1 引言

隨著變頻技術(shù)不斷發(fā)展和成熟。一種由變頻驅(qū)動器、變頻調(diào)速電動機(jī)以及速度控制元器件等組成的各種交流調(diào)速控制系統(tǒng)，得到廣泛應(yīng)用。它具有效率高、調(diào)速范圍寬、精度高、調(diào)速平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)。是異步電動機(jī)比較理想的調(diào)速方法。

2 變頻調(diào)速對電機(jī)的影響

變頻調(diào)速，是通過改變電動機(jī)定子繞組供電頻率來改變電動機(jī)同步轉(zhuǎn)速。由于異步電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n0與電源頻率f1成比例變化，所以改變f1就改變n0，從而實(shí)現(xiàn)異步電動機(jī)的調(diào)速。
異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速為

異步電動機(jī)定子電路的電壓平衡方程式為

在忽略定子阻抗壓降的情況下，則有

式中:u1—定子繞組相電壓;
e1—定子繞組感應(yīng)電勢;
f1—定子繞組電源頻率;
p—極對數(shù);
n0—同步轉(zhuǎn)速;
φm—每極對氣隙磁通;
i1z1—定子阻抗壓降。

從式(1)和式(2)中可見，當(dāng)電源頻率發(fā)生變化時(shí)不僅影響電動機(jī)的運(yùn)行速度，而且還會影響電動機(jī)內(nèi)部磁通量和各部分磁路磁通密度的變化。從而必然引起電動機(jī)其他性能參數(shù)的變化。

當(dāng)頻率f1下降低于額定頻率時(shí)，由于切割定子繞組的旋轉(zhuǎn)磁場速度n0下降，定子繞組內(nèi)的感應(yīng)電動勢e1隨之下降。此時(shí)，如果電源電壓u1保持不變，為了平衡u1與e1之間的差值。迫使增大勵(lì)磁電流im，必需建立更大的氣隙磁通量φm。以確保在同步速n0較低的情況下，感應(yīng)足夠的電動勢e1與外加的電源電壓u1平衡。

但是，一般情況下電動機(jī)在額定頻率工作時(shí)，磁路已接近飽和狀態(tài)。為了保持電動機(jī)內(nèi)部磁通密度不變，只能控制外加電壓u1，隨頻率成比例下降。

當(dāng)頻率f1提升超過額定頻率時(shí)，定子繞組內(nèi)的感應(yīng)電動勢e1呈上升趨勢。氣隙磁通量φm將下降而小于額定值。那么，在額定的定子電流下，電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩下降，電動機(jī)得不到充分利用。
總之，變頻調(diào)速是通過改變電源頻率，實(shí)現(xiàn)調(diào)速，但同時(shí)必然引起氣隙磁通量φm的變化，從而影響電動機(jī)的運(yùn)行性能。如果變頻調(diào)速時(shí)，隨著電源頻率改變的同時(shí)改變電源電壓，以保持氣隙磁通量φm不變，那么電動機(jī)將獲得良好的運(yùn)行性能。

3 負(fù)載特性

其實(shí)變頻調(diào)速電動機(jī)選型或設(shè)計(jì)參數(shù)的設(shè)定與被驅(qū)動的負(fù)載特性有密切關(guān)系。必需在充分了解負(fù)載特性的基礎(chǔ)上，方可達(dá)到最佳匹配。如調(diào)速范圍內(nèi)，各頻率段的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩或功率。以下為某數(shù)控車床配套而設(shè)計(jì)的變頻調(diào)速電動機(jī)。
某數(shù)控車床要求:

32hz時(shí):功率為3kw，945r/min;
65hz時(shí):功率為6kw，1900r/min;
87hz時(shí):功率為6.25kw，2580r/min;
205hz時(shí):功率為7.5kw，6070r/min;

按照上述工況，cmp132s-4變頻調(diào)速電動機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)確定，基本額定頻率設(shè)定為65hz，額定電壓設(shè)定為310v，y接。就是說:65hz以下為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速;65hz至87hz提升電動機(jī)的輸入電壓到415v，電動機(jī)輸出功率可提升到8kw，保持該段頻率仍為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。87hz至205hz保持8kw恒功率調(diào)速。

4 恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速特性的控制

恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，就是說:在改變頻率f1的調(diào)速過程中保持電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩不變。
由電機(jī)原理可知，三相異步電動機(jī)的最大電磁轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式為

t1，t1max，tf，tfmax分別代表額定頻率和某一頻率時(shí)的額定轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩。
u1，f1，uf，ff分別代表額定和某一頻率時(shí)的電壓和頻率。

對某一臺電動機(jī)來說，c是常數(shù)，可見u1/f1比值代表每極氣隙磁通量。只要保持u1/f1比值恒定，氣隙磁通就能基本保持不變。保持電動機(jī)過載能力不變。

恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速時(shí):保持tf=t1，恒轉(zhuǎn)矩。uf應(yīng)隨ff變化，只要保持(uf/ff)=(u1/f1)比值恒定，氣隙磁通量基本保持不變。調(diào)速過程中電動機(jī)的過載能力就能保持不變，達(dá)到恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速目的。
但是在低頻調(diào)速時(shí)，u1，e1都較小，定子繞組的感抗也變得很小，此時(shí)電動機(jī)內(nèi)部電阻引起電壓降已不容忽略，電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩將因此略有下降。

為了獲得恒定的轉(zhuǎn)矩必須通過檢測定子負(fù)載電流，提高定子電壓，進(jìn)行電壓補(bǔ)償，以便維持轉(zhuǎn)矩恒定不變或有所提升。

按cmp132s-4為例:33hz時(shí)，如果電壓補(bǔ)償15%，過載能力提高15%，起動轉(zhuǎn)矩提高35%;電壓補(bǔ)償20%，過載能力提高28%，起動轉(zhuǎn)矩提高55%。

5 恒功率調(diào)速特性的控制

恒功率調(diào)速，就是說:在改變頻率f1的調(diào)速過程中保持電動機(jī)的輸出功率不變。

恒功率調(diào)速時(shí):如能保持u1/√f1=常數(shù)，則可保持調(diào)速過程中電動機(jī)的過載能力不變。
如果頻率升高，超過額定頻率，仍需維持恒轉(zhuǎn)矩，tf=t1。uf應(yīng)隨ff變化，如能保持(uf/ff)=(u1/f1)比值恒定，氣隙磁通量基本保持不變。調(diào)速過程中電動機(jī)的過載能力就能保持不變，仍可保持恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。

但是由于電源電壓值是由電壓制規(guī)定的，通過變頻器調(diào)壓受到電源電壓的限制，最高不能超過電源電壓。

按cmp132s-4為例:由于87hz、205hz時(shí)，要求負(fù)載功率有所提升。
當(dāng)頻率從65hz提升到87hz時(shí)，把變頻器輸出電壓提高到415v，這樣，頻率提升了33.8%，電壓提高了33.9%，輸出功率可達(dá)到8kw，功率提升33.3%，保持電動機(jī)內(nèi)部磁通密度基本不變，電動機(jī)的運(yùn)行特性及過載能力均保持不變。包括負(fù)載電流、空載電流、發(fā)熱量等基本保持不變。該段頻率仍為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。

當(dāng)頻率從87hz 提升到205hz時(shí)，保持恒功率調(diào)速，功率為8kw。
保證在調(diào)速范圍內(nèi)各頻率段的輸出功率均達(dá)到負(fù)載的要求。見圖1。

圖 1 變頻調(diào)速的負(fù)載特性曲線

6 小結(jié)

變頻電機(jī)最佳設(shè)計(jì)方案，應(yīng)與負(fù)載的工作特性相匹配，合理確定基準(zhǔn)頻率和基準(zhǔn)電壓。合理調(diào)整變頻器的設(shè)置。可充分保證各頻率段的工作特性。下表為cmp132s-4變頻電動機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)。

參考文獻(xiàn)
[1] 陳伯時(shí). 電力拖動自動控制系統(tǒng)[m]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1992.

作者簡介
王國芳 男 高級工程師 上海精元先馬電機(jī)有限公司副總工程師。