变频调速技术及其应用于电动机的恒磁通变频调速控制方法

变频调速是指改变电动机定子电源频率,从而改变其同步转速的调速方法。变频调速系统的主要设备是提供变频电源的变频器,变频器可分为交流-直流-交流变频器和交流-交流变频器两大类,目前大都使用交-直-交变频器。采用通用变频器对笼型异步电动机进行调速控制,由于使用方便,可靠性高并且经济效益显著,所以得到了广泛应用。通用变频器的特点是通用性强,可以直接应用于普通异步电动机的调速控制。其工作原理有如图2-58所示的几种方法。

图2-58 变频调速工作原理

三相异步电动机定子每相电动势的有效值为

E₁=4.44f₁N₁Φ

式中 E₁——定子每相由气隙磁通感应的电动势(V);

f₁——定子频率(Hz);

N₁——定子相绕组有效匝数;

Φ——每极磁通量(Wb);

如果不计定子阻抗压降,则U₁≈E₁=4.44f₁N₁Φ

若端电压U₁不变,则随着f₁的升高,气隙磁通Φ将减小,又由转矩公式

T=C_MΦI₂cosφ₂

可以看出,Φ的减小势必导致电动机允许输出转矩T下降,降低电动机的出力。同时,电动机的最大转矩也将降低,严重时会使电动机堵转,若维持端电压U₁不变,而减小f₁,则气隙磁通Φ将增加。这就会使磁路过饱和,励磁电流上升,进而导致铁损急剧增加,这也是不允许的。因此要求在调频的同时改变定子电压U₁,以维持Φ接近不变。下面分两种情况进行说明(见图2-59)。

图2-59 变频调速

1.基频以下的恒磁通变频调速

为了保持电动机的拖动负载能力,应保持气隙主磁通Φ不变,这就要求降低供电频率的同时降低感应电动势,保持E₁/f₁为常数,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。可以近似地保持定子电压U₁和频率f₁的比值为常数,即认为E₁≈U₁,保持U₁/f₁为常数。这就是恒压频比控制方式,是近似的恒磁通控制。(www.xing528.com)

2.基频以上的弱磁变频调速

频率由额定值向上增大时,电压U₁由于受额定电压U_1N的限制而不能再继续升高,只能保持U₁=U_1N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磁调速的情况,即近似地看做恒功率调速方式。

此时,电动机最大电磁转矩T_m及其临界转差率s_m与频率f₁的关系,可近似表示为

变频调速器的作用就是把工频电源(50Hz)变换成各种频率的交流电源,以实现电动机的变速运行的设备,其中整流电路将交流电变换成电压可调的直流电,中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波,逆变电路将直流电再逆变成频率可调的交流电。图2-60为交-直-交变频器的主电路原理图。

应用实例:

一般的挂式空调器或分体式空调器,采用ON/OFF控制方式,这种控制方式在室内温度和湿度会发生较大波动,影响人的舒适感且耗能大。压缩机在起动时有很大的冲击电流,需要配置比连续运行时更大的电源容量。

为了克服以上缺点,近几年出现了变频空调器,这种空调器中的控制器根据传感器测量得到的房间内的温度值与预先给定的温度设定值比较,根据两者的偏差去控制变频器的输出频率,从而改变压缩机的转速,达到调节被控房间温度的目的。使用变频空调可以达到以下效果:

图2-60 交-直-交变频器的主电路

(1)在室内外温度差异不大时,压缩机在较低频率下工作,可以节能;温度差异大时,使压缩机在较高频率下运行,以达到快速制冷的效果。

(2)使用了变频技术,压缩机的开停次数减少,制冷系统的压力变化损耗减少。

(3)减少了电动机的起动电流,可以降低对压缩机的冲击。

(4)室内温度波动小,仅在设定值上下的一个极小范围内变化。人的舒适度得到了改善。

变频调速的特点:能够实现无级调速、调速范围宽、平滑性佳、机械特性硬度不变、效率高节能效果明显,电路接线简单。最大的缺点是需要有一套专用的变频电源,投资设备高。

对象:既适用于笼型电动机,也适用于绕线式电动机。可方便实现恒转矩、恒功率调速。如:冶金和造纸行业、运输机械、电梯等。