【文章內(nèi)容簡介】 ，要求精加工小切削量時(shí)，工件轉(zhuǎn)速高，粗加工大切削時(shí)，工件轉(zhuǎn)速低。因此，它希望電動(dòng)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(yáng)機(jī)等則要求電動(dòng)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(dòng)機(jī)具有恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速的性能。 變頻調(diào)速的基本原理根據(jù)異步電機(jī)的知識(shí)，異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為： (25))1(60spfn?? 其中： —異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，單位為 r/min；n —定子的電源頻率，單位為 Hz；f —電機(jī)的轉(zhuǎn)速滑差率；s —電機(jī)的極對數(shù)。p 三相異步電動(dòng)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0n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npf轉(zhuǎn)差率 來實(shí)現(xiàn)調(diào)速，這就需要讓電動(dòng)機(jī)從固有特性上運(yùn)行改為人為特性上運(yùn)行，s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1U2R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。f 在電動(dòng)機(jī)調(diào)速時(shí)，一個(gè)重要的因素時(shí)希望保持每極磁通量 為額定值不變。m?磁通太弱，沒有充分利用電機(jī)的磁心，是一種浪費(fèi)；若要增大磁通，又會(huì)使磁通飽和，從而導(dǎo)致過大的勵(lì)磁電流，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因?yàn)槔@組過熱而損壞電機(jī)。對于直流電機(jī)來說，勵(lì)磁系統(tǒng)是獨(dú)立的，所以只要對電樞反應(yīng)的補(bǔ)償合適，保持 不變m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(dòng)機(jī)每相電動(dòng)勢的有效值是： (26)mkNfE??114.式中： —?dú)庀洞磐ㄔ诙ㄗ用肯嘀懈袘?yīng)電動(dòng)勢有效值，單位為 V；1E — 定子頻率，單位為 Hz；f —定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)；1N —定子基波繞組系數(shù)；k —每極氣隙磁通量，單位為 Wb；由公式可知，只要控制好 和 ，m? 1Ef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；m1) 基頻以下調(diào)速當(dāng)電源頻率 在基頻以下調(diào)速時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，但在調(diào)節(jié)電源頻率的同1f時(shí)，必須同時(shí)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的定子電壓 ，且始終保持 常數(shù)，否則電動(dòng)機(jī)無1U?1/f法正常工作。這是因?yàn)槿喈惒诫妱?dòng)機(jī)定子繞組相電壓 ，mNfEU??14.當(dāng) 下降時(shí)，若 不變，則必使電動(dòng)機(jī)每極磁通 增加，在電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，1f1Um?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，m?m電動(dòng)機(jī)空載電流劇增，使電動(dòng)機(jī)負(fù)載能力變小，而無法正常工作。為此，電動(dòng)機(jī)在基頻以下調(diào)速時(shí)，應(yīng)使 恒定不變。所以，在頻率下調(diào)的同時(shí)應(yīng)使電動(dòng)機(jī)定?子相電壓隨之下調(diào)，并使 常數(shù)?？梢?，電動(dòng)機(jī)額基頻以下的調(diào)?NfUf139。139。 //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，m 22cos?NmTIC??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(shí)，電動(dòng)機(jī)的定子相電壓是不允許在額定相電1f壓以上調(diào)節(jié)的，否則會(huì)危及電動(dòng)機(jī)的絕緣。所以，電源頻率上調(diào)時(shí)，只能維持電動(dòng)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nU11fm?n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(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速控制特性，如圖 27 所示。如果電動(dòng)機(jī)在不同的轉(zhuǎn)速下都具有額定電流，則電動(dòng)機(jī)都能在溫升容許的條件下長期運(yùn)行，這時(shí)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” 。恒轉(zhuǎn)距調(diào)速恒功率調(diào)速1Um?n1n m?onf11f圖 27 異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速控制特性 電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的機(jī)械特性 =常數(shù)時(shí)的變頻調(diào)速機(jī)械特性 1/fU下面來分析機(jī)械特性中的三個(gè)特殊點(diǎn)，并由此來決定機(jī)械特性。同步點(diǎn)：由 ，則 ， 下調(diào)， 隨之下降。11/60pfn?1fn?1n最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)：由 c=常數(shù)， =常數(shù)，而臨界轉(zhuǎn)差率mT2/U，臨界轉(zhuǎn)速降 常222///fLfRxSm?? ????121/60/pfLfRSm?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(shí)，因 也很低，此時(shí)定1f1U子電阻 上的壓降 已不能再忽略，而使 、 下降更嚴(yán)重，電動(dòng)機(jī)的 將11I Em?mT變小。起動(dòng)轉(zhuǎn)矩點(diǎn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩 。所以起動(dòng)1212212 //)(/ fxfRCUxRfCUTst ????轉(zhuǎn)矩隨頻率下降而增加。由此可畫出 =常數(shù)時(shí)，三相異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速特性如圖 28 所示：1n23N321ff?TN2f3o圖 28 三相異步電動(dòng)機(jī) =常數(shù)變頻調(diào)速機(jī)械特性1/fU 的變頻調(diào)速機(jī)械特性NU1?同步點(diǎn)：由 ，則 ，當(dāng) 調(diào)高時(shí)， 隨之上升。最大轉(zhuǎn)矩11/60pfn1fn?f1n點(diǎn)：由 ，當(dāng) 調(diào)高時(shí)， 減小。起動(dòng)轉(zhuǎn)2222/4//LCxTNNst ??mT矩點(diǎn)： ，當(dāng) 調(diào)高時(shí)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大大減小。此時(shí)電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性如圖31f?1f29 所示： n123NnNf12f3ToNf?1如圖 29 電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性第 3 章 變頻器三相異步電動(dòng)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(dòng)機(jī)和交流發(fā)電動(dòng)機(jī)組成，調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速就能改變交流發(fā)電動(dòng)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(diǎn)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2/01Nf?大的低速拖動(dòng)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(dòng)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(chǔ)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(shí)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(shí)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 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(dòng)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(dòng)機(jī)制動(dòng)的需要，在直流中間電路中有時(shí)還包括制動(dòng)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(gè)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(dòng)機(jī)，屬感性負(fù)載，無論電動(dòng)機(jī)處于拖動(dòng)狀態(tài)還是發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)，變頻器功率因素總不會(huì)為 1。因此，在直流環(huán)節(jié)和電動(dòng)機(jī)之間總會(huì)有無功功率的交換，這種無功能量就靠這之間直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)對異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制。 變頻器的控制電路變頻器控制電路包括主控制電路、信號(hào)檢測電路、門極驅(qū)動(dòng)電路、外部接口電路以及保護(hù)電路等幾個(gè)部分，是變頻器的核心部分。控制電路的優(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。 脈寬調(diào)制型(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(shí)要同時(shí)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(gè)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(dòng)態(tài)元件，使系統(tǒng)的動(dòng)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(dòng)電動(dòng)機(jī)中形成較多的各次諧波，從而產(chǎn)生較大的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，影響電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定工作，低速時(shí)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 31 為 PWM 逆變器示意圖，在該逆變器電路中，同時(shí)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(gè)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(shí)實(shí)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(dòng)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(dòng)機(jī)可在近似正弦波的交變電壓下運(yùn)行，轉(zhuǎn)矩脈沖小，大大擴(kuò)展了拖動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)速范圍，提高了系統(tǒng)性能。M3 ~整流器 逆變器P W MC fU/調(diào)調(diào)f圖 31 PWM 逆變器組成2) 脈寬調(diào)制器的基本工作原理 脈寬調(diào)制是將輸出電壓分解成很多的脈沖，調(diào)頻時(shí)控制脈沖的寬度和脈沖間的間隔時(shí)間就可控制輸出電壓的幅值，如圖 32 所示。從圖中可以看到，脈沖的寬度 越大，脈沖的間隔 越小，輸出電壓的平均值就越大。為了說明 、 和1t 2t 1t2電壓平均值之間的關(guān)系，我們引入了占空比的概念。所謂占空比是指脈沖寬度與一個(gè)脈沖周期比值，用 表示，即 。?)/(21t???因此，可以說輸出電壓的平均值與占空比成正比，調(diào)節(jié)電壓輸出就可以演化為調(diào)節(jié)脈沖的寬度，所以稱為脈寬調(diào)制。圖 32a 為調(diào)制前的波形，電壓周期為，圖 32b 為調(diào)制后的波形，電壓周期為 。與 a 圖相比，b 圖的電壓周期增NT XT大(也就是說頻率降低) ，電壓脈沖的幅值不變，仍為 ，而占空比則減小，故DNU平均電壓降低。 uu1t2DNU0T tt039。1t39。2tDNXTa )b )a) 調(diào)制前的波形 b) 調(diào)制后的波形圖 32 脈寬調(diào)制的輸出電壓由于變頻器的輸出是正弦交流電，即輸出電壓的幅值是按正弦波規(guī)律變化，因此在一個(gè)周期內(nèi)的占空比也必須是變化的，也就是說在正弦波的幅值部分，取大一些，在正弦波到達(dá)零處， 取小一些，如圖 33 所示?？梢钥吹竭@種脈? ?寬調(diào)制，其占空比是按正弦規(guī)律變化的，故這種調(diào)制方法叫正弦波脈寬調(diào)制，即SPWM。 u t0T圖 33 正弦波脈寬調(diào)制的輸出電壓SPWM 的脈沖系統(tǒng)中，各脈沖的寬度 t1 和脈沖的間隔 t2 都是變化的。為了說明其調(diào)制原理，見圖 34 PWM 逆變器簡單原理圖，圖中 V1~V6 為絕緣柵雙極晶體管，由他們的交替切換來獲得交流信號(hào)的輸出。當(dāng) V1 導(dǎo)通時(shí)，在 A 相負(fù)載上得到的電壓與 V2 導(dǎo)通時(shí)在 A 相負(fù)載上得到的電壓方向相反。因此，V V 2 的輪流導(dǎo)通就可得到 A 相交流電壓的正、負(fù)半周。同時(shí)，其他管子的導(dǎo)通亦可得到三相交流電的 B 相和 C 相。在變頻器中，V V 2 的導(dǎo)通、截止是由調(diào)制波和載波的交點(diǎn)來決定的。在這里，把希望得到的波形作為調(diào)制信號(hào)，把接受調(diào)制的信號(hào)作為載波，通過對載波的調(diào)制得到期望的 PWM 波形。2/dUV1V6V2V3V4V5ABC39。0調(diào)制電路raubc/dd圖 34 PWM 逆變器簡單原理圖3) 單極性 SPWM在單極性的調(diào)制方式中，調(diào)制波為正弦波 載波為單極性的等三角形 ，即調(diào)rau1u制波為正半周時(shí)，載波為正極性的三角波，調(diào)制波為負(fù)半周時(shí)，載波為負(fù)極性的三角波，如圖 35 所示(僅畫出了正半周)。V V 2的導(dǎo)通、關(guān)斷條件可用表 35表示( 以 A 相為例) 。正半周 trau?V1 導(dǎo)通 V2 截止正半周 tra?V1 關(guān)斷 V2 截止負(fù)半周 trau?V2 導(dǎo)通 V1 截止負(fù)半周 tra?V2 關(guān)斷 V1 截止表 35 單極性 SPWM 調(diào)制規(guī)律a 當(dāng) 時(shí)，逆變管 VV 2 導(dǎo)通，決定了 SPWM 系列脈沖的寬度 ；當(dāng)ru1 1t 時(shí)，逆變管 VV 2 截止，決定了 SPWM 系列脈沖的間隔寬度 。rt 2ttura39。wtrau1dau等效正弦波dau wta )b )OO圖 36 單極性 SPWM 調(diào)制若降低調(diào)制波的幅值，見圖 36 中的 ，各段脈沖的寬度將變窄，從而使輸rau39。出電壓的幅值也相應(yīng)減少。b 每半個(gè)周期內(nèi)逆變橋同一橋