6
《电气开关》(2007. N o. 5)
文章编号: 1004- 289X (2007) 05- 0006- 03
变频调速时电动机的机械特性分析
何奉昌
(山东省莱芜职业技术学院信息工程系, 山东 莱芜 271100)
摘 要: 变频调速时, 电压随频率调节规律和负载的性质有关。为充分发挥电机转矩的能力, 维持主磁通不变或者 保持电动机过载能力不变, 利用恒转矩和恒功率两种变频调速, 保证电动机稳定的输出机械特性。 关键词: 变频调速; 恒转矩; 恒功率; 过载能力 中图分类号: TM 32 文献标识码: B
不会损坏电机。
因此, 在不损坏电机的情况下, 充分利用电机铁 心, 使电机能保持较好的运行性能, 要求在调节 f 1 的 同时, 改变定子电压, 以维持 5m 不变, 或者保持电动机 的过载能力不变。那么, U 1 随f 1 按什么规律变化最为 合适呢?
2 电压随频率调节的规律
一般认为, 在任何类型负载下变频调速, 若能保持 电动机的过载能力不变, 则电动机的运行性能较为理 想。 电动机的过载能力为:
图 1
(2) 在基频以上调速时, 频率从 f 1N 往上增高, 但 电压U 1 却不能超过额定电压U 1N , 最多只能保持U 1= U 1N。由式U 1≈ E 1= 4. 44f 1N 1kW 15m 可知, 这将迫使磁 通与频率成反比例降低。当频率提高时, 同步转速随之 提高, 最大转矩减小, 机械特性上移 (如图 2 所示)。 由 于频率提高而电压不变, 气隙磁动势必然减弱, 导致转 矩减小。由于转速升高了, 输出的功率基本不变。因此, 基频以上变频调速属于弱磁恒功率调速 (f 1N > f 11 > f 12> f 13)。
入 (2) 式得:
ΚT =
4Πf
1
m (X
1pU
2 1
1+ X
2′) T N
=
C
U
2 1
f
2 1
T
N
为保持变频前后 ΚT 不变, 要求下式成立:
(3)
《电气开关》(2007. N o. 5)
U
2 1
f
2 1
T
N
=
U ′21 f ′21
即 U ′1 = f ′1 T ′N
U1 f 1 TN
式中, U ′1、f ′1、T ′N 表示变频后的量。
图 2 主电路仿真模型
电源电压绝对值最小的一相的电感总是提前关断, 导 致整个波形存在一定的畸变。综上所述, 仿真波形与实 测 波 形 基 本 一 致, 证 明 了 该 控 制 方 案 是 正 确 可 行的。
参考文献
[ 1 ] 张占松, 蔡宣三. 开关电源的理论与设计 (修订版) [M ]. 北京: 电 子工业出版社, 2004: 190- 191. [ 2 ] J aiP. A g raw al. Pow er E lectron ic System T heo ry A nd D esign. T singhua U n iversity P ress. 2001. [ 3 ] J un K ikuch i. T hom as A. L ipo T h ree Phase PWM Boo st - Buck R ectifiers w ith Pow er R egenerating Cap ab ility. 0- 7803- 7116- x 01 ＄10. 00 (C) 2001 IEEE. [ 4 ] F. V. P. Rod in son, etal. Parallel Connection of Sing le - sw itch T h ree Phase Pow er - facto r Co rrection Converters fo r In terleaved Sw itch ing. IEE P ro. EP’97. [ 5 ] Dom ingo s S. L. Sim onetti etal. M odeling of the H igh- pow erfacto r D iscon tinuou s Boo st R ectifiers, IEEE T ran s. on IE , 1999, 46 (4). [ 6 ] 黄忠霖. 控制系统m atlab 计算机及仿真 (第二版) [M ]. 北京: 国防 工业出版社, 2004: 112- 117. [ 7 ] 洪乃刚. 电力电子和电力拖动控制系统的M atlab 仿真[M ]. 北京: 机械工业出版社, 2006: 216- 223.
图 2
把基频以下和基频以上两种情况结合起来, 可以 得到如图 3 所示的异步电动机变频调速控制特性, 图 中曲线 1 位不带定子电压补偿时的控制特性, 曲线 2
(下转第 41 页)
《电气开关》(2007. N o. 5)
41
起输入到乘法器中, 由乘法器完成这两项的乘法运算; D 触发器则根据输入信号的变化, 输出高低电平, 触发 理想开关。
2Πf
R ′2 1 (L 1+ L
60f ′2) p
1=
30R ′2 Πp (L 1+ L ′2)
(11)
以电动机的额定频率 f 1N 为基准频率, 在生产实践
中, 变频调速时电压随频率的调节规律以基准频率为
7
分界线, 我们分两种情况分析: (1) 在基频以下调速时, 保持U 1 f 1= 常数调解, 即
Κ=
Tm TN
在最大转矩公式:
(2)
Tm=
m
1pU
2 1
4Πf 1 [R 1+
R
2 1
+
(X 1+ X ′2) 2 ]
当 f 1 较高时, 感抗 (X 1 + X 2′) µ R 1, 可略去 R 1, 又
因 (X 1+ X 2′) = 2Πf 1 (X 1+ X 2′) , 并将最大转矩公式代
(4)
上式表示变频调速时, U 1 随 f 1 变化规律, 此时电
动机的过载能力保持不变。
变频调速时, U 1 随 f 1 的调节规律与负载性质有 关, 通常分为恒转矩变频调速和恒功率变频调速两种 情况。
(1) 恒转矩变频调速
对于恒转矩负载 T N = T ′N , 式 (4) 变为:
U f
1 1
Key w o rd s: frequency con tro l of m o to r sp eed; con stan t to rque; con stan t pow er; overload aba ility
1 引言
根据电动机转速公式 n = 60f 1 (1- S ) p 可知, 当 转差率变化不大时, 异步电动机的转速基本上与电源
图 3 电流 ia V an仿真波 图 4 iia V an仿真波形
图 5 电流 ia 实验波形 图 6 输入电流 iia实验波形
5 仿真结果及分析
控制部分能实现对整流桥输出电流 idc的控制, 使 其峰值电流跟踪电压信号V rec; A 相电流 ia 峰值跟踪A 相电压V an波形 (见图3) ; 再经过滤波器后, A 相输入电 流iia波形与A 相输入电压V an波形基本同步即功率因数 大约为 1 (见图 4) ; B 相和C 相的输入电流和输入电压 也基本同步。图5 和图6 是实测的波形, 由图5 可见, 电 流 ia 峰值自动跟踪输入电压波形, 再经过滤波器的作 用, 入端电流iia应呈现为与输入电压V an同步的正弦波, 起到了功率因数校正的目的。但由于每个开关周期中,
A na ly sis of To rque- sp eed Cha racte rist ic of a M o to r W hen F requency Con t ro l of M o to r Sp eed
H E F eng - chang (T he V oca t iona l and T echn ica l Co llege of L a iw u, L a iw u 271100, Ch ina ) A b st ract: Fo r frequency con t ro l of m o to r sp eed, vo ltage w h ich fo llow s frequency regu la ling law , rela tes to load
变频调速时电动机的机械特性用以下公式 (式中 忽略定子、转子的内阻) 来分析
最大转矩 T
m≈
8Π2
m 1p (L 1+
L
′2 )
(U 1 ) f1
2
(9)
启动转矩 T
s≈t
m 1p R ′2 8Π3 (L 1+ L ′2) 2
(U 1 ) 2 f1
1 f1
(10)
临界点转速降△nm =
sm n1≈
频率成正比。连续调节电源频率, 可以平滑地改变电动
机的转速。但是单一的调节电源频率, 将导致电动机运
行性能的恶化, 其原因 4. 44f 1N 1kW 15 m
(1)
若端电压U 1 不变, 当改变定子频率时就会出现下 列两种情况。
(1) 当频率f 1 小于额定频率f 1N 时, 主磁通5m 将增 加, 气隙的磁通量就会大于额定气隙磁通量, 电机的铁
恒转矩调速。 由式 (9) 可知, 当 f 1 减少时, 最大转矩不 变, 启动转矩增大, 临界点转速降不变。 因此机械特性 随频率的降低而向下平移, 如图 1 虚线所示。 实际上, 由于定子电阻的存在, 随 f 1 的降低, 最大转矩将减小, 当 f 1 很低时, 最大转矩减少很多。 定子阻抗压所占的 份量比较显著, 不能再忽略。如果电动机在额定负载下 运行, U 1 降低后将导致转速下降, 转差率增大, 转子电 流因转子电动势 E 2S= sE 2 的增大而增大, 从而引起定 子电流增大, 导致电动机过载。 长期欠压过载运行, 必 然使电动机过热、使用寿命缩短。 另外电压下降过多, 可能出现最大转矩小于负载转矩, 导致电机停转。为保 证电动机在低速时有足够大的最大转矩值, 可人为地 把电压U 1 抬高一些, 以便近似地补偿定子压降 (f 1N > f 11> f 12> f 13)。