交流变压变频调速系统-电气工程及其自动化论文

4.1 变压变频调速简介
由 知，当极对数p不变时，同步转速 和电源频率 成正比。连续地改变供电电源频率，就可以平滑地调节电动机的转速。这样的调速方法叫变频调速。变频调速具有很好的调速性能，在交流调速方式中具有重要意义，应用越来越广泛。
4.1.1变频调速的基本控制方式
在进行电机调速时，常须考虑的一个重要因素是：希望保持电机中每极磁通量 Fm 为额定值不变。如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；如果过分增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。
对于直流电机，励磁系统是独立的，只要对电枢反应有恰当的补偿，Fm 保持不变是很容易做到的。在交流异步电机中，磁通Fm 由定子和转子磁势合成产生，要保持磁通恒定就需要费一些周折了。
定子每相电动势：                              (4-1)
式中：Eg —气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值，单位为V；
      —定子平率，单位为Hz；
      Ns—定子每相绕组串联匝数；
       —基波绕组系数；
       —每极气隙磁通量，单位为Wb。
由式（4-1）可知，只要控制好Eg和f1，便可达到控制磁通Fm的目的，对此需要考虑基频（额定频率）以下和基频以上两种情况：
（1）基频以下调速
由式（4-1）可知，要保持Fm不变，当频率 f1从额定值f1N向下调节时，必须同时降低Eg，使：                                                      (4-2)
即采用恒值电动势频率比的控制方式。
然而，绕组中的感应电动势是难以直接控制的，当电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压 Us ≈ Eg，则得：              (4-3)
这是恒压频比的控制方式。
但是，在低频时Us和Eg都较小，定子阻抗压降所占的份量就比较显著，不再能忽略。这时，需要人为地把电压 Us 抬高一些，以便近似地补偿定子压降。
带定子压降补偿的恒压频比控制特性示于下图中的b线，无补偿的控制特性则为a 线。
 
图4-1 恒压频比控制特性
（2）基频以上调速
在基频以上调速时，频率应该从f1N向上升高，但定子电Us却不可能超过额定电压UsN，最多只能保持Us = UsN，这将迫使磁通与频率成反比地降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。
把基频以下和基频以上两种情况的控制特性画在一起，如下图所示。
 
图4-2 异步电机变压变频调速的控制特性
如果电机在不同转速时所带的负载都能使电流达到额定值，即都能在允许温升下长期运行，则转矩基本上随磁通变化。按照电力拖动原理，在基频以下，磁通恒定时转矩也恒定，属于“恒转矩调速”性质；而在基频以上，转速升高时转矩降低，基本上属于“恒功率调速”。
4.1.2 异步电动机电压-频率协调控制的机械特性
异步电动机的机械特性在不同的条件下有不同的特性曲线，本小节主要从三个方面介绍异步电动机的机械特性。
（1）恒压恒频正弦波供电时异步电动机的机械特性
 在电机学中已经知道异步电机在恒压恒频正弦波供电时的机械特性方程式：Te= f (s)。当定子电压Us和电源角频率w1恒定时，可以改写成如下形式：
                                   （4-4）
当s很小时，可忽略上式分母中含s各项，则：
                            （4-5）
也就是说当s很小时，转矩近似与s成正比，机械特性 Te = f（s）是一段直线，见图4-3。
当 s 接近于1时，可忽略式（4-4）分母中的Rr' ，则：
                                    （4-6）
即s接近于1时转矩近似与s成反比，这时，Te = f（s）是对称于原点的一段双曲线。
当 s 为以上两段的中间数值时，机械特性从直线段逐渐过渡到双曲线段，如图所示。
 
图4-3  恒压恒频时异步电机的机械特性
（2）基频以下电压-频率协调控制时代机械特性
由式（4-4）机械特性方程式可以看出，对于同一组转矩Te和转速n（或转差率s）的要求，电压Us和频率w1可以有多种配合，即在Us和w1的不同配合下也有多种机械特性，因此有不同方式的电压－频率协调控制。
（a）恒压频比控制（ Us /w1 ）
在第4-1-1小节中已经指出，为了近似地保持气隙磁通不变，以便充分利用电机铁心，发挥电机产生转矩的能力，在基频以下须采用恒压频比控制。这时，同步转速自然要随频率变化。
                                                              （4-7）