变频调速技术及电机设计(2)

若保持U1f1?常数，Tm随频率f1的降低而减小，从图2—1所画的实线能明显看出这一点。此时电动机的转速降为：

r2'r2'60f160f1r2' （2—11） ?nm?smn1?2n?'??'21r1npnpr1r1?(X1?X20)从式(2—11)可看出：在频率较低时，转速降将随频率降低而降低，但机械特性直线段的斜率不变，因为此时?npTm?常数。

从物理概念上来说，低频时机械特性最大转矩下降，是由于r1引起的电压降相对影响较大，无法保持电动机气隙磁通为恒值而造成的。故低频起动时，起动转矩也将减小，甚至不能带动负载。它仅适用

于因调速范围不大或转速下降而 图2-1 恒磁通调速时的 图2-2 U1f1?常数时异

减小的负载(如风机和泵类负 机械特性 步电机的补偿特性

由式(2—2)中可知，欲保持磁通?恒定，应满足：

E1f1?常数 (2—12)

电动机的感应电动势E1难以测得和控制，故在实际应用中通常在控制回路加入一个函数发生器，以补偿低频时定子电阻所引起的压降影响。图2—2为函数发生器的各种补偿特性，曲线①为无补偿时U1与f1的关系曲线，实践证明这种补偿效果良好，常被采用。经补偿后，E1f1? 常数(恒磁通)，获得恒定最大转矩Tm的变频调速的一族机械特性曲线，如图2—1虚线所示。 二、恒电压控制方式

保持U1?U1N=常数的控制，是在基频(f1?f1N)以上变频调速时使用的方 法，其机械特性方程式为：

载)。对调速范围大的恒转矩性质的负载，则希望在整个调速范围中保持Tm不变。

Te?3npU12r2's2?f1[(r1?r2s)?(X1?X20)]3npU12'2'2

最大转矩为：

Tm?2'2?4?f1?r?r?(X?X)?11120??? （2—13）

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临界转差率公式仍为式(3—7)。

因为f1较高，所以f1??X1?X20，忽略r1可得：

'3npU1N23npU1N21Tm???4?f1(X1?X20')4?f1?2?f1(L1?L20')f12 （2— 14）

r2'r2'1sm??? （2—15）

X1?X20'2?f1(L1?L2')f1可见电源频率f1越高，Tm越小

sm也减小。Tmr2'60f1?nm?smn1?()?常数 (2—16)

2?f1(L1?L20')np由式(2—14)、(2—15)、(2—16)分析可知，虽然?nm，是常量，但随着f1的升高，Tm减

?nmTm增大，所以调速机械特性的斜度也随着f1的升高而增大，恒电压变频调速的机械特性如图2—3所示。

因为电磁功率Pe?Te?1，其中 图2-3 恒电压调速的机械特性 Te?Km?I2co?s2 (2—17)

'?1?2?f1 （2—18） np'式中，Km为由异步电动机结构确定的转矩系数；cos?2为异步电动机转子功率因数；I2为折算到定子侧的转子相电流。当调速时充分利用绕组，保持I2?I2N?常数时，有： Te?Ki?co?s2 (2—19) 式中，Ki?KmI2N为常数。 当U1?U1N时，磁通为：

'''??式中，Ke?''U1NE1U11???Ke() （2—20）

4.44f1N1K14.44f1N1K14.44f1N1K1f1U1N，为一常数。

4.44N1K1''在I2?I2N时，s较小，r2s??X20，故可近似认为：

cos?2?(r2'sr22)?(X20')2s'?1=常数 （2—21）

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将式(2—20)、(2—21)代人式(2—19)可近似得：

11Te?KiKe()?K （2—22）

f1f1式中K?KiKe为一常数。

将式(2—22)、(2—18)代人式Pe?T?1中得：

Pe?K12?f1()?常数 f1np 因此U1?U1N时的变频调速具有近似恒功率的性质，图2—3虚线所示即为恒功率线。 三、恒电流的控制方式

在电动机变频调速过程中，若保持定子电流幅值I1为一恒值，这一变频调速的控制方式称为恒流变频调速控制方式。在电动机变频调速过程中，要保持定子电流幅值I1为一恒值，要求变频电源为恒流源(电流幅值保持恒定)。电流

幅值恒定是通过带PI调节器的电流闭环控制实现的。在图2—4 图2—4 电流向量图 上绘出了异步电动机的电流相量图。

图中Im为励磁电流，它与励磁电抗Xm之积为定子 绕组中的感应电动势：

??E1?ImXm （2—23）

而 E20?I2'''r2'2()?(X20')2 s又因为E1?E20，所以励磁电流为：

Im?r2'r2'2()?(X20')2s （2—24） Xm''2定子电流、转子电流和励磁电流之间有如下关系

I1?I2?2ImI2sin?2?Im （2—25） 式中，sin?2?2X20'(r2)?X20's'

将式（2—24）和sin?2代入式（2—25）得：

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I2?'I1Xm(r22)?(Xm?X20')2s' （2—26）

'22'2''3nI3Irrp2r2''222?因为电磁转矩Pe?3I2，所以Te? （2—27） s?12?f1ss那么将(2—26)代人(2—27)得：

Te?2?f1[(3npI1Xm'22r2'sr22)?(X20'?Xm)2]s （2—28）

由式(2—28)可得电动机产生最大转矩时的临界转差率为：；

r2' sm? （2—29） 'X20?Xm电动机的最大转矩为： Tm?3npI12Xm24?f1(X20?Xm)' （2—30）

将式(2—28)、(2—29)、(2—30)分别与式(2—5)、(2—6)、23—7)相比较，可以看出，它们是相似的，因而机械特性形状也相似，都属于恒转矩性质。由于异步电动机的短路电抗 Xk?X1?X20 ，较励磁电抗Xm小得多，所以恒流变频的Tm比恒磁通变频的Tm要小，用 同一台电动机的参数代人式(2—30)和式(2—6)可以证明这个结论。由于恒电流变频控制过载能力低，因而只适用于负载变化不大的场合。

'2.2 变频器的构成与功能

由变频调速的原理表明，必须同时改变电源的频率和电压，才能满足变频调速的要求，提供这种条件的装置就是变频器。变频器的基本构成由整流、滤波、逆变及控制回路等部分组成。交流电源经整流、滤波后变成直流电源，控制回路有规则地控制逆变器的导通与截止，使之向异步电动机输出电压和频率可 变的电源，驱动电动机运行，整个系统是开环的。

对于速度精度和响应快速性要求较高的系统，采用开环系统还不够，还需要由变频器主回路及电机侧检测反馈信号，经运算回路综合后控制触发回路，此时的系统是闭环的。控制指令来自外部的运行指令。下面说明主回路、控制回路和保护功能。 1．主回路

给异步电动机提供调频调压电源的电力变换部分，称为主回路。图2-5示出典型的电压型变频器的一个例子。如图所示，主回路由三部分构成：将工频电源变换为直流电源的

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“整流器”；吸收由整流器和逆变器回路产生的电压脉动的“滤波回路”，也是储能回路；将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。另外，异步电动机需要制动时，有时要附加“制动单元”。

(1)整流器 近年来大量使用的是二极管整流器，它把工频电源变换为直流电源，电

图2-5 典型的电压型变频器一例

功率的传送是不可逆的。

如果利用两组晶闸管整流器构成可逆整流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生制动运行，此时称此整流器为变流器。

(2)滤波回路 在整流器整流后的直流电压中，含有六倍电源频率的脉动电压，此外，逆变器回路产生的脉动电流也使直流电压波动。为了抑制这些电压波动，采用直流电抗器和电容器吸收脉动电压(电流)。装置容量较小时，如果电源输出阻抗和整流器容量足够时，可以省去直流电抗器而采用简单的阻容滤波回路。

(3)逆变器 同整流器相反，逆变器的作用是在所确定的时间里有规则地使六个功率开关器件导通、关断，从而将直流功率变换为所需电压和频率的交流输出功率。脉冲序列控制着逆变器上六个功率开关器件的导通和关断，使得输出端 U、V、W的电位发生变化，而三相的输出线电压＼h、i所示。相对于电机三相绕组中点， U、V、W三相的相电压如图j、 k、1所示。

(4)制动单元 异步电动机在再生制动区域(第二象限)运行时，再生能量首先存储于储能电力电容器中，使直流电压升高。一般来说，由机械系统(含电动机)惯量所积蓄的能量比电容器能存储的能量大，中、大功率系统需要快速制动时，必须用可逆变流器把再生能量反馈到电网侧，这样节能效果更好，或设置制动单元(开关管和电阻)，把多余的再生功率消耗掉，以免直流回路电压的上升超过极限值。 2．控制回路

(1)控制回路的构成 控制回路向变频器主回路提供各种控制信号。控制回路由以下部分组成：决定U／F特性的频率电压\运算回路\，主回路的\电压／电流检测回路\，电

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