【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 電動(dòng)機(jī)在較低的頻率下起動(dòng)，從而可以改善轉(zhuǎn)子的功率因數(shù)，增大起動(dòng)時(shí)單位電流的轉(zhuǎn)矩。一般說(shuō)來(lái)，可以在起動(dòng)電流大致為二倍額定電流的情況下，利用變頻調(diào)節(jié)獲得重載下的良好的起動(dòng)性能。由靜止變頻器向電動(dòng)機(jī)提供變頻功率時(shí)，為了使電動(dòng)機(jī)的鐵磁材料得到充分利用，電動(dòng)機(jī)應(yīng)維持在適當(dāng)?shù)拇艩顟B(tài)，一般接近于飽和的狀態(tài)。這就是說(shuō)應(yīng)當(dāng)使氣隙磁通維持為常值。在這種情況下，電動(dòng)機(jī)的矩速特性如圖24所示，這種特性對(duì)于拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩不變而速度要變的負(fù)載是很適宜的。圖25 一定的電壓、不同的頻率時(shí)異步電動(dòng)機(jī)的矩速特性圖24 一定的氣隙磁通、不同的電源頻率下異步電動(dòng)機(jī)的矩速特性倘若定子的供電頻率變化而電壓保持不變，即在恒電壓下進(jìn)行變頻調(diào)節(jié)，則氣隙磁通和最大轉(zhuǎn)矩隨著頻率的上升而下降，如圖25所示。顯然，這種特性適合于牽引的要求，它在起動(dòng)和低速時(shí)有較大的轉(zhuǎn)矩，而在高速時(shí)轉(zhuǎn)矩較小。由上可見，對(duì)于異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)節(jié)應(yīng)當(dāng)依照電動(dòng)機(jī)本身的特點(diǎn)和負(fù)載的要求來(lái)進(jìn)行，當(dāng)然，也要考慮到控制手段的程度而遵循一定的規(guī)律。下面我們對(duì)不同調(diào)節(jié)方式下異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性分別予以討論。二 恒磁通運(yùn)行為了獲得不變的氣隙磁通，需要對(duì)電動(dòng)機(jī)按照比值不變進(jìn)行調(diào)節(jié)。現(xiàn)在首先分析一下這種調(diào)節(jié)方式下的轉(zhuǎn)矩特性。 由圖22的等值電路可得轉(zhuǎn)子電流的數(shù)值為 （215）轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差率可用轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差頻率（即轉(zhuǎn)子電流頻率）和定子頻率的比值表示為再由式（213）可得到以下轉(zhuǎn)矩表達(dá)式。 （216a）由于，所以上式又可寫成 （216b）該式表明，電磁轉(zhuǎn)矩正比于氣隙磁通的平方。若在調(diào)節(jié)時(shí)維持不變，亦即為常數(shù)，則電磁轉(zhuǎn)矩完全由轉(zhuǎn)子的頻率所決定，而與定子頻率無(wú)關(guān)。 將式（216）對(duì)求導(dǎo)并令其等于0，可得到轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)差頻率 （217）將該式代入式（216a），可得電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩為 （218）該式表明，的數(shù)值與一樣正比于氣隙磁通的平方。但是，最大轉(zhuǎn)矩的大小卻與轉(zhuǎn)子電阻無(wú)關(guān)，而僅反比于轉(zhuǎn)子的漏電感。就給定的電機(jī)來(lái)說(shuō)，可視為常數(shù)，故在按恒定的比值進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，電動(dòng)機(jī)在不同的頻率下其最大轉(zhuǎn)矩的數(shù)值保持不變，如圖24所示。至于最大轉(zhuǎn)矩所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)差頻率，由式（217）可見，將受轉(zhuǎn)子電阻的影響，但對(duì)鼠籠式電機(jī)來(lái)說(shuō)轉(zhuǎn)子電阻不能調(diào)節(jié)，若忽略集膚效應(yīng)，亦是常數(shù)，因而臨界轉(zhuǎn)差頻率也是定值。這從圖24可看到，不同下的值實(shí)際上是相同的。 若令式（216a）除以式（218）并將式（217）所示的參數(shù)關(guān)系代入其中，可以得到適用于恒磁通運(yùn)行時(shí)的實(shí)用轉(zhuǎn)矩表示式 （219）由于電動(dòng)機(jī)的銘牌將給出：額定功率（kW）、額定轉(zhuǎn)速（r/min）及過(guò)載（這里為額定狀況下的電磁轉(zhuǎn)矩），同時(shí)額定轉(zhuǎn)差率可以求出，即，故額定轉(zhuǎn)差頻率成為已知（），將及代入式（219）即為由此可以求得另外，可以近似計(jì)算出來(lái)（忽略機(jī)械損耗），即于是成為已知，有了和就可以由式（219）求出相對(duì)于的關(guān)系。 在恒磁通運(yùn)行時(shí)，定子電流可從等值電路圖22得出 （220）該式表明，由于為常數(shù)，所以定子電流只決定于轉(zhuǎn)差頻率，而與定子頻率無(wú)關(guān)。倘若調(diào)節(jié)時(shí)保持不變，則在不同的下，的大小及相位都是固定不變的。最后，討論一下恒磁通運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)的端電壓應(yīng)如何變化。由等值電路圖22可知，端電壓為感應(yīng)電勢(shì)和定子電壓降的向量和，即 （221）恒磁通運(yùn)行時(shí)，因隨頻率直線變化，由上式可見，僅與和有關(guān)。又從式（220）已知，只取決于轉(zhuǎn)差率，所以最終即為和的函數(shù)。對(duì)于給定的電動(dòng)機(jī)，根據(jù)轉(zhuǎn)矩的要求利用式（219）或式（216）可求出相應(yīng)的轉(zhuǎn)差頻率，由式（220）進(jìn)而求得相應(yīng)的電流，最后代入式（221）確定電動(dòng)機(jī)所需要的端電壓。對(duì)應(yīng)于一定的轉(zhuǎn)差頻率，可以求出電機(jī)端電壓與定子頻率函數(shù)關(guān)系，如圖26中的實(shí)線所示。圖中虛線表示常數(shù)，實(shí)線與虛線相比，可以看出電動(dòng)機(jī)在低頻時(shí)為保持磁通一定時(shí)需要增高的電壓。圖26 恒磁通運(yùn)行時(shí)電動(dòng)機(jī)端電壓與定子頻率的關(guān)系第三節(jié) 恒電壓頻率比控制 前面已指出，電動(dòng)機(jī)的每極磁通正比于比值，如式（24）所示。在進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)時(shí)，若能維持比值不變，則可得到恒定的氣隙磁通，亦即在任何頻率下，可以保持磁路的一定的飽和程度。從電機(jī)材料有效利用的觀點(diǎn)來(lái)看，這是通常希望的。由于在一般情況下，定子繞組的漏阻抗所引起的電壓降與電機(jī)的端電壓相比可以忽略，亦即和可以認(rèn)為近似相等。因而可按照不變的比值進(jìn)行調(diào)節(jié)，這就是所謂的恒電壓/頻率比的運(yùn)行方式。這種調(diào)節(jié)方式只需要由靜止變頻器提供線性的電壓—頻率輸出特性，從控制技術(shù)上很容易實(shí)現(xiàn)，故它被較多地應(yīng)用于簡(jiǎn)單的開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中。在這種運(yùn)行方式下，轉(zhuǎn)矩公式（214）中的比值成為常數(shù)，可以寫成 （222） 圖27 恒電壓/頻率比下異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性當(dāng)電機(jī)的參數(shù)已知時(shí)，對(duì)應(yīng)于某一定子頻率，利用該式可以計(jì)算出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子頻率（或轉(zhuǎn)差率）的關(guān)系，具體如圖27所示。圖中轉(zhuǎn)矩以標(biāo)么值（額定轉(zhuǎn)矩為基值）表示，轉(zhuǎn)子頻率為正時(shí)，即轉(zhuǎn)差率為正值，表示轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于同步轉(zhuǎn)速，為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。轉(zhuǎn)子頻率為負(fù)時(shí)，則表示轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高于同步轉(zhuǎn)速，作發(fā)電機(jī)運(yùn)行。由該圖可以看出，在較高的定子頻率范圍內(nèi)（如50～100Hz），電動(dòng)機(jī)發(fā)出較大的轉(zhuǎn)矩，且隨著頻率的降低轉(zhuǎn)矩的下降甚微。而當(dāng)頻率較低時(shí)，轉(zhuǎn)矩卻急劇下降。這是由于高頻范圍內(nèi)相應(yīng)有較高的定子電壓，而定子的阻抗電壓降相對(duì)可以忽略，氣隙磁通幾乎不變。然而在低頻范圍內(nèi)，雖然定子的漏電抗正比于頻率而降低，但定子電阻卻不隨頻率變化，這部分電阻壓降在低頻時(shí)實(shí)際上構(gòu)成了電機(jī)端電壓不可忽略的一部分，使得氣隙磁通迅速減少，因而轉(zhuǎn)矩急劇下降。圖27的轉(zhuǎn)矩特性可以延伸到發(fā)電機(jī)的運(yùn)行范圍。在該范圍內(nèi)，電機(jī)的能流反向，并要求發(fā)出一個(gè)增大的感應(yīng)電勢(shì)以克服反向的定子電壓降，這就迫使氣隙磁通增加并產(chǎn)生一個(gè)大的發(fā)電機(jī)反轉(zhuǎn)矩。類似于上述的原因，低頻時(shí)該反轉(zhuǎn)矩太大，若不采取適當(dāng)?shù)南拗拼胧ㄈ缦拗齐姍C(jī)的電流），則會(huì)引起電機(jī)的機(jī)械損壞。當(dāng)然，由于磁路的飽和，實(shí)際的發(fā)電機(jī)反轉(zhuǎn)矩小于圖中所示的數(shù)值。將式（222）對(duì)求導(dǎo)并令其等于0，可以得到臨界的轉(zhuǎn)差頻率，即 由此可得 （223）將值代入式（222）便可求出不同頻率時(shí)的最大轉(zhuǎn)矩為 （224）根據(jù)式（224）可以畫出電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)于定子頻率的關(guān)系曲線，如圖28中所示。在式（214）中令，則可求得不同頻率時(shí)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為 （225）相應(yīng)的關(guān)系曲線亦繪于圖28中。圖28 恒電壓/頻率比下電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與定子頻率的關(guān)系由圖28中的曲線可見，在頻率較低時(shí)，最大轉(zhuǎn)矩和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩都急劇下降。從式（224）及式（225）不難看出，這主要是由于低頻下定子電阻的影響相對(duì)較大的緣故。象這樣的低頻性能實(shí)際上難以滿足起動(dòng)和低頻運(yùn)行的要求，為此需要采取相應(yīng)的措施加以改進(jìn)，將在后面述及。在恒電壓/頻率比下運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)的電流可以利用等值電路（圖22）求出。因?yàn)榈戎惦娐返妮斎胱杩篂?（226）所以 在頻率較高的范圍內(nèi)，由于相對(duì)較小而可以忽略，此時(shí)電動(dòng)機(jī)的電流可以寫成 （227）式中：——定子的總電感； ——轉(zhuǎn)子的總電感。由此可見，在恒下運(yùn)行時(shí)，若在高頻范圍內(nèi)使固定，則的大小近于不變。就電動(dòng)機(jī)的圓圖來(lái)說(shuō)，在高頻范圍內(nèi)其位置將無(wú)明顯變化。而當(dāng)頻率低到一定數(shù)值時(shí)，的影響再不能忽略，此時(shí)端電壓倘若仍與成比例地降低，則定子電流急劇下降，轉(zhuǎn)矩亦迅速降低。 綜上所述，在恒下運(yùn)行時(shí)，低頻范圍內(nèi)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩明顯降低，這主要是由于這種調(diào)節(jié)方式不能保持氣隙磁通不變所造成的。為了彌補(bǔ)低頻性能的這一缺陷，在開環(huán)系統(tǒng)中，一個(gè)簡(jiǎn)單易行的方法是將靜止逆變器的電壓—頻率特性在高頻范圍內(nèi)設(shè)計(jì)成直線，但在低頻運(yùn)行時(shí)其輸出電壓卻是相對(duì)提高的。在低頻區(qū)增加電動(dòng)機(jī)的端電壓時(shí)，有一些特點(diǎn)是應(yīng)當(dāng)注意的。由于低頻時(shí)，漏電抗隨頻率比例下降，而電阻卻保持不變，忽略低頻時(shí)電機(jī)鐵芯的損耗，依據(jù)等值電路圖（22）可以畫出空載時(shí)的向量圖如圖29（a）所示。此時(shí)，由于磁化電流滯后于且甚小，故從向量圖上可見，電勢(shì)的大小與電壓近于相等。這就要求一個(gè)大的氣隙磁通而導(dǎo)致鐵芯的高度飽和，相應(yīng)的空載激磁電流會(huì)很大，甚至超過(guò)通常的負(fù)載電流。由于開環(huán)系統(tǒng)中，靜止逆變器的輸出電壓特性是固定的，即電動(dòng)機(jī)的端電壓不會(huì)因電流的增大而減小，上述情況會(huì)更加突出，所以一般說(shuō)來(lái)應(yīng)注意避免在低速輕載下運(yùn)行。 加上負(fù)載之后，轉(zhuǎn)子電流與近于同相位，此時(shí)的向量圖變成圖29（b）的樣子。的相位變化以及在上的較大的電壓降使的數(shù)值顯著降低，磁化電流隨之大大減小。磁化電流的減小甚至超過(guò)負(fù)載電流的增加，這種抵消作用使電動(dòng)機(jī)在負(fù)載之后，其總電流非但不增加而往往有所下降。這就是說(shuō)，在低頻時(shí)用適當(dāng)提高端電壓的方法可以改善電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性而不必?fù)?dān)心它在負(fù)載時(shí)會(huì)有過(guò)大的電機(jī)電流。（a）空載時(shí) （b）負(fù)載時(shí) 圖29 低頻下電動(dòng)機(jī)的向量 第四節(jié) 恒轉(zhuǎn)子全磁通控制如果把電壓－頻率協(xié)調(diào)控制中的電壓相對(duì)地再提高一些，把轉(zhuǎn)子漏抗上的壓降也抵消，就得到恒控制。這時(shí)機(jī)械特性會(huì)怎樣？由等值電路圖22可知，轉(zhuǎn)子電流可表示為 （228）將式（228）帶入式（213）可得電磁轉(zhuǎn)矩 （229）從上式可看到，是一條直線，見圖210。這時(shí)電機(jī)的機(jī)械特性曲線不再拐彎，最大轉(zhuǎn)矩也不再存在，不變，直線的斜率不變，所以這時(shí)的機(jī)械特性曲線族是一組隨著頻率降低而平行下移的直線。顯然，恒控制的穩(wěn)態(tài)性能最好，可以獲得和直流它勵(lì)電機(jī)變壓調(diào)速時(shí)一樣的線性機(jī)械特性，這才是高性能交流調(diào)速真正應(yīng)該追求的目標(biāo)。按照電動(dòng)勢(shì)和磁通的關(guān)系，可以看出，氣隙磁通幅值是對(duì)應(yīng)于它的旋轉(zhuǎn)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的；那么，轉(zhuǎn)子全磁通的幅值就對(duì)應(yīng)于。 （230） 圖210不同電壓－頻率協(xié)調(diào)控制方式時(shí)的機(jī)械特性a－恒電壓頻率比控制 b－恒磁通控制c－恒轉(zhuǎn)子全磁通控制由此可見，只要能夠按照轉(zhuǎn)子全磁通幅值恒值進(jìn)行控制，就可以獲得恒定的。這就是后面章節(jié)要講述的矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)的目的。第五節(jié) 恒功率控制在上述恒磁通運(yùn)行中，隨著頻率和轉(zhuǎn)速的上升，電壓也相應(yīng)提高，電機(jī)的輸出功率增大。但是電壓的提高受到電動(dòng)機(jī)功率或逆變器最大電壓的限制。通常，在頻率調(diào)節(jié)大于基準(zhǔn)頻率（）時(shí)，即當(dāng)電壓提高到一定數(shù)值后將維持不變，或者不再正比于上升。此后電動(dòng)機(jī)將以恒電磁功率為條件進(jìn)行電壓和頻率的控制。為便于分析，這里再次引用式（211）所示的轉(zhuǎn)矩表達(dá)式： 式中在一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)差頻率總是限定在小于的一個(gè)極小的范圍內(nèi)，s極小，此時(shí)較之可以忽略，因而，上式可簡(jiǎn)化為 （231）的數(shù)值由式（215）為當(dāng)s很小時(shí)，同樣忽略，于是 （232）代該值入式（231）時(shí)因電壓提高到一定數(shù)值后，可認(rèn)為，故得 （233a）或?qū)懗?（233b）式中 ——常數(shù)不難看出，式（233b）的左端實(shí)際上以一定的比例代表著電動(dòng)機(jī)的功率數(shù)值。為了使電動(dòng)機(jī)有恒定的輸出功率，電壓和頻率的調(diào)節(jié)可以有兩種不同的方式： 1. 在任何頻率下保持不變，而與按比例變化，即轉(zhuǎn)差率為常數(shù)。 2. 在任何頻率下，保持不變，而與按比例變化，即常數(shù)。下面對(duì)這兩種調(diào)節(jié)方式分別作一討論：① 不變，常數(shù)的調(diào)節(jié)方式在此種調(diào)節(jié)方式下，由式（2—14）可得，臨界轉(zhuǎn)差頻率隨定子頻率變化，仍如式（2—23）所示。定子頻率越高，相應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)差率越大，最大轉(zhuǎn)矩的表示式實(shí)際上仍具有式（2—24）的形式。因?yàn)?此時(shí)為常數(shù)，電壓較高時(shí)忽略的影響，則最大轉(zhuǎn)矩可以表示為 （234）可見，最大轉(zhuǎn)矩近似地反比于。不同頻率時(shí)最大轉(zhuǎn)矩的包絡(luò)線如圖211（a）所示，由于恒功運(yùn)行時(shí)實(shí)際要求的轉(zhuǎn)矩T只是反比于而變化，故在和曲線之間出現(xiàn)圖示的陰影部分。為了保證電動(dòng)機(jī)在全部調(diào)速范圍內(nèi)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，其工作點(diǎn)只能這樣選取，即在最高轉(zhuǎn)速（或頻率）時(shí)，保證有最小允許的過(guò)載能力，而在轉(zhuǎn)速越低時(shí)，（a）T與fs的關(guān)系 （b）Us、Is與fs的關(guān)系圖211 定子電壓Us為常數(shù)時(shí)的恒功率特性調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩的裕度越大。電機(jī)的設(shè)計(jì)尺寸實(shí)際上被低速狀態(tài)所決定，故有較大的數(shù)值。就電機(jī)本身的功率利用來(lái)說(shuō)，顯然是不充分的。在這種調(diào)節(jié)方式下電動(dòng)機(jī)的電流可以這樣分析，按照式（231），并因較高電壓下，故 （235）由于調(diào)節(jié)中保持不變，因而為定值。激磁電流則為 （236）它滯后于，且其數(shù)值通常較小得多。所以電機(jī)電流將主要由所決定?？山埔暈槌?shù)，如圖211（b）所示。② 不變，常數(shù)的調(diào)節(jié)方式在這種調(diào)節(jié)方式下，仍可利用式（234）所示的關(guān)系。令常數(shù)，則可看出，最大轉(zhuǎn)矩將與成反比，不同下的包絡(luò)線如圖2—12（a）所示，呈雙曲線形狀。在這種情況下，電機(jī)的工作點(diǎn)可以選擇在最低速度時(shí)有最小允許的過(guò)載能力。這樣在高速時(shí)有適度的轉(zhuǎn)矩裕量，使在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行并較充分地利用了電機(jī)的功率，電機(jī)的設(shè)計(jì)尺寸較小。電機(jī)端電壓的調(diào)節(jié)規(guī)律即，這里為比例常數(shù)。若已知起動(dòng)過(guò)程終了時(shí)的電壓及頻率，則，既然知道，從而即可求得不同時(shí)（a）T與fs的關(guān)系