变频调速的基本控制方式和机械特性

交流调速系统变频器的控制方式与机械特性变频调速是实现电动机平滑调速的最理想方法。变频调速是通过改变电动机定子绕组的供电频率来改变同步转速来实现交流电动机转速的调速。为了提供变频电源，人们曾采用多种方法，比如20世纪50年代研究旋转变频机组，重新发电，机械设备庞大，可靠性差，一直没有得到实际应用。20世纪70年代以来，随着电力电子及大功率半导体器件的迅速发展，人们对变频调速技术的研究又重新兴起，并且现在已经成为高科技领域研究和应用的热点之一。相对于过去的旋转机组而言，由新型功率半导体器件构成的变频器称作静止式变频器。静止式变频器的出现大大促进了变频调速技术的普及。在工业发达国家，变频器应用已经非常普遍，变流调速取代直流调调速，已占据调速传动的绝对统治地位。目前，我国变频调速技术的应用越来越广泛，进口产品几乎统治着整个国内市场，国产变频器正在奋起反击，主要应用于专业领域，如专为印染、纺织产业的配套，专业性较强，关注于一定行业的应用，大有在夹缝中求生存的味道。影响变频技术进一步推广的主要原因是价格昂贵，每kw在一千元左右，大功率的相对便宜一些。变频器的开发设计和变频器的应用都离不开对基础知识的掌握。异步电动机的转速可表示为：

式中：n0－同步转速；f1－定子电源频率；p－极对数；s－转差率。从上式可以看出，异步电动机调速可以通过三条途径进行：变频率f1、改变极对数p和改变转差率s。其中变频就是改变供电电源频率f1，同步转速也随之变化，从而改变电动机转速。变频调速范围宽、平滑性好、效率最高、具有优良的静态及动态性能，是应用最为广泛的一种交流调速方式。恒磁通控制为了充分利用铁芯材料，在设计电动机时，一般将额定工作点选在磁化曲线开始弯曲处，也就是书中提到的“临界值附近”，即磁化曲线的线性区顶部。磁通Φ太小，没有充分利用铁芯材料是一种浪费。磁通大小直接决定着电磁转矩（出力）。若磁通Φ＞ΦN（额定工作点），将引起铁芯过分饱和，励磁电流过大，绕组过热；而励磁减小，将使电动机输出转矩下降，如果负载转矩仍保持不变，势必导致定、转子过电流，也要产生过热，故而希望保持磁通恒定，即实现恒磁通变频调速。异步电动机定子绕组的感应电势为如果忽略定子绕组压降，则感应电动势近似等于定子外加电压式中C1－常数；C1＝4.44N1k1。

若定子供电电压U1不变，则气隙磁通Φm将随频率变化而变化。如果频率f1从额定值（通常为50Hz）往下降，磁通会增加，造成磁路过饱和，使励磁电流增加，这将使电动机带负载能力降低，功率因数变坏，铁损增加，电动机过热。反之，如果频率从额定值（通常为50H）往上升高，磁通将减少，由异步电动机的转矩公式可以看出，磁通Φm的减小势必导致电动机匀许输出转矩T的下降，使电动机的利用率降低，在一定的负载下有过电流的危险。正是基于上述原因，一般要求磁通保持恒定即Φm＝const。为了保持磁通恒定，必须保持电压/频率比值不变，即恒压频比控制，也就是恒磁通控制方式所要遵循的协调控制条件。变频调速的恒转矩控制变频调速的恒转矩控制恒转矩控制由异步电动机的转矩表达式可知，电动机在变频调速过程中，若等于电动机的转子额定有功电流，磁通Φm保持不变，那么电动机的输出转矩也是恒定的，即变频调速前后，输出转矩不变，可实现恒转矩调速。在变频调速过程中，要获得恒转矩调速特性，必须采用电压/频率协调控制。变频调速的恒转矩控制E1/f1恒定

根据异步电动机定子每相绕组感应电动势式中N1－定子绕组每相串联匝数；k1－基波绕组系数；Φm－每相气隙磁通为保持Φm不变，在改变电源频率f1的同时，必须按比例改变感应电动势E1，亦即

这就要求对感应电动势和频率进行协调控制。显然，这是一种理想的保持磁通恒定的控制方法。变频调速的恒转矩控制r1rmjx1jxm图3－1异步电动机稳态等效电路变频频调调速速的的恒恒转转矩矩控控制制转子子电电流流式中中－－折折算算到到定定子子频频率率（（即即s=1））定定子子绕绕组组和和每每相相感感应应电电动动势势；；－折折算算到到定定子子频频率率、、定定子子绕绕组组的的转转子子每每相相漏漏抗抗；；－折折算算到到定定子子绕绕组组的的转转子子每每相相电电阻阻。。电磁磁功功率率式中中m1－定定子子相相数数电磁磁转转矩矩式中中－－同同步步机机械械角角速速度度变频频调调速速的的恒恒转转矩矩控控制制为求求得得最最大大转转矩矩，，令令dT/ds=0，，由由此此得得到到产产生生最最大大转转矩矩时时的的转差差率率其相相应应的的最大大转转矩矩为式中中－－转转子子每每相相漏漏感感（（折折算算到到定定子子绕绕组组））。。变频频调调速速的的恒恒转转矩矩控控制制结论论：：（1））保保持持E1/f1恒定定进进行行变变频频调调速速时时，，最最大大转转矩矩保保持持不不变变。。（2））当当s很很小小时时，，说明明s很很小小时时机机械械特特性性近近似似为为直直线线，，在在此此直直线线上上，，带带负负载载产产生生的的转转速速降降为为上式式表表明明，，保保持持E1/f1恒定定进进行行变变频频调调速速时时，，对对应应于于同同一一转转矩矩T，，转转速速降降基基本本不不变变，，亦亦即即直直线线部部分分斜斜率率不不变变（（硬硬度度相相同同）），，机机械械特特性性平平行行地地移移动动。。（3））在在变变频频调调速速过过程程中中，，即即频频率率变变化化前前后后，，电电动动机机的的过过载载能能力力应应相相等等。。变频频调调速速的的恒恒转转矩矩控控制制Tn图3－2保持E1/f1恒定时变频调速的机械特性f1N>f1>f2>f3f3f2f1f1N变频频调调速速的的恒恒转转矩矩控控制制（3））在在变变频频调调速速过过程程中中，，即即频频率率变变化化前前后后，，电电动动机机的的过过载载能能力力应应相相等等。。据电机学过过载能力式中TN为额定转矩矩。设调速前，，调速后后，，按照过载载能力相等的条条件，保持持E1/f1恒定时时，，，则。。表明明输出转矩矩不变，属属于恒转矩矩调速。变频调速的的恒转矩控控制U1/f1恒定实际上由于于感应电动动势难以直直接控制，，保持E1/f1恒定只是一一种理想的的控制方法法。当忽略略定子漏抗抗压降时，，近似地可可以认为定定子相电压压因此保持U1/f1=const可以近近似地维持持Φm恒定，从而而实现近似似的恒磁通通调速，这这可通过对对定子相电电压和频率率进行协调调控制来实实现。由异步电动动机的稳态态等效电路路可以导出出保持U1/f1恒定时的机机械特性方方程。变频调速的的恒转矩控控制转子电流式中xm－与气隙主主磁通相对对应的定子子每相绕组组励磁电抗抗；x1－定子绕组组每相漏抗抗；r1－定子绕组组每相电阻阻；电磁转矩变频调速的的恒转矩控控制令dT/ds=0，，可以求得得产生最大大转矩时的的转差率最大转矩式中－－定子每每相漏感；；变频调速的的恒转矩控控制结论：（1）保持持U1/f1恒定进行变变频调速时时，最大输输出转矩将将随f1的降低而降降低。（2）直线线部分斜率率不变（硬硬度相同）），这点只只在转差率率趋近于零零（即s→→0）时才才成立。（3）在负负载转矩不不变时，电电动机的过过载能力降降低。变频调速的的恒转矩控控制图3－3保持U1/f1恒定时变频调速的机械特性变频调速的的恒转矩控控制带电压补偿偿（函数发发生器补偿偿）的恒U1/f1控制采用U1≈E1，使控制易易于实现，，但也带来来误差，由由异步电动动机的稳态态等效电路路图3－1可知，U1扣除定子漏漏抗压降之之后的部分分即由感应应电动势E1所平衡。显显然，被忽忽略掉的定定子漏抗压压降在U1中所占比例例的大小决决定了它的的影响。在低频段提提高定子电电压U1，目的是补补偿定子漏漏阻抗压降降，近似地地维持E1/f1恒定。电压补偿虽虽可有效改改善机械特特性，但在在低频空载载时，亦减减小补偿，，避免Φm较大。变频调速的的恒转矩控控制f1Nf加补偿n图3－4常用补偿曲线变频调速的的恒功率控控制在额定频率率（基频））以上调速速时，鉴于于电动机绕绕组是按额额定电压等等级设计的的，超过额额定电压运运行将受到到绕组绝缘缘强度的限限制，另一一方面电源源电压决定定了加到定定子上电压压的峰值，，因此定子子电压不可可能与频率率成正比地地升高，只只能保持在在额定电压压，即U1＝U1N。由定子感感应电势表表达式可知知，这时气气隙磁通随随着频率f1的升高而反反比例下降降，类似于于直流电动动机的弱磁磁升速。变频调速的的恒功率控控制体现定子电电压、供电电频率及电电动机参数数关系的机机械特性方方程式如下下：电磁转矩令dT/ds=0，，即可求出出最大转矩矩对应的转转差率变频调速的的恒功率控控制相应的最大转矩为可见，保持持电压为额额定值进行行变频调速速时，最大大转矩将随随f1的升高而减减小。变频调速的的恒功率控控制结论：（1）保持持电压为额额定值进行行变频调速速时，最大大转矩将随随f1的升高而减减小。（2）当s很小时，，有及及，，转矩公公式可进一一步简化为为此时，T与与s关系近近似为一条条直线，在在此直线上上有带负载后的的转速降为为保持U1≈E1进行变频调调速时，对对应于同一一转矩T，，转速降ΔΔn随f1的增加而平平方倍加大大，频率超超高，转速速降越大，，即直线部部分的硬度度随f1增增加而迅速速变软。变频调速的的恒功率控控制f1N<f2<f3<f4图3－5保持U1为额定电压时变频调速的机械特性nTf4f3f2f1N变频调速的的恒功率控控制（3）当保保持电压为为额定值且且s变化范范围不大时时，如果频频率f1增加，则转转矩T减小小，而同步步机械角速速度将将随频率增增加而增加加。这就是是说，随着着频率增加