第二章 交流传动的工作原理

1. 第二章　交流传动的工作原理 第一节　变频调速的工作原理

2. 变频调速控制方式的发展，大体分为三个阶段：变频调速控制方式的发展，大体分为三个阶段： 1.普通功能型U/f控制方式—转速开环控制，不具有转矩控制功能。 2.高功能型的转差频率控制方式—转速需要闭环检测，有转矩控制功能，能使电动机在恒磁通或恒功率下运行，能充分发挥电动机的运行功率，其输出静态特性较U/f控制有较大的改进。 3.高性能型矢量控制或直接力矩控制方式 ，可以实现直流电动机的控制特性，具有较高的动态性能。

3. 一、U1/f1=常数时的控制方式 • 在正弦稳态下，异步电动机的同步转速（三相绕组合成基波磁场的旋转速度）： • 而转子的速度： • 或写成 • 若均匀地改变定子电源供电频率，就可以平滑地改变电动机同步速度，从而达到调速的目的。

4. 在改变f1时，若U不变，随着电源频率由额定频率向下调时，气隙磁通φm就会增大，磁通饱和，引起定子励磁电流急剧增加，定子铁心损耗I2mRm急剧增加，从而：在改变f1时，若U不变，随着电源频率由额定频率向下调时，气隙磁通φm就会增大，磁通饱和，引起定子励磁电流急剧增加，定子铁心损耗I2mRm急剧增加，从而： 1)功率因数下降 2)损耗增加，电动机过热 • 在实际应用中，采用 U1/f1=常数 作约束条件，进行变频调速 • 如蓝箭列车频率/电压调节范围为：0.5~148HZ/0~2105V

5. 根据转矩公式，可以计算出U1/f1=常数控制方式下的机械特性 1)在较高的频率范围内，电动机发出较大的转矩 2)当频率f1较低时转矩和最大转矩急剧下降

6. 原因： 1）在高频范围内，U1较高，而定子阻抗压降相对较小可以忽略，气隙磁通近似不变 2）而低频范围时，虽然定子漏抗x1正比于f1而降低，但R1为不变值，电阻压降在低频时构成不可忽略的一部分，令气隙磁通减小，因而转矩下降 • 弥补办法：在低频时提升电压比例

7. 二、恒磁通控制（E1/f1=常数控制） • 对于调速范围大且要求恒定转矩运行的负载，需要对电动机按E1/f1=C进行调节 • 根据异步电动机的等效电路，电机的电磁转矩可表示为： • 上式表明，若维持E1/f1=C，即磁通φm为常数时，电机转矩T完全由转子的转差频率f2决定，而与定子频率无关。

8. 若调节时保持f2=f2N （额定转差频率），则电机负载转矩能保持在额定值，无论定子频率设定在什么值上，电动机都可以运行在额定转矩附近。 • 另外，维持E1/f1=C时，转子电流I2′亦只由f2决定，因而电机的功率因数和效率在调速中变化不大，基本保持在额定运行时的水平。

9. 可以得到，转子的临界转差频率和最大转矩： • 可看出 1）Tm正比于气隙磁通φm的平方,反比于转子漏电感L2′。 • 由于L2′可视为常数，故按E1/f1=C调节时，电动机在不同频率f1下，可保持最大转矩的数值不变。

10. 2）与Tm对应的转差频率fm只受转子电阻影响，由于鼠笼式电机R2′为常数，因而fm也为定值。2）与Tm对应的转差频率fm只受转子电阻影响，由于鼠笼式电机R2′为常数，因而fm也为定值。 3）不同定子频率下机械特性是平行的。 • 但是，由于E1是电动机内部电势，难于直接检测，通常是通过调整U/f函数曲线的模式来近似保持E1/f1=常数的关系

12. 三、恒功率控制 • 在恒磁通控制中，随着电机转速（f1)上升，电压U1提高，电机输出功率增大。但电机电压的进一步提高受到电动机功率和逆变器最大电压的限制，因此电压提高到一定的数值（基值或额定值）以后，将维持不变，或不再正比于f1上升。此后随着电机转速的增加，电动机将以恒功率输出为条件进行电压和频率控制。

13. 恒功率运行时的转矩 • 或写成 • 上式左边实际上以一定的比例代表着电动机功率数值（P=TΩ， Ω=2πf1） • 为满足恒功率输出特性，电压和频率的调节可以有两种不同的方式： （1）U1=常数，s=常数的恒功调节方式 （2）U12/f1＝常数、f2＝常数的恒功调节方式

14. 1．U1=常数，s=常数的恒功调节方式 • 电机最大转矩可以表示为 • 在此种调节方式下，因为U1为常数，最大转矩反比于f12，不同频率f1时最大转矩及其包络线如图所示。

16. 由于恒功运行时实际要求的转矩T只是反比于f1变化。为了保证电动机在全部恒功调速范围内能够稳定运行，必须要求在最高转速（对应最大频率f1max)时，电动机有最小允许的过载力矩。由于恒功运行时实际要求的转矩T只是反比于f1变化。为了保证电动机在全部恒功调速范围内能够稳定运行，必须要求在最高转速（对应最大频率f1max)时，电动机有最小允许的过载力矩。 • 这样，在较低转速时，转矩的裕度较大，而电动机的设计尺寸实际上是由低速状态所决定的，因而有较大的尺寸。但此时逆变器在恒电压和电流下运行，其设备容量得充分利用，有较大小的尺寸–––最大电动机和最小逆变器方案。

17. 2．U12/f1=常数，f2=常数的恒功调节方式 • 令U12/f1=常数，则最大转矩Tm与f1成反比。不同频率f1下最大转矩的包络线呈双曲线形状。 • 在这种情况下，电动机在较低速度与较高速度有近似相等的转矩裕度。 • 此时电动机有较小的设计尺寸，但逆变器需满足最高电压和最大电流的要求，故逆变器有较大的设计尺寸–––最小电动机和最大逆变器方案。