电动机的变频调速控制

    1.4.3　电动机的变频调速控制

    1）变频调速原理

    由式（1-5）可知，只要连续改变f，就可以实现平滑调速。但变频调速时要注意变频与调压的配合。通常分基频（电源额定频率）以下调速和基频以上调速。

    （1）基频以下的调速

    在基频以下调速时，速度调低。在调节过程中，必须配合电源电压的调节，否则电动机无法正常运行。原因是根据电动机电动势电压平衡方程U≈E＝4.44fNKΦ_m（式中N为每相绕组的匝数；Φ_m为电动机气隙磁通的最大值；K为电动机的结构系数），当f下降时，若U不变，则必使Φ_m增加，而在电动机设计制造时，磁路磁通Φ_m设计得已接近饱和，Φ_m的上升必然使磁路饱和，励磁电流剧增，使电动机无法正常工作。为此，在调节中应使Φ_m恒定不变，则必须使U/f＝常数，可见，在基频以下调速时，为恒磁通调速，相当于直流电动机的调压调速，此时应使定子电压随频率成正比例变化。

    （2）基频以上的调速

    在基频以上调速时，速度调高。但此时也按比例升高电压是不行的，因为往上调U将超过电动机额定电压，从而超过电动机绝缘耐压限度，危及电动机绕组的绝缘。因此，频率上调时应保持电压不变，即U＝常数（即为额定电压），此时，f升高，Φ_m应下降，相当于直流电动机弱磁调速。

    2）变频调速的机械特性

    （1）U/f＝常数的变频调速机械特性

    图1-67为U/f＝常数时变频调速机械特性曲线，由图可见最大转矩将随f的降低而降低。此时直线部分斜率仍不变，机械特性保持较高的硬度。只要f连续变化，转速n将连续变化。由于Φ_m不变，调速过程中电磁转矩不变，因此属于恒转矩调速。

    

    

    图1-67　U/f＝常数的变频调速机械特性

    

    

    图1-68　U＝U_N变频调速机械特性曲线

    （2）U＝U_N的变频调速机械特性

    图1-68为U＝U_N变频调速机械特性曲线，由图可见，最大转矩随f上升而减小，且机械特性的硬度略有变软，同样，连续改变f可连续改变转速n。因f调高时，Φ_m下降，但调速过程中功率基本不变，故属于恒功率调速方式。

    3）变频器

    随着现代电力电子技术的飞速发展，异步电动机变频调速所要求的变频电源几乎都采用静止式变频器。交流变频调速技术是强弱电混合、机电一体的综合性技术，既要处理巨大电能的转换（整流、逆变），又要处理信息的收集、变换和传输，因此它的共性技术必定分成功率和控制两大部分。前者要解决与高压大电流有关的技术问题和新型电力电子器件的应用技术问题，后者要解决（基于现代控制理论的控制策略和智能控制策略）硬、软件开发问题。

    通用变频器一般都是采用交—直—交的方式组成，其基本结构如图1-69所示。通用变频器通常都是由以下两部分组成：

    

    

    图1-69　通用变频器的基本结构

    （1）主电路　包括整流部分、直流环节、逆变部分、制动或回馈环节等部分。

    （2）控制回路　包括变频器的核心软件算法电路、检测传感电路、控制信号输入/输出电路、驱动电路和保护电路等。

    限于篇幅，本书对变频器技术只作简单的介绍，在第7.4节还将介绍变频器与PLC的配合应用。其他更详细的内容，请读者参看有关变频器的专门书籍。

    4）变频器的电气控制电路

    （1）变频器接入电路

    根据输入电源的相数分为单相和三相两种：

    ①三进三出变频器　变频器的输入侧和输出侧都是三相交流电。绝大多数变频器都属此类。图1-70为变频器的外接主电路。

    ②单进三出变频器　变频器的输入侧为单相交流电，输出侧是三相交流电，俗称“单相变频器”。该类变频器通常容量较小，且适合在单相电源情况下使用。家用电器里的变频器多属此类。

    

    

    图1-70　变频器的外接主电路

    

    

    图1-71　输入侧接触器的作用

    （2）变频器电路连接的主要事项

    ①变频器前面一定要加接触器

    输入侧接触器的作用如图1-71所示，一般说来，在断路器和变频器之间，应该有接触器。

    （a）可通过按钮开关方便地控制变频器的通电与断电。

    （b）发生故障时可自动切断变频器电源，如：变频器自身发生故障，报警输出端子动作（图中之B—C端之间断开）时，可使接触器KM迅速断电，从而使变频器立即脱离电源。另外，当控制系统中有其他故障信号（如图中之AL触点断开）时，也可迅速切断变频器电源。

    ②变频器与电动机之间是否接输出接触器

    （a）当一台变频器只控制一台电动机，且并不要求和工频进行切换时，变频器与电动机之间不需接输出接触器。因为如果接了输出接触器，则有可能在变频器的输出频率较高的情况下启动电动机，产生较大的启动电流，导致变频器跳闸。

    （b）必须接输出接触器的情况有两种：当一台变频器接多台电动机时，每台电动机必须要有单独控制的接触器，如图1-72（a）所示。另外，在变频和工频需要切换的情况下，当电动机接至工频电源时，必须切断和变频器之间的联系。因此，电动机和变频器之间必须接接触器，如图1-72（b）所示。

    

    

    图1-72　必须接输出接触器的场合

    ③变频器与电动机之间是否需要加热继电器

    和输出接触器类似，当一台变频器只控制一台电动机，且并不要求和工频进行切换时，因变频器本身具有热保护功能，所以没有必要接热继电器。当一台变频器接多台电动机时，因每台电动机的容量比变频器小得多，变频器不可能对每台电动机进行热保护，则每台电动机只能分别由各自的热继电器进行保护。当电动机需要在变频和工频之间进行切换控制的情况下，因为在工频运行时，变频器不可能对电动机进行热保护，故热继电器是必需的。