变频调速就是通过改变电动机的定子供电频率,平滑地改变电动机转速。当频率f在0~50Hz的范围内变化时,电动机转速的调节范围非常宽,在整个调速过程中都可以保持有限的转差功率,具有高准确度、高效率的调速性能。
由电动机基本理论可以知道,三相异步电动机的转速表达式为
式中,n为异步电动机的转速;f为异步电动机的定子频率;s为电动机的转差率;p为电动机极对数。
由上式可知,转速n与频率f成正比,只要改变频率f即可改变三相异步电动机的转速。但是由于异步电动机电动势公式为
E1=4.44fNΦm≈U1式中,E1为定子每相绕组感应电动势的有效值;f为定子频率;N为定子每相绕组的有效匝数;Φm为每极磁通;U1为定子电压。
因此,定子电压与磁通和频率成正比。当U1不变时,f和Φm成反比,f升高势必导致磁通的降低。通常电动机是按50Hz的频率设计制造的,其额定转矩也是在这个频率范围内给出的。当变频器频率调到大于50Hz时,电动机产生的转矩要以和频率成反比的线性关系下降。为了有效维持磁通的恒定,必须在改变频率时同步改变电动机电压U1,即保持U1与f成比例变化。
对进行电动机调速时,为保持电动机的磁通恒定,需要对电动机的电压与频率进行协调控制。对此,需要考虑基频(额定频率)以下和基频以上两种情况。
基频,即基本频率f1,是变频器对电动机进行恒转矩控制和恒功率控制的分界线。基本频率是按电动机的额定电压(指额定输出电压,是变频器输出电压中的最大值,通常它总是和输入电压相等)进行设定的,即在大多数情况下,额定输出电压就是变频器输出频率等于基本频率时的输出电压值,因此,基本频率又等于额定频率(即与电动机额定输出电压对应的频率)。
在对异步电动机进行变压变频凋速时,通常在基频以下采用恒转矩调速,在基频以上采用恒功率调速。
由式E1=4.44fNΦm≈U1可见,Φm的值是由E1和f1共同决定的,对E1和f1进行适当的控制,就可以使气隙磁通Φm保持额定值不变。具体分析如下:
1)基频以下的恒磁通变频调速。这是考虑从基频(电动机额定频率f1N)向下调速的情况。为了保持电动机的负载能力,应保持气隙主磁通Φm不变,这就要求在降低供电频率的同时降低感应电动势,保持E1/f1=常数,即保持电动势与频率之比为常数。这种控制又称为恒磁通变频调速,属于恒转矩调速方式。(www.xing528.com)
但是,E1难于被直接检测和直接控制。当E1和f1的值较高时,定子的漏阻抗电压降相对比较小,如忽略不计,则可以近似地保持定子相电压U1和频率f1的比值为常数,即认为U1=E1,因此保持U1/f1为常数即可,这就是恒压频比控制方式,是近似的恒磁通控制。
当频率较低时,U1和E1都较小,定子漏抗电压降(主要是定子电阻压降)不能忽略。在这种情况下,可以人为地适当提高定子电压以补偿定子电压降的影响,使气隙磁通基本保持不变。U/f的控制关系如图9-26所示,其中曲线1为U1/f1=C(C为常数)时的电压、频率关系,曲线2为有电压补偿时(近似U1/f1=C)时的电压、频率关系。实际装置中U1与f1的函数关系并不简单的如曲线2表示。通用变频器中U1与f1之间的函数关系有很多种,可以根据负载性质和运行状况加以选择。
2)基频以上的弱磁变频调速。这是考虑由基频开始向上调速的情况。频率由额定值f1N向上增大,但电压U1受额定电压U1N的限制不能再升高,只能保持U1=U1N不变。这样必然会使主磁通随着f1的上升而减小,相当于直流电动机弱调速的情况,属于近似的恒功率调速方式。
综合上述两种情况,异步电动机变频调速的基本控制方式如图9-27所示。
图9-26 U/f的控制关系
1—U1/f1=C(C为常数)电压—频率关系 2—有电压补偿时(近似U1/f1=C,C为常数)的电压—频率关系
图9-27 基本控制方式
由上面的分析可知,异步电动机的变频调速必须按照一定的规律同时改变其定子电压和频率,即必须通过变频装置获得电压和频率均可调节的供电电源,实现所谓的VVVF调速控制。变频器可适应这种异步电动机变频调速的基本要求。
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