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变频器控制感应式交流电机转速的工作原理

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点击次数:  更新时间:2016-12-05 09:39:55  【打印此页】  【关闭

        东莞电机在本文中所指的电机为感应式交流电机,在工业中所使用的大部分电机均为此类型电机。感应式交流电机(以后简称为电机)的旋转速度近似地确决于电机的极数和频率。由电机的工作原理决定电机的极数是固定不变的。由于该极数值不是一个连续的数值(为2的倍数,例如极数为2,4,6),所以一般不适和通过改变该值来调整电机的速度。

        另外,频率能够在电机的外面调节后再供给电机,这样电机的旋转速度就可以被自由的控制。

        因此,以控制频率为目的的变频器,是做为电机调速设备的优选设备。

        结论:改变频率和电压是最优的电机控制方法。

        如果仅改变频率而不改变电压,频率降低时会使电机出于过电压(过励磁),导致电机可能被烧坏。因此变频器在改变频率的同时必须要同时改变电压。输出频率在额定频率以上时,电压却不可以继续增加,最高只能是等于电机的额定电压。

        工频电源:由电网提供的动力电源(商用电源)。

        起动电流:当电机开始运转时,变频器的输出电流。

        变频器驱动时的起动转矩和最大转矩要小于直接用工频电源驱动。

        电机在工频电源供电时起动和加速冲击很大,而当使用变频器供电时,这些冲击就要弱一些。工频直接起动会产生一个大的起动起动电流。而当使用变频器时,变频器的输出电压和频率是逐渐加到电机上的,所以电机起动电流和冲击要小些。 

        通常,电机产生的转矩要随频率的减小(速度降低)而减小。减小的实际数据在有的变频器手册中会给出说明。 

        通过使用磁通矢量控制的变频器,将改善电机低速时转矩的不足,甚至在低速区电机也可输出足够的转矩。 


1、当变频器调速到大于50Hz频率时,电机的输出转矩将降低 

        通常的电机是按50Hz电压设计制造的,其额定转矩也是在这个电压范围内给出的。因此在额定频率之下的调速称为恒转矩调速. (T=Te,P<=Pe) 

        变频器输出频率大于50Hz频率时,电机产生的转矩要以和频率成反比的线性关系下降。 

        当电机以大于50Hz频率速度运行时,电机负载的大小必须要给予考虑,以防止电机输出转矩的不足。 

        举例,电机在100Hz时产生的转矩大约要降低到50Hz时产生转矩的1/2。 

        因此在额定频率之上的调速称为恒功率调速. (P=Ue*Ie) 


2. 变频器50Hz以上的应用情况 

        大家知道,对一个特定的电机来说,其额定电压和额定电流是不变的。 

        如变频器和电机额定值都是:15kW/380V/30A,电机可以工作在50Hz以上。 

        当转速为50Hz时,变频器的输出电压为380V,电流为30A. 这时如果增大输出频率到60Hz,变频器的最大输出电压电流还只能为380V/30A. 很显然输出功率不变. 所以我们称之为恒功率调速. 

这时的转矩情况怎样呢? 

        因为P=wT (w:角速度,T:转矩). 因为P不变,w增加了,所以转矩会相应减小。 

我们还可以再换一个角度来看:

        电机的定子电压 U = E + I*R (I为电流,R为电子电阻,E为感应电势) 

        可以看出,U,I不变时,E也不变。

        而E = k*f*X,(k:常数,f: 频率,X:磁通),所以当f由50-->60Hz时,X会相应减小。

        对于电机来说,T=K*I*X,(K:常数,I:电流,X:磁通),因此转矩T会跟着磁通X减小而减小。

        同时,小于50Hz时,由于I*R很小,所以U/f=E/f不变时,磁通(X)为常数. 转矩T和电流成正比. 这也就是为什么通常用变频器的过流能力来描述其过载(转矩)能力,并称为恒转矩调速(额定电流不变-->最大转矩不变) 

        东莞电机结论:当变频器输出频率从50Hz以上增加时,电机的输出转矩会减小。


3、其他和输出转矩有关的因素

        发热和散热能力决定变频器的输出电流能力,从而影响变频器的输出转矩能力。

        载波频率:一般变频器所标的额定电流都是以最高载波频率,最高环境温度下能保证持续输出的数值. 降低载波频率,电机的电流不会受到影响。但元器件的发热会减小。

        环境温度:就象不会因为检测到周围温度比较低时就增大变频器保护电流值。

        海拔高度:海拔高度增加,对散热和绝缘性能都有影响.一般1000m以下可以不考虑,以上每1000米降容5%就可以了。


4、矢量控制是怎样改善电机的输出转矩能力的?

转矩提升

        此功能增加变频器的输出电压(主要是低频时),以补偿定子电阻上电压降引起的输出转矩损失,从而改善电机的输出转矩。

改善电机低速输出转矩不足的技术

        使用矢量控制,可以使电机在低速,如(无速度传感器时)1Hz(对4极电机,其转速大约为30r/min)时的输出转矩可以达到电机在50Hz供电输出的转矩(最大约为额定转矩的150%)。

        对于常规的V/F控制,电机的电压降随着电机速度的降低而相对增加,这就导致由于励磁不足,而使电机不能获得足够的旋转力。为了补偿这个不足,变频器中需要通过提高电压,来补偿电机速度降低而引起的电压降。变频器的这个功能叫做转矩提升。

        转矩提升功能是提高变频器的输出电压。然而即使提高很多输出电压,电机转矩并不能和其电流相对应的提高。 因为电机电流包含电机产生的转矩分量和其它分量(如励磁分量)。

        矢量控制把电机的电流值进行分配,从而确定产生转矩的电机电流分量和其它电流分量(如励磁分量)的数值。

        矢量控制可以通过对电机端的电压降的响应,进行优化补偿,在不增加电流的情况下,允许电机产出大的转矩。此功能对改善电机低速时温升也有效。



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