變頻調(diào)速的原理與控制方法

戴 謙 九

(太原市熱力公司，山西 太原 030001)

?

變頻調(diào)速的原理與控制方法

戴 謙 九

(太原市熱力公司，山西 太原 030001)

介紹了變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了變頻調(diào)速的工作原理，從恒壓頻比、恒磁通量以及恒功率三方面，闡述了實現(xiàn)變頻調(diào)控的方法，為變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用提供了參考。

變頻調(diào)速，電源，電機(jī)，電壓

0 引言

之前較長的時期內(nèi)，交流調(diào)速技術(shù)僅僅用在異步電機(jī)變極以及傳子回路電阻等一些相對簡易的方面，其不能和擁有相對優(yōu)良啟動、制動以及調(diào)速功效的直流調(diào)速技術(shù)相比較。但是，在近十幾年間，電子電力技術(shù)不斷的革新與發(fā)展，集成電路自動控制和多種變頻設(shè)備等也得到了迅猛的發(fā)展和進(jìn)步，也讓交流調(diào)速技術(shù)在更加寬廣的調(diào)速范圍中能被應(yīng)用，同時也擁有相對穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)、極高的精度，擁有非常迅速的動態(tài)響應(yīng)能力，并且能用于四象限的調(diào)速設(shè)備中，讓其性能和直流調(diào)速相媲美。另一方面，采取變頻調(diào)速設(shè)備，會降低設(shè)備的占地面積，并減少后期的維護(hù)成本投入。尤其是用在大容量系統(tǒng)中，其更加的具有優(yōu)越性。所以，交流調(diào)速逐漸的受到人們重視，并被大量的應(yīng)用在實際中，其不斷的代替直流調(diào)速系統(tǒng)。對于城市集中供熱采暖來說，熱力站所接受的熱水來自于城市的熱源廠，兩者是依靠主管道進(jìn)行熱水的傳輸，通過熱力站的熱交換設(shè)備而完成熱能的交換，然后再經(jīng)由循環(huán)水泵將熱量傳輸至用戶。而在這一過程中，主管網(wǎng)以及用戶穩(wěn)壓是通過定壓補(bǔ)水的手段來進(jìn)行控制的。而由于城市供熱采暖所涉及的范圍持續(xù)的擴(kuò)張，采取一般的定壓補(bǔ)水根本無法達(dá)到相對繁雜的系統(tǒng)定壓要求。而在變頻控制技術(shù)逐步發(fā)展與革新的過程中，其也被逐漸地應(yīng)用在了城市的供熱采暖系統(tǒng)中，同時取得了良好的應(yīng)用效果。

1 變頻調(diào)速的工作原理

對于變頻調(diào)速的分析可依照異步電機(jī)轉(zhuǎn)速計算式:n=60f(1-s)/p來進(jìn)行。

式中：n——異步電機(jī)所擁有的轉(zhuǎn)速；f——異步電機(jī)所擁有的頻率；s——異步電機(jī)所擁有的轉(zhuǎn)差率；p——異步電機(jī)所擁有的極對數(shù)。

通過上式可得，如果異步電機(jī)所擁有的磁極對數(shù)保持恒定，均勻的變化電源所提供的電壓頻率值，那么就能夠不間斷地改變電機(jī)所擁有的轉(zhuǎn)速，以實現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速的無級平滑控制。采用這種原理工作的調(diào)速方法，我們將之稱為變頻調(diào)速。變頻調(diào)速其本質(zhì)是改變電機(jī)所對應(yīng)電源的電壓頻率來完成控制異步電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，從而完成對電機(jī)的調(diào)速操作。采用變頻調(diào)速技術(shù)，可以讓整個過程更具有穩(wěn)定性以及平滑性。所能用于的調(diào)速范圍也非常的寬泛，并且也可使系統(tǒng)更加的節(jié)能。尤其是使用變頻裝置來調(diào)控籠型電機(jī)時，可以達(dá)到操作便捷、運(yùn)行穩(wěn)定、能源節(jié)約量大的效果。因此，變頻調(diào)速在實際中已被應(yīng)用到了工業(yè)中全部的領(lǐng)域內(nèi)，同時也被廣泛地應(yīng)用在空調(diào)、冰箱等家電中。另外，變頻裝置的組成中也包含了相應(yīng)的自控元件，能夠按照對外界相關(guān)參數(shù)的測量結(jié)果，和變頻裝置中自控組件所設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)值完成對比和計算，然后實時地調(diào)控系統(tǒng)運(yùn)行需用的電壓頻率。所以，采用變頻裝置能夠達(dá)到下列效果：

1)當(dāng)水泵電機(jī)開啟時，會在電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)不斷增加的過程中，而使電壓的大小以及頻率平滑地提升，從而達(dá)到對水泵電機(jī)軟啟動的目標(biāo)。

2)對外界參數(shù)的測量與計算，并將相應(yīng)的信號輸入至變頻裝置的自控組件中，從而達(dá)到對電機(jī)無級平滑變速控制的目的。

2 變頻裝置的控制方法

在不考慮定子壓降的因素條件下，水泵電機(jī)定子電壓的表示為：

U1=E1=4.44×f1×N1×Фm×K×W1。

通過上式可得，如果U1值保持恒定，那么當(dāng)頻率值f1出現(xiàn)增大時，電機(jī)的磁通量Фm會隨之降低，從而使得電機(jī)轉(zhuǎn)矩也不斷地變小，導(dǎo)致電機(jī)超載性能減弱。如果U1值保持恒定，那么當(dāng)頻率值f1出現(xiàn)減小時，電機(jī)的磁通量Фm會隨之變大，而使磁路出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，并使勵磁電流也隨之增加，從而使得電機(jī)鐵損不斷變大，會導(dǎo)致電機(jī)工作效率不斷減小，相應(yīng)的功率因數(shù)也隨之降低。所以，如果讓電機(jī)保持相對優(yōu)良的工作性能，應(yīng)當(dāng)對電機(jī)進(jìn)行變頻的調(diào)控，并且結(jié)合對電機(jī)定子電壓的調(diào)控，來保證磁通量不出現(xiàn)波動。依照電壓U1以及頻率f1所具有的差異性控制規(guī)律，能采取多種方法來調(diào)控水泵電機(jī)。

2.1 恒壓頻比的變頻控制方法

通過調(diào)整電壓和頻率的比值來調(diào)控水泵電機(jī)，其是對變頻裝置的輸出頻率進(jìn)行調(diào)整，也同時調(diào)整電壓幅值，從而達(dá)到使電機(jī)磁通量處于相對不變的狀態(tài)，這樣可以使電機(jī)能夠在相對寬的運(yùn)轉(zhuǎn)速率值內(nèi)運(yùn)行，并保證其工作效率以及功率因素均不出現(xiàn)減小?，F(xiàn)階段，多數(shù)的變頻裝置均是通過此種方法來完成對電機(jī)的調(diào)控。異步電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時，鐵心磁通量處于幾乎飽和的條件下，這樣讓鐵心能被更加完全的利用。而當(dāng)變頻調(diào)控時，如果電源頻率出現(xiàn)波動，會使其阻抗發(fā)生改變，進(jìn)一步的導(dǎo)致勵磁電流出現(xiàn)波動，這會導(dǎo)致電機(jī)發(fā)生勵磁缺乏抑或超量的問題。當(dāng)勵磁缺乏時，會使電機(jī)轉(zhuǎn)矩不斷減小，相應(yīng)的磁通容量無法被完全的利用。當(dāng)勵磁超量時，將導(dǎo)致鐵心磁通量達(dá)到飽和，電機(jī)內(nèi)部將出現(xiàn)非常強(qiáng)的勵磁電流，使得鐵損不斷增加，同時也會讓電機(jī)的工作效率及功率因素有所減小，也易發(fā)生電機(jī)過熱的問題。所以，通過調(diào)控頻率來對電機(jī)調(diào)速，電壓要按照負(fù)荷的屬性差異而進(jìn)行恰當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)。同時，通過一定的方法來確保磁通量處于一定的恒定狀態(tài)。

2.2 恒磁通量的變頻控制方法

當(dāng)采取恒壓頻比值的方法對電機(jī)進(jìn)行調(diào)控時，因為異步電機(jī)處于轉(zhuǎn)速較小時，其感應(yīng)電勢相對也不高，所以此時定子壓降的因素就無法被忽略不計。也就是說，在相對小的頻率狀態(tài)下，定子阻抗所產(chǎn)生的降壓效果，對于電機(jī)的定子電壓會有較大的影響，此時就不能確保電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩。所以，可以用在電機(jī)調(diào)速范圍相對小或者電機(jī)轉(zhuǎn)矩在轉(zhuǎn)速減小時同樣不斷減少的情況。例如，用于風(fēng)機(jī)調(diào)速或者水泵調(diào)速中。而一些需進(jìn)行相對大的速率調(diào)整，并且電機(jī)轉(zhuǎn)矩為定值時，我們也希望在對電機(jī)調(diào)速時可以維持最大的轉(zhuǎn)矩，同時也要確保電機(jī)磁通量不發(fā)生變化。所以，此時就能夠通過恒磁通量的變頻調(diào)控方法加以實現(xiàn)。要確保異步電機(jī)在工作狀態(tài)時具有可靠度。我們通常要求在對電機(jī)調(diào)速過程中，其過載性能維持恒定，即確保電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩恒定。如果采取恒壓頻比值的方法來調(diào)控電機(jī)，異步電機(jī)所具有的最大轉(zhuǎn)矩將會受到頻率增加的影響而不斷的變大，同時也會受到頻率減小的影響而不斷的變小。如果電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩降低至一定程度，那么會使調(diào)速裝置的負(fù)載性能降低。而要想對低頻率下電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行改進(jìn)，應(yīng)當(dāng)通過補(bǔ)強(qiáng)電壓的手段。也就是說，當(dāng)處于相對低的頻率時，通過增加電壓用以抵消定子阻抗所引起的壓降數(shù)值，從而確保電機(jī)轉(zhuǎn)速相對小時依然可以擁有相對大的輸出轉(zhuǎn)矩，并使電機(jī)的負(fù)載性能得到改善。

2.3 恒功率變頻控制方法

異步電機(jī)處于額定運(yùn)行時，要使電機(jī)的運(yùn)行速率增加，定子電源頻率可以超過額定值而不斷的增大，不過電源電壓值卻會受到額定值的束縛而無法再增大。而這種情況下，在頻率不斷增加的同時，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速率不斷增加，鐵心的磁通量不斷變小，使得電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩也不斷減小，不過電機(jī)所允許的輸出功率卻基本恒定，這種調(diào)速方式為恒功率變頻調(diào)速方式。

3 結(jié)語

通過上述分析我們能認(rèn)識到，通常當(dāng)電機(jī)處于額定頻率范圍內(nèi)運(yùn)行，可采用變頻調(diào)控。如果要求同轉(zhuǎn)矩負(fù)載保持不變，則應(yīng)當(dāng)通過恒壓頻比的變頻調(diào)控方法來對電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)控。而對于低頻段加以電源電壓補(bǔ)償時，應(yīng)當(dāng)采取恒磁通量的變頻調(diào)控方式對電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)控。如果是高于額定頻率，那就應(yīng)當(dāng)通過恒功率的變頻調(diào)控方法來實現(xiàn)。

[1] 曲高峰.淺談變頻器多段速控制原理[J].科技視界,2016(12)：50-51.

[2] 于 良.對變頻器工作技術(shù)原理及運(yùn)用的研究[J].電子制作,2016(9):4-7.

Frequency conversion principles and control methods

Dai Qianjiu

(TaiyuanThermalPowerCorporation,Taiyuan030001,China)

The paper introduces the development status of frequency conversion technology, analyzes its working principles, and describes methods of realizing frequency conversion from three aspects of constant voltage frequency ratio, constant-flux voltage volume and constant power, which has provided some guidance for the application of frequency conversion technology.

frequency conversion, power source, electric machinery, voltage

1009-6825(2016)26-0145-02

2016-07-02

戴謙九(1983- )，男，工程師

TM921.51

A