变频器的调速方式及合理选择

       变频调系统中的关键部件是变频器，从结构上来说，变频器可分为交—交变频器和交—直—交变频器。交—交变频器直接将电网的交流电变换成电压和频率可调的交流电输出。交—直—交变频器又可分为三种 (1)用可控整流器调压，用逆变器调频的交—直—交变频器；(2)用二极管整流器整流，斩波器调压，逆变器调频的交—直—交变频器；(3)用二极管整流，PWM逆变器同时调频调压的交—直—交变频器。对于第三种变频器调速系统，电网波形畸变小，功率因数较高，逆变器动态响应好，而且PWM逆变器输出电压脉宽按正弦规律变化，交流电动机电流波形接近正弦波，输出的谐波分量小，电动机脉动转矩小，运行平稳。目前，在中小容量的高性能交流调速系统中大都采用PWM型变频器作为交流电动机的供电电源，本文重点介绍PWM变频调速方式的选择。 1 变频调速方式的确定 根据交流发动机的转速公式 式中：f1为定子供电频率，p为极对数，s为转差率。 若均匀地改变定子供电频率f1，则可以平滑地改变电动机转速，然而只调节f1是不行的，因为： E1＝4.44f1N1KN1Φm≈u1 (1) 当定子电压u1不变时，Φm与f1成反比，f1升高或降低，会导致磁通Φm的减小或增大，从而使电动机最大转矩减小，严重时将导致电动机堵转或使磁路饱和，铁耗急剧增加。为此，在调节电源频率的同时，要调节电压的大小，以维持磁通的恒定，使最大转矩不变。根据u1和f1比例关系的不同，可形成多种变频调速方式。 1.1  恒比例控制方式 这种控制方式是在调频的同时调节电压，维持u1/f1=const。当频率较高时，定子电阻压降可忽略不计，这时，u1≈E1  磁通近似不变。根据异步电动机的转矩公式：T＝CmΦmI2cos，当有功电流额定，Φm 恒定时，电动机的转矩不变，因而这种恒比例控制方式属恒转矩调速性质。而当频率较低时，定子电阻压降不可忽略，E1和u1相差较大，即使u1/f1恒定，E1/f1也不再近似为常数。最大转矩将随频率f1的降低而减少，起动转矩也将减少，甚至不能带动负载，所以恒比例控制方式只适用于调速范围不大或转矩随转速下降而减少的负载。 1.2  恒磁通控制方式 由(1)式要实现恒磁通控制，必须保持E1/f1恒定。然而，由于电动机的感应电动势E1难以测定和控制，所以实际应用中采用一种近似的恒磁通控制方法。当频率较高时，采用恒比例控制，如方式1所述。频率较低时，引入低频补偿，即通过控制环节，适当提高变频电源输出电压，以补偿低频时定子电阻上的压降，维持磁通不变，实现恒转矩控制。 1.3  恒功率控制方式 当转速超过额定转速调速时，f1>f1N(额定频率)。此时，若仍按恒磁通控制方式控制，则u1必定会超过u1N(额定电压)，这显然是不允许的，这时必须改用恒功率控制方式，即f1>f1N时，保持u1＝u1N，随着频率的升高，气隙磁通会小于额定磁通，导致转矩减小，但频率升高，速度增加。由P＝Tn/975可知，当T减小的倍数和n增加的倍数相等时，P维持不变，若要准确地维持恒功率调速，必须保持恒定，进行电压频率的协调控制，恒功率控制方式的特点是输出功率不变，适用于负载随转速的升高而变轻的场合。 1.4  恒电流控制方式 在变频调速时，保持异步电动机定子电流I1为恒值，叫恒流控制。这种调速系统安全可靠，具有良好的特性，但由于恒流控制**了I1，所以此时的最大转矩Tm要求恒磁通控制时小得多，过载能力小，这种控制只适用于负载变化不大的场合。 2  控制方式的选择 一般情况下，常见的负载有三种：减转矩型负载、恒功率型负载和恒转矩型负载。负载类型不同，调速范围不同，所要求的控制方式也不一样。因此，我们可以按负载的不同来选择不同的调速方式。 2.1  减转矩型负载 这类负载的特点是转矩和转速的平方成正比，如风机和泵类。这类负载在负载重、电流大、铜耗大的场合，宜采用恒磁通控制方式。因为磁通不变，由于负载转矩与转速平方成正比，因此电动机电流也和转速的平方成正比。随着转速的下降，电流急剧减小，使铜耗大大减小。这类负载在负载较轻时，宜采用恒电流控制方式，因为在恒电流控制时，磁通和转速的平方成正比，随着转速的下降，铁损大大减小，有利于减小电动机损耗。需要指出的是风机、泵类负载一般不宜在低于15Hz以下运行，如确需要在15Hz以下运行，则要考虑电动机的温升，必要时三相交流异步电动机应采用不受转速影响的强迫风冷。 2.2恒功率负载 恒功率负载的转矩与转速成反比，对于这类负载，可采用恒磁通控制方式和恒功率控制方式。 恒磁通控制方式的特点是磁通不变和最大转矩不变，采用这种控制方式，可使电动机铁心获得充分利用，同时，由于负载随着转速的增加，转矩减小，电流也减小。若调速范围为D，则在额定转速时的电流为额定电流的，这样有利于铜耗的减小，这种控制方式特别适用于重载的场合。对于负载较轻的场合，宜采用恒功率控制方式，这种控制方式输出功率不变，在低速点，磁通和电流均为额定值，随着转速增加，磁通和电流均减小，这样铁耗大大减小。 2.3  恒转型负载 恒转矩负载只有恒磁通控制方式一种形式，这种控制方式能同时保证磁通不变，电流不变，过载倍数不变，其他控制方式不能满足这些条件，提升机、运输机、传送机、搅拌机即属于这类负载。需要指出的是，对于升降性恒转矩负载，如提升机、电梯等，在其下降过程中需要一定制动转矩，但是变频器本身并不能提供很大的制动转矩，仅仅依靠其内部大电容可短时提供相当于电动机额定转距20％的制动转距，因此对于要求频繁提供较大制动转矩的场合，变频器还必须加制动单元。 3  结束语 为了使异步电动机变频调速系统能取得最好的效果，不同类型的负载应根据具体要求选择不同的控制方式，这些控制方式应满足：(1)电动机的过载能力不低于额定值，防止堵转；(2)每极磁通不应超过额定值，避免磁饱和；(3)电流不超过额定值，避免电机过热；(4)电机的损耗最小；(5)电动机容量得到充分利用，尽可能使磁能保持额定值，以充分利用铁心，尽可能使电流保持额定值，以充分利用绕组导线；尽可能使功率因数保持额定值，避免降低电动机出力。上述5点是我们选择控制方式时应特别注意的地方。