交流調(diào)速原理及運(yùn)用

1、第8章 交流調(diào)速原理及運(yùn)用8.1概述8.1.1交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展 一、發(fā)展過(guò)程 19世紀(jì)相繼誕生了直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)，由于直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩容易控制，因此它作為調(diào)速電動(dòng)機(jī)的代表在20世紀(jì)的大部分年代廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。直流調(diào)速系統(tǒng)具有起、制動(dòng)性能好、調(diào)速范圍廣、靜差小及穩(wěn)定性能好等優(yōu)點(diǎn)，晶閘管整流裝置的應(yīng)用更使直流調(diào)速在自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)中占主導(dǎo)地位，相比交流電動(dòng)機(jī)則只能應(yīng)用于不變速的或要求調(diào)遞性能不高的傳動(dòng)系統(tǒng)中。 雖然直流調(diào)速系統(tǒng)的理論和實(shí)踐應(yīng)用比較成熟但由于電動(dòng)機(jī)的單機(jī)容量、最高耐電壓、最高轉(zhuǎn)速及過(guò)載能力等主要技術(shù)指標(biāo)受機(jī)械換向的制約，限制了直流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展，使得人們長(zhǎng)期以來(lái)尋找用交流電

2、動(dòng)機(jī)替代直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速的方案，研究沒(méi)有換向器的交流調(diào)速系統(tǒng)。交流電動(dòng)機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是：沒(méi)有電刷和換向器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，使用壽命長(zhǎng)，維護(hù)方便，且價(jià)格比相同容量的直流電動(dòng)機(jī)低。早在20世紀(jì)30年代就有人提出用交流調(diào)速代替直流調(diào)速的有關(guān)理論，到60年代，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，交流調(diào)速得以迅速發(fā)展。1971年伯拉斯切克(F.Rlaschke)提出了交流電動(dòng)機(jī)矢量控制原理，使交流轉(zhuǎn)動(dòng)技術(shù)從理論上解決丁獲得與直流傳動(dòng)相似的靜、動(dòng)態(tài)特性問(wèn)題。矢量變換控制技術(shù)（或稱磁場(chǎng)定向控制技術(shù)）是一種模擬直流電動(dòng)機(jī)的控制。眾所周知，調(diào)速的關(guān)鍵問(wèn)題在于轉(zhuǎn)矩的控制，直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為，其中是轉(zhuǎn)矩常數(shù)磁通和電樞電流

3、是兩個(gè)可以單獨(dú)控制的獨(dú)立變量，它們之間互成90º正交關(guān)系，在電路上互不影響，可以分別進(jìn)行調(diào)節(jié)。而交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為，其中是異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩系數(shù)氣隙，有效磁通與轉(zhuǎn)子電流之間是既不成直角關(guān)系又不相互獨(dú)立的兩個(gè)變量，轉(zhuǎn)子電流不僅與有關(guān)，且還與轉(zhuǎn)差率s（或轉(zhuǎn)速n）有關(guān)（因?yàn)椋?，這也是交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩難以控制的原因所在。為了獲得與直流電動(dòng)機(jī)相似的控制性能，矢量控制理論提出了坐標(biāo)變換，即把交流電動(dòng)機(jī)的定子電流分解成磁場(chǎng)定向坐標(biāo)的磁場(chǎng)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，交流量的控制即變?yōu)橹绷髁康目刂?，就與直流電動(dòng)機(jī)相同了。 矢量控制理論的提出只解決了交

4、流傳動(dòng)控制理論上的問(wèn)題，而要實(shí)現(xiàn)矢量控制技術(shù)，則需要復(fù)雜的模擬電子電路，其設(shè)計(jì)、制造和調(diào)試均很麻煩，直到有了全控型大功率快速電力電子器件和微機(jī)控制之后，可以用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)矢量控制的算法，才使硬件電路規(guī)范化，從而降低了成本，提高了控制系統(tǒng)的可靠性。由此可見(jiàn)，電力電子技術(shù)和微機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展給交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)，它們的迅速進(jìn)步是推動(dòng)交流調(diào)速系統(tǒng)不斷更新的動(dòng)力。 繼矢量控制技術(shù)發(fā)明之后，又相繼提出了直接轉(zhuǎn)矩控制、標(biāo)量解耦控制等萬(wàn)法，均能達(dá)到良好的動(dòng)態(tài)性能，這都表明交流調(diào)速系統(tǒng)完全可以與直流調(diào)速系統(tǒng)相抗衡、相媲美。 二、交流調(diào)速系統(tǒng)分類 (一)概述 我們知道交流電機(jī)包括異步電機(jī)和同步電機(jī)兩

5、大類；對(duì)交流異步電動(dòng)機(jī)而言，其轉(zhuǎn)速為；從轉(zhuǎn)速公式可知改變電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)P、改變定子供電頻率f以及改變轉(zhuǎn)差率s都可達(dá)到調(diào)速的目的。對(duì)同步電機(jī)而言，同步電機(jī)轉(zhuǎn)速為，由于實(shí)際使用中同步電機(jī)的極對(duì)數(shù)P固定，因此只有采用變壓變頻(VVVF)調(diào)速，即通常說(shuō)的變頻調(diào)速。變頻調(diào)速系統(tǒng)的靜、動(dòng)態(tài)特性能與直流調(diào)速系統(tǒng)媲美，實(shí)際應(yīng)用中最為廣泛，也是最有發(fā)展前途的調(diào)速系統(tǒng)。 （二）交流調(diào)速系統(tǒng) 1異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng) （1）轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速系統(tǒng)。這種調(diào)速系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)差功率是消耗在轉(zhuǎn)子上的，不論轉(zhuǎn)速高低，轉(zhuǎn)差功率基本不變，因此效率高。變極對(duì)數(shù)調(diào)速和變頻調(diào)速均居于此類，但變極對(duì)數(shù)調(diào)速是有級(jí)調(diào)速，應(yīng)用受到限制；而變頻調(diào)速是無(wú)級(jí)

6、調(diào)速，應(yīng)用非常廣。根據(jù)變頻器的不同，變頻調(diào)速又可分為交-直-交變頻調(diào)速(如圖8.1所示)和交-交變頻調(diào)速(如圖8.2所示)。 （2）轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速系統(tǒng)。這種調(diào)速系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)差功率全部轉(zhuǎn)換成熱能被消耗，因此效率低，但系統(tǒng)簡(jiǎn)單，因此仍有一定的應(yīng)用場(chǎng)合。如圖8.3所示的變電壓調(diào)速、如圖8.4所示的電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速以及如圖8.5所示的繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速均屬此類。圖8.1 交-直-交變頻器異步電動(dòng)機(jī)主回路結(jié)構(gòu)（a）電壓型變頻器 （b）電流型變頻器 圖8.2 三相交-交變頻系統(tǒng)原理圖三、交流調(diào)速系統(tǒng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域 交流電動(dòng)機(jī)在工業(yè)設(shè)備電氣傳動(dòng)巾應(yīng)用十分廣泛，據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，我國(guó)在電網(wǎng)的

7、總負(fù)荷中，動(dòng)力負(fù)荷約占60，其中異步電動(dòng)機(jī)負(fù)荷約占總負(fù)荷的85左右，因此對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的有效利用，在改善其運(yùn)行性能、節(jié)約能源等方面，交流調(diào)速系統(tǒng)大有用武之地，其主要應(yīng)用可歸納如下。 （一）以節(jié)能為目的工業(yè)企業(yè)大量使用的風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)類負(fù)載是用交流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的，這類負(fù)載的用電量約占工業(yè)用電量的50左右，其中有不少場(chǎng)合需要調(diào)節(jié)流量，但由于過(guò)去交流電動(dòng)機(jī)本身不能調(diào)速，只得用閘悶、擋板、放空及回流等措施來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)風(fēng)量和供水的流量，造成很大的電能浪費(fèi)。如果把傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)流量裝置換成交流調(diào)速裝置，采用改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)流量的調(diào)節(jié)，則可大大節(jié)約電能。據(jù)統(tǒng)計(jì)，改換交流調(diào)速裝置后每臺(tái)風(fēng)機(jī)、水泵平均可節(jié)電

8、20，節(jié)電效果十分明顯。 (二)以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化或提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)率為目的 工業(yè)生產(chǎn)中有許多在工藝上需要調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械，例如為了提高搬運(yùn)機(jī)械停止位置精度、提高生產(chǎn)線速度控制精度而采用有反饋裝置的流量控制來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化；又如生產(chǎn)加工時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)最佳速度控制及協(xié)調(diào)生產(chǎn)線內(nèi)各裝置的速度，使其同步、同速以提高產(chǎn)品質(zhì)且和加工精度等等。這些生產(chǎn)機(jī)械需要高性能的調(diào)速裝置，過(guò)去多采用直流傳動(dòng)?，F(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)，完全能獲得與直流調(diào)速系統(tǒng)同樣的高動(dòng)態(tài)性能。并且由于交流電動(dòng)機(jī)比直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、維修方便、效率高、成本低，因此在此領(lǐng)域內(nèi)，交流調(diào)速可以與直流調(diào)速相競(jìng)爭(zhēng)。 (三)用于特大容量場(chǎng)合以及使設(shè)備小型

9、化為目的 直流電動(dòng)機(jī)的單機(jī)容量、最高轉(zhuǎn)速、耐高壓等問(wèn)題部受換向器的限制，一般直流電動(dòng)機(jī)牽機(jī)容量只能達(dá)1214Mw最高電壓在1000V左右，最高轉(zhuǎn)速只能達(dá)3000rmin。交流電動(dòng)機(jī)單機(jī)容景、最高轉(zhuǎn)速和耐高壓各項(xiàng)指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于直流電動(dòng)機(jī)，因此在需特大容量或極高轉(zhuǎn)速傳動(dòng)時(shí)，采用交流調(diào)速更為適宜。并且由于結(jié)構(gòu)上的原因，在同等容量情況下，交流電機(jī)比直流電機(jī)體積小，質(zhì)量輕，慣性小，能使設(shè)備小型化。8.1.2器件技術(shù)與交流調(diào)速系統(tǒng) 一、電力電子器件20世紀(jì)50年代發(fā)明了晶閘管，它標(biāo)志著以固態(tài)器件為基礎(chǔ)的電力電子學(xué)革命的開(kāi)始，從此，晶閘管的額定容量及其工作頻率不斷增長(zhǎng)，使電力電子器件在調(diào)速系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)

10、用。 70年代后第二代全控型器件迅速發(fā)展，如門(mén)極可關(guān)斷晶閘管、電力晶體管、電力場(chǎng)效應(yīng)管、絕緣柵雙極晶體管等，新一代的電力電子器件又產(chǎn)生了新一代的交流調(diào)速裝置。20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的功率集成電路代表了第三代電力電子器件，使電力電子裝置向小型化、智能化以及節(jié)能化發(fā)展。 二、發(fā)展前景 交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展實(shí)際上是依賴于微電子學(xué)、電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制、現(xiàn)代控制理論和逆變技術(shù)的發(fā)展以及交流電動(dòng)機(jī)制造技術(shù)的發(fā)展的。新的控制理論的提出和電力電子器件技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的迅速更新是推動(dòng)交流凋速系統(tǒng)不斷進(jìn)步的動(dòng)力。交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展前景可概括如下。（1）研制各種新型的開(kāi)關(guān)元件和儲(chǔ)能元件以及模塊，目前，電力電子

11、器件正在向大功率化、高頻化、模塊化及智能化發(fā)展，這也是今后功率器件主要發(fā)展方向。（2）交流調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用最廣也是最含發(fā)展前途的是變壓變頻調(diào)速，而要實(shí)現(xiàn)變壓變頻調(diào)速就離不開(kāi)變頻技術(shù)。在全控型高頻率開(kāi)關(guān)器件組成的脈寬調(diào)制（PWM）逆變器取代了以普通晶閘管構(gòu)成的方波形逆變器之后，正弦脈寬調(diào)制（SPWM）逆變器及其專用芯片得到了普遍的應(yīng)用。同時(shí)磁通跟蹤型PWM逆變器由于控制簡(jiǎn)單、數(shù)字化方便，亦呈現(xiàn)出取代傳統(tǒng)SPWM的趨勢(shì)，雖然隨著器件開(kāi)關(guān)頻率的提高，并借助于控制模式的優(yōu)化來(lái)消除指定諧波使PWM逆變器的輸出波形非常逼近正弦被，但在電網(wǎng)側(cè)，由于電流諧波分量大，總功率因數(shù)仍很低，因此消除對(duì)電網(wǎng)的諧波污染，并

12、提高功率因數(shù)仍是變頻技術(shù)不可回避的問(wèn)題。近年來(lái)研究出的諧振型逆變器是種新型軟開(kāi)關(guān)逆變器，由于應(yīng)用諧振技術(shù)使功率外關(guān)在零電壓和零電流下進(jìn)行開(kāi)關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換，使外關(guān)損耗兒乎為零，這種逆變器效率高、體積小、質(zhì)量輕、成本低，是很有發(fā)展前景的逆變器。 （3）推廣微型計(jì)算機(jī)在交流調(diào)速系統(tǒng)巾的應(yīng)用。數(shù)字化技術(shù)能實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的控制，使調(diào)速系統(tǒng)的硬件簡(jiǎn)化、成本降低、精度提高，可靠性更高。數(shù)字化已成為交流調(diào)速系統(tǒng)控制技術(shù)的發(fā)展方向。8.2變頻調(diào)速及系統(tǒng)一、變頻調(diào)速工作原理及調(diào)運(yùn)控制方式(一)變頻調(diào)速工作原理由電機(jī)學(xué)的基本公式： （8.1） 式中電動(dòng)機(jī)定于繞組的磁極對(duì)數(shù)P一定，改變電源頻率f即可改變電動(dòng)機(jī)同步轉(zhuǎn)速。異步電

13、動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速總低于同步轉(zhuǎn)速，而且隨著同步轉(zhuǎn)速而變化。電源頻率增加，同步轉(zhuǎn)速n0也增加，實(shí)際轉(zhuǎn)速也增加；電源頻率下降，同步轉(zhuǎn)速n0也下降，電機(jī)轉(zhuǎn)速也降低，這種通過(guò)改變電源頻率實(shí)現(xiàn)的速度調(diào)節(jié)過(guò)程稱為變頻調(diào)速。在工程中，鼠籠式電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)機(jī)總數(shù)量中占主導(dǎo)部分。因此對(duì)鼠籠式電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制成為電機(jī)調(diào)速的主要內(nèi)容之一。在變頻調(diào)速技術(shù)中，向電動(dòng)機(jī)提供頻率可變的電源并控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速是由變壓變頻器（WVF）完成的。（二）調(diào)速控制方式調(diào)速控制方式基本上有以下三種。1電源頻率低于工頻范圍調(diào)節(jié)電源的工頻頻率在我月為50Hz。電機(jī)定子繞組內(nèi)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為 （8.2）式中 -定子繞組匝數(shù)； -繞組系數(shù)； -電機(jī)每極

14、磁通。 定子電壓U1與定子繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E1的關(guān)系為 （8.3）式中 Z1-定子繞組每相阻抗； I1-定子繞組電流。若忽略定子壓降，則，把該式（8.3）整理成 （8.4） （8.5）式中 K-比例系數(shù)。則 （8.6） 電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩M與成正比，符下調(diào)電源頻率同時(shí)也下調(diào)，使比值保持為恒定量，則磁通不變，由此，轉(zhuǎn)矩也保持常值，此時(shí)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)負(fù)載的能力不發(fā)生改變。這種控制方式稱為恒磁通調(diào)壓調(diào)頻調(diào)速，也叫恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。 2電源頻率高于工頻范圍調(diào)節(jié) 由于使電源頻率增加，變小，而不能高于額定電壓，在該控制方式中，保持不變，由于頻率變高，由式（8.6）知道，定子磁通變小，電磁轉(zhuǎn)矩M也變小，但電源頻率增加導(dǎo)致

15、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n增加，設(shè)電動(dòng)機(jī)角速度，電動(dòng)機(jī)的功率P是電磁轉(zhuǎn)矩M與角速度的乘積 P=M· （8.7） 調(diào)節(jié)過(guò)程中，使頻率與轉(zhuǎn)矩的變化呈一定協(xié)調(diào)關(guān)系，從而保持電動(dòng)機(jī)功率P為恒定量，即功率不發(fā)生變化，這種升頻定壓調(diào)速為恒壓調(diào)速。 3轉(zhuǎn)差頻率控制 三相異步電動(dòng)機(jī)中，定子與轉(zhuǎn)子之間的圓周空隙內(nèi)有旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)速為n0，電機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)際轉(zhuǎn)速為n，(n0 - n)是轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)之間的相對(duì)切割速度，對(duì)頻率、電壓進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，使不變，此時(shí)磁通也不變，在不變的條件下，電磁轉(zhuǎn)矩M與(n0 - n)2成正比。對(duì)頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，即調(diào)節(jié)了(n0 - n)，因此，在實(shí)際轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時(shí)也實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)。 二、恒轉(zhuǎn)矩與恒功率調(diào)

16、速機(jī)械特性 如前所述，保持磁通不變，調(diào)頻調(diào)壓，同時(shí)時(shí)使為常數(shù)，并是頻率在低于工頻的范圍變化，這種調(diào)速方式稱為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。恒轉(zhuǎn)矩情況下，電機(jī)轉(zhuǎn)速n與電磁轉(zhuǎn)矩M之間關(guān)系即機(jī)械特性見(jiàn)圖8.3。A、B、C 3點(diǎn)處對(duì)應(yīng)3個(gè)轉(zhuǎn)速nA、nB、nC，但轉(zhuǎn)矩相等。電源頻率大于工頻時(shí)的恒功率調(diào)速的機(jī)械特性如圖8.4所示。 圖8.3 恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速的機(jī)械特性 圖8.4 桓功率調(diào)速的機(jī)械特性8.2.2變頻調(diào)速的核心部件-變頻器 鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)的定子采用變頻電源供電所構(gòu)成的變頻調(diào)速系統(tǒng)是具有高效率和高性能的調(diào)速系統(tǒng)。通過(guò)改變定子供電頻率，電機(jī)轉(zhuǎn)速可得到寬范圍的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。對(duì)定子電壓（或電源）以及頻率按一定規(guī)律進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，

17、可提高傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行特性。通過(guò)控制轉(zhuǎn)差(n0 - n)n0，電機(jī)可獲得較理想的快速響應(yīng)特性。一旦采用閉環(huán)控制系統(tǒng)，整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)可獲得高精度及優(yōu)良的傳動(dòng)特性。給電功機(jī)定子提供頻率可變電源的設(shè)備就是變頻器，變頻器是變頻調(diào)速系統(tǒng)的核心部分。變頻器與電動(dòng)機(jī)完美的控制配合構(gòu)成了性能優(yōu)良的變頻調(diào)速系統(tǒng)。為分析變頻器的工作情況。變頻器是介于電源與電動(dòng)機(jī)之間的電壓與頻率可調(diào)變的供電環(huán)節(jié)。如圖8.5所示。從逆變器的主回路上看如果主回路等效于電壓源供電，再把電源的直流量通過(guò)開(kāi)關(guān)及控制元件，轉(zhuǎn)化成交流輸出，這樣的逆變器稱為電壓型逆變器。主回路等效于電流源供電，開(kāi)關(guān)元件將其轉(zhuǎn)換為交流輸出，這種類型的逆變器叫電流型逆變

18、器。圖8.5 變頻器與電源、電動(dòng)機(jī)的關(guān)系8.2.3逆變器主回路的PAM、PWM控制方式 逆變器的控制方式分兩種：電壓控制及電流控制。與輸出頻率成比例地控制輸出電壓、協(xié)調(diào)控制電壓及頻率、這一控制方式叫電壓控制。當(dāng)某些控制場(chǎng)合，需要電機(jī)具有快速響應(yīng)特性，此時(shí)可采用電流控制方式。一、電壓控制和電流控制 變頻器中有一部分電路叫變流器，進(jìn)行電流變換，還有一部分就是逆變器，即把直流電量變換為交流電量，輸送給異步電動(dòng)機(jī)。在電壓控制力式中，不管逆變器采用晶閘管還是晶體管GTO作主開(kāi)關(guān)元件的逆變器，都在逆變器部分對(duì)電壓及頻率進(jìn)行控制。有些情況下，可在變流器部分控制電壓，在逆變器部分控制頻率。 在電流控制這種方式

19、中，一般在變流器部分控制電流，在逆變器部分控制頻率。 二、PAM與PWM輸出控制方式 輸出電壓與輸出電流的控制手段有PAM與PWM方式。 1.PAM控制方式 PAM是英文Pulse Amp1itude Modulation的縮寫(xiě)，意即脈沖幅度調(diào)節(jié)。PAM是改變電壓源幅值Ed或電流源幅值Id的一種控制輸出方式c 2PWM控制方式PWM是Pulse Width Modulation的縮寫(xiě)，意即脈寬調(diào)節(jié)。PWM控制方式是輸出波形的半個(gè)周期內(nèi)發(fā)生多個(gè)脈沖，使各脈沖的等值電壓為正弦波形，使輸出的波形含各次諧波成分少。 圖8.6 PWM電壓調(diào)節(jié)波形這種控制方式可用圖8.6形象地說(shuō)明。從圖8.6中看到，當(dāng)信

20、號(hào)值大于三角調(diào)制波時(shí)，s1、s2開(kāi)關(guān)元件同步開(kāi)通閉合；當(dāng)信導(dǎo)值小于三角調(diào)制波時(shí)，S3、S4同步閉合，輸出Ed電壓。輸出正負(fù)相間，幅值為Ed的波形等效于信號(hào)波。注意，以上分析是指電壓調(diào)節(jié)過(guò)程而言。8.2.4恒轉(zhuǎn)矩和恒功率變頻調(diào)速如前所述，異步電動(dòng)機(jī)定子電動(dòng)勢(shì)El如式(8.2)所示。忽略定子阻抗壓降，定子電壓U1與定子電動(dòng)勢(shì)近乎相等，即 （8.8）電機(jī)轉(zhuǎn)矩為 式中 轉(zhuǎn)矩常數(shù)； 轉(zhuǎn)子電流； 轉(zhuǎn)子電壓與電流的相位差； 轉(zhuǎn)子電路功率因數(shù)。 由式(8.8)可看出：定子電壓不變，當(dāng)頻率增加，引起氣隙磁通減?。欢鴾p小又引起電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩M減小，這就出現(xiàn)了頻率調(diào)高，同時(shí)帶載能力下降的情況。在定子電壓不變，而定子

21、電源頻率減小時(shí)，又引起增加，增加將導(dǎo)致磁路飽合，勵(lì)磁電流升高，導(dǎo)致電機(jī)發(fā)熱。 由以上兩種情況可知，變頻調(diào)速時(shí)，必須想辦法使氣隙磁通由不變，因此，在調(diào)節(jié)頻率的同時(shí)，就必須對(duì)定子電壓進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。一、恒轉(zhuǎn)矩變頻調(diào)速將式（8.8）變形得 （8.8） 要使不變，必須等于常數(shù)。因此，頻率增大或減小多少倍，電壓須相應(yīng)地增大或減小多少倍，這樣就能在變頻調(diào)速過(guò)程中維持恒轉(zhuǎn)矩，故常數(shù)是恒轉(zhuǎn)矩變頻調(diào)速方式下電壓與頻率的協(xié)調(diào)控制條件。恒轉(zhuǎn)矩條件下，變頻調(diào)速時(shí)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速n與轉(zhuǎn)矩M的對(duì)應(yīng)關(guān)系即機(jī)械特性見(jiàn)圖8.7。圖中。圖8.7 恒轉(zhuǎn)矩變頻調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性二、恒最大轉(zhuǎn)矩變頻調(diào)速如前所述，定子電壓U1嚴(yán)格地說(shuō)來(lái)并不等于定子

22、電動(dòng)勢(shì)E1，若使為常數(shù)，由電力拖動(dòng)理論可知，電磁最大轉(zhuǎn)矩將保持常量，但要控制與諧調(diào)變化，使成立，關(guān)鍵要對(duì)進(jìn)行“補(bǔ)償控制”，因?yàn)楦袘?yīng)電動(dòng)勢(shì)的跟蹤測(cè)量及實(shí)時(shí)控制都較難，通常在控制電路中加一個(gè)“函數(shù)發(fā)生器”控制環(huán)節(jié)來(lái)使控制變頻調(diào)速時(shí)，為常數(shù)在調(diào)速過(guò)程中保持成立。 三、恒功率變頻調(diào)速對(duì)于許多勢(shì)能件負(fù)載的拖動(dòng)，如卷?yè)P(yáng)機(jī)提升等拖動(dòng)場(chǎng)合，由于拖動(dòng)過(guò)程具有恒功率特點(diǎn)，因此，對(duì)此類負(fù)載，電壓與頻率的協(xié)調(diào)控制就有自己的特點(diǎn)。下面推導(dǎo)這種協(xié)調(diào)控制的規(guī)律。電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩為 （8.9）式中， p-極對(duì)數(shù)，式（8.9）可改寫(xiě)為 （8.10）額定轉(zhuǎn)矩為 （8.11）式中 m-過(guò)載倍數(shù)； k-常數(shù)。使頻率由變?yōu)?，?duì)應(yīng)地，定子電

23、壓、額定電壓、額定轉(zhuǎn)矩、過(guò)載倍數(shù)變?yōu)?、作比值，保持變頻前后承載及過(guò)載能力不變。即，有對(duì)于異步電動(dòng)機(jī)恒功率調(diào)速 （8.12）即 （8.13） 這就是恒功率變頻調(diào)速過(guò)程中，電壓與頻率的協(xié)調(diào)控制規(guī)律。恒功率變頻調(diào)速的機(jī)械特性（n-M）關(guān)系曲線)見(jiàn)圖8.8。 圖8.8 恒功率變頻調(diào)述的機(jī)械特性 電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，定子電壓U1的調(diào)節(jié)范圍是U1<U1e（額定電壓），當(dāng)f1 >f1e（額定額率）時(shí)，須將U1保持在U1e，由于f1 >f1e，則轉(zhuǎn)速增高，此時(shí)氣隙磁通變小，導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩變小，但由于轉(zhuǎn)速增高了，仍能保持恒功率。8.2.5變頻器的U/f控制和轉(zhuǎn)差頻率控制方式為適應(yīng)不同應(yīng)用場(chǎng)合、不同特性

24、的拖動(dòng)設(shè)備，逆變器的控制方式也就不同。大體上說(shuō)，逆變器可進(jìn)行開(kāi)環(huán)與閉環(huán)控制，開(kāi)環(huán)控制時(shí)，整個(gè)變頻調(diào)速系統(tǒng)到電機(jī)是一個(gè)單向有序的控制運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)；閉環(huán)控制時(shí)，從變頻調(diào)速系統(tǒng)到電動(dòng)機(jī)之間構(gòu)成一個(gè)正向控制及反饋控制的環(huán)路。閉環(huán)控制時(shí)，常將電動(dòng)機(jī)的速度檢出作為輸出的反饋量送回控制系統(tǒng)，進(jìn)行輸入輸出的對(duì)比協(xié)凋控制。開(kāi)環(huán)控制有U1/f1協(xié)調(diào)控制方式；閉環(huán)控制有轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制、鎖相控制等方式。最早發(fā)展的是U/f控制，轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制等是在以后才發(fā)展起來(lái)的。需要指出的是，矢量控制是一種性能優(yōu)良的控制方式。直流電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)異的調(diào)速性能，但由于直流電動(dòng)機(jī)具有體積大、造價(jià)高、零部件易損壞、直流電源的獲得須

25、附加昂貴的設(shè)備等因素，使直流電機(jī)根本無(wú)法在有調(diào)速要求的工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合進(jìn)行規(guī)?；墓I(yè)應(yīng)用。矢量控制的優(yōu)異調(diào)速性能甚至可以與直流電動(dòng)機(jī)的電樞電流控制調(diào)速相媲美。一、U/f控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、頻率改變時(shí)，電機(jī)內(nèi)部阻抗也發(fā)生改變，僅調(diào)低頻率就會(huì)出現(xiàn)弱勵(lì)磁從而引起轉(zhuǎn)矩下降，調(diào)高頻率會(huì)出現(xiàn)過(guò)勵(lì)磁引起磁飽和使電動(dòng)機(jī)效率、功率因數(shù)大幅下降，因此變頻調(diào)速過(guò)程就以維持電機(jī)氣隙磁通不變?yōu)樵瓌t。這種U/f控制，就是在前面講的恒功率調(diào)速、恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速、恒最大轉(zhuǎn)短調(diào)速控制。U/f控制多用于通風(fēng)機(jī)、水泵類負(fù)載通用逆變器等場(chǎng)合。二、轉(zhuǎn)差頻率控制 在異步電動(dòng)機(jī)中，同步轉(zhuǎn)速n0和電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速n之差（n0-n）與n0之比稱為轉(zhuǎn)差率。這里

26、n0對(duì)應(yīng)于f1，n對(duì)應(yīng)于f，f是電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，注意關(guān)系2，。 （8.14）根據(jù)拖動(dòng)理論可知，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩M正比于氣隙磁通的平方，正比于轉(zhuǎn)差頻率即 （8.15）通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差頻率，即可調(diào)M轉(zhuǎn)矩，最終實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。三、兩種控制方式的特點(diǎn)（一）U/f控制的特點(diǎn) (1)控制方式簡(jiǎn)單，能適合各種交流電動(dòng)機(jī)。 （2）調(diào)速范圍為1:10 。（3） 不能進(jìn)行轉(zhuǎn)矩控制。 （4）在急加減速過(guò)程中，過(guò)電流抑制能力小。(二)轉(zhuǎn)差頻率控制的特點(diǎn)（1）速度控制范因?yàn)?:20 。（2）除用于車(chē)輛調(diào)速情況可進(jìn)行轉(zhuǎn)矩控制外，一般不適合于轉(zhuǎn)矩控制。（3）控制比較簡(jiǎn)單。（4）急加減速過(guò)程中電流抑制能力比U/f控制方式強(qiáng)。8.3變

27、頻器的選擇 異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制時(shí)，除了調(diào)速范圍、調(diào)速精度等主要技術(shù)性能指標(biāo)必須滿足要求外，變頻器的容星選擇及其他相關(guān)事項(xiàng)的合理配置，是電機(jī)調(diào)速控制裝置安全可靠運(yùn)行的重要前提。本章以通用變頻器為例說(shuō)明變頻器選擇的有關(guān)問(wèn)題。8.3.1變頻器容量的表示 通常變頻器以適用電機(jī)容量（kw）、輸出容量（KVA）、額定輸出電流（A）表示。其中額定電流為變頻器允許的最大連續(xù)輸出的電流有效值，無(wú)論什么用途部不能連續(xù)輸出超過(guò)此值的電流。 輸出容量為額定額出電壓及額定輸出電流時(shí)的三相視在輸出功率。根據(jù)實(shí)際情況，此值只能作變頻容量的參考值。這是因?yàn)殡S輸入電壓的降低此值無(wú)法保證。不同廠家的變頻器適用同樣的電機(jī)容量（KW

28、），而其輸出容量（KVA）則有較大差距，其根本問(wèn)題在于同一電壓等級(jí)的變頻器的輸出容量（KVA）的計(jì)算電壓不同。因此，不同廠家適合同一容量電機(jī)（KW）的變頻器的輸出容量無(wú)可比性，容易引起誤會(huì)。例如，適合電機(jī)容量15KW，甲公司的變頻器適應(yīng)電壓工作380480V，額定電流27A，輸出容量為22KVA，而乙公司的適應(yīng)工作380440V，額定電流34A，輸出容量為22.8kVA 。兩項(xiàng)比較，額定電流相差20，而輸出容量幾乎相當(dāng)，前者以480V、后者以400V為基準(zhǔn)計(jì)算的輸出容量。即使不同公司均以440V為基準(zhǔn)計(jì)算的輸出容量的，適合電機(jī)容量15kW，丙公司的輸出容量為26KVA，而丁公司的變頻器輸出容量

29、僅為22.8KVA、原因在于前者的額定電流不同，前者為34A，后者為30A。8.3.2變頻器容量的選擇 一、根據(jù)電機(jī)電流選擇 不同生產(chǎn)廣家的電機(jī)，不同系列的電機(jī)，不同極數(shù)的電機(jī)，即使同一容量等級(jí)，其額定電流也不盡相同。 變頻器生產(chǎn)廠家給出的數(shù)據(jù)，都是對(duì)4極電機(jī)而言的。如果選用6極電機(jī)或多極電機(jī)傳動(dòng)，不能單純以電機(jī)容量為準(zhǔn)選擇變頻器。因此，按式（8.16）計(jì)算決定變頻器容量是必要的。 （8.16）式中 變頒器的額定輸出電流，A； 電功機(jī)的額定輸出電流，A； K一系數(shù)（一般K=1.1，由于變頻器輸出電壓、電流中所臺(tái)高次諧波的影響，電動(dòng) 機(jī)的效率、功率因數(shù)降低、電流增加約10%左右；）； n并聯(lián)電動(dòng)

30、機(jī)的臺(tái)數(shù)。根據(jù)電機(jī)電流選擇變頻器容量時(shí)還耍注意以下幾個(gè)問(wèn)題。（一）4極以上電機(jī) 從電機(jī)手冊(cè)查表知，同樣容量的4極電機(jī)與8極電機(jī)的額定電流約差10左右，就對(duì)國(guó)外十多家公司變頻器的了解，如果配6極15kW電機(jī)，按樣本查適用15kW電機(jī)的變頻器則有兩家公司變頗器的額定心流滿足式（8.16），可以使用。如果配8極15kW屯機(jī)，則無(wú)一家公司變頻器的額定電流能滿足式（8.16）。因此，如果要求8極15KW電機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行，就要選適合18.5Kw（4極）電機(jī)的變頻器。 （二）大過(guò)載容量 根據(jù)負(fù)載的不同類型，往往需要過(guò)載能力更大的變頻器，譬如200過(guò)載，60s。但通用變頻路過(guò)電流能力通常為在個(gè)周期內(nèi)允許125或

31、150過(guò)載，60s。超過(guò)過(guò)載值就必須增大變頗器容量。例如，對(duì)于35060s過(guò)載能力的變額器，要求用于200，60s過(guò)載時(shí)，必須按式（8.16）算出總額定電流的倍數(shù)（2001501.35）。按其選擇變頻器容量。 （三）過(guò)載頻度 通用變頻器器規(guī)定12560s或150、60s的過(guò)載能力的同時(shí)，還規(guī)定了工作周期，有的廠家規(guī)定300s為一個(gè)過(guò)載周期，而有的廠家規(guī)定600s為個(gè)過(guò)載周期，嚴(yán)格按規(guī)定運(yùn)行，變頻器就不會(huì)過(guò)熱。同時(shí)，應(yīng)當(dāng)知道，大多數(shù)廠家給出的電流過(guò)載倍數(shù)是在規(guī)定的工作周期內(nèi)，允許長(zhǎng)期連續(xù)電流，即以額定輸出電流為基礎(chǔ)。但也有個(gè)別公司在標(biāo)明電流過(guò)載150，60s的同時(shí)指出，其基礎(chǔ)電流為額定輸出電流的

32、91。這就是說(shuō)當(dāng)傳動(dòng)設(shè)備剛投入運(yùn)行時(shí)，允許過(guò)載額定輸出電流的150，60s，而后一個(gè)工作用期中仍需過(guò)載150，60s，則必須保證過(guò)載前的負(fù)載電流不大于91額定電流，此時(shí)過(guò)載實(shí)為額定輸出電流的0.91×150136。 在定周期內(nèi)服制過(guò)電流的倍數(shù)及時(shí)間、可保證變頻器不超過(guò)最大允許溫升。過(guò)流能力不變，如要縮短工作周期，則必須加大變頻器容量；頻繁起制動(dòng)的生產(chǎn)機(jī)械、其工作周期遠(yuǎn)低于規(guī)定周期。般選用的變頻器的容量應(yīng)比電機(jī)容量大2.2等級(jí)。過(guò)載時(shí)間雖短，但頻率卻很高，如高爐料車(chē)、電梯、各類吊車(chē)等。 （四）起動(dòng)電流標(biāo)準(zhǔn)異步電動(dòng)機(jī)從工頻電源直接起動(dòng)時(shí)，通常起動(dòng)電流為電機(jī)額定電流的67倍，電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩也

33、可達(dá)到電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的1.52.5倍左右。但是由變頻器供電時(shí)，電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)及加速持性受變頻器過(guò)流能力制約，加速電流不超過(guò)額定電流的150，所以起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、加速轉(zhuǎn)矩要比工頻電源直接起動(dòng)時(shí)小些。因此可能出現(xiàn)某些不止常的情況，如較大靜止負(fù)載的設(shè)備用工頻電源直接起動(dòng)加速不成問(wèn)題，而用正常配置的變頻器起動(dòng)則很困難等。解決問(wèn)題的最有效的方法就是增大變頻器的容量。 （五）變極電動(dòng)機(jī) 變極電動(dòng)機(jī)多為24級(jí)變速，改接引線即可。采用變頻器供電可以在要求更寬的調(diào)速范圍內(nèi)使用。變極電動(dòng)機(jī)在變極與變頗同時(shí)使蝴時(shí)要特別注意：同容量變極電動(dòng)機(jī)比標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)機(jī)機(jī)座號(hào)大，電流大，所以要特別注意應(yīng)按電動(dòng)機(jī)電流選變頻器，其容量可能要比標(biāo)準(zhǔn)

34、電動(dòng)機(jī)匹配的容最大數(shù)擋。 二、按負(fù)載性質(zhì)選擇眾所周知，用變頻器傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)與用正弦波（工頻電源）傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)相比，由于變頻器輸出波形中含有高次諧波的影響，電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)，效率均將惡化，溫升升高。另一方面，變頻傳動(dòng)時(shí)要得到與工頻電源傳動(dòng)時(shí)同樣的轉(zhuǎn)矩，變頻器輸出電流的基波有效值通常要等于工頻電源的有效值。變頻器輸出電流內(nèi)基波電流I1與高次諧波電流Ik疊加合成。因此，變頻器傳動(dòng)時(shí)電機(jī)的基本特性將不同于工頻電源傳動(dòng)。3、 變頻器外圍設(shè)備選擇及其他（1） 外圍設(shè)備的應(yīng)用 變頻器的外圍設(shè)備有電源、無(wú)熔絲斷路器、電磁接觸器、功率改善的AC電抗器、輸入側(cè)濾波器、變頻器及輸出側(cè)濾波器，如圖8.9所示。其注意事項(xiàng)分別如下。 1、電源 （1）請(qǐng)注意電壓等級(jí)是否正確，以避免損壞變頻器。 （2）交流電源與變頻器之間必須安裝無(wú)熔絲斷路器。 2、無(wú)熔絲斷路器 （1）請(qǐng)使用符合變頻器額定電壓及電流等級(jí)的無(wú)熔絲斷路器作變頻器的電源ONOFF控制，并作變頻器的保護(hù)：（2）無(wú)熔絲斷路器請(qǐng)勿作變頻器的運(yùn)轉(zhuǎn)停止切換功能。 3、電磁接觸器 （1）一般使用時(shí)可不加電磁接觸器。但作外部控制或停電后自