【正文】 布不均勻，而使交流電阻增大，從而產(chǎn)生附加諧波銅損耗。2）電源諧波產(chǎn)生的附加鐵損耗。從表面上看這似乎可以大大提高電動機的負載能力，但是實際上這是有限的，隨著負載的過度增加，電動機氣隙磁場會不斷增強，電動機鐵心將進入嚴重飽和狀態(tài)，定子電流會達到不能允許的程度，所以保持轉(zhuǎn)子磁鏈恒定的控制方法是受到一定限制的。在轉(zhuǎn)子磁鏈保持恒定的情況下，轉(zhuǎn)子等效電路中只有電阻，沒有電抗。這說明風機、泵類負載的電動機應(yīng)按運行中最高頻率的運行狀態(tài)來設(shè)計它的磁路。所以，在設(shè)計拖動恒功率負載的電動機時，應(yīng)按運行中的最低頻率來考慮它的磁路狀態(tài)。下面以恒功率負載及轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速平方成比例的風機、水泵類負載為例分析。這樣，電動機的磁通就將隨頻率的上升而下降，導致轉(zhuǎn)矩減小，電動機進入近似恒功率的運行方式，轉(zhuǎn)矩和頻率呈反比關(guān)系。此外，在異步電動機的變頻調(diào)速運行中，一般在額定頻率以下按恒轉(zhuǎn)矩方式運行。以上分析是在電動機氣隙磁通保持不變的條件下進行，適合于恒轉(zhuǎn)矩負載。這種控制方式對于起動轉(zhuǎn)矩特別高的情況是十分有利的。這就是說應(yīng)該把定子電阻和漏抗上的壓降全部加以補償。隨著負載的變化，氣隙磁場仍然有相當?shù)淖兓?。為了克服這種不希望的情況出現(xiàn)，可以采用反饋控制的方法使輕載時輸入電壓適當降低。而當負載增加以后，因為轉(zhuǎn)子電流和氣隙電動勢相位比較接近，氣隙電動勢將顯著減小，因而在負載增大時磁化電流將大幅度下降。由于低頻時定子電阻壓降比漏抗壓降大得多，以致空載和滿載時電動機內(nèi)電動勢的大小有很大的變化。電動機在正常運行時定子電流，要比產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩時的電流小得多，所以實際上在一般情況下，定子電阻壓降處在過補償狀態(tài)。這是因為在低頻起動時轉(zhuǎn)子回路中感應(yīng)的電動勢頻率較低，電抗作用較小，因而轉(zhuǎn)子電流功率因數(shù)較高，所以較小的轉(zhuǎn)子電流就能產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩。為了補償定子電阻上的壓降，保持異步電動機的最大轉(zhuǎn)矩不變，定子的輸入電壓控制規(guī)律可得出，考慮的關(guān)系，求得： （310） 或 （311）式中， 考慮到電動機的參數(shù)（Q）值不同，因而為補償定子電阻壓降，以維持定子繞組磁鏈恒定所需的定子電壓U1隨運行頻率和電動機參數(shù)變化而變化。在定子電阻壓降完全補償?shù)那闆r下，電動機的電磁轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩可由上節(jié)的式中令=0求得： （38） （39）由上兩式看出，在忽略或補償定子電阻的情況下，恒電壓/頻率比變頻運行時異步電動機的轉(zhuǎn)矩特性曲線將是一組沿水平軸（轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n）平移的特性曲線，其在不同運行頻率下電動機的最大轉(zhuǎn)矩是不變的，而且均發(fā)生同樣大小的絕對轉(zhuǎn)差下，即出現(xiàn)最大轉(zhuǎn)矩的絕對轉(zhuǎn)差率=常數(shù)。如果轉(zhuǎn)子相對氣隙磁場的速度一定，轉(zhuǎn)子中感應(yīng)的電流及其所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩也是一定的。唯一的差異只是在變頻運行的情況下，決定電動機特性的不是相對轉(zhuǎn)差率s，而是絕對轉(zhuǎn)差率，亦即實際的旋轉(zhuǎn)磁場切割轉(zhuǎn)子導體的轉(zhuǎn)差速度：。電阻壓降完全補償?shù)慕Y(jié)果，在電路中相當于電阻等于零。在電壓/頻率比恒定的控制方式中，電動機的最大轉(zhuǎn)矩有隨頻率的上升而下降的趨勢，主要是由于定子電阻的影響所引起的。當然從減少損耗的角度看在低頻時可降低電壓，按U正比于的規(guī)律變化。在=常數(shù)的情況下異步電動機變頻運行時的電磁轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩為： （36） （37） 在正常運行時由于轉(zhuǎn)差率之值很小，通?？梢院雎裕瑒t對應(yīng)于一定轉(zhuǎn)矩下的絕對轉(zhuǎn)差率，即旋轉(zhuǎn)磁場對轉(zhuǎn)子的相對運動不變。在變頻調(diào)速情況下頻率f是變化的。下面對變頻電源的控制策略和電動機的特性進行分析?？梢?，在異步電動機變頻調(diào)速的過程中，為了使電動機的磁通能維持在恰當?shù)乃?，電動機的電壓必須隨頻率而變化。所以在分析研究異步電動機變頻調(diào)速特性時，可以從分析基波分量入手。 變頻器供電的異步電動機的機械特性異步電動機在由變頻裝置供電時，一般來說，電壓和電流中均含有諧波分量。第3章 變頻調(diào)速異步電動機的特點變頻調(diào)速的異步電動機由于起動、過載、運行效率等問題均可通過選擇變頻器合適的控制方式，如U/f控制、轉(zhuǎn)差矢量控制等在系統(tǒng)中得到解決。 （5）紡織印染行業(yè) 紡織印染行業(yè)對變頻調(diào)速有大量的需求，除大量的風機外，精紡機，粗紡機，整經(jīng)機，經(jīng)編機以及印染設(shè)備均可采用變頻調(diào)速技術(shù)。（4）化工行業(yè) 除將變頻器用于供水，風機外，在化工行業(yè)中各工藝生產(chǎn)線，各類泵，攪拌機等用量也非常大。（2）鋼鐵行業(yè) 變頻調(diào)速精度高，節(jié)電效果好，可頻繁起抽動作用，控制靈活，易構(gòu)成閉環(huán)，因此在軋機輥道，轉(zhuǎn)爐，圓盤給料機、風機等多處得到應(yīng)用。目前自來水行業(yè)多采用串級調(diào)速，串級調(diào)速系統(tǒng)效率只有50%，體積大，故障多，而采用變頻調(diào)速可以得到較大的節(jié)能效果。交流變頻調(diào)速性能良好，因而已在供水，冶金，紡織，造紙，化工，建材等行業(yè)廣泛采用并大力推廣。目前，變頻調(diào)速技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代電力傳動技術(shù)的一個主要發(fā)展方向。八十年代末，變頻調(diào)速技術(shù)引入我國并得到推廣。隨著經(jīng)濟改革的不斷深入，市場競爭的不斷加劇；節(jié)能降耗已成為降低生產(chǎn)成本、正是順應(yīng)了工業(yè)生產(chǎn)自動化發(fā)展的要求，開創(chuàng)了一個全新的智能電機時代。另外，由PWM變頻器產(chǎn)生的矩形斬波沖擊電壓疊加在電動機運行電壓上，會對電動機的對地絕緣形成威脅，對地絕緣在高電壓的反復沖擊下會加速老化。v 電動機絕緣結(jié)構(gòu)承受高電壓沖擊目前中小容量變頻器，大多數(shù)采用SPWM的控制方式。v 低速時的冷卻效果差 在電源頻率較低時，因普通異步電動機的阻抗不盡理想，使電源中高次諧波所引起的損耗增大。由于電動機工作的頻率范圍寬，轉(zhuǎn)速變化范圍大，各種電磁波的頻率很難避開電動機各種結(jié)構(gòu)件的固有頻率。變頻器電源中含有的高次時間諧波與電動機電磁部分的固有空間諧波相互干涉，形成各種電磁振動力。如將普通異步電動機運行于變頻器輸出的非正弦電源條件下，其溫升一般約增加10%~20%。以當前比較普遍使用的正弦波PWM變頻器為例，其低次諧波基本上為零，剩下的是比載波頻率（晶體管開關(guān)頻率）大一倍左右的高次諧波分量。該系統(tǒng)技術(shù)先進、性能穩(wěn)定、維護工作量少。6) 變頻調(diào)速節(jié)能效果明顯，有時可高達30%~50%。4) 輸出電壓和電流的波形接近正弦，從而減少諧波分量，降低電動機運行時的發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動，改善了電動機的運行性能。2) 使用二極管整流器，交流電網(wǎng)的功率因數(shù)與逆變器輸出電壓的大小無關(guān)而且接近1；如有數(shù)臺裝置，可由同一臺不可控整流器供電。因此，鑒于設(shè)計的選擇，這里主要介紹異步電動機的調(diào)速系統(tǒng)。交流電機主要分為異步電機和同步電機兩大類。 一、交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的原理及構(gòu)成 異步電機的轉(zhuǎn)速方程是： n=60f(1s)/p， （23）其中n為電動機的轉(zhuǎn)數(shù)，f為電源頻率，s為轉(zhuǎn)差率，p為定子旋轉(zhuǎn)磁場的極對數(shù)，所以從這個公式就可以看出，要想改變電動機的轉(zhuǎn)速，可以改變f，s，p這三個量中的任意一個，就能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)速，其中改變電源頻率f是比較方便和有效的方法，只要改變了電源頻率f就能夠改變電動機的轉(zhuǎn)速，但是還有另外一個問題，先看看下面這個公式 ： （24）其中u是電源電壓，E是定子繞組的感應(yīng)電動勢，f是電源頻率，n為繞組線圈匝數(shù)，K為繞組分布系數(shù)，Φ為磁通量，從這個公式我們可以看出，如果減小f的話，電源頻率U還不變，那么Φ必然變大，因為電機的磁路設(shè)計都是按照一定的飽和磁通量設(shè)計的，如果Φ增大，那么磁路有可能就進入了飽和狀態(tài)，所以必須保證Φ為恒定，所以相應(yīng)的也應(yīng)該減小電源電壓U ，同理，f增大，U也要增大，我們必須保證U/f為一個常量。在矢量控制方式中，磁場電流和轉(zhuǎn)矩電流可以根據(jù)可測定的電動機定子電壓和電流的實際值用計算方法求得。采用矢量控制方式的目的，主要是為了提高變頻調(diào)速的動態(tài)性能。上述的U/F控制方式和轉(zhuǎn)差頻率的控制思想，都建立在異步電動機的靜態(tài)數(shù)學模型上，因此動態(tài)性能指標不高。與U/F控制方式相比，由于轉(zhuǎn)差補償?shù)淖饔?，其調(diào)整精度大為提高。根據(jù)速度傳感器的檢測，可以求出轉(zhuǎn)差角頻率，再把它與速度設(shè)定值相疊加，以該疊加值作為逆變器的頻率設(shè)定值，就實現(xiàn)了轉(zhuǎn)差補償。2. 轉(zhuǎn)差頻率控制 在沒有任何附加措施的情況下，當處于U/F控制方式下運行時，如果負載變化，轉(zhuǎn)速也會隨之變化，轉(zhuǎn)速的變化量與轉(zhuǎn)差率成正比，U/F控制的靜態(tài)調(diào)速精度顯然較差。故常用于速度精度要求不十分嚴格或負載變動較小的場合。由此可見，轉(zhuǎn)速的改變是靠改變頻率的設(shè)定值來實現(xiàn)的。逆變器的脈沖發(fā)生器同時受控于頻率指令和電壓指令，而它們之間的關(guān)系是U/F曲線發(fā)生器決定的。基頻以下可以實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，基頻以上可以實現(xiàn)恒功率調(diào)速。從轉(zhuǎn)矩的響應(yīng)特性和過渡特性上看，大體分為U/f恒定控制(又稱VVVF控制)、轉(zhuǎn)差頻率控制和轉(zhuǎn)差矢量控制。之后又采用了正弦波脈寬調(diào)制“SPWM”方式，即是使脈沖中的占空比γ按正弦波的規(guī)律安排。故在調(diào)頻的同時也要調(diào)壓，為反映這兩種同時調(diào)節(jié)的情況，常用 VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)符號代表變頻器（在頻率上升時磁通不會飽和，也可以不調(diào)整電壓）。但電勢E1的大小無法進行控制，如用近似的方法，根據(jù)電勢平衡方程式，可用U/f1 =常數(shù)代替。這是因為當頻率改變時，電動機內(nèi)的阻抗壓降、定子的電勢都要改變，以致引起磁通變化，這樣在高速運轉(zhuǎn)時會造成電動機的電磁轉(zhuǎn)矩不足,低速時，則磁通會過大，使磁路過于飽和，引起勵磁電流增大，造成電動機的功率因數(shù)及效率η顯著下降。它是由決定U/f1特性的頻率電壓“運算電路”、主電路的“U/A檢測電路”、電動機“速度檢測電路”、“PWM生成及驅(qū)動電路”以及變頻器、電動機的各種保護電路等組成?？梢娔孀児苁亲冾l器的核心元件。整流器是將交流全波整流為直流，濾波器濾平整流后的電壓波紋，并在負載變化時保持直流電壓平穩(wěn)，逆變器是把整流后的直流電再“逆變”為頻率可調(diào)的交流電?？刂齐娐肥翘峁┬盘?，并有規(guī)則的控制逆變器導通與截止，使之向異步電動機提供頻率、電壓都可調(diào)的交流電源，以驅(qū)動電動機的運行。主電路是由整流器、儲能元件、逆變器三種器件組成的交～直和直～交兩大電路。現(xiàn)以后者為例說明變頻的基本原理。電角度的三相交流電。 4．逆變電路 逆變電路同整流電路相反，逆變電路是將直流電壓變換為所要頻率的交流電壓，以所確定的時間使上橋、下橋的功率開關(guān)器件導通和關(guān)斷。運算電路的控制信號送至“驅(qū)動電路”以及逆變器和電動機的“保護電路”。 變頻器是輸出電壓和頻率可調(diào)的調(diào)速裝置。 2. 平波電路 平波電路在整流器、整流后的直流電壓中含有電源6倍頻率脈動電壓，此外逆變器產(chǎn)生的脈動電流也使直流電壓變動，為了抑制電壓波動采用電感和電容吸收脈動電壓(電流)，一般通用變頻器電源的直流部分對主電路而言有余量，故省去電感而采用簡單電容濾波平波電路。 1. 整流電路 整流電路的功能是把交流電源轉(zhuǎn)換成直流電源。因此，交流變頻調(diào)速已逐漸取代了過去的傳統(tǒng)滑差調(diào)速、變極調(diào)速、直流調(diào)速等調(diào)速系統(tǒng)，越來越廣泛的應(yīng)用于冶金、紡織、印染、煙機生產(chǎn)線及樓宇、供水等領(lǐng)域。變頻器廣泛用于交流電機的調(diào)速中。用來控制電機的轉(zhuǎn)數(shù)。并設(shè)一個可調(diào)頻率的裝置。之后將直流電逆變成交流電。它首先是將交流電變?yōu)橹绷麟姟?變頻調(diào)速的基本原理變頻調(diào)速方法：是改變電動機定子電源的頻率，從而改變其同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法。 本方法適用于風機、水泵的調(diào)速。液力耦合器的動力轉(zhuǎn)輸能力與殼內(nèi)相對充液量的大小是一致的。 液力耦合器是一種液力傳動裝置，一般由泵輪和渦輪組成，它們統(tǒng)稱工作輪，放在密封殼體中。電磁調(diào)速電動機的調(diào)速特點： 1）裝置結(jié)構(gòu)及控制線路簡單、運行可靠、維修方便； 2）調(diào)速平滑、無級調(diào)速； 3）對電網(wǎng)無諧影響； 4）速度失大、效率低。當電樞與磁極均為靜止時，如勵磁繞組通以直流，則沿氣隙圓周表面將形成若干對N、S極性交替的磁極，其磁通經(jīng)過電樞。電樞和后者沒有機械聯(lián)系，都能自由轉(zhuǎn)動。直流勵磁電源功率較小，通常由單相半波或全波晶閘管整流器組成，改變晶閘管的導通角，可以改變勵磁電流的大小。調(diào)壓調(diào)速的特點： 1）調(diào)壓調(diào)速線路簡單，易實現(xiàn)自動控制； 2）調(diào)壓過程中轉(zhuǎn)差功率以發(fā)熱形式消耗在轉(zhuǎn)子電阻中，效率較低。調(diào)壓調(diào)速的主要裝置是一個能提供電壓變化的電源，目前常用的調(diào)壓方式有串聯(lián)飽和電抗器、自耦變壓器以及晶閘管調(diào)壓等幾種。為了擴大調(diào)速范圍，調(diào)壓調(diào)速應(yīng)采用轉(zhuǎn)子電阻值大的籠型電動機，如專供調(diào)壓調(diào)速用的力矩電動機，或者在繞線式電動機上串聯(lián)頻敏電阻。當改變電動機的定子電壓時，可以得到一組不同的機械特性曲線，從而獲得不同轉(zhuǎn)速。此方法設(shè)備簡單，控制方便，但轉(zhuǎn)差功率以發(fā)熱的形式消耗在電阻上。 繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子串入附加電阻，使電動機的轉(zhuǎn)差率加大，電動機在較低的轉(zhuǎn)速下運行。其特點： 1）效率高，調(diào)速過程中沒有附加損耗； 2）應(yīng)用范圍廣，可用于籠型異步電動機； 3）調(diào)速范圍大，特性硬，精度高； 4）技術(shù)復雜，造價高，維護檢修困難。 變頻調(diào)速是改變電動機定子電源的頻率，從而改變其同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法。根據(jù)轉(zhuǎn)差功率吸收利用方式，串級調(diào)速可分為電機串級調(diào)速、機械串級調(diào)速及晶閘管串級調(diào)速形式，多采用晶閘管串級調(diào)速，其特點為： 1）可將調(diào)速過程中的轉(zhuǎn)差損耗回饋到電網(wǎng)或生產(chǎn)機械上，效率較高； 2）裝置容量與調(diào)速范圍成正比，投資省，適用于調(diào)速范圍在額定轉(zhuǎn)速70％－90％的 生產(chǎn)機械上；3）調(diào)速裝置故障時可以切換至全速運行，避免停產(chǎn)； 4）晶閘管串級調(diào)速功率因數(shù)偏低，諧波影響較大。