交流調(diào)速系統(tǒng)概述

1、交流調(diào)速系統(tǒng)概述1.1交流調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn)對于可調(diào)速的電力拖動(dòng)系統(tǒng)，工程上往往把它分為直流調(diào)速系統(tǒng)和交流調(diào)速系統(tǒng)兩類。這主要是根據(jù)采用什么電流制型式的電動(dòng)機(jī)來進(jìn)行電能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)換而劃分的，所謂交流調(diào)速系統(tǒng)，就是以交流電動(dòng)機(jī)作為電能機(jī)械能的轉(zhuǎn)換裝置，并對其進(jìn)行控制以產(chǎn)生所需要的轉(zhuǎn)速?？v觀電力拖動(dòng)的發(fā)展過程，交、直流兩大調(diào)速系統(tǒng)一直并存于各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域，雖然由于各個(gè)時(shí)期科學(xué)技術(shù)的發(fā)展使得它們所處的地位有所不同，但它們始終是隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，特別是隨著電力電子元器件的發(fā)展而在相互競爭。在過去很長一段時(shí)期，由于直流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)良調(diào)速性能，在可逆、可調(diào)速與高精度、寬調(diào)速范圍的電力拖動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域中，幾乎都是采

2、用直流調(diào)速系統(tǒng)。然而由于直流電動(dòng)機(jī)其有機(jī)械式換向器這一致命的弱點(diǎn)，致使直流電動(dòng)機(jī)制造成本高、價(jià)格昂貴、維護(hù)麻煩、使用環(huán)境受到限制，其自身結(jié)構(gòu)也約束了單臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，功率上限，從而給直流傳動(dòng)的應(yīng)用帶來了一系列的限制。相對于直流電動(dòng)機(jī)來說，交流電動(dòng)機(jī)特別是鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，堅(jiān)固耐用，運(yùn)行可靠，維護(hù)方便，慣性小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，以及易于向高壓、高速和大功率方向發(fā)展等優(yōu)點(diǎn)。因此，近幾十年以來，不少國家都在致力于交流調(diào)速系統(tǒng)的研究，用沒有換向器的交流電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)調(diào)速來取代直流電動(dòng)機(jī)，突破它的限制。隨著電力電子器件，大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，以及現(xiàn)代控制理論向交流電氣傳動(dòng)

3、領(lǐng)域的滲透，為交流調(diào)速系統(tǒng)的開發(fā)研究進(jìn)一步創(chuàng)造了有利的條件。諸如交流電動(dòng)機(jī)的串級調(diào)速、各種類型的變頻調(diào)速，特別是矢量控制技術(shù)的應(yīng)用，使得交流調(diào)速系統(tǒng)逐步具備了寬的調(diào)速范圍、較高的穩(wěn)速精度、快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及在四象限作可逆運(yùn)行等良好的技術(shù)性能?，F(xiàn)在從數(shù)百瓦的伺服系統(tǒng)到數(shù)百千瓦的特大功率高速傳動(dòng)系統(tǒng)，從一般要求的小范圍調(diào)速傳動(dòng)到高精度、快響應(yīng)、大范圍的調(diào)速傳動(dòng)，從單機(jī)傳動(dòng)到多機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)，已幾乎都可采用交流調(diào)速傳動(dòng)。交流調(diào)速傳動(dòng)的客觀發(fā)展趨勢已表明，它完全可以和直流傳動(dòng)相媲美、相抗衡，并有取代的趨勢。1.2交流調(diào)速常用的調(diào)速方案及其性能比較由電機(jī)學(xué)知，交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式如下：n=601(1-s

4、)(1-1)pn式中pn電動(dòng)機(jī)定子繞阻的磁極對數(shù)；f1電動(dòng)機(jī)定子電壓供電頻率；s電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率。從式（1-1）中可以看出，調(diào)節(jié)交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速有三大類方案。（1）改變電動(dòng)機(jī)的磁極對數(shù)由異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速no=601pn可知，在供電電源頻率f1不變的條件下，通過改接定子繞組的連接方式來改變異步電動(dòng)機(jī)定子繞組的磁極對數(shù)pn，即可改變異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n0，從而達(dá)到調(diào)速的目的。這種控制方式比較簡單，只要求電動(dòng)機(jī)定子繞組有多個(gè)抽頭，然后通過觸點(diǎn)的通斷來改變電動(dòng)機(jī)的磁極對數(shù)。采用這種控制方式，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化是有級的，不是連續(xù)的，一般最多只有三檔，適用于自動(dòng)化程度不高，且只須有級調(diào)速的場合。（2

5、）變頻調(diào)速從式（11）中可以看出，當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)的磁極對數(shù)pn一定，轉(zhuǎn)差率s定時(shí)，改變定子繞組的供電頻率f1可以達(dá)到調(diào)速目的，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n基本上與電源的頻率f1成正比，因此，平滑地調(diào)節(jié)供電電源的頻率，就能平滑，無級地調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。變頻調(diào)速調(diào)速范圍大，低速特性較硬，基頻f=50hz以下，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式，在基頻以上，屬于恒功率調(diào)速方式，與直流電動(dòng)機(jī)的降壓和弱磁調(diào)速十分相似。且采用變頻起動(dòng)更能顯著改善交流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能，大幅度降低電機(jī)的起動(dòng)電流，增加起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。所以變頻調(diào)速是交流電動(dòng)機(jī)的理想調(diào)速方案。（3）變轉(zhuǎn)差率調(diào)速改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速的方法很多，常用的方案有：異步電動(dòng)機(jī)定子調(diào)壓調(diào)速，電磁轉(zhuǎn)差

6、離合器調(diào)速和繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速，串級調(diào)速等。定子調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)就是在恒定交流電源與交流電動(dòng)機(jī)之間接入晶閘管作為交流電壓控制器，這種調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)僅適用于一些屬短時(shí)與重復(fù)短時(shí)作深調(diào)速運(yùn)行的負(fù)載。為了能得到好的調(diào)速精度與能穩(wěn)定運(yùn)行，一般采用帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的控制方式。所使用的電動(dòng)機(jī)可以是繞線式異電動(dòng)機(jī)或是有高轉(zhuǎn)差率的鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)。電磁轉(zhuǎn)差離臺(tái)器調(diào)速系統(tǒng)，是由鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)、電磁轉(zhuǎn)差離合器以及控制裝置組合而成。鼠籠式電動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)機(jī)以恒速帶動(dòng)電磁離合器的電樞轉(zhuǎn)動(dòng)，通過對電磁離合器勵(lì)磁電流的控制實(shí)現(xiàn)對其磁極的速度調(diào)節(jié)。這種系統(tǒng)一般也采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速就是

7、通過改變轉(zhuǎn)子回路所串電阻來進(jìn)行調(diào)速，這種調(diào)速方法簡單，但調(diào)速是有級的，串入較大附加電阻后，電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性很軟，低速運(yùn)行損耗大，穩(wěn)定性差。繞線式異步電動(dòng)機(jī)串級調(diào)速系統(tǒng)就是在電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子回路中引入與轉(zhuǎn)子電勢同頻率的反向電勢ef，只要改變這個(gè)附加的，同電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電壓同頻率的反向電勢ef，就可以對繞線式異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行平滑調(diào)速。ef越大，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越低。上述這些調(diào)速的共同特點(diǎn)是調(diào)速過程中沒有改變電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n0，所以低速時(shí)，轉(zhuǎn)差率s較大。在交流異步電動(dòng)機(jī)中，從定子傳入轉(zhuǎn)子的電磁功率pm可以分成兩部分：一部分p2=（1s）pm是拖動(dòng)負(fù)載的有效功率，另一部分是轉(zhuǎn)差功率ps=spm，與轉(zhuǎn)差率s成正比，它

8、的去向是調(diào)速系統(tǒng)效率高低的標(biāo)志。就轉(zhuǎn)差功率的去向而言，交流異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)可以分為三種：1）轉(zhuǎn)差功率消耗型這種調(diào)速系統(tǒng)全部轉(zhuǎn)差功率都被消耗掉，用增加轉(zhuǎn)差功率的消耗來換取轉(zhuǎn)速的降低，轉(zhuǎn)差率s增大，轉(zhuǎn)差功率ps=spm增大，以發(fā)熱形式消耗在轉(zhuǎn)子電路里，使得系統(tǒng)效率也隨之降低。定子調(diào)壓調(diào)速、電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速及繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速這三種方法屬于這一類，這類調(diào)速系統(tǒng)存在著調(diào)速范圍愈寬，轉(zhuǎn)差功率ps愈大，系統(tǒng)效率愈低的問題，故不值得提倡。2）轉(zhuǎn)差功率回饋型這種調(diào)速系統(tǒng)的大部分轉(zhuǎn)差功率通過變流裝置回饋給電網(wǎng)或者加以利用，轉(zhuǎn)速越低回饋的功率越多，但是增設(shè)的裝置也要多消耗一部分功率。繞線式異步電動(dòng)

9、機(jī)轉(zhuǎn)子串級調(diào)速即屬于這一類，它將轉(zhuǎn)差功率通過整流和逆變作用，經(jīng)變壓器回饋到交流電網(wǎng)，但沒有以發(fā)熱形式消耗能量，即使在低速時(shí)，串級調(diào)速系統(tǒng)的效率也是很高的。3）轉(zhuǎn)差功率不變型這種調(diào)速系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)差功率仍舊消耗在轉(zhuǎn)子里，但不論轉(zhuǎn)速高低，轉(zhuǎn)差功率基本不變。如變極對數(shù)調(diào)速，變頻調(diào)速即屬于這一類，由于在調(diào)速過程中改變同步轉(zhuǎn)速n0，轉(zhuǎn)差率s是一定的，故系統(tǒng)效率不會(huì)因調(diào)速而降低。在改變n0的兩種調(diào)速方案中，又因變極對數(shù)調(diào)速為有極調(diào)速，且極數(shù)很有限，調(diào)速范圍窄，所以，目前在交流調(diào)速方案中，變頻調(diào)速是最理想，最有前途的交流調(diào)速方案。1.3變流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展趨勢近十幾年來，隨著現(xiàn)代控制理論、新型大功率電力電子器件、

10、新型變頻技術(shù)以及微型計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)等在實(shí)際應(yīng)用中相繼取得了重大進(jìn)展，使得交流調(diào)速技術(shù)有了很大發(fā)展。今后的交流調(diào)速技術(shù)將在以下幾個(gè)方面得到進(jìn)一步的發(fā)展。（1）交流調(diào)速系統(tǒng)的高性能化交流電動(dòng)機(jī)是個(gè)多變量、強(qiáng)耦合、非線性被控對象，僅用電壓/頻率（v/f）恒定控制，不能滿足對調(diào)速系統(tǒng)的要求。今后的產(chǎn)品將普遍采用矢量控制技術(shù)，提高調(diào)速性能，達(dá)到和超過直流調(diào)速水平。矢量變換控制是一種新的控制理論和控制技術(shù)，它的想法是設(shè)法摸擬直流電動(dòng)機(jī)的控制特點(diǎn)來進(jìn)行交流電動(dòng)機(jī)的控制。調(diào)速的關(guān)鍵問題是轉(zhuǎn)矩控制問題，直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速性能好的根本原因就在于它的轉(zhuǎn)矩控制容易，而交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩則難于控制。為使交流電動(dòng)機(jī)得到和直

11、流電動(dòng)機(jī)一樣的控制性能，必須通過電機(jī)統(tǒng)一理論和坐標(biāo)變換理論，把交流電動(dòng)機(jī)的定子電流分解成磁場定向坐標(biāo)的磁場電流分量和與之相垂直的坐標(biāo)轉(zhuǎn)矩電流分量，把固定坐標(biāo)系變換為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系解耦后，交流量的控制變?yōu)橹绷髁康目刂票愕韧谥绷麟妱?dòng)機(jī)。即如果在調(diào)速過程中始終維持定子電流的磁場電流分量不變，而控制轉(zhuǎn)矩電流分量，它就相當(dāng)于直流電機(jī)中維持勵(lì)磁不變，而通過控制電樞電流來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩一樣，能使系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)特性。矢量控制方法的提出使交流傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性得到了顯著的改善，這無疑是交流傳動(dòng)控制理論上一個(gè)質(zhì)的飛躍。但是經(jīng)典的矢量控制方法比較復(fù)雜，它要進(jìn)行坐標(biāo)變換，且需精確測算出轉(zhuǎn)子磁鏈的大小和方向，比較麻煩

12、，且其精度受轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響很大。近年來又出現(xiàn)了一種對交流電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)直接轉(zhuǎn)矩控制的新方法，它避開了矢量控制中的兩次坐標(biāo)變換及求矢量的模與相角的復(fù)雜計(jì)算工作量，而直接在定子坐標(biāo)系上計(jì)算電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩與磁通，通過轉(zhuǎn)矩的砰砰控制，使轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時(shí)間控制在一拍以內(nèi)，且無超調(diào)，控制性能比矢量控制還好。此法雖尚未形成商品化的產(chǎn)品，但卻是很有發(fā)展前景的一種新的控制原理。交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制理論，從v/f恒定控制法到矢量控制法是一個(gè)飛躍，從矢量控制法到直接轉(zhuǎn)矩控制法將是第二個(gè)飛躍。（2）全控型大功率新型電力器件交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速技術(shù)的發(fā)展是和電力電子技術(shù)的發(fā)展分不開的，50年代世界上出現(xiàn)了電力半導(dǎo)體器件的晶閘管，為交流

13、電動(dòng)機(jī)調(diào)速技術(shù)的發(fā)展開辟了道路。但是作為第一代電力半導(dǎo)體器件的晶閘管沒有自關(guān)斷能力，需要利用電源或負(fù)載的外界條件來實(shí)現(xiàn)換相，因此用晶閘管來實(shí)現(xiàn)的交直交變頻裝置的核心的逆變器，必須配以大功率的強(qiáng)迫換相線路才能實(shí)現(xiàn)可靠的逆變。所以，人們一直在致力于研制出一種大功率，正反間均可用較小的功率進(jìn)行導(dǎo)通與關(guān)斷控制的全控型器件，以便用較簡單的手段即可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的逆變工作。經(jīng)過10年左右的研制，場效應(yīng)晶體管（mosfet），巨型晶體管（gtr）及門極關(guān)斷（gto）晶閘管等全控型器件問世，并在實(shí)際應(yīng)用中取得了理想效果。從半控型器件向全控型器件的過渡標(biāo)志著變頻裝置進(jìn)入了可以與直流調(diào)速裝置在性能/價(jià)格比上相比美，這是

14、交流調(diào)速技術(shù)產(chǎn)生飛躍的又一個(gè)重要的突破。目前，全控型電力電子器件正沿著大電流、高電壓、快通斷、低損耗、易觸發(fā)、好保護(hù)、小體積、集成化等方向繼續(xù)發(fā)展，又出現(xiàn)了絕緣門極雙極晶體管（igbt）和絕緣柵門極關(guān)斷（igto）晶體管等，即具有電壓型控制、輸入阻抗大、驅(qū)動(dòng)功率小、控制電路簡單、開關(guān)損耗小、通斷速度快、工作頻率高、器件容量大及熱穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，又具有通態(tài)電壓低、耐壓高和承受電流大等優(yōu)點(diǎn)。這類器件是90年代變頻裝置的主流。電力電子器件發(fā)展的更進(jìn)一步的目標(biāo)將是把控制、觸發(fā)、保護(hù)等功能再集成化進(jìn)來，從而形成電力電子與微電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，構(gòu)成最新一代的功率集成器件（pic）。它將為最新一代高可靠、

15、小型化、電機(jī)與電控裝置可能合而為一的未來型交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)提供新的發(fā)展基礎(chǔ)。（3）脈寬調(diào)制技術(shù)在交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速過程中，通常要求調(diào)頻和調(diào)壓同時(shí)進(jìn)行，早期調(diào)壓多用相控技術(shù)，用相控方式生成的變頻電壓電源含有大量的諧波分量，功率因數(shù)低，動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢，線路復(fù)雜，無法滿足高性能調(diào)速系統(tǒng)的要求。近年在廣泛采用自關(guān)斷元器件的情況下，逆變器普遍采用了脈寬調(diào)制技術(shù)，成功地解決了電源側(cè)功率因數(shù)低的問題，同時(shí)也減少了諧波分量對電網(wǎng)的影響。為了限制開關(guān)損耗，脈寬調(diào)制的頻率通常選在3001000hz左右，但這個(gè)頻率正好在人耳的敏感區(qū)，所以電機(jī)運(yùn)行時(shí)的噪聲是一個(gè)新問題。為解決這個(gè)問題現(xiàn)在有幾種不同的發(fā)展趨勢。一種是采用新

16、型的諧振式逆變器，可以把開關(guān)頻率提高到20khz以上的超聲區(qū)，從而清除噪聲；另一種是在現(xiàn)有的元器件基礎(chǔ)上，優(yōu)選調(diào)制策略，降低脈寬調(diào)制的頻率至人耳不敏感區(qū)，從而降低噪聲。總之，研究開關(guān)損耗小，功率因數(shù)高，諧波分量小，噪聲低，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)的逆變器是今后發(fā)展的方向。脈寬調(diào)制技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用使變頻裝置性能優(yōu)化，可以適用于各類交流電動(dòng)機(jī)，為交流調(diào)速的普及創(chuàng)造了條件。（4）數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，16位乃至32位微處理機(jī)的應(yīng)用越來越普及，且由于微處理機(jī)的運(yùn)算速度提高、價(jià)格下降等新因素的出現(xiàn)，在電氣傳動(dòng)中控制系統(tǒng)硬件由模擬技術(shù)轉(zhuǎn)向數(shù)字技術(shù)，全部采用數(shù)字控制，充分發(fā)揮微機(jī)控制的綜合優(yōu)點(diǎn)。數(shù)字調(diào)

17、速技術(shù)不僅使傳動(dòng)系統(tǒng)獲得高精度、高可靠性、還為新的控制理論與方法提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。微型計(jì)算機(jī)在性能、速度、價(jià)格、體積等方面的不斷發(fā)展與交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速理論的現(xiàn)實(shí)化提供了最重要的保證。從發(fā)展趨勢看，交流數(shù)字調(diào)速有以下兩個(gè)發(fā)展方向：一是采用專用的硬件、大規(guī)模集成電路（ic）；專用硬件可以降低設(shè)備的投資，提高裝置的可靠性。研制交流調(diào)速系統(tǒng)專用的ic芯片，可使控制系統(tǒng)硬件小型化、簡單化。二是采用通用計(jì)算機(jī)硬件、軟件模塊化，可編程化，通用硬件可編程序控制，應(yīng)用范圍廣，但價(jià)高造。從國際上采用數(shù)字調(diào)速的情況來看，前者一般多用于中小容量的標(biāo)準(zhǔn)系列產(chǎn)品，后者多用于大型工程大容量的傳動(dòng)系統(tǒng)。1.4交流變頻調(diào)速在起重機(jī)

18、上的應(yīng)用絕大多數(shù)起重機(jī)要求在不同的場合，用不同的速度進(jìn)行工作，其目的在于使起重機(jī)在各種合理的速度下有效地工作，以提高生產(chǎn)率和確保安全生產(chǎn)。這種調(diào)速過程需在運(yùn)行過程中進(jìn)行，而且變換次數(shù)較多，因而機(jī)械變速一般不合適，大多數(shù)情況下需采用電氣調(diào)速。起重機(jī)電氣調(diào)速系統(tǒng)分為兩大類，即直流調(diào)速系統(tǒng)和交流調(diào)速系統(tǒng)，如前所述，直流調(diào)速方案因?yàn)橹绷麟妱?dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高，維護(hù)不便等諸多缺點(diǎn)，雖然目前在大型起重機(jī)上仍在使用，但正有逐步被交流調(diào)速方案所替代的趨勢。目前在起重機(jī)上采用的交流調(diào)速方案主要有：繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速；能耗制動(dòng)下降調(diào)速；渦流制動(dòng)器調(diào)速，定子調(diào)壓調(diào)速，串級調(diào)速及變頻調(diào)速等。表11比較

19、了這幾種主要的起重機(jī)交流調(diào)速方案的優(yōu)缺點(diǎn)并指出了各自的應(yīng)用場合。從表11中可以看出，交流變頻調(diào)速和其它起重機(jī)調(diào)速方案相比，具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。首先，起重機(jī)整體性能會(huì)有很大的提高，具有速度可在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)連續(xù)控制，開、閉環(huán)特性好，調(diào)速比可達(dá)1：100以上，調(diào)速精度1%，調(diào)速平穩(wěn)，負(fù)載突然變化時(shí)有極好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，可以長時(shí)間低速運(yùn)行，使其具有極高的定位精度，節(jié)能效果顯著，簡化了電控系統(tǒng)，省去了電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)的大功率電阻、切換交流接觸器和電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)交流接觸器，再加之系統(tǒng)傳動(dòng)所用變頻電機(jī)屬鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)類、成本相對低廉，維修少，因此變頻調(diào)速是起重機(jī)最理想的交流調(diào)速方案，具有同直流傳動(dòng)一樣的調(diào)速性能，性能

20、價(jià)格比最高。但在國內(nèi)，交流變頻調(diào)速在起重機(jī)特別是大噸位起重機(jī)上的應(yīng)用還剛起步，原因是作為起重機(jī)核心機(jī)構(gòu)的起升機(jī)構(gòu)其位能性負(fù)載特性和使用安全性的需求使一般通用變頻器在性能上不能滿足要求。低頻時(shí)能否達(dá)到恒轉(zhuǎn)矩輸出；空中是否溜鉤等問題一直是起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)使用變頻調(diào)速的難點(diǎn)，還有起升機(jī)構(gòu)重載下放時(shí)其再生制動(dòng)能量是消耗在制動(dòng)電阻上還是回饋回電網(wǎng)，這些一直都給起重機(jī)使用全變頻調(diào)速控制系統(tǒng)帶來困惑。近年來，矢量控制變頻器的出現(xiàn)給起重機(jī)能否安全使用變頻調(diào)速技術(shù)帶來了生機(jī)，國外、國內(nèi)各大專業(yè)電氣公司也都在致力于這方面的開發(fā)和研究，因此，怎樣使矢量控制變頻調(diào)速技術(shù)用于起重機(jī)電氣傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行，保證起升機(jī)構(gòu)各

21、種工況要求和良好的低速就位性能，對推動(dòng)港口機(jī)械電氣控制與調(diào)速系統(tǒng)的更新?lián)Q代，具有非常實(shí)用的意義。表1-1起重機(jī)常用交流調(diào)速方案調(diào)速方案調(diào)速范圍低速運(yùn)行時(shí)的效率特點(diǎn)適用負(fù)載驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速1：3低1.線路簡單、成本低、易維修2.調(diào)速性能差，無低速下降3.不能長期低速運(yùn)行。位能反抗起升運(yùn)行能耗制動(dòng)調(diào)速1：31：5低1.同上2.重載下降能獲得低速，上升無低速3.直流電源因電機(jī)而異，無法標(biāo)準(zhǔn)位能起升渦流制動(dòng)器調(diào)速1：10低1.同上2.速度有低速，但不能長時(shí)間低速運(yùn)行3.加大了系統(tǒng)gd2位能反抗起升運(yùn)行定子調(diào)壓調(diào)速1：10低1.線路復(fù)雜、成本高2.若采用閉環(huán)控制能得到穩(wěn)定低速且調(diào)速范圍較大，能無級

22、調(diào)速位能反抗起升運(yùn)行串極調(diào)速1：101：30高1.同上2.適用于長期低速運(yùn)行，重物下降時(shí)再生能量能收回，調(diào)速范圍較大，能無級調(diào)速位能反抗起升運(yùn)行變極調(diào)速1：21：4高1.一般采用鼠籠式異步電機(jī)，只能適用于小容量起重機(jī)上2.有極調(diào)速，調(diào)速范圍小位能反抗起升運(yùn)行變頻調(diào)速1：100高1.速度可在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)連續(xù)控制2.有恒轉(zhuǎn)矩性能，基頻以上恒功率調(diào)速3.性能最優(yōu)，但需專用變頻裝置，成本高位能反抗起升運(yùn)行2變頻調(diào)速系統(tǒng)前已提到異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為：n=601(1-s)(2-1)pn式中s異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率，s=(no-n)/no。其中no為同步轉(zhuǎn)速。改變異步電動(dòng)機(jī)的供電頻率，可以改變其同步轉(zhuǎn)速，實(shí)

23、現(xiàn)調(diào)速運(yùn)行。對異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制時(shí)，通常要考慮的一個(gè)重要因素是，希望電動(dòng)機(jī)的主磁通保持額定值不變。磁通太弱，鐵心利用不充分，同樣的轉(zhuǎn)子電流下，電磁轉(zhuǎn)矩小，電動(dòng)機(jī)的負(fù)載能力下降；磁能太強(qiáng)，則處于過勵(lì)磁狀態(tài)，使勵(lì)磁電流過大，這就限制了定子電流的負(fù)載分量，負(fù)載能力也要下降。對于直流電機(jī)，勵(lì)磁系統(tǒng)是獨(dú)立的，只要對電樞反應(yīng)的補(bǔ)償合適，保護(hù)m不變是很容易做到的。在交流異步電機(jī)中，氣隙磁通（主磁通）是定子和轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢合成產(chǎn)生的，怎樣才能保護(hù)磁通恒定呢？下面說明之。由電機(jī)理論知道，三相異步電動(dòng)機(jī)定子每相電動(dòng)勢的有效值是eg=4.441n1m（2-2）式中eg氣隙磁通在定子每相中感應(yīng)電動(dòng)勢的有效值（v）；f

24、1定子頻率（hz）；n1定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)；m每極磁通量（wb）。由式（2-2）可見，m的值是由eg和f1共同決定，對eg和f1進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂?，就可以使氣隙磁通m保持額定值不變，達(dá)到控制m的目的。對此，需要考慮基頻（額定頻率）以下和基頻以上兩種情況。（1）基頻以下調(diào)速，為了保持電動(dòng)機(jī)的負(fù)載能力，應(yīng)保持氣隙磁通m不變，這就要求頻率f1從額定值向下調(diào)節(jié)時(shí)，必須同時(shí)降eg使eg=常數(shù)即保持電動(dòng)勢與頻率之比常數(shù)進(jìn)行控制。這種控制又稱為恒磁通變頻調(diào)速，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式。但是，eg難于直接檢測和直接控制。（當(dāng)eg和f1的值較高時(shí)，定子的漏阻抗壓降相對比較小，如忽略不計(jì)，則可近似地保持定子相電壓u1和頻

25、率f1的比值為常數(shù)，即認(rèn)為u1=eg，保持u1/f1=常數(shù)即可）。這就是恒壓頻比控制方式，是近似的恒磁通控制。低頻時(shí)，u1和eg都較小，定子漏阻抗壓降（主要是定子電阻壓降）不能在忽略。這種情況下，可以人為地適當(dāng)提高定子電壓以補(bǔ)償定子電阻壓降的影響，使氣隙磁通基本保持不變。如圖2-1所示，其中i為u1/f1=c時(shí)電壓，頻率關(guān)系，ii為有電壓補(bǔ)償時(shí)（近似的eg/f1=c）的電壓，頻率關(guān)系。圖2-1恒壓頻比控制特性（2）基頻以上調(diào)速在基頻以上調(diào)速時(shí)，頻率可以從f1n往上增上，但電壓u1卻不能超過額定電壓un，最多只能保持u1=u1n。由式2-2可知，這必然會(huì)使主磁通m隨著f1的上升而減小，相當(dāng)于直流

26、電動(dòng)機(jī)弱磁升速的情況，屬于近似的恒功率調(diào)速方式。把基頻以下和基頻以上兩種情況結(jié)合起來，可得圖2-2所示的異步電機(jī)變壓變頻調(diào)速控制特性，即異步電機(jī)變頻調(diào)速的基本控制方式圖2-2異步電機(jī)變壓變頻調(diào)速控制特性根據(jù)電機(jī)學(xué)原理，在下述假定條件下：忽略空間和時(shí)間諧波；忽略磁飽和；忽略鐵損。異步電機(jī)在正弦波恒壓恒頻供電下的機(jī)械特性方程式由下式表示：(2-3)各參數(shù)定義如下：r1、r2定子每相電阻和折合到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相電阻；l11+l12定子每相漏感和折合到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相漏感；u1、1定子相電壓和供電角頻率；s轉(zhuǎn)差率；pn極對數(shù)。當(dāng)s很小時(shí)，可忽略上式分母中含s的各項(xiàng)，則(2-4)即s很小時(shí)，轉(zhuǎn)矩近似與s

27、成正比，機(jī)械特性te=f（s）是一段直線，如圖2-3所示。當(dāng)s接近于1時(shí)，可忽略式（2-3）分母中的r2，則(2-5)圖2-3恒壓恒頻異步電機(jī)的機(jī)械特性即s接近于1時(shí)轉(zhuǎn)矩近似與s成反比，這時(shí)，te=f（s）是對稱于原點(diǎn)的一段雙曲線。當(dāng)s為以上兩段的中間數(shù)值時(shí)，機(jī)械特性以直線段逐漸過渡到雙曲線段?；谑剑?-3），我們來推導(dǎo)一下異步電機(jī)變頻調(diào)速的機(jī)械特性，分基頻以下和基頻以上兩種情況。（一）基頻以下、頻率協(xié)調(diào)控制時(shí)的機(jī)械特性由式（2-3）的機(jī)械特性方程式可以看出，對于同一組轉(zhuǎn)矩te和轉(zhuǎn)速n（或轉(zhuǎn)差率s）的要求，電壓u1和頻率1可以有多種配合。在u1和1的不同配合下機(jī)械特性也是不一樣的，因此，可以

28、有不同方式的電壓、頻率協(xié)調(diào)控制。（1）恒壓頻比控制（u1/1=c）為了近似地保持氣隙磁通m不變，以便充分利用電機(jī)鐵心，發(fā)揮電機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的能力，在基頻以下須采用恒壓頻比控制。這時(shí)，同步轉(zhuǎn)速自然要隨頻率變化。式中n0同步轉(zhuǎn)速（r/min）因此，帶負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速降落n為式中n轉(zhuǎn)速降落（r/min）在式（2-3）所表示的機(jī)械特性的近似直線段上，可以導(dǎo)出由此可見，當(dāng)u1/1為恒值時(shí)，對于同一轉(zhuǎn)矩te，s1是基本不變的，因而n也是基本不變的。這就是說，在恒壓頻比條件下改變頻率時(shí)，機(jī)械特性基本上是平行下移的，如圖2-4所示。它們和他勵(lì)直流電機(jī)變壓調(diào)速時(shí)特性的變化情況相似，所不同的是，當(dāng)轉(zhuǎn)矩增大到最大值以后，轉(zhuǎn)

29、速再降低，特性就折回來了。而且頻率低時(shí)最大轉(zhuǎn)矩越小。u1/1=c，最大轉(zhuǎn)矩temax隨角頻率1的變化關(guān)系為(2-6)圖2-4恒壓頻比控制時(shí)變頻調(diào)速的機(jī)械特性可見temax是隨著1的降低而減小的。頻率很低時(shí)，temax太小，將限制調(diào)速系統(tǒng)的帶載能力。采用定子壓降補(bǔ)償，適當(dāng)?shù)靥岣唠妷簎1可以增強(qiáng)帶載能力。（2）恒eg/1控制圖2-5給出了異步電機(jī)的穩(wěn)態(tài)等效電路，圖中幾處感應(yīng)電動(dòng)勢的意義如下：eg氣隙磁通在定子每相繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢；es定子全磁通的感應(yīng)電動(dòng)勢；er轉(zhuǎn)子全磁通的感應(yīng)電動(dòng)勢（折合到定子邊）。圖2-5異步電機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路和感應(yīng)電動(dòng)勢如果在電壓、頻率協(xié)調(diào)控制中，恰當(dāng)?shù)靥岣唠妷簎1的份量，使

30、它在克服定子阻抗壓降以后，能維持eg/1為恒值（基頻以下），則由式（2-2）可知，無論頻率高低，每極磁通m均為常值，由圖2-5可以得到將它代入電磁轉(zhuǎn)矩基本關(guān)系式，得(2-7)這就是恒eg/1時(shí)的機(jī)械特性方程式利用與前相似的分析方法，當(dāng)s很小時(shí)，可忽略式（2-7）分母中含s2項(xiàng)，則有（2-8）這表明機(jī)械特性的這一段近似為一條直線。當(dāng)s接近1時(shí)，可忽略式（2-7）分母中的r22項(xiàng)，則有（2-9）對比式（2-3）和式（2-7）可以看出，恒eg/1，特性分母中含s的參數(shù)要小于恒u1/1特性中的同類項(xiàng)，也就是說，s值要更大一些才能使該項(xiàng)占有顯著的份量，從而不能被忽略，因此恒eg/1特性的線形段范圍更寬。

31、圖2-6給出了不同控制方式的機(jī)械特性。將式（2-7）對s求導(dǎo)，并令dte/ds=0，可得eg/1，控制特性在最大轉(zhuǎn)矩時(shí)的轉(zhuǎn)差率（2-10）和最大轉(zhuǎn)矩2-6不同電壓、頻率協(xié)調(diào)控制方式時(shí)的機(jī)械特性-恒控制u1/1控制-恒控制eg/1控制-恒控制er/1控制可見，當(dāng)eg/1為恒值時(shí)，temax恒定不變?？梢姾鉫g/1控制的穩(wěn)態(tài)性能是優(yōu)于恒u1/1控制的，它正是恒u1/1控制的，它正是恒u1/1控制中補(bǔ)償定子壓降所追求的目標(biāo)。（3）恒控制er/1控制如果把電壓、頻率協(xié)調(diào)控制中的電壓u1進(jìn)一步再提高一些，把轉(zhuǎn)子漏抗上的壓降也抵消掉，便得到er/1控制，由圖2-5可得到（2-11）代人電磁轉(zhuǎn)矩基本關(guān)系式，

32、得由于分母中沒有s這時(shí)的機(jī)械特性te=f（s）完全是一條直線，如圖2-6所示，顯然，恒er/1控制的穩(wěn)態(tài)性能最好，可以獲得和直流電機(jī)一樣的線性機(jī)械特性。這正是高性能交流變頻調(diào)速所要求得性能。按照式（2-2）電動(dòng)勢和磁通得關(guān)系，可以看出，當(dāng)頻率恒定時(shí)，電動(dòng)勢與磁通成正比。氣隙磁通的感應(yīng)電動(dòng)勢eg對應(yīng)于氣隙磁通幅值m，那么，轉(zhuǎn)子全磁通的感應(yīng)電動(dòng)勢er就應(yīng)該對應(yīng)于轉(zhuǎn)子全磁通幅值mer=4.44f1n1rm（2-12）由此可見，只要能夠按照轉(zhuǎn)子全磁通幅值m=恒值進(jìn)行控制，就可獲得恒er/1控制。這正是矢量控制系統(tǒng)的目標(biāo)。（二）基頻以上變頻調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性（2-13）在基頻f1n以上變頻調(diào)速時(shí)，由于電壓

33、u1=u1n不變，式（2-3）的機(jī)械特性方程式可寫成最大轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為（2-14）同步轉(zhuǎn)速仍為，由此可見，當(dāng)角頻率1提高時(shí)，同步轉(zhuǎn)速隨之提高，最大轉(zhuǎn)矩減小，機(jī)械特性上移，如圖2-7所示。由于頻率提高而電壓不變，氣隙磁通必然減小，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩的減小，但轉(zhuǎn)速升高了，可以認(rèn)為輸出功率基本不變。所以，基頻以上變頻調(diào)速屬于弱磁恒功率調(diào)速。圖2-7基頻以上變頻調(diào)速的機(jī)械特性2.2矢量控制的基本思想交流電動(dòng)機(jī)矢量控制原理是1971年由f.blaschke提出的，其基本思想是設(shè)法模擬直流電動(dòng)機(jī)的控制特點(diǎn)來進(jìn)行交流電動(dòng)機(jī)的控制，使之能夠象直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)一樣具有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能。直流電機(jī)調(diào)速性能好的根本原因是由于其

34、磁通和轉(zhuǎn)矩能很容易通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流和電樞電流分別得到控制。以他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)為例，其電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式如下式所示：te=cmia（2-15）式中te為電磁轉(zhuǎn)矩；cm為轉(zhuǎn)矩系數(shù)；為磁通；ia為電樞電流。由于電樞電流ia所產(chǎn)生的電樞磁通和勵(lì)磁磁通是相互垂直的，如圖2-8所示，再加上一定的補(bǔ)償以后，電樞反應(yīng)對主磁場祛磁的實(shí)際影響是很小的。因此，可以認(rèn)為，和ia是互不相關(guān)的獨(dú)立變量，磁通只與勵(lì)磁電流if有關(guān)。如果保持if不變，即不變，則te與ia成正比，調(diào)節(jié)和控制電樞電流ia也就直接調(diào)節(jié)和控制了電磁轉(zhuǎn)矩te，從而使轉(zhuǎn)矩控制具有良好的動(dòng)態(tài)性能。圖2-8直流電機(jī)磁勢圖異步電動(dòng)機(jī)與直流電機(jī)不同，異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)

35、矩表達(dá)式如下式所示：te=cmircosr（2-16）式中為氣隙磁通，ir為轉(zhuǎn)子電流；r為轉(zhuǎn)子電流ir滯后轉(zhuǎn)子電勢的電角度；cm為異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩系數(shù)。由于轉(zhuǎn)子阻抗角，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩不僅與轉(zhuǎn)子電流ir和氣隙磁通有關(guān)，而且與轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)差率s）有關(guān)，ir和兩個(gè)量既不成直角，又不是兩個(gè)獨(dú)立變量，因此不能以簡單的方法進(jìn)行磁通和轉(zhuǎn)矩的單獨(dú)控制，因此，要在動(dòng)態(tài)中準(zhǔn)確地控制轉(zhuǎn)矩顯然比較困難。要解決這個(gè)問題，一種辦法是從根本上上改造交流電機(jī)，改變其產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的規(guī)律，迄今為止，在這方面的研究成效尚少。另一種辦法是在普通的三相交流電動(dòng)機(jī)上設(shè)法模擬直流電機(jī)控制轉(zhuǎn)矩的規(guī)律，通過電機(jī)統(tǒng)一理論和坐標(biāo)變換理論，把交流電動(dòng)機(jī)

36、的定子電流分解成磁場定向坐標(biāo)的磁場電流分量和與之相垂直的坐標(biāo)轉(zhuǎn)矩電流分量，把固定坐標(biāo)系變換為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系解耦后，交流量的控制變?yōu)橹绷髁康目刂票愕韧谥绷麟妱?dòng)機(jī)。即如果在調(diào)速過程中始終維持定子電流的磁場電流分量不變，而控制轉(zhuǎn)矩電流分量，它就相當(dāng)于直流電機(jī)中維持勵(lì)磁不變，而通過控制電樞電流來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩一樣，能使系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)持性。這就是矢量控制或稱矢量變換控制的基本思想。眾所周知，對三相靜止的對稱繞組a、b、c通以三相正弦交流電流ia、ib、ic時(shí)，便產(chǎn)生轉(zhuǎn)速為1的旋轉(zhuǎn)磁場。如圖2-9（a）所示。然而，旋轉(zhuǎn)磁場并不一定非要三相不可，兩相、四相等任意對稱的多相繞組，通以平衡的多相電流，都能產(chǎn)生

37、旋轉(zhuǎn)磁場。圖2-9（b）是兩相靜止繞組和廠（空間位置相差900），通以兩相平衡電流i和i（時(shí)間上差900）時(shí)所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場。當(dāng)圖2-9（a）和2-9（b）中所示的旋轉(zhuǎn)磁場的大小與轉(zhuǎn)速都相同時(shí)，則兩套繞組等效，再看圖2-9（c）中的兩個(gè)匝數(shù)相等且互相垂直的繞組m和t，分別通以直流電流im和it，產(chǎn)生位置固定的磁通。如果使兩個(gè)繞組同時(shí)以同步轉(zhuǎn)速1旋轉(zhuǎn)，磁通自然隨著旋轉(zhuǎn)起來，而成為旋轉(zhuǎn)磁場，并可以和圖2-9（a）、（b）中的繞組等效。但如果觀察者站到鐵心上和繞組一起旋轉(zhuǎn)時(shí)，在他看來，m、t是兩個(gè)通以直流的互相垂直的靜止繞組。如果取磁通的位置和m繞組的平面正交，就和等效的直流電動(dòng)機(jī)繞組沒有差別了。這

38、樣，以產(chǎn)生同樣的旋轉(zhuǎn)磁場為準(zhǔn)則，圖2-9（a）中的三相繞組，（b）中的兩相繞組和（c）中的直流繞組等效。ia、ib、ic與i和i及im、it之間存在著確定的關(guān)系，即矢量變換關(guān)系。這樣只要按照某個(gè)規(guī)律去控制三相電流ia、ib、ic就可以等效地控制im和it來達(dá)到所需控制轉(zhuǎn)矩的目的。圖2-9等效的交流電動(dòng)機(jī)繞組與直流電動(dòng)機(jī)繞組2.3變頻器的基本構(gòu)成變頻器分為交-交和交-直-交兩種形式。交-交變頻器可將工頻交流直流接變換成頻率、電壓均可控制的交流，又稱直接式變頻器。而交-直-交變頻器則是先把工頻交流通過整流器變成直流，然后再把直流變換成頻率、電壓均可控制的交流，又稱間接式變頻器。變頻器的基本構(gòu)成如圖

39、2-10所示，由主回路（包括整流器、中間直流環(huán)節(jié)、逆變器）和控制回路組成，分述如下：圖2-10變頻器的基本構(gòu)成（1）整流器電網(wǎng)側(cè)面的變流器i是整流器，它的作用是把三相（也可以是單相）交流整流成直流。（2）逆變器負(fù)載側(cè)面的變流器為逆變器。最常見的結(jié)構(gòu)形式是利用六個(gè)主開關(guān)器件組成的三相橋式逆變電路。有規(guī)律的控制逆變器中主開關(guān)的通與斷，可以得到任意頻率的三相交流輸出。（3）中間直流環(huán)節(jié)由于逆變器的負(fù)載為異步電動(dòng)機(jī)，屬于感性負(fù)載。無論電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)或發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)，其功率因數(shù)總不會(huì)為1。因此，在中間直流環(huán)節(jié)和電動(dòng)機(jī)之間總會(huì)有無功功率的交換。這種無功能量要靠中間直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能元件（電容器或電抗器）來緩沖。

40、所以又常稱中間直流環(huán)節(jié)為中間直流儲(chǔ)能環(huán)節(jié)。（4）控制電路控制電路常由運(yùn)算電路、檢測電路、控制信號的輸入、輸出電路和驅(qū)動(dòng)電路等構(gòu)成。其主要任務(wù)是完成對逆變器的開關(guān)控制、對整流器的電壓控制以及完成各種保護(hù)功能等?？刂品椒梢圆捎媚M控制或數(shù)字控制。高性能的變頻器目前已經(jīng)采用微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行全數(shù)字控制，采用盡可能簡單的硬件電路，主要靠軟件來完成各種功能。由于軟件的靈活性，數(shù)字控制方式常可以完成模擬控制方式難以完成的功能。（5）關(guān)于變流器名稱的說明對于交-直-交變頻器在不涉及能量傳遞方向的改變時(shí)，我們常簡明地稱變流器為整流器，變流器為逆變器（如圖），而把圖中、總起來稱為變頻器。實(shí)際上，對于再生能量回饋型

41、變頻器，、兩個(gè)變流器均可能有兩種工作狀態(tài)：整流狀態(tài)和逆變狀態(tài)。當(dāng)討論中涉及變流器工作狀態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)，、不再簡稱為“整流器”和“逆變器”而稱為“網(wǎng)側(cè)面變流器”和“負(fù)載側(cè)變流器”。2.4變頻器的起動(dòng)狀態(tài)變頻起動(dòng)中，是通過控制異步電動(dòng)機(jī)的定子電壓和定子頻率來獲得所需的起動(dòng)性能。根據(jù)工程的需要，一般盡量減小起動(dòng)電流，這樣可以減小變頻器的容量。對起動(dòng)時(shí)間的設(shè)定并不追求越短越好，如果保證主磁通為額定值通過恰當(dāng)?shù)卦O(shè)定起動(dòng)時(shí)間，相當(dāng)于間接地選擇了起動(dòng)過程中的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩，可以減小起動(dòng)電流和起動(dòng)損耗。所以起動(dòng)時(shí)常有幾種情況：或起動(dòng)電流最小、或起動(dòng)損耗最小、或起動(dòng)時(shí)間最短。另外，還要考慮避免過大的機(jī)械沖擊，使起動(dòng)過程緩和

42、、平滑等。根據(jù)變頻器的功能有如下幾種起動(dòng)方式可供選擇。(1)限流加速對于有轉(zhuǎn)矩控制功能的變頻器和矢量控制式變頻器，由于具有快速的電流限制功能，即使轉(zhuǎn)速指令設(shè)定成階躍指令，變頻器本身也能把電流限制在允許值以內(nèi)。就是說可以用變頻器的允許最大轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)盡可能快的起動(dòng)過程。起動(dòng)中電流可以被限制在人為設(shè)定的范圍以內(nèi)。(2)限時(shí)加速u/f控制式變頻器，多數(shù)不具備積極限制電流的功能，電流沖擊過大，可能造成過電流跳閘。對于階躍式的轉(zhuǎn)速設(shè)定，往往在變頻器的內(nèi)部將其變換成隨時(shí)間線性上升的指令。為了防止過電流，常要調(diào)整起動(dòng)時(shí)間，使之與生產(chǎn)機(jī)械相適應(yīng)。以期在不出現(xiàn)過電流的前提下，盡量縮短起動(dòng)時(shí)間，這就是起動(dòng)時(shí)間設(shè)定所

43、要遵循的一般原則。表2-1變頻起動(dòng)的三種方式加速方式控制方法說明圖備注限流加速加速中電流被抑制在固定值上，可以實(shí)現(xiàn)對變頻裝置和生產(chǎn)機(jī)械的過載與沖擊的限制加速中電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩保持恒定矢量控制式變頻器常采用該方式限時(shí)加速階躍的速度指令變換成隨時(shí)間線性變化的指令，是一種加速度限制控制方式加速轉(zhuǎn)矩一定u/f控制和矢量控制變頻器中采用s形加速在上面的基礎(chǔ)上限制轉(zhuǎn)矩的變化率，可以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)起動(dòng)u/f控制和矢量控制變頻器中采用(3)s形加速s形加速的目的是使加速過程變得緩和些。為了使電梯乘員感到舒適或者使傳送帶所載的物品不致倒塌常采用這種s形加速方式。在起動(dòng)初期和起動(dòng)末了的加速度，隨時(shí)間有一個(gè)漸變的過程。上述三種

44、起動(dòng)方式的性能與用途的比較見表2-1。這里說明一個(gè)問題，通用變頻器中的加、減速時(shí)間設(shè)定功能所設(shè)定的時(shí)間，是指由從零頻率上升到變頻器最高頻率和從變頻器最高頻率下降到零頻率的時(shí)間。加速時(shí)間設(shè)定的約束是將電流限制在過電流容量之內(nèi)，不應(yīng)使過電流保護(hù)動(dòng)作；減速時(shí)間設(shè)定約束是防止直流回路（濾波電容器）電壓過高，不應(yīng)使過電壓保護(hù)動(dòng)作。2.5變頻器的制動(dòng)狀態(tài)在變頻器、異步電動(dòng)機(jī)和機(jī)械負(fù)載所組成的變頻調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)中，當(dāng)電動(dòng)機(jī)減速或者所拖動(dòng)的位能負(fù)載下放時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)將處于再生發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)。傳動(dòng)系統(tǒng)中所儲(chǔ)存的機(jī)械能經(jīng)異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換成電能。逆變器的六個(gè)回饋二極管將這種電能回饋到直流側(cè)。此時(shí)的逆變器處于整流狀態(tài)。如果

45、在標(biāo)準(zhǔn)型的變頻器中（網(wǎng)側(cè)變流器為不控的二極管整流橋）不采取另外的措施，這部分能量將導(dǎo)致中間回路的儲(chǔ)電電容器的電壓上升。如果電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)并不太快，電容器電壓升高的值并不十分明顯，一旦電動(dòng)機(jī)恢復(fù)到電動(dòng)狀態(tài)，這部分能量又被負(fù)載所重新利用。電容器電壓升高過大，裝置中的“制動(dòng)過電壓保護(hù)”將動(dòng)作，保護(hù)變頻裝置的安全，所以當(dāng)制動(dòng)過快或機(jī)械負(fù)載為提升機(jī)時(shí)，這部分再生能量的處理問題就應(yīng)認(rèn)真對待了。在變頻器中，對再生能量的處理方式有三種：1）耗散到直流回路中人為設(shè)置的與電容器并聯(lián)的“制動(dòng)電阻”中，變頻器通過制動(dòng)單元（分外置、內(nèi)置兩種）將再生制動(dòng)能量消耗在制動(dòng)電阻上；2）由并聯(lián)在直流回路上的其他傳動(dòng)系統(tǒng)吸收；3）使

46、之回饋到電網(wǎng)。如果屬于前兩種工作狀態(tài)，稱為動(dòng)力制動(dòng)狀態(tài)；如果屬于后一種工作狀態(tài)，則稱為再生制動(dòng)狀態(tài)。應(yīng)該注意，這是從整個(gè)系統(tǒng)角度視再生電能是否能回饋到交流電網(wǎng)而定義的兩種工作狀態(tài)。在這兩種狀態(tài)下，異步電動(dòng)機(jī)自身均處于再生發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)。3.變頻器的應(yīng)用3.1變頻器容量的計(jì)算（1）連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所需的變頻器容量的計(jì)算式（3-1）（3-2）（3-3）式中pm負(fù)載所要求的電動(dòng)機(jī)的軸輸出功率；電動(dòng)機(jī)的效率（通常約0.85）；cos*電動(dòng)機(jī)的功率因素（通常約0.75）；um電動(dòng)機(jī)電壓（v）；im電動(dòng)機(jī)電流（a），工頻電源時(shí)的電流；k電流波形的修正系數(shù)（pwm方式取1.051.0）；pcn變頻器的額定容量（kv

47、a）；icn變頻器的額定電流（a）；（2）一臺(tái)變頻器傳動(dòng)多臺(tái)電動(dòng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行，即成組傳動(dòng)時(shí)，變頻器容量的計(jì)算。當(dāng)變頻器短時(shí)過載能力為150，1min時(shí)，如果電動(dòng)機(jī)加速時(shí)間在1min以內(nèi)即（3-4）（3-5）當(dāng)電動(dòng)機(jī)加速時(shí)間在1min以上時(shí)，（3-6）（3-7）式中pm負(fù)載所要求的電動(dòng)機(jī)的軸輸出功率；nt并聯(lián)電動(dòng)機(jī)的臺(tái)數(shù)；ns同時(shí)啟動(dòng)的臺(tái)數(shù)；電動(dòng)機(jī)效率（通常約0.85）;cos*電動(dòng)機(jī)功率因素（通常約0.75）；pcn1連續(xù)容量（kva），pcn1=kpmnt/cosks（電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流）/（電動(dòng)機(jī)額定電流）；im電動(dòng)機(jī)額定電流（a）k電流波形的修正系數(shù)（pwm方式取1.051.10）；pcn變頻

48、器容量（kva）icn變頻器額定電流。（3）大慣性負(fù)載起動(dòng)時(shí)變頻器容量的計(jì)算（3-8）式中g(shù)d2換算到電動(dòng)機(jī)軸上的總gd2（nm2）；tl負(fù)載轉(zhuǎn)矩（nm）；h電動(dòng)機(jī)效率（通常約0.85）cosj電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)（通常約0.75）xa電動(dòng)機(jī)加速時(shí)間（s），根據(jù)負(fù)載要求確定；k電流波形的修正系數(shù)（pwm方式取1.051.10）；nm電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速（r/min）；pcn變頻器容量（kva）。變頻器與異步電動(dòng)機(jī)組成不同的調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，變頻器容量的計(jì)算方法也不同。本小節(jié)第（1）所列，適用于單臺(tái)變頻器為單臺(tái)電動(dòng)機(jī)供電連續(xù)運(yùn)行的情況。式（31）、式（32）和式（33）三者是統(tǒng)一的，選擇變頻器容量時(shí)應(yīng)同時(shí)滿足三個(gè)

49、算式的關(guān)系。尤其變頻器電流是一個(gè)較關(guān)鍵的量。本小節(jié)第(2)所列，適用于一臺(tái)變頻器為多臺(tái)并聯(lián)電動(dòng)機(jī)供電且各電動(dòng)機(jī)不同時(shí)起動(dòng)的情況。選擇逆變器容量，無論電動(dòng)機(jī)加速時(shí)間在1min以內(nèi)或以上，都應(yīng)同時(shí)滿足容量計(jì)算式和電流計(jì)算式。本小節(jié)第(3)所列，是針對大慣量負(fù)載的情況，例如吊車的平移機(jī)構(gòu)、離心式分離機(jī)、離心式鑄造機(jī)等，負(fù)載折算到電動(dòng)機(jī)軸上的等效gd2比電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的gd2大得很多。這種情況下則應(yīng)按式(3-8)選擇變頻器的容量。3.2變頻器的外圍設(shè)備及其選擇變頻器的運(yùn)行離不開某些外圍設(shè)備。這些外圍設(shè)備通常都是選購件。選用外圍設(shè)備常是為了下述目的：a.提高變頻器的某種性能；b.變頻器和電動(dòng)機(jī)的保護(hù)；c.減

50、小變頻器對其他設(shè)備的影響等。(1)變頻器外圍設(shè)備的種類與用途變頻器的外圍設(shè)備如圖3-1所示。下面分別說明用途與注意事項(xiàng)等。圖3-1變頻器的外圍設(shè)備1電源變壓器t2電源側(cè)斷路器qf3電磁接觸器1km4無線電噪聲濾波器fil5電源側(cè)交流電抗器1acl6制動(dòng)電阻r7電動(dòng)機(jī)側(cè)電磁接觸器2km8工頻電網(wǎng)切換用接觸器3km9電動(dòng)機(jī)側(cè)交流電抗器2acla.電源變壓器t:電源變壓器用于將高壓電源變換到通用變頻器所需的電壓等級，例如220v量級或400v量級等。變頻器的輸入電流含有一定量的高次諧波，使電源側(cè)的功率因數(shù)降低，若再考慮變頻器的運(yùn)行效率，則變壓器的容量常按下式考慮：變壓器的容量(kva)其中變頻器功率因數(shù)在有輸入交流電抗器1acl時(shí)取0.80.85，無輸入電抗器1acl時(shí)則取0.6-0.8。變頻器效率可取0.95，變頻器輸出功率應(yīng)為所