轉(zhuǎn)矩不變，可實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。在變頻調(diào)速過程中，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)異步電動機定子每相繞組感應電動勢 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，必

6、須按比例改變感應電動勢E1，亦即 這就要求對感應電動勢和頻率進行協(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電動勢； 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)矩時的轉(zhuǎn)差率 其相應的最大轉(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恒定進行變頻調(diào)速時，最大轉(zhuǎn)矩保持不變。

7、（2）當s很小時， 說明s很小時機械特性近似為直線，在此直線上，帶負載產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速降為 上式表明，保持E1/f1恒定進行變頻調(diào)速時，對應于同一轉(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），機械特性平行地移動。 （3）在變頻調(diào)速過程中，即頻率變化前后，電動機的過載能力應相等。,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)速過程中，即頻率變化前后，電動機的過載能力應相等。 據(jù)電機學過載能力 式中TN為額定轉(zhuǎn)矩。 設(shè)調(diào)速前，調(diào)速后，按照過載能 力相等的條件，保持E1/f1恒定時，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 實際上由于感應電動勢

8、難以直接控制，保持E1/f1恒定只是一種理想的控制方法。當忽略定子漏抗壓降時，近似地可以認為定子相電壓 因此保持U1/f1=const可以近似地維持m恒定，從而實現(xiàn)近似的恒磁通調(diào)速，這可通過對定子相電壓和頻率進行協(xié)調(diào)控制來實現(xiàn)。 由異步電動機的穩(wěn)態(tài)等效電路可以導出保持U1/f1恒定時的機械特性方程。,變頻調(diào)速的恒轉(zhuǎn)矩控制,轉(zhuǎn)子電流 式中 xm與氣隙主磁通相對應的定子每相繞組勵磁電抗； 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、定進行變頻調(diào)速時，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），這點只在轉(zhuǎn)差率趨近于零（即s0）時才成立。 （3）在負載轉(zhuǎn)矩不變時，電動機的過載能力降低。,變頻調(diào)速的恒轉(zhuǎn)矩控制,圖33保持U1/f1恒定時變頻調(diào)速的機械特性,變頻調(diào)速的恒轉(zhuǎn)矩控制,帶電壓補償（函數(shù)發(fā)生器補償）的恒U1/f1控制 采用U1E1，使控制易于實現(xiàn)，但也帶來誤差，由異步電動機的穩(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電動勢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，目的是補償定子漏阻抗壓降，近似地維持E1/f1恒

10、定。 電壓補償雖可有效改善機械特性，但在低頻空載時，亦減小補償，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，鑒于電動機繞組是按額定電壓等級設(shè)計的，超過額定電壓運行將受到繞組絕緣強度的限制，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。由定子感應電勢表達式可知，這時氣隙磁通隨著頻率f1的升高而反比例下降，類似于直流電動機的弱磁升速。,變頻調(diào)速的恒功率控制,體現(xiàn)定子電壓、供電頻率及電動機參數(shù)關(guān)系的機械特性方程式如下： 電磁轉(zhuǎn)矩 令dT/ds=0，即可求出最大轉(zhuǎn)矩對應的轉(zhuǎn)差率,變頻調(diào)速的恒功率控制,相應的最大轉(zhuǎn)矩為 可見，保持電壓為額定值進行變頻調(diào)速時，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行變頻調(diào)速時，最大轉(zhuǎn)矩將隨f1的升高而減小。 （2）當s很小時，有及，轉(zhuǎn)矩公式可進一步簡化為 此時，T與s關(guān)系近似為一條直線，在此直線上有 帶負載后的轉(zhuǎn)速降為 保持U1E1進行變頻調(diào)速時，對應于同一轉(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）當保持電壓為額定值且s變化范圍不大時，如果頻率f1增