【正文】 度可用相鄰兩轉(zhuǎn)速之比來衡量，稱為平滑系數(shù)，即越接近于1，平滑性越好。無級調(diào)速時=1，平滑性最好。4) 調(diào)速的穩(wěn)定性調(diào)速的穩(wěn)定性是用來說明電動機(jī)在新的轉(zhuǎn)速下運行時，負(fù)載變化而引起轉(zhuǎn)速變化的程度，通常用靜差率來表示。其定義為：當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運行時，負(fù)載由理想空載增加到額定值時所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降與理想空載轉(zhuǎn)速之比，即s越小，穩(wěn)定性越好。靜差率與機(jī)械特性的硬度有關(guān)。機(jī)械特性的硬度的定義為越大，轉(zhuǎn)矩變化時，變化的程度就越小，機(jī)械特性就越硬，靜差率就越小，穩(wěn)定性就越好。靜差率還與理想空載轉(zhuǎn)速的大小有關(guān)。例如兩條平行的機(jī)械特性硬度相同，在靜差率公式中的相同，由于不同，他們的s就不同，大的，s小，小的，s就大。生產(chǎn)機(jī)械在調(diào)速時，為保持一定的穩(wěn)定性會對靜差率提出一定的要求。靜差率還會對調(diào)速范圍起到制約的作用，因為如果調(diào)速時所得到的最低轉(zhuǎn)速下的s太大，則該轉(zhuǎn)速性太差，便難以滿足生產(chǎn)機(jī)械的要求。5) 調(diào)速的經(jīng)濟(jì)性這要由調(diào)速時的初期投資，調(diào)速后的電能消耗以及各種運行費用的多少來說明。6) 調(diào)速時的允許負(fù)載 電動機(jī)在各種不同轉(zhuǎn)速下滿載運行時，如果允許輸出的功率相同，則這種調(diào)速方法稱為恒功率調(diào)速；如果允許輸出的轉(zhuǎn)矩相同，則這種調(diào)速的方法稱為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。 不同的生產(chǎn)機(jī)械對此的要求往往不同。例如切削機(jī)床，要求精加工小切削量時，工件轉(zhuǎn)速高，粗加工大切削時，工件轉(zhuǎn)速低。因此，它希望電動機(jī)能具有恒功率調(diào)速的性能。另一類生產(chǎn)機(jī)械，例如起重機(jī)、卷揚機(jī)等則要求電動機(jī)在各種轉(zhuǎn)速下都能輸出同樣的轉(zhuǎn)矩，因此，它希望電動機(jī)具有恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速的性能[1]。 變頻調(diào)速的基本原理根據(jù)異步電機(jī)的知識，異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為： 其中：—異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，單位為r/min； —定子的電源頻率，單位為Hz； —電機(jī)的轉(zhuǎn)速滑差率； —電機(jī)的極對數(shù)。 三相異步電動機(jī)的調(diào)速方法可分為兩大類：一類是通過改變同步轉(zhuǎn)速來改變轉(zhuǎn)速，具體方法有變極調(diào)速(改變)和變頻調(diào)速(改變)；另一類是通過改變轉(zhuǎn)差率來實現(xiàn)調(diào)速，這就需要讓電動機(jī)從固有特性上運行改為人為特性上運行，具體方法有變壓調(diào)速(改變)，轉(zhuǎn)子電路串電阻調(diào)速(改變)，等等。由上式可知，如果改變輸入電機(jī)的電源頻率，則可相應(yīng)改變電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速。 在電動機(jī)調(diào)速時，一個重要的因素時希望保持每極磁通量為額定值不變。磁通太弱，沒有充分利用電機(jī)的磁心，是一種浪費；若要增大磁通，又會使磁通飽和，從而導(dǎo)致過大的勵磁電流，嚴(yán)重時會因為繞組過熱而損壞電機(jī)。對于直流電機(jī)來說，勵磁系統(tǒng)是獨立的，所以只要對電樞反應(yīng)的補(bǔ)償合適，保持 不變是很容易做到的。在交流異步電機(jī)中，磁通是定子和轉(zhuǎn)子合成產(chǎn)生的。 三相異步電動機(jī)每相電動勢的有效值是：式中：—氣隙磁通在定子每相中感應(yīng)電動勢有效值，單位為V；— 定子頻率，單位為Hz；—定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)；—定子基波繞組系數(shù)；—每極氣隙磁通量，單位為Wb；由公式可知，只要控制好和，便可以控制磁通中不變，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)速當(dāng)電源頻率在基頻以下調(diào)速時，電動機(jī)轉(zhuǎn)速下降，但在調(diào)節(jié)電源頻率的同時，必須同時調(diào)節(jié)電動機(jī)的定子電壓，且始終保持常數(shù)，否則電動機(jī)無法正常工作。這是因為三相異步電動機(jī)定子繞組相電壓，當(dāng)下降時，若不變，則必使電動機(jī)每極磁通增加，在電動機(jī)設(shè)計時，處于磁路磁化曲線的膝部，的增加將進(jìn)入磁化曲線飽和段，使磁路飽和，電動機(jī)空載電流劇增，使電動機(jī)負(fù)載能力變小，而無法正常工作。為此，電動機(jī)在基頻以下調(diào)速時，應(yīng)使恒定不變。所以，在頻率下調(diào)的同時應(yīng)使電動機(jī)定子相電壓隨之下調(diào)，并使常數(shù)。可見，電動機(jī)額基頻以下的調(diào)速為恒磁通調(diào)速，由于不變，調(diào)速過程中電磁轉(zhuǎn)矩不變，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。2) 基頻以上調(diào)速 當(dāng)電源頻率在基頻以上調(diào)節(jié)時，電動機(jī)的定子相電壓是不允許在額定相電壓以上調(diào)節(jié)的，否則會危及電動機(jī)的絕緣。所以，電源頻率上調(diào)時，只能維持電動機(jī)定子相電壓不變。于是，隨著升高將下降，但上升，故屬于恒功率調(diào)速。 把基頻以下和基頻以上兩種情況合起來，可得到異步電動機(jī)的變頻調(diào)速控制特性，如圖21所示。如果電動機(jī)在不同的轉(zhuǎn)速下都具有額定電流，則電動機(jī)都能在溫升容許的條件下長期運行，這時轉(zhuǎn)矩基本上隨磁通變化。在基頻以下，屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”的調(diào)速，而在基頻以上，基本上屬于“恒功率調(diào)速”[2]。圖21 異步電動機(jī)變頻調(diào)速控制特性Fig. 21 Variable frequency speedgoverning control characteristics of asynchronous motor 三相異步電動機(jī)變頻調(diào)速的機(jī)械特性 =常數(shù)時的變頻調(diào)速機(jī)械特性 下面來分析機(jī)械特性中的三個特殊點，并由此來決定機(jī)械特性。同步點：由，則，下調(diào)，隨之下降。最大轉(zhuǎn)矩點：由c=常數(shù)，=常數(shù)，而臨界轉(zhuǎn)差率，臨界轉(zhuǎn)速降常數(shù)。因此，在不同頻率下，最大轉(zhuǎn)矩保持不變，且對應(yīng)于最大轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)速降也不變。所以其機(jī)械特性基本上是平行的。但當(dāng)下調(diào)過低時，因也很低，此時定子電阻上的壓降已不能再忽略，而使、下降更嚴(yán)重，電動機(jī)的將變小。起動轉(zhuǎn)矩點：電動機(jī)起動轉(zhuǎn)矩。所以起動轉(zhuǎn)矩隨頻率下降而增加。由此可畫出=常數(shù)時，三相異步電動機(jī)變頻調(diào)速特性如圖22所示：圖22 三相異步電動機(jī)=常數(shù)變頻調(diào)速機(jī)械特性Fig. 22 Mechanical characteristics of threephase asynchronous motor=constant variable Frequency speedgoverning 的變頻調(diào)速機(jī)械特性同步點：由，則，當(dāng)調(diào)高時，隨之上升。最大轉(zhuǎn)矩點：由，當(dāng)調(diào)高時，減小。起動轉(zhuǎn)矩點： ，當(dāng)調(diào)高時，起動轉(zhuǎn)矩大大減小。此時電動機(jī)機(jī)械特性如圖23所示：圖23 時三相異步電動機(jī)變頻調(diào)速機(jī)械特性 Mechanical characteristics of threephase asynchronous motor variable frequency speedgoverning 變頻器三相異步電動機(jī)變頻調(diào)速所用的變頻電源有兩種，一種是變頻機(jī)組，另一種是靜止的變頻裝置變頻器。前者由直流電動機(jī)和交流發(fā)電動機(jī)組成，調(diào)節(jié)直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速就能改變交流發(fā)電動機(jī)的頻率，由于變頻機(jī)組設(shè)備龐大，可靠性差。隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，靜止式變頻器已完全取代了早期的旋轉(zhuǎn)變頻機(jī)組。 變頻器的分類按變頻的原理有交—交變頻器和交—直—交變頻器。前者是將頻率固定的交流電源變換成頻率連續(xù)可調(diào)的交流電源，其主要優(yōu)點是沒有中間環(huán)節(jié)，變換頻率高，但其連續(xù)可調(diào)的頻率范圍較窄，一般在 ，故主要用于容量較大的低速拖動系統(tǒng)中。后者是將頻率固定的交流電整流后變成直流，再經(jīng)過逆變電路，把直流電逆變成頻率連續(xù)可調(diào)的三相電流。由于把直流電逆變成交流電較易控制，因此在頻率的調(diào)節(jié)范圍、變頻后電動機(jī)特性的改善等方面都具有明顯的優(yōu)勢，目前使用最多的變頻器均為交—直—交變頻器。 根據(jù)直流環(huán)節(jié)的儲能方式不同，交—直—交變頻器又分為電壓型和電流型兩種。 電壓型變頻器是指變頻器整流后是由電容來濾波，現(xiàn)在使用的交—直—交變頻器大部分為電壓型變頻器。電流型變頻器是指變頻器整流后是由電感元件來濾波，目前少見。根據(jù)調(diào)壓方式不同，交—直—交變頻器又分成脈幅調(diào)制型和脈寬調(diào)制型兩種。脈幅調(diào)制是指變頻器輸出電壓大小是通過改變直流電壓大小來實現(xiàn)的，常用PAM表示。這種調(diào)壓方式很少使用。脈寬調(diào)制是指變頻器輸出電壓大小是通過改變輸出脈沖的占空比來實現(xiàn)的，常用PWM表示。目前使用最多的占空比按正弦規(guī)律變化的正弦脈寬調(diào)制，即SPWM方式。 變頻器的主電路包括整流電路、濾波及限流電路、直流中間電路、逆變電路和能耗制動電路等部分組成，其中整流電路和逆變電路是很重要的兩部分，下面簡單介紹一下整流電路和逆變電路。 1)．整流電路 一般的三相變頻器的整流電路由三相全波整流橋組成。它的主要作用是對工頻的外部電源進(jìn)行整流，并給逆變電路和控制電路提供所需要的直流電源。整流電路按其控制方式，可以是直流電壓源，也可以是直流電流源。直流中間電路的作用是對整流電路的輸出進(jìn)行平滑，以保證逆變電路和控制電源能夠得到質(zhì)量較高的直流電源。此外，由于電動機(jī)制動的需要，在直流中間電路中有時還包括制動電阻以及其它輔助電路。 2)．逆變電路 逆變電路是變頻器主要的部分之一。它是利用六個半導(dǎo)體開關(guān)器件組成的三相橋式逆變電路，有規(guī)律的控制逆變器中的主開關(guān)元器件的通與斷，得到任意頻率的三相交流電輸出。由于逆變器的負(fù)載為異步電動機(jī)，屬感性負(fù)載，無論電動機(jī)處于拖動狀態(tài)還是發(fā)電制動狀態(tài)，變頻器功率因素總不會為1。因此，在直流環(huán)節(jié)和電動機(jī)之間總會有無功功率的交換，這種無功能量就靠這之間直流環(huán)節(jié)的儲能元件來緩沖。它的主要作用是在控制電路的控制下，將平滑電路輸出的直流電源轉(zhuǎn)換為頻率和電壓都任意可調(diào)的交流電源。逆變電路的輸出就是變頻器的輸出，它被用來實現(xiàn)對異步電動機(jī)的調(diào)速控制。 變頻器控制電路包括主控制電路、信號檢測電路、門極驅(qū)動電路、外部接口電路以及保護(hù)電路等幾個部分，是變頻器的核心部分?？刂齐娐返膬?yōu)劣決定了變頻器性能的優(yōu)劣?？刂齐娐返闹饕饔檬峭瓿蓪δ孀兤鏖_關(guān)控制、對整流器的電壓控制以及完成各種保護(hù)功能。 交—直—交變頻器 這種變頻器主要由整流調(diào)壓、濾波及逆變?nèi)糠纸M成，如圖24所示。在此，僅對逆變器的工作原理作一介紹。圖24 交—直—交變頻器 ACDCAC transducer1) 單相逆變電路 圖25為單相逆變電路原理圖。當(dāng)開關(guān)SS4 同時閉合時，電壓為正；開關(guān)SS3同時閉合時，電壓為負(fù)。由于開關(guān)S1~S4的輪流通斷，從而將直流電壓逆變成了交流電壓?？梢钥吹皆诮涣麟娮兓囊粋€周期中，一個臂上的兩個開關(guān)SS2交替導(dǎo)通，每個開關(guān)導(dǎo)通派的電角度。因此，交流電的頻率可以通過改變開關(guān)通斷的速度來調(diào)節(jié)，交流電壓的幅值為直流電壓幅值。a) 主電路 b) 開關(guān)通斷規(guī)律 c) 波形圖圖25 單相逆變電路原理圖a) main circuit b) switch make and break law c) oscillogram Singlephase invert schematic circuit2) 三相逆變電路 圖26為三相逆變電路原理圖。圖中開關(guān)S1~S6組成逆變電路。這6個開關(guān)交替的接通、關(guān)斷，就可以在輸出端獲得一個相位互差的三相交流電壓。當(dāng)SS4閉合時，為正；當(dāng)SS3閉合時，為負(fù)；當(dāng)SS6閉合時，為正；當(dāng)SS4閉合時，、在相位上依次相差，各開關(guān)的接通、斷開應(yīng)符合一定的規(guī)律。由上可看出：各橋臂上的開關(guān)始終處于交替閉合、斷開的狀態(tài)；各相的開關(guān)順序以各相的首端為準(zhǔn)，互差電角度，如S3比S1滯后，S5比S3滯后。由以上分析可知，通過6個開關(guān)的交替工作可以得到三相交流電，只要調(diào)節(jié)開關(guān)的通斷速度就可以調(diào)節(jié)電頻率。a) 主電路 b) 開關(guān)通斷規(guī)律 c) 波形圖圖26 三相逆變電路原理圖a) main circuit b) switch make and break law c) oscillogram Priciple diagram of threephase inverting circuit3) 電壓型交—直—交變頻器的濾波器采用大容量的電容器。對逆變器來說，其直流電源的阻抗(包括濾波器)遠(yuǎn)小于逆變器的阻抗，故可將逆變器前面部分看作恒壓源，其直流輸出電壓穩(wěn)定不變。因此，經(jīng)過逆變器切換后輸出的交流電壓波形接近于矩形波。圖27為簡單三相電壓逆變器的主電路(不包括換流)圖。假設(shè)每一個晶閘管的導(dǎo)通角為，且晶閘管按VTVT…、VT6的順序觸發(fā)導(dǎo)通，各觸發(fā)信號彼此相位差為，換流瞬時完成，則在任何瞬間，每個臂上只有一個VT導(dǎo)通，而三個臂上各有一個VF導(dǎo)通。該電路波形如圖28所示?？梢娝且粋€方段矩形組成的三相交流波形。圖27 三相橋式逆變電路主電路 Three phase bridge type main circuit圖28 三相逆變器輸出電壓波形圖 Threephase inverter output voltage oscillogram圖27中與晶閘管VT反并聯(lián)的二極管VD的作用是：在該晶閘管由截至轉(zhuǎn)為導(dǎo)通時，給負(fù)載電流提供一條通路，通過二極管將無功能量反饋給濾波電容。該電路結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用比較廣泛，其缺點是：電源側(cè)功率因數(shù)低，因存在較大的濾波環(huán)節(jié)，故動態(tài)響應(yīng)較慢。(PWM)變頻器1) 在一般的交直交變頻器供電的變壓、變頻調(diào)速中，為獲得變頻調(diào)速所要求的變頻與變壓的協(xié)調(diào)控制，整流器必須是可控整流，這樣在變頻調(diào)速時要同時控制整流器和逆變器，這就帶來一系列的問題。首先是主電路中有兩個可控功率環(huán)節(jié)，這樣使系統(tǒng)比較復(fù)雜；第二由于中間環(huán)節(jié)存在動態(tài)元件，使系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)緩慢；第三由于整流器是可控的，使控電電源的功率因數(shù)隨變頻裝置輸出頻率的降低而變差，并產(chǎn)生高次諧波電源；第四逆變器輸出為六拍階梯波交變電壓，在拖動電動機(jī)中形成較多的各次諧波，從而產(chǎn)生較大的脈動轉(zhuǎn)矩，影響電動機(jī)的穩(wěn)定工作，低速時尤為嚴(yán)重。為解決上述問題，采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制方式。圖29為PWM逆變器示意圖，在該逆變器電路中，同時進(jìn)行輸出電壓幅值與頻率的控制，滿足變頻調(diào)速對電壓與頻率協(xié)調(diào)控制的要求。這樣，首先使主電路只有一個可控的功率環(huán)節(jié)，簡化了結(jié)構(gòu)；第二使用了不可控整流器，使電網(wǎng)功率因數(shù)與逆變器輸出電壓的大小無關(guān)而接近1；第三逆變器在調(diào)節(jié)的同時實現(xiàn)調(diào)壓，而與中間直流環(huán)節(jié)的元件參數(shù)無關(guān)，加快了系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)；第四可獲得比常規(guī)六拍階梯波更好的輸出電壓波形，能抑制或消除低次諧波，使負(fù)載電動機(jī)可在近似正弦波的交變電壓下運行，轉(zhuǎn)矩脈沖小，大大擴(kuò)展了拖動系統(tǒng)的調(diào)速范圍，提高了系統(tǒng)性能。圖29 PWM逆變器組成 PWM inverter