如前所述,电动机在运行中一般都需要保持磁场的恒定,以充分利用电动机的磁材料和充分发挥电动机的转矩输出能力。因而随着定子频率的逐步增加,定子端电压会逐步提高。当电动机运行在额定频率时,电动机的定子电压达到了额定电压,通常情况下,该电压值也是最大值。那么在继续进行变频升速的过程中,定子端电压只能保持最大值不变,由式7-31可知,这必然会导致电动机磁场的削弱。换句话说,电压受到限制,频率继续提高,磁场逐渐削弱,这就是常说的弱磁升速。
当电动机运行在高速区域时,定子电阻的压降可以略去不计(大功率电动机一般都不会有明显误差)。对于隐极式PMSM而言,电动机的转矩公式可以删去磁阻转矩一项,只剩下永磁转矩一项,如式7-32所示。
根据式7-32可以知道,当电压矢量相位角领先d轴180°时,电动机的转矩呈现最大值,见式7-33。
从式7-33中可以很容易地看出,在一定的定子端电压下,电动机输出转矩的理论最大值与定子角频率成反比例。在运行中需要考虑电动机的定子电流不能太大,电动机并不能工作在理论最大值处。通常情况下,随着转速的增加,电动机输出转矩被控制从其额定值逐渐下降,这使电动机的功率保持近似不变。
对于恒功率区、恒压变频调速下的PMSM电动机工作特性的分析,MATLAB程序如下:
分析后得到的结果如图7-49所示。图中的蓝色曲线1是电动机的定子电压标幺值,紫色曲线2是电动机的输出转矩标幺值曲线,黑色曲线3是电动机的定子电流曲线,红色曲线4是电动机功率因数曲线,图中横坐标是定子频率的标幺值。(www.xing528.com)
从图7-49中可以看出,在额定频率以上的变频调速过程中,电动机的定子端电压受到限制从而维持不变,这称为恒压变频调速(Constant Voltage Variable Frequency,CVVF)。
在额定频率以上的范围内,由于电压受到限制,电动机的磁场随着转速的升高而逐步削弱,电动机的转矩输出能力也逐步降低,电动机的输出功率可以近似保持不变,因而该区域通常又被称为恒功率区域。
将7.2与7.3两小节中的结论共同绘制在图7-50中。在基频(额定频率)以下时,电动机实施电压(曲线1)与频率协调的VVVF控制,电动机的磁场保持恒定,电动机的转矩(曲线2)输出能力保持不变;在基频以上时,电动机实现恒压变频的CVVF控制,电动机的磁场逐渐削弱,电动机的功率近似保持不变。
图7-49 额定频率以上恒压变频时电动机的工作特性
图7-50 不同速度范围内PMSM变压变频特性
需要指出的是,上述给出的是采用变压变频调速技术中,电动机定子电压与定子频率之间的大致关系。在具体的电动机控制中,往往有不同的控制策略可以采用,因而呈现出的具体电压、电流、功率因数、磁链与频率之间的关系会有所不同。以目前占据主导地位的交流电动机矢量控制技术为例,电动机的转矩控制是从电流的控制入手的,这些内容在本章中并没有深入分析,在后续章节会对其展开分析。
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