變頻調(diào)速在起重機械上的應用 
 

1、交流調(diào)速系統(tǒng)概述
    　　
    　　1.1 交流調(diào)速系統(tǒng)的特點
    　　對于可調(diào)速的電力拖動系統(tǒng)，工程上往往把它分為直流調(diào)速系統(tǒng)和交流調(diào)速系統(tǒng)兩類。這主要是根據(jù)采用什么電流制型式的電動機來進行電能與機械能的轉(zhuǎn)換而劃分的，所謂交流調(diào)速系統(tǒng)，就是以交流電動機作為電能—機械能的轉(zhuǎn)換裝置，并對其進行控制以產(chǎn)生所需要的轉(zhuǎn)速。
    　　縱觀電力拖動的發(fā)展過程，交、直流兩大調(diào)速系統(tǒng)一直并存于各個工業(yè)領(lǐng)域，雖然由于各個時期科學技術(shù)的發(fā)展使得它們所處的地位有所不同，但它們始終是隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，特別是隨著電力電子元器件的發(fā)展而在相互競爭。在過去很長一段時期，由于直流電動機的優(yōu)良調(diào)速性能，在可逆、可調(diào)速與高精度、寬調(diào)速范圍的電力拖動技術(shù)領(lǐng)域中，幾乎都是采用直流調(diào)速系統(tǒng)。然而由于直流電動機其有機械式換向器這一致命的弱點，致使直流電動機制造成本高、價格昂貴、維護麻煩、使用環(huán)境受到限制，其自身結(jié)構(gòu)也約束了單臺電機的轉(zhuǎn)速，功率上限，從而給直流傳動的應用帶來了一系列的限制。相對于直流電動機來說，交流電動機特別是鼠籠式異步電動機具有結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，堅固耐用，運行可靠，維護方便，慣性小，動態(tài)響應好，以及易于向高壓、高速和大功率方向發(fā)展等優(yōu)點。因此，近幾十年以來，不少國家都在致力于交流調(diào)速系統(tǒng)的研究，用沒有換向器的交流電動機實現(xiàn)調(diào)速來取代直流電動機，突破它的限制。
    　　隨著電力電子器件，大規(guī)模集成電路和計算機控制技術(shù)的迅速發(fā)展，以及現(xiàn)代控制理論向交流電氣傳動領(lǐng)域的滲透，為交流調(diào)速系統(tǒng)的開發(fā)研究進一步創(chuàng)造了有利的條件。諸如交流電動機的串級調(diào)速、各種類型的變頻調(diào)速，特別是矢量控制技術(shù)的應用，使得交流調(diào)速系統(tǒng)逐步具備了寬的調(diào)速范圍、較高的穩(wěn)速精度、快速的動態(tài)響應以及在四象限作可逆運行等良好的技術(shù)性能?，F(xiàn)在從數(shù)百瓦的伺服系統(tǒng)到數(shù)百千瓦的特大功率高速傳動系統(tǒng)，從一般要求的小范圍調(diào)速傳動到高精度、快響應、大范圍的調(diào)速傳動，從單機傳動到多機協(xié)調(diào)運轉(zhuǎn)，已幾乎都可采用交流調(diào)速傳動。交流調(diào)速傳動的客觀發(fā)展趨勢已表明，它*可以和直流傳動相媲美、相抗衡，并有取代的趨勢。
    　　
    　　1.2 交流調(diào)速常用的調(diào)速方案及其性能比較
    　　由電機學知，交流異步電動機的轉(zhuǎn)速公式如下：
    　　
    　　n= 60＆#402;1 (1-s) (1-1)
    　　 pn
    　　
    　　式中 Pn——電動機定子繞阻的磁極對數(shù)；
    　　 f1——電動機定子電壓供電頻率；
    　　 s ——電動機的轉(zhuǎn)差率。
    　　從式（1-1）中可以看出，調(diào)節(jié)交流異步電動機的轉(zhuǎn)速有三大類方案。
    　　
    　　
    　?。?）改變電動機的磁極對數(shù)
    　　由異步電動機的同步轉(zhuǎn)速
    　　
    　　no= 60＆#402;1
    　　 pn
    　　
    　　可知，在供電電源頻率f1不變的條件下，通過改接定子繞組的連接方式來改變異步電動機定子繞組的磁極對數(shù)Pn，即可改變異步電動機的同步轉(zhuǎn)速n0，從而達到調(diào)速的目的。這種控制方式比較簡單，只要求電動機定子繞組有多個抽頭，然后通過觸點的通斷來改變電動機的磁極對數(shù)。采用這種控制方式，電動機轉(zhuǎn)速的變化是有級的，不是連續(xù)的，一般最多只有三檔，適用于自動化程度不高，且只須有級調(diào)速的場合。
    　?。?）變頻調(diào)速
    　　 從式（1—1）中可以看出，當異步電動機的磁極對數(shù)Pn一定，轉(zhuǎn)差率s—定時，改變定子繞組的供電頻率f1可以達到調(diào)速目的，電動機轉(zhuǎn)速n基本上與電源的頻率f1成正比，因此，平滑地調(diào)節(jié)供電電源的頻率，就能平滑，無級地調(diào)節(jié)異步電動機的轉(zhuǎn)速。變頻調(diào)速調(diào)速范圍大，低速特性較硬，基頻f=50Hz以下，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式，在基頻以上，屬于恒功率調(diào)速方式，與直流電動機的降壓和弱磁調(diào)速十分相似。且采用變頻起動更能顯著改善交流電動機的起動性能，大幅度降低電機的起動電流，增加起動轉(zhuǎn)矩。所以變頻調(diào)速是交流電動機的理想調(diào)速方案。
    　?。?）變轉(zhuǎn)差率調(diào)速
    　　改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速的方法很多，常用的方案有：異步電動機定子調(diào)壓調(diào)速，電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速和繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速，串級調(diào)速等。
    　　定子調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)就是在恒定交流電源與交流電動機之間接入晶閘管作為交流電壓控制器，這種調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)僅適用于一些屬短時與重復短時作深調(diào)速運行的負載。為了能得到好的調(diào)速精度與能穩(wěn)定運行，一般采用帶轉(zhuǎn)速負反饋的控制方式。所使用的電動機可以是繞線式異電動機或是有高轉(zhuǎn)差率的鼠籠式異步電動機。
    　　電磁轉(zhuǎn)差離臺器調(diào)速系統(tǒng)，是由鼠籠式異步電動機、電磁轉(zhuǎn)差離合器以及控制裝置組合而成。鼠籠式電動機作為原動機以恒速帶動電磁離合器的電樞轉(zhuǎn)動，通過對電磁離合器勵磁電流的控制實現(xiàn)對其磁極的速度調(diào)節(jié)。這種系統(tǒng)一般也采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。
    　　繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速就是通過改變轉(zhuǎn)子回路所串電阻來進行調(diào)速，這種調(diào)速方法簡單，但調(diào)速是有級的，串入較大附加電阻后，電動機的機械特性很軟，低速運行損耗大，穩(wěn)定性差。
    　　繞線式異步電動機串級調(diào)速系統(tǒng)就是在電動機的轉(zhuǎn)子回路中引入與轉(zhuǎn)子電勢同頻率的反向電勢Ef，只要改變這個附加的，同電動機轉(zhuǎn)子電壓同頻率的反向電勢Ef，就可以對繞線式異步電動機進行平滑調(diào)速。Ef越大，電動機轉(zhuǎn)速越低。
    　　 上述這些調(diào)速的共同特點是調(diào)速過程中沒有改變電動機的同步轉(zhuǎn)速n0，所以低速時，轉(zhuǎn)差率s較大。
    　　 在交流異步電動機中，從定子傳入轉(zhuǎn)子的電磁功率PM可以分成兩部分：一部分P2=（1—s）PM是拖動負載的有效功率，另一部分是轉(zhuǎn)差功率PS=sPM，與轉(zhuǎn)差率s成正比，它的去向是調(diào)速系統(tǒng)效率高低的標志。就轉(zhuǎn)差功率的去向而言，交流異步電動機調(diào)速系統(tǒng)可以分為三種：
    　　1）轉(zhuǎn)差功率消耗型
    　　 這種調(diào)速系統(tǒng)全部轉(zhuǎn)差功率都被消耗掉，用增加轉(zhuǎn)差功率的消耗來換取轉(zhuǎn)速的降低，轉(zhuǎn)差率s增大，轉(zhuǎn)差功率PS=sPM增大，以發(fā)熱形式消耗在轉(zhuǎn)子電路里，使得系統(tǒng)效率也隨之降低。定子調(diào)壓調(diào)速、電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速及繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速這三種方法屬于這一類，這類調(diào)速系統(tǒng)存在著調(diào)速范圍愈寬，轉(zhuǎn)差功率PS愈大，系統(tǒng)效率愈低的問題，故不值得提倡。
    　　2）轉(zhuǎn)差功率回饋型
    　　 這種調(diào)速系統(tǒng)的大部分轉(zhuǎn)差功率通過變流裝置回饋給電網(wǎng)或者加以利用，轉(zhuǎn)速越低回饋的功率越多，但是增設的裝置也要多消耗一部分功率。繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子串級調(diào)速即屬于這一類，它將轉(zhuǎn)差功率通過整流和逆變作用，經(jīng)變壓器回饋到交流電網(wǎng)，但沒有以發(fā)熱形式消耗能量，即使在低速時，串級調(diào)速系統(tǒng)的效率也是很高的。
    　　3）轉(zhuǎn)差功率不變型
    　　 這種調(diào)速系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)差功率仍舊消耗在轉(zhuǎn)子里，但不論轉(zhuǎn)速高低，轉(zhuǎn)差功率基本不變。如變極對數(shù)調(diào)速，變頻調(diào)速即屬于這一類，由于在調(diào)速過程中改變同步轉(zhuǎn)速n0，轉(zhuǎn)差率s是一定的，故系統(tǒng)效率不會因調(diào)速而降低。在改變n0的兩種調(diào)速方案中，又因變極對數(shù)調(diào)速為有極調(diào)速，且極數(shù)很有限，調(diào)速范圍窄，所以，目前在交流調(diào)速方案中，變頻調(diào)速是最有前途的交流調(diào)速方案。
    　　
    　　1.3 變流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展趨勢
    　　 近十幾年來，隨著現(xiàn)代控制理論、新型大功率電力電子器件、新型變頻技術(shù)以及微型計算機數(shù)字控制技術(shù)等在實際應用中相繼取得了重大進展，使得交流調(diào)速技術(shù)有了很大發(fā)展。今后的交流調(diào)速技術(shù)將在以下幾個方面得到進一步的發(fā)展。
    　　（1）交流調(diào)速系統(tǒng)的高性能化
    　　 交流電動機是個多變量、強耦合、非線性被控對象，僅用電壓/頻率（V/f）恒定控制，不能滿足對調(diào)速系統(tǒng)的要求。今后的產(chǎn)品將普遍采用矢量控制技術(shù)，提高調(diào)速性能，達到和超過直流調(diào)速水平。
    　　 矢量變換控制是一種新的控制理論和控制技術(shù)，它的想法是設法摸擬直流電動機的控制特點來進行交流電動機的控制。調(diào)速的關(guān)鍵問題是轉(zhuǎn)矩控制問題，直流電動機調(diào)速性能好的根本原因就在于它的轉(zhuǎn)矩控制容易，而交流電動機的轉(zhuǎn)矩則難于控制。為使交流電動機得到和直流電動機一樣的控制性能，必須通過電機統(tǒng)一理論和坐標變換理論，把交流電動機的定子電流分解成磁場定向坐標的磁場電流分量和與之相垂直的坐標轉(zhuǎn)矩電流分量，把固定坐標系變換為旋轉(zhuǎn)坐標系解耦后，交流量的控制變?yōu)橹绷髁康目刂票愕韧谥绷麟妱訖C。即如果在調(diào)速過程中始終維持定子電流的磁場電流分量不變，而控制轉(zhuǎn)矩電流分量，它就相當于直流電機中維持勵磁不變，而通過控制電樞電流來控制電機的轉(zhuǎn)矩一樣，能使系統(tǒng)具有較好的動態(tài)特性。
    　　 矢量控制方法的提出使交流傳動系統(tǒng)的動態(tài)特性得到了顯著的改善，這無疑是交流傳動控制理論上一個質(zhì)的飛躍。但是經(jīng)典的矢量控制方法比較復雜，它要進行坐標變換，且需精確測算出轉(zhuǎn)子磁鏈的大小和方向，比較麻煩，且其精度受轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響很大。近年來又出現(xiàn)了一種對交流電動機實現(xiàn)直接轉(zhuǎn)矩控制的新方法，它避開了矢量控制中的兩次坐標變換及求矢量的模與相角的復雜計算工作量，而直接在定子坐標系上計算電動機的轉(zhuǎn)矩與磁通，通過轉(zhuǎn)矩的砰砰控制，使轉(zhuǎn)矩響應時間控制在一拍以內(nèi)，且無超調(diào)，控制性能比矢量控制還好。此法雖尚未形成商品化的產(chǎn)品，但卻是很有發(fā)展前景的一種新的控制原理。交流電動機調(diào)速控制理論，從V/f恒定控制法到矢量控制法是一個飛躍，從矢量控制法到直接轉(zhuǎn)矩控制法將是第二個飛躍。
    　　（2）全控型大功率新型電力器件
    　　 交流電動機調(diào)速技術(shù)的發(fā)展是和電力電子技術(shù)的發(fā)展分不開的，50年代世界上出現(xiàn)了電力半導體器件的晶閘管，為交流電動機調(diào)速技術(shù)的發(fā)展開辟了道路。但是作為第一代電力半導體器件的晶閘管沒有自關(guān)斷能力，需要利用電源或負載的外界條件來實現(xiàn)換相，因此用晶閘管來實現(xiàn)的交—直—交變頻裝置的核心的逆變器，必須配以大功率的強迫換相線路才能實現(xiàn)可靠的逆變。所以，人們一直在致力于研制出一種大功率，正反間均可用較小的功率進行導通與關(guān)斷控制的全控型器件，以便用較簡單的手段即可實現(xiàn)復雜的逆變工作。經(jīng)過10年左右的研制，場效應晶體管（MOSFET），巨型晶體管（GTR）及門極關(guān)斷（GTO）晶閘管等全控型器件問世，并在實際應用中取得了理想效果。從半控型器件向全控型器件的過渡標志著變頻裝置進入了可以與直流調(diào)速裝置在性能/價格比上相比美，這是交流調(diào)速技術(shù)產(chǎn)生飛躍的又一個重要的突破。
    　　 目前，全控型電力電子器件正沿著大電流、高電壓、快通斷、低損耗、易觸發(fā)、好保護、小體積、集成化等方向繼續(xù)發(fā)展，又出現(xiàn)了絕緣門極雙極晶體管（IGBT）和絕緣柵門極關(guān)斷（IGTO）晶體管等，即具有電壓型控制、輸入阻抗大、驅(qū)動功率小、控制電路簡單、開關(guān)損耗小、通斷速度快、工作頻率高、器件容量大及熱穩(wěn)定性好的特點，又具有通態(tài)電壓低、耐壓高和承受電流大等優(yōu)點。這類器件是90年代變頻裝置的主流。電力電子器件發(fā)展的更進一步的目標將是把控制、觸發(fā)、保護等功能再集成化進來，從而形成電力電子與微電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，構(gòu)成最新一代的功率集成器件（PIC）。它將為最新一代高可靠、小型化、電機與電控裝置可能合而為一的未來型交流電動機調(diào)速系統(tǒng)提供新的發(fā)展基礎。
    　?。?）脈寬調(diào)制技術(shù)
    　　 在交流電動機的調(diào)速過程中，通常要求調(diào)頻和調(diào)壓同時進行，早期調(diào)壓多用相控技術(shù)，用相控方式生成的變頻電壓電源含有大量的諧波分量，功率因數(shù)低，動態(tài)響應慢，線路復雜，無法滿足高性能調(diào)速系統(tǒng)的要求。近年在廣泛采用自關(guān)斷元器件的情況下，逆變器普遍采用了脈寬調(diào)制技術(shù)，成功地解決了電源側(cè)功率因數(shù)低的問題，同時也減少了諧波分量對電網(wǎng)的影響。為了限制開關(guān)損耗，脈寬調(diào)制的頻率通常選在300~1000Hz左右，但這個頻率正好在人耳的敏感區(qū)，所以電機運行時的噪聲是一個新問題。為解決這個問題現(xiàn)在有幾種不同的發(fā)展趨勢。一種是采用新型的諧振式逆變器，可以把開關(guān)頻率提高到20KHz以上的超聲區(qū)，從而清除噪聲；另一種是在現(xiàn)有的元器件基礎上，優(yōu)選調(diào)制策略，降低脈寬調(diào)制的頻率至人耳不敏感區(qū)，從而降低噪聲?？傊?，研究開關(guān)損耗小，功率因數(shù)高，諧波分量小，噪聲低，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)的逆變器是今后發(fā)展的方向。脈寬調(diào)制技術(shù)的發(fā)展與應用使變頻裝置性能優(yōu)化，可以適用于各類交流電動機，為交流調(diào)速的普及創(chuàng)造了條件。
    　　（4）數(shù)字技術(shù)的應用
    　　 隨著計算機技術(shù)突飛猛進的發(fā)展，16位乃至32位微處理機的應用越來越普及，且由于微處理機的運算速度提高、價格下降等新因素的出現(xiàn)，在電氣傳動中控制系統(tǒng)硬件由模擬技術(shù)轉(zhuǎn)向數(shù)字技術(shù)，全部采用數(shù)字控制，充分發(fā)揮微機控制的綜合優(yōu)點。數(shù)字調(diào)速技術(shù)不僅使傳動系統(tǒng)獲得高精度、高可靠性、還為新的控制理論與方法提供了物質(zhì)基礎。微型計算機在性能、速度、價格、體積等方面的不斷發(fā)展與交流電動機調(diào)速理論的現(xiàn)實化提供了最重要的保證。
    　　 從發(fā)展趨勢看，交流數(shù)字調(diào)速有以下兩個發(fā)展方向：一是采用專用的硬件、大規(guī)模集成電路（IC）；專用硬件可以降低設備的投資，提高裝置的可靠性。研制交流調(diào)速系統(tǒng)專用的IC芯片，可使控制系統(tǒng)硬件小型化、簡單化。二是采用通用計算機硬件、軟件模塊化，可編程化，通用硬件可編程序控制，應用范圍廣，但價高造。從國際上采用數(shù)字調(diào)速的情況來看，前者一般多用于中小容量的標準系列產(chǎn)品，后者多用于大型工程大容量的傳動系統(tǒng)。
    　　
    　　1.4 交流變頻調(diào)速在起重機上的應用
    　　 絕大多數(shù)起重機要求在不同的場合，用不同的速度進行工作，其目的在于使起重機在各種合理的速度下有效地工作，以提高生產(chǎn)率和確保安全生產(chǎn)。這種調(diào)速過程需在運行過程中進行，而且變換次數(shù)較多，因而機械變速一般不合適，大多數(shù)情況下需采用電氣調(diào)速。起重機電氣調(diào)速系統(tǒng)分為兩大類，即直流調(diào)速系統(tǒng)和交流調(diào)速系統(tǒng)，如前所述，直流調(diào)速方案因為直流電動機結(jié)構(gòu)復雜，制造成本高，維護不便等諸多缺點，雖然目前在大型起重機上仍在使用，但正有逐步被交流調(diào)速方案所替代的趨勢。目前在起重機上采用的交流調(diào)速方案主要有：繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速；能耗制動下降調(diào)速；渦流制動器調(diào)速，定子調(diào)壓調(diào)速，串級調(diào)速及變頻調(diào)速等。表1—1比較了這幾種主要的起重機交流調(diào)速方案的優(yōu)缺點并指出了各自的應用場合。
    　　 從表1—1中可以看出，交流變頻調(diào)速和其它起重機調(diào)速方案相比，具有明顯的優(yōu)點。首先，起重機整體性能會有很大的提高，具有速度可在整個調(diào)速范圍內(nèi)連續(xù)控制，開、閉環(huán)特性好，調(diào)速比可達1：100以上，調(diào)速精度±1%，調(diào)速平穩(wěn)，負載突然變化時有動態(tài)響應，可以長時間低速運行，使其具有*的定位精度，節(jié)能簡化了電控系統(tǒng)，省去了電動機轉(zhuǎn)子側(cè)的大功率電阻、切換交流接觸器和電動機正反轉(zhuǎn)交流接觸器，再加之系統(tǒng)傳動所用變頻電機屬鼠籠式異步電動機類、成本相對低廉，維修少，因此變頻調(diào)速是起重機的交流調(diào)速方案，具有同直流傳動一樣的調(diào)速性能，性能價格比最高。但在國內(nèi)，交流變頻調(diào)速在起重機特別是大噸位起重機上的應用還剛起步，原因是作為起重機核心機構(gòu)的起升機構(gòu)其位能性負載特性和使用安全性的需求使一般通用變頻器在性能上不能滿足要求。低頻時能否達到恒轉(zhuǎn)矩輸出；空中是否溜鉤等問題一直是起重機起升機構(gòu)使用變頻調(diào)速的難點，還有起升機構(gòu)重載下放時其再生制動能量是消耗在制動電阻上還是回饋回電網(wǎng)，這些一直都給起重機使用全變頻調(diào)速控制系統(tǒng)帶來困惑。近年來，矢量控制變頻器的出現(xiàn)給起重機能否安全使用變頻調(diào)速技術(shù)帶來了生機，國外、國內(nèi)各大專業(yè)電氣公司也都在致力于這方面的開發(fā)和研究，因此，怎樣使矢量控制變頻調(diào)速技術(shù)用于起重機電氣傳動，實現(xiàn)四象限運行，保證起升機構(gòu)各種工況要求和良好的低速就位性能，對推動港口機械電氣控制與調(diào)速系統(tǒng)的更新?lián)Q代，具有非常實用的意義。
    　　
    　　表1-1 起重機常用交流調(diào)速方案
    　　調(diào) 速方 案 調(diào)速范圍 低速運行時的效率 特 點 適用負載 驅(qū)動機構(gòu)
    　　轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速 1：3 低 1.線路簡單、成本低、易維修2.調(diào)速性能差，無低速下降3.不能長期低速運行。 位能反抗 起升運行
    　　能耗制動調(diào)速 1：3~1：5 低 1.同上2.重載下降能獲得低速，上升無低速3.直流電源因電機而異，無法標準 位能 起升
    　　渦流制動器調(diào)速 1：10 低 1.同上2.速度有低速，但不能長時間低速運行3.加大了系統(tǒng)GD2 位能反抗 起升運行
    　　定子調(diào)壓調(diào)速 1：10 低 1.線路復雜、成本高2.若采用閉環(huán)控制能得到穩(wěn)定低速且調(diào)速范圍 較大，能無級調(diào)速 位能反抗 起升運行
    　　串極調(diào)速 1：10~1：30 高 1.同上2.適用于長期低速運行，重物下降時再生能量 能收回，調(diào)速范圍較大，能無級調(diào)速 位能反抗 起升運行
    　　變極調(diào)速 1：2~1：4 高 1.一般采用鼠籠式異步電機，只能適用于小容量起重機上2.有極調(diào)速，調(diào)速范圍小 位能反抗 起升運行
    　　變頻調(diào)速 1：100 高 1.速度可在整個調(diào)速范圍內(nèi)連續(xù)控制2.有恒轉(zhuǎn)矩性能，基頻以上恒功率調(diào)速3.性能*，但需專用變頻裝置，成本高 位能反抗 起升運行
    　　
    　　2．變頻調(diào)速系統(tǒng)
    　　
    　　
    　　前已提到異步電動機的轉(zhuǎn)速公式為：
    　　
    　　n= 60＆#402;1 (1-s) (2-1)
    　　 pn
    　　
    　　式中s —異步電動機的轉(zhuǎn)差率，s=(no-n)/no。其中no為同步轉(zhuǎn)速。改變異步電動機的供電頻率，可以改變其同步轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)調(diào)速運行。
    　　 對異步電動機進行調(diào)速控制時，通常要考慮的一個重要因素是，希望電動機的主磁通保持額定值不變。磁通太弱，鐵心利用不充分，同樣的轉(zhuǎn)子電流下，電磁轉(zhuǎn)矩小，電動機的負載能力下降；磁能太強，則處于過勵磁狀態(tài)，使勵磁電流過大，這就限制了定子電流的負載分量，負載能力也要下降。對于直流電機，勵磁系統(tǒng)是獨立的，只要對電樞反應的補償合適，保護фm不變是很容易做到的。在交流異步電機中，氣隙磁通（主磁通）是定子和轉(zhuǎn)子磁動勢合成產(chǎn)生的，怎樣才能保護磁通恒定呢？下面說明之。
    　　由電機理論知道，三相異步電動機定子每相電動勢的有效值是
    　　 Eg=4.44＆#402;1N1фm （2-2）
    　　式中Eg—氣隙磁通在定子每相中感應電動勢的有效值（V）；
    　　 f1—定子頻率（Hz）；
    　　N1—定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)；
    　　фm—每極磁通量（Wb）。
    　　 由式（2-2）可見，фm的值是由Eg和f1共同決定，對Eg和f1進行適當?shù)目刂?，就可以使氣隙磁通фm保持額定值不變，達到控制фm的目的。對此，需要考慮基頻（額定頻率）以下和基頻以上兩種情況。
    　?。?） 基頻以下調(diào)速，為了保持電動機的負載能力，應保持氣隙磁通фm不變，這就要求頻率f1從額定值向下調(diào)節(jié)時，必須同時降Eg使
    　　Eg =常數(shù)
    　?。?402;
    　　即保持電動勢與頻率之比常數(shù)進行控制。這種控制又稱為恒磁通變頻調(diào)速，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式。
    　　但是，Eg難于直接檢測和直接控制。（當Eg和f1的值較高時，定子的漏阻抗壓降相對比較小，如忽略不計，則可近似地保持定子相電壓U1和頻率f1的比值為常數(shù)，即認為U1= Eg，保持U1/ f1=常數(shù)即可）。這就是恒壓頻比控制方式，是近似的恒磁通控制。
    　　低頻時，U1和Eg都較小，定子漏阻抗壓降（主要是定子電阻壓降）不能在忽略。這種情況下，可以人為地適當提高定子電壓以補償定子電阻壓降的影響，使氣隙磁通基本保持不變。如圖2-1所示，其中I為U1/ f1=C時電壓，頻率關(guān)系，II為有電壓補償時（近似的Eg/ f1=c）的電壓，頻率關(guān)系。
    　　
    　　圖2-1 恒壓頻比控制特性
    　　 （2）基頻以上調(diào)速
    　　在基頻以上調(diào)速時，頻率可以從f1N往上增上，但電壓U1卻不能超過額定電壓UN，最多只能保持U1=U1N。由式2-2可知，這必然會使主磁通фm隨著f1的上升而減小，相當于直流電動機弱磁升速的情況，屬于近似的恒功率調(diào)速方式。
    　　把基頻以下和基頻以上兩種情況結(jié)合起來，可得圖2-2所示的異步電機變壓變頻調(diào)速控制特性，即異步電機變頻調(diào)速的基本控制方式
    　　圖2-2 異步電機變壓變頻調(diào)速控制特性
    　　
    　　根據(jù)電機學原理，在下述假定條件下：①忽略空間和時間諧波；②忽略磁飽和；③忽略鐵損。異步電機在正弦波恒壓恒頻供電下的機械特性方程式,由下式表示：
    　　 (2-3)
    　　各參數(shù)定義如下：
    　　R1、R2’——定子每相電阻和折合到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相電阻；
    　　L11+L12’——定子每相漏感和折合到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相漏感；
    　　U1、ω1 ——定子相電壓和供電角頻率；
    　　s ——轉(zhuǎn)差率；
    　　pn ——極對數(shù)。
    　　當s很小時，可忽略上式分母中含s的各項，則
    　　
    　　 (2-4)
    　　
    　　即s很小時，轉(zhuǎn)矩近似與s成正比，機械特性Te=f（s）是一段直線，如圖2-3所示。
    　　當s接近于1時，可忽略式（2-3）分母中的R2’，則
    　　 (2-5)
    　　圖2-3 恒壓恒頻異步電機的機械特性
    　　
    　　即s接近于1時轉(zhuǎn)矩近似與s成反比，這時，Te=f（s）是對稱于原點的一段雙曲線。當s為以上兩段的中間數(shù)值時，機械特性以直線段逐漸過渡到雙曲線段。
    　　基于式（2-3），我們來推導一下異步電機變頻調(diào)速的機械特性，分基頻以下和基頻以上兩種情況。
    　　 （一）基頻以下、頻率協(xié)調(diào)控制時的機械特性
    　　由式（2-3）的機械特性方程式可以看出，對于同一組轉(zhuǎn)矩Te和轉(zhuǎn)速n（或轉(zhuǎn)差率s）的要求，電壓U1和頻率ω1可以有多種配合。在U1和ω1的不同配合下機械特性也是不一樣的，因此，可以有不同方式的電壓、頻率協(xié)調(diào)控制。
    　　 （1）恒壓頻比控制（U1/ω1=c）
    　　為了近似地保持氣隙磁通фm不變，以便充分利用電機鐵心，發(fā)揮電機產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的能力，在基頻以下須采用恒壓頻比控制。這時，同步轉(zhuǎn)速自然要隨頻率變化。
    　　 式中n0—同步轉(zhuǎn)速（r/min）
    　　
    　　因此，帶負載時的轉(zhuǎn)速降落＆#8710;n為
    　　
    　　 式中＆#8710;n—轉(zhuǎn)速降落（r/min）
    　　
    　　在式（2-3）所表示的機械特性的近似直線段上，可以導出
    　　
    　　 由此可見，當U1/ω1為恒值時，對于同一轉(zhuǎn)矩Te，sω1是基本不變的，因而＆#8710;n也是基本不變的。這就是說，在恒壓頻比條件下改變頻率時，機械特性基本上是平行下移的，如圖2-4所示。它們和他勵直流電機變壓調(diào)速時特性的變化情況相似，所不同的是，當轉(zhuǎn)矩增大到最大值以后，轉(zhuǎn)速再降低，特性就折回來了。而且頻率低時最大轉(zhuǎn)矩越小。
    　　U1 /ω1 =c，最大轉(zhuǎn)矩Temax隨角頻率ω1的變化關(guān)系為
    　　
    　　 (2-6)
    　　圖2-4 恒壓頻比控制時變頻調(diào)速的機械特性
    　　
    　　可見Temax是隨著ω1的降低而減小的。頻率很低時，Temax太小，將限制調(diào)速系統(tǒng)的帶載能力。采用定子壓降補償，適當?shù)靥岣唠妷篣1可以增強帶載能力。
    　　 （2）恒Eg/ω1控制
    　　圖2-5給出了異步電機的穩(wěn)態(tài)等效電路，圖中幾處感應電動勢的意義如下：
    　　Eg—氣隙磁通在定子每相繞組中的感應電動勢；
    　　Es—定子全磁通的感應電動勢；
    　　Er—轉(zhuǎn)子全磁通的感應電動勢（折合到定子邊）。
    　　
    　　圖2-5 異步電機穩(wěn)態(tài)等效電路和感應電動勢
    　　
    　　如果在電壓、頻率協(xié)調(diào)控制中，恰當?shù)靥岣唠妷篣1的份量，使它在克服定子阻抗壓降以后，能維持Eg/ω1為恒值（基頻以下），則由式（2-2）可知，無論頻率高低，每極磁通фm均為常值，由圖2-5可以得到
    　　
    　　
    　　將它代入電磁轉(zhuǎn)矩基本關(guān)系式，得
    　　
    　　 (2-7)
    　　這就是恒Eg/ω1時的機械特性方程式
    　　利用與前相似的分析方法，當s很小時，可忽略式（2-7）分母中含s2項，則有
    　　 （2-8）
    　　這表明機械特性的這一段近似為一條直線。當s接近1時，可忽略式（2-7）分母中的R2’2項，則有
    　　
    　?。?-9）
    　　對比式（2-3）和式（2-7）可以看出，恒Eg/ω1，特性分母中含s的參數(shù)要小于恒U1/ω1特性中的同類項，也就是說，s值要更大一些才能使該項占有顯著的份量，從而不能被忽略，因此恒Eg/ω1特性的線形段范圍更寬。圖2-6給出了不同控制方式的機械特性。
    　　將式（2-7）對s求導，并令dTe/ds=0，可得Eg/ω1，控制特性在最大轉(zhuǎn)矩時的轉(zhuǎn)差率
    　　
    　?。?-10）
    　　和最大轉(zhuǎn)矩
    　2-6 不同電壓、頻率協(xié)調(diào)控制方式時的機械特性
    　?、?恒控制U1/ω1控制 Ⅱ-恒控制Eg/ω1控制 Ⅲ-恒控制Er/ω1控制
    　　可見，當Eg/ω1為恒值時，Temax恒定不變?？梢姾鉋g/ω1控制的穩(wěn)態(tài)性能是優(yōu)于恒U1/ω1控制的，它正是恒U1/ω1控制的，它正是恒U1/ω1控制中補償定子壓降所追求的目標。
    　　 （3）恒控制Er/ω1控制
    　　如果把電壓、頻率協(xié)調(diào)控制中的電壓U1進一步再提高一些，把轉(zhuǎn)子漏抗上的壓降也抵消掉，便得到Er/ω1控制，由圖2-5可得到
    　　
    　?。?-11）
    　　代人電磁轉(zhuǎn)矩基本關(guān)系式，得
    　　由于分母中沒有s, 這時的機械特性Te=f（s）*是一條直線，如圖2-6所示，顯然，恒Er/ω1控制的穩(wěn)態(tài)性能最好，可以獲得和直流電機一樣的線性機械特性。這正是高性能交流變頻調(diào)速所要求得性能。按照式（2-2）電動勢和磁通得關(guān)系，可以看出，當頻率恒定時，電動勢與磁通成正比。氣隙磁通的感應電動勢Eg對應于氣隙磁通幅值фm，那么，轉(zhuǎn)子全磁通的感應電動勢Er就應該對應于轉(zhuǎn)子全磁通幅值фm
    　　 Er=4.44f1N1фrm （2-12）
    　　由此可見，只要能夠按照轉(zhuǎn)子全磁通幅值фm=恒值進行控制，就可獲得恒Er/ω1控制。這正是矢量控制系統(tǒng)的目標。
    　　 （二）基頻以上變頻調(diào)速時的機械特性
    　?。?-13）
    　　在基頻f1N以上變頻調(diào)速時，由于電壓U1=U1N不變，式（2-3）的機械特性方程式可寫成
    　　
    　　
    　　最大轉(zhuǎn)矩表達式為
    　?。?-14）
    　　同步轉(zhuǎn)速仍為 ，由此可見，當角頻率ω1提高時，同步轉(zhuǎn)速隨之提高，
    　　最大轉(zhuǎn)矩減小，機械特性上移，如圖2-7所示。由于頻率提高而電壓不變，氣隙磁通必然減小，導致轉(zhuǎn)矩的減小，但轉(zhuǎn)速升高了，可以認為輸出功率基本不變。所以，基頻以上變頻調(diào)速屬于弱磁恒功率調(diào)速。
   
    圖2-7 基頻以上變頻調(diào)速的機械特性
    　　
    　　2.2 矢量控制的基本思想
    　　交流電動機矢量控制原理是1971年由F.Blaschke提出的，其基本思想是設法模擬直流電動機的控制特點來進行交流電動機的控制，使之能夠象直流電機調(diào)速系統(tǒng)一樣具有良好的動、靜態(tài)性能。直流電機調(diào)速性能好的根本原因是由于其磁通和轉(zhuǎn)矩能很容易通過調(diào)節(jié)勵磁電流和電樞電流分別得到控制。以他勵直流電動機為例，其電磁轉(zhuǎn)矩表達式如下式所示：
    　　 Te=CmФIa （2-15）
    　　式中Te為電磁轉(zhuǎn)矩；Cm為轉(zhuǎn)矩系數(shù)；Ф為磁通；
    　　Ia為電樞電流。由于電樞電流Ia所產(chǎn)生的電樞磁
    　　通和勵磁磁通Ф是相互垂直的，如圖2-8所示，
    　　再加上一定的補償以后，電樞反應對主磁場祛磁
    　　的實際影響是很小的。因此，可以認為，Ф和Ia
    　　是互不相關(guān)的獨立變量，磁通Ф只與勵磁電流If
    　　有關(guān)。如果保持If不變，即Ф不變，則Te與Ia
    　　成正比，調(diào)節(jié)和控制電樞電流Ia也就直接調(diào)節(jié)和
    　　控制了電磁轉(zhuǎn)矩Te，從而使轉(zhuǎn)矩控制具有良好的
    　　動態(tài)性能。 圖2-8 直流電機磁勢圖
    　　異步電動機與直流電機不同，異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩表達式如下式所示：
    　　 Te=CmФIrcosφr （2-16）
    　　式中Ф為氣隙磁通，Ir為轉(zhuǎn)子電流；φr為轉(zhuǎn)子電流Ir滯后轉(zhuǎn)子電勢的電角度；
    　　Cm為異步感應電動機轉(zhuǎn)矩系數(shù)。由于轉(zhuǎn)子阻抗角 ，異步電動機的轉(zhuǎn)
    　　矩不僅與轉(zhuǎn)子電流Ir和氣隙磁通Ф有關(guān)，而且與轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)差率s）有關(guān)，Ir和Ф兩個量既不成直角，又不是兩個獨立變量，因此不能以簡單的方法進行磁通和轉(zhuǎn)矩的單獨控制，因此，要在動態(tài)中準確地控制轉(zhuǎn)矩顯然比較困難。要解決這個問題，一種辦法是從根本上上改造交流電機，改變其產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的規(guī)律，迄今為止，在這方面的研究成效尚少。另一種辦法是在普通的三相交流電動機上設法模擬直流電機控制轉(zhuǎn)矩的規(guī)律，通過電機統(tǒng)一理論和坐標變換理論，把交流電動機的定子電流分解成磁場定向坐標的磁場電流分量和與之相垂直的坐標轉(zhuǎn)矩電流分量，把固定坐標系變換為旋轉(zhuǎn)坐標系解耦后，交流量的控制變?yōu)橹绷髁康目刂票愕韧谥绷麟妱訖C。即如果在調(diào)速過程中始終維持定子電流的磁場電流分量不變，而控制轉(zhuǎn)矩電流分量，它就相當于直流電機中維持勵磁不變，而通過控制電樞電流來控制電機的轉(zhuǎn)矩一樣，能使系統(tǒng)具有較好的動態(tài)持性。這就是矢量控制或稱矢量變換控制的基本思想。
    　　對三相靜止的對稱繞組A、B、C通以三相正弦交流電流iA、iB、iC時，便產(chǎn)生轉(zhuǎn)速為ω1的旋轉(zhuǎn)磁場Ф。如圖2-9（a）所示。然而，旋轉(zhuǎn)磁場并不一定非要三相不可，兩相、四相等任意對稱的多相繞組，通以平衡的多相電流，都能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。圖2-9（b）是兩相靜止繞組α和β廠（空間位置相差900），通以兩相平衡電流Iα和Iβ（時間上差900）時所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場Ф。當圖2-9（a）和2-9（b）中所示的旋轉(zhuǎn)磁場的大小與轉(zhuǎn)速都相同時，則兩套繞組等效，再看圖2-9（c）中的兩個匝數(shù)相等且互相垂直的繞組M和T，分別通以直流電流iM和iT，產(chǎn)生位置固定的磁通Ф。如果使兩個繞組同時以同步轉(zhuǎn)速ω1旋轉(zhuǎn)，磁通Ф自然隨著旋轉(zhuǎn)起來，而成為旋轉(zhuǎn)磁場，并可以和圖2-9（a）、（b）中的繞組等效。但如果觀察者站到鐵心上和繞組一起旋轉(zhuǎn)時，在他看來，M、T是兩個通以直流的互相垂直的靜止繞組。如果取磁通Ф的位置和M繞組的平面正交，就和等效的直流電動機繞組沒有差別了。這樣，以產(chǎn)生同樣的旋轉(zhuǎn)磁場為準則，圖2-9（a）中的三相繞組，（b）中的兩相繞組和（c）中的直流繞組等效。iA、iB、iC與iα和iβ及iM、iT之間存在著確定的關(guān)系，即矢量變換關(guān)系。這樣只要按照某個規(guī)律去控制三相電流iA、iB、iC就可以等效地控制iM和iT來達到所需控制轉(zhuǎn)矩的目的。
    　圖2-9 等效的交流電動機繞組與直流電動機繞組
    　　2.3變頻器的基本構(gòu)成
    　　變頻器分為交-交和交-直-交兩種形式。交-交變頻器可將工頻交流直流接變換成頻率、電壓均可控制的交流，又稱直接式變頻器。而交-直-交變頻器則是先把工頻交流通過整流器變成直流，然后再把直流變換成頻率、電壓均可控制的交流，又稱間接式變頻器。
    　　變頻器的基本構(gòu)成如圖2-10所示，由主回路（包括整流器、中間直流環(huán)節(jié)、逆變器）和控制回路組成，分述如下：
    　　圖2-10 變頻器的基本構(gòu)成
    　?。?）整流器 電網(wǎng)側(cè)面的變流器I是整流器，它的作用是把三相（也可以是單相）交流整流成直流。
    　　（2）逆變器 負載側(cè)面的變流器Ⅱ為逆變器。最常見的結(jié)構(gòu)形式是利用六個主開關(guān)器件組成的三相橋式逆變電路。有規(guī)律的控制逆變器中主開關(guān)的通與斷，可以得到任意頻率的三相交流輸出。
    　　（3）中間直流環(huán)節(jié) 由于逆變器的負載為異步電動機，屬于感性負載。無論電動機處于電動或發(fā)電制動狀態(tài)，其功率因數(shù)總不會為1。因此，在中間直流環(huán)節(jié)和電動機之間總會有無功功率的交換。這種無功能量要靠中間直流環(huán)節(jié)的儲能元件（電容器或電抗器）來緩沖。所以又常稱中間直流環(huán)節(jié)為中間直流儲能環(huán)節(jié)。
    　?。?）控制電路 控制電路常由運算電路、檢測電路、控制信號的輸入、輸出電路和驅(qū)動電路等構(gòu)成。其主要任務是完成對逆變器的開關(guān)控制、對整流器的電壓控制以及完成各種保護功能等?？刂品椒梢圆捎媚M控制或數(shù)字控制。高性能的變頻器目前已經(jīng)采用微型計算機進行全數(shù)字控制，采用盡可能簡單的硬件電路，主要靠軟件來完成各種功能。由于軟件的靈活性，數(shù)字控制方式?？梢酝瓿赡M控制方式難以完成的功能。
    　?。?）關(guān)于變流器名稱的說明 對于交-直-交變頻器在不涉及能量傳遞方向的改變時，我們常簡明地稱變流器Ⅰ為整流器，變流器Ⅱ為逆變器（如圖），而把圖中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ總起來稱為變頻器。實際上，對于再生能量回饋型變頻器，Ⅰ、Ⅱ兩個變流器均可能有兩種工作狀態(tài)：整流狀態(tài)和逆變狀態(tài)。當討論中涉及變流器工作狀態(tài)轉(zhuǎn)變時，Ⅰ、Ⅱ不再簡稱為“整流器”和“逆變器”而稱為“網(wǎng)側(cè)面變流器”和“負載側(cè)變流器”。
    　　
    　　2.4變頻器的起動狀態(tài)
    　　 變頻起動中，是通過控制異步電動機的定子電壓和定子頻率來獲得所需的起動性能。根據(jù)工程的需要，一般盡量減小起動電流，這樣可以減小變頻器的容量。對起動時間的設定并不追求越短越好，如果保證主磁通為額定值通過恰當?shù)卦O定起動時間，相當于間接地選擇了起動過程中的動態(tài)轉(zhuǎn)矩，可以減小起動電流和起動損耗。所以起動時常有幾種情況：或起動電流最小、或起動損耗最小、或起動時間最短。另外，還要考慮避免過大的機械沖擊，使起動過程緩和、平滑等。根據(jù)變頻器的功能有如下幾種起動方式可供選擇。
    　　 (1)限流加速 對于有轉(zhuǎn)矩控制功能的變頻器和矢量控制式變頻器，由于具有快速的電流限制功能，即使轉(zhuǎn)速指令設定成階躍指令，變頻器本身也能把電流限制在允許值以內(nèi)。就是說可以用變頻器的允許最大轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)盡可能快的起動過程。起動中電流可以被限制在人為設定的范圍以內(nèi)。
    　　 (2)*加速 U/f控制式變頻器，多數(shù)不具備積極限制電流的功能，電流沖擊過大，可能造成過電流跳閘。對于階躍式的轉(zhuǎn)速設定，往往在變頻器的內(nèi)部將其變換成隨時間線性上升的指令。為了防止過電流，常要調(diào)整起動時間，使之與生產(chǎn)機械相適應。以期在不出現(xiàn)過電流的前提下，盡量縮短起動時間，這就是起動時間設定所要遵循的一般原則。
    　　 表2-1 變頻起動的三種方式
    　　加速方式 控制方法 說明圖 備注
    　　限流加速 加速中電流被抑制在固定值上，可以實現(xiàn)對變頻裝置和生產(chǎn)機械的過載與沖擊的限制 ×加速中,電動機轉(zhuǎn)矩保持恒定×矢量控制式變頻器常采用該方式
    　　*加速 階躍的速度指令變換成隨時間線性變化的指令，是一種加速度限制控制方式 ×加速轉(zhuǎn)矩一定×U/f控制和矢量控制變頻器中采用
    　　S形加速 在上面的基礎上限制轉(zhuǎn)矩的變化率，可以實現(xiàn)平穩(wěn)起動 U/f控制和矢量控制變頻器中采用
    　　
    　　(3)S形加速 S形加速的目的是使加速過程變得緩和些。為了使電梯乘員感到舒適或者使傳送帶所載的物品不致倒塌常采用這種S形加速方式。在起動初期和起動末了的加速度，隨時間有一個漸變的過程。
    　　上述三種起動方式的性能與用途的比較見表2-1。
    　　這里說明一個問題，通用變頻器中的加、減速時間設定功能所設定的時間，是指由從零頻率上升到變頻器最高頻率和從變頻器最高頻率下降到零頻率的時間。加速時間設定的約束是將電流限制在過電流容量之內(nèi)，不應使過電流保護動作；減速時間設定約束是防止直流回路（濾波電容器）電壓過高，不應使過電壓保護動作。
    　　
    　　2.5變頻器的制動狀態(tài)
    　　 在變頻器、異步電動機和機械負載所組成的變頻調(diào)速傳動系統(tǒng)中，當電動機減速或者所拖動的位能負載下放時，異步電動機將處于再生發(fā)電制動狀態(tài)。傳動系統(tǒng)中所儲存的機械能經(jīng)異步電動機轉(zhuǎn)換成電能。逆變器的六個回饋二極管將這種電能回饋到直流側(cè)。此時的逆變器處于整流狀態(tài)。如果在標準型的變頻器中（網(wǎng)側(cè)變流器為不控的二極管整流橋）不采取另外的措施，這部分能量將導致中間回路的儲電電容器的電壓上升。如果電動機的制動并不太快，電容器電壓升高的值并不十分明顯，一旦電動機恢復到電動狀態(tài)，這部分能量又被負載所重新利用。電容器電壓升高過大，裝置中的“制動過電壓保護”將動作，保護變頻裝置的安全，所以當制動過快或機械負載為提升機時，這部分再生能量的處理問題就應認真對待了。
    　　在變頻器中，對再生能量的處理方式有三種：1）耗散到直流回路中人為設置的與電容器并聯(lián)的“制動電阻”中，變頻器通過制動單元（分外置、內(nèi)置兩種）將再生制動能量消耗在制動電阻上；2）由并聯(lián)在直流回路上的其他傳動系統(tǒng)吸收；3）使之回饋到電網(wǎng)。如果屬于前兩種工作狀態(tài)，稱為動力制動狀態(tài)；如果屬于后一種工作狀態(tài)，則稱為再生制動狀態(tài)。應該注意，這是從整個系統(tǒng)角度視再生電能是否能回饋到交流電網(wǎng)而定義的兩種工作狀態(tài)。在這兩種狀態(tài)下，異步電動機自身均處于再生發(fā)電制動狀態(tài)。
    　　
    　　3. 變頻器的應用
    　　3.1 變頻器容量的計算
    　?。?） 連續(xù)運轉(zhuǎn)時所需的變頻器容量的計算式
    　　 （3-1）
    　　 （3-2）
    　　 （3-3）
    　　式中PM──負載所要求的電動機的軸輸出功率；
    　　 η──電動機的效率（通常約0.85）；
    　　 cos*──電動機的功率因素（通常約0.75）；
    　　 UM──電動機電壓（V）；
    　　 IM──電動機電流（A），工頻電源時的電流；
    　　 k── 電流波形的修正系數(shù)（PWM方式取1.05~1.0）；
    　　 PcN──變頻器的額定容量（kVA）；
    　　IcN──變頻器的額定電流（A）；
    　　
    　　 （2）一臺變頻器傳動多臺電動機并聯(lián)運行，即成組傳動時，變頻器容量的計算。當變頻器短時過載能力為150％，1min時，如果電動機加速時間在1min以內(nèi)
    　　
    　　即 （3-4）
    　　 （3-5）
    　　 當電動機加速時間在1min以上時，
    　　 （3-6）
    　　 （3-7）
    　　式中PM──負載所要求的電動機的軸輸出功率；
    　　 nT──并聯(lián)電動機的臺數(shù)；
    　　 ns──同時啟動的臺數(shù)；
    　　 η──電動機效率（通常約0.85）;
    　　 cos*──電動機功率因素（通常約0.75）；
    　　 PCN1──連續(xù)容量（kVA），PCN1=kPMnT/ηcosφ
    　　KS──（電動機啟動電流）/（電動機額定電流）；
    　　IM──電動機額定電流（A）
    　　k──電流波形的修正系數(shù)（PWM方式取1.05~1.10）；
    　　PCN──變頻器容量（kVA）
    　　IcN──變頻器額定電流。
    　?。?） 大慣性負載起動時變頻器容量的計算
    　　 （3-8）
    　　式中GD2──換算到電動機軸上的總GD2（N·M2）；
    　　 TL──負載轉(zhuǎn)矩（N·m）；
    　　 h──電動機效率（通常約0.85）
    　　 cosj──電動機功率因數(shù)（通常約0.75）
    　　 xA──電動機加速時間（s），根據(jù)負載要求確定；
    　　 k──電流波形的修正系數(shù)（PWM方式取1.05~1.10）；
    　　 nM──電動機額定轉(zhuǎn)速（r/min）；
    　　 PCN──變頻器容量（kVA）。
    　　變頻器與異步電動機組成不同的調(diào)速系統(tǒng)時，變頻器容量的計算方法也不同。本小節(jié)第（1）所列，適用于單臺變頻器為單臺電動機供電連續(xù)運行的情況。式（3－1）、式（3－2）和式（3－3）三者是統(tǒng)一的，選擇變頻器容量時應同時滿足三個算式的關(guān)系。尤其變頻器電流是一個較關(guān)鍵的量。本小節(jié)第(2)所列，適用于一臺變頻器為多臺并聯(lián)電動機供電且各電動機不同時起動的情況。選擇逆變器容量，無論電動機加速時間在1min以內(nèi)或以上，都應同時滿足容量計算式和電流計算式。本小節(jié)第(3) 所列，是針對大慣量負載的情況，例如吊車的平移機構(gòu)、離心式分離機、離心式鑄造機等，負載折算到電動機軸上的等效GD2比電動機轉(zhuǎn)子的GD2大得很多。這種情況下則應按式(3-8)選擇變頻器的容量。
    　　
    　　3.2 變頻器的外圍設備及其選擇
    　　變頻器的運行離不開某些外圍設備。這些外圍設備通常都是選購件。選用外圍設備常是為了下述目的：a. 提高變頻器的某種性能；b..變頻器和電動機的保護；c. 減小變頻器對其他設備的影響等。
    　　(1) 變頻器外圍設備的種類與用途 變頻器的外圍設備如圖3-1所示。
    　　下面分別說明用途與注意事項等。
    　　
    　　圖3-1 變頻器的外圍設備
    　　1— 電源變壓器T 2—電源側(cè)斷路器QF 3—電磁接觸器1KM
    　　 4—無線電噪聲濾波器FIL 5—電源側(cè)交流電抗器1ACL
    　　 6—制動電阻R 7—電動機側(cè)電磁接觸器2KM
    　　 8—工頻電網(wǎng)切換用接觸器3KM 9—電動機側(cè)交流電抗器2ACL
    　　
    　　a. 電源變壓器T: 電源變壓器用于將高壓電源變換到通用變頻器所需的電壓等級，例如220V量級或400V量級等。變頻器的輸入電流含有一定量的高次諧波，使電源側(cè)的功率因數(shù)降低，若再考慮變頻器的運行效率，則變壓器的容量常按下式考慮：
    　　變壓器的容量(KVA)＝
    　　其中變頻器功率因數(shù)在有輸入交流電抗器1ACL時取0.8—0.85，無輸入電抗器1ACL時則取0.6-0.8。變頻器效率可取0.95，變頻器輸出功率應為所接電動機的總功率。
    　　變頻器生產(chǎn)廠家所推薦的變壓器容量的參考值，常取變頻器容量的130%左右。
    　　b. 電源側(cè)斷路器QF 用于電源回路的開閉，并且在出現(xiàn)過流或短路事故時自動切斷電源，以防事故擴大。如果需要進行接地保護，也可以采用漏電保護式斷路器。使用變頻器無例外地都應采用QF。
    　　c. 電磁接觸器1KM 用于電源的開閉，在變頻保護功能起作用時，切斷電源。對于電網(wǎng)停電后的復電，可以防止自動再投入以保護設備的安全及人身安全。
    　　d. 無線電噪聲濾波器FIL 用于限制變頻器因高次諧波對外界的干擾，可酌情選用。
    　　e. 交流電抗器1ACL和2ACL 1ACL用于抑制變頻器輸入側(cè)的諧波電流，改善功率因數(shù)。選用與否視電源變壓器與變頻器容量的匹配情況及電網(wǎng)電壓允許的畸變程度而定。一般情況以采用為好。2ACL用于改善變頻器輸出電流的波形，減低電動機的噪聲。
    　　d. 制動電阻單元R 用于吸收電動機再生制動的再生電能。可以縮短大慣量負載的自由停車時間。還可以在位能負載下放時，實現(xiàn)再生運行。
    　　e. 電磁接觸器2KM和3KM 用于變頻器和工頻電網(wǎng)之間的切換運行。在這種方式下2KM是它和3KM之間的聯(lián)鎖可以防止變頻器的輸出端接到工頻電網(wǎng)上。一旦出現(xiàn)就頻器輸出端誤接到工頻電網(wǎng)的情況，將損壞變頻器。如果不需要變頻器——工頻電網(wǎng)的切換功能，可以不要2KM。注意，有些機種要求2KM只能在電動機和變頻器停機狀態(tài)下進行開閉。
    　　
    　?。?） 制動電阻的計算 在異步電動機因設定頻率下降而減速時，如果軸轉(zhuǎn)速高于由頻率所決定的同步轉(zhuǎn)速，則異步電動機處于再生發(fā)電運行狀態(tài)。運動系統(tǒng)中所薦儲的動能經(jīng)逆變器回饋到直流側(cè)，中間直流回路的濾波電容器的電壓會因吸收這部分回饋能量而提高。如果回饋能量較大，則有可能使變頻器的過壓保護功能動作。利用制動電阻可以耗散這部分能量，使電動機的制動能力提高。制動電阻的選擇，包括制動電阻的阻值及其容量的計算，可按如下步驟進行。
    　　a. 制動轉(zhuǎn)矩的計算 制動轉(zhuǎn)矩TB可由下式算出：
    　　 TB= （N×m） (3-9)
    　　
    　　式中 GD2M——電動機的GD2（N×m2）；
    　　 GD2L ——負載折算到電動機軸上的GD2（N×m2）；
    　　 TL ——負載轉(zhuǎn)矩（N×m）；
    　　 n1——減速開始速度（r/min）；
    　　 n2——減速完了速度（r/min）；
    　　 ts——減速時間（S）。
    　　b. 制動電阻阻值的計算 在附加制動電阻進行制動的情況下，電動機內(nèi)部的有功損耗部分，折合制動轉(zhuǎn)矩，大約為電動機額定轉(zhuǎn)矩的20%?？紤]到這一點，可用下式計算制動電阻的值
    　　 RBO= (Ω) （3-10）
    　　 式中 UC——直流回路電壓（V）；
    　　 TB——制動轉(zhuǎn)矩（N×m）；
    　　 TM——電動機額定轉(zhuǎn)矩；
    　　 n1——開始減速時的速度。
    　　 如果系統(tǒng)所需制動轉(zhuǎn)矩TB<0.2TM，即制動轉(zhuǎn)矩在額定轉(zhuǎn)矩的20%以下時，則不需要另外的制動電阻，僅電動機內(nèi)部的有功損耗的作用，就可使中間直流回路電壓限制在過壓保護的動作水平以下。
    　　 由制動晶體管和制動電阻構(gòu)成的放電回路中，其最大電流受制動晶體管的最大允許電流IC的限制。制動電阻的最小允許值Rmin（Ω）為
    　　 Rmin= (3-11)
    　　 式中 UC——直流回路電壓（V）。
    　　 因此，選用的制動電阻RB應按
    　　 Rmin<RB<RBO (3-12)
    　　 的關(guān)系來決定。
    　　 c. 制動時平均消耗功率的計算 如前所述，制動中電動機自身損耗的功率相當于20%額定值的制動轉(zhuǎn)矩，因此制動電阻器上消耗的平均功率Pro(KW)可以求出：
    　　 Pro=1.047(Tb-0.2TM) (KW) (3-13)
    　　 d. 電阻器額定功率的計算 視電動機是否重復減速，制動電阻器額定功率的選擇是不同的。圖3-2所示為電動機減速模式。當非重復減速時，如圖3-2b所示，制動電阻的間歇時間（T-ts）>600s。通常采用連續(xù)工作制電阻器，當間歇制動時，電阻器的允許功率將增加。允許功率增加系數(shù)m和制動電阻使用率D=ts/T之間的關(guān)系曲線如圖3-2a所示。D=ts/T，意義見圖3-2a 。
    　　圖3-2 減速模式
    　　a）重復減速 b）非重復減速
    　　
    　　 根據(jù)電動機運行的模式，可以確定制動時的平均消耗功率和電阻器的允許功
    　　率增加系數(shù)，據(jù)此可以求出制動電阻器的額定功率Pr
    　　 Pr= (KW) (3-14)
    　　 根據(jù)如上計算得到的RBO和Pr，可在市場上選擇合乎要求的標準電阻器。
    　　
    　　3.3 日本安川公司616G5變頻器簡介
    　　1． 變頻器的基本構(gòu)成與功能
    　　1） 主回路
    　　給異步電動機提供調(diào)頻調(diào)壓電源的電力變換部分稱為主回路
    　　 a．整流器
    　　把工頻電源變換為直流電源，電功率的傳送不可逆
    　　 b．濾波器
    　　在整流器整流后的直流電壓中，含有脈動電壓，此外，逆變器回路產(chǎn)生的脈動電流也使直流電抗器和電容器吸收脈動電（電流）。
    　　 c．逆變器
    　　逆器的作用是在所確定的時間里有規(guī)則地使六個功率開關(guān)器件導通、關(guān)斷，從而將直流功率變換為所需電壓和頻率的交流輸出功率。
    　　 d．制動單元
    　　異步電機在再生制動區(qū)域運行時，再生能量首先儲存于儲能電力電容器中，使直流電壓升高。對起重機機械系統(tǒng)慣量所積蓄的能量比電容器能儲存的能量大，并且需要快速制動，必須用可逆變流器把再生能量反饋到電網(wǎng)側(cè)，這樣節(jié)能效果更好，或設置制動單元，把多余再生功率消耗掉，以免直流回路電壓的上升超過限值。
    　　2） 控制回路
    　　a． 將外部的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等指令同檢測回路的電流、電壓信號進行比較運算，決定變頻器的輸出電壓、頻率。
    　　b．電壓/電流檢測回路
    　　 檢測主回路電壓、電流等
    　　c．驅(qū)動回路
    　　 驅(qū)動主回路功率開關(guān)器件，使之導通、關(guān)斷。
    　　d．轉(zhuǎn)速檢測回路
    　　檢測速度信號送入運算回路
    　　3） 保護回路
    　　保護回路可分為變頻器保護和異步電機的保護
    　　2,變頻器的保護
    　?。?） 瞬時過電流保護
    　　 由于變頻器負載側(cè)短路等原因，流過變頻器元件的電流達到異常值時，立即停止工作。
    　?。?） 過載保護
    　　 變頻器電流超過一定值，且連續(xù)流通超過規(guī)定時間，停止工作。
    　?。?） 再生過電壓保護
    　　 采用變頻器使電動機快速減速時，由于再生功率引起直流電路電壓升高超過允許值時，停止運行。
    　　（4） 瞬時掉電保護
    　　（5） 對地過電流保護
    　?。?） 冷卻風機異常
    　　
    　　異步電機的保護
    　?。?） 過載保護
    　?。?） 超速保護
    　　 變頻器的輸出頻率或者變頻電動機的速度超過規(guī)定值時，停止變頻器運行。
    　　
    　　4,安川變頻器結(jié)構(gòu)形式
    　　1） 整流器：AC→DC二極管整流2UO=Ed
    　　2） 充電限流電阻R：抑制di/dt
    　　3） 旁路接觸器MC：線圈控制過程，電壓檢測方式80%EdN
    　　4） 濾波電容C：濾波、儲能、抑制電壓突變（瞬停保護）
    　　5） F快速熔斷器：保護IGBT以防故障進一步擴展。
    　　6） AC、CT1、DC、CT2：電流互感器，因DC中電注含有較高諧波分量，AC電流是變頻f變化，且不是規(guī)范的50HZ正弦波，因此備件定貨時，一定采用同類產(chǎn)品。
    　　7） 主功率器件IGBT：檢查方法，器件更換時，型號、導熱膠、三菱（CM）、東芝、富士電壓等級（CM400HA-24GCM300HA-12G）
    　　8） 浪涌尖峰噪聲吸收模塊（R、C、D）開關(guān)速度過快（頻率過高）
    　　9） 充電指示燈：DC27V以上
    　　10）冷卻風機檢測、溫度檢測、MC輔助觸點檢測。
    　　11）PG及PG卡：600P/R，A相、B相脈沖。
    　　12）驅(qū)動板，供電電源由Upn提供并向主控板手持編程器提供門極驅(qū)動板與主回路相關(guān)聯(lián)，因此易損壞。
    　　13）通訊卡（P-2161/F）安全、可靠、速度快。
    　　14）制動單元及制動電阻，制動單元電壓跳線器設置考慮，制動電阻溫升阻值。
    　　15）手持全數(shù)字編程器
    　　
    　　 2.維修注意事項
    　　1） 所有維修工作必須在輸入側(cè)斷路器OFF，且充電指示燈滅后進行。
    　　2） IGBT門極開路條件下，不允許主回路通電。
    　　3） 所有電解電容（包括主控板、驅(qū)動板）冷卻風機，應按照使用說明書。
    　　4） 由于INV載波頻率高，空間電場強，應定期對主控板、驅(qū)動板除塵。
    　　5） RTG行走震動大，應定期緊固螺絲。
    　　6） 在空載條件下，對5檔速度下的電流、電壓、頻率，在加速、恒速、減速制動時進行記錄。定期檢查，維修后進行比較，若偏差＞20%，則應查找原因或同安川公司聯(lián)系。參數(shù)監(jiān)測可用手操器或機上表頭。
    　　
    　　4．端子說明
    　　
    　5,控制模式（四種）
    　　
    　　控制模式 V/f控制 帶PG V/f控制 開環(huán)矢量控制 閉環(huán)矢量控制
    　　控制模式 電壓/頻率控制 電壓/頻率控制帶速度補嘗 電流矢量不帶PG控制 電流矢量帶PG控制
    　　速度檢出器 不要 要（PG） 不要 要（PG）
    　　速度檢出器Option 不要 PG-A2，PG-D2 不要 PG-B2，PG-X2
    　　速度控制范圍 1：40 1：40 1：100 1：1000
    　　啟動轉(zhuǎn)矩 150%/3HZ 150%/3HZ 150%/1HZ 150%/0r/min
    　　速度控制精度 ±2%~±3% ±0.03% ±0.2% ±0.02%
    　　轉(zhuǎn)矩控制 不可 不可 不可 可以
    　　適用用途 同時驅(qū)動多臺電機，電機參數(shù)不知道，不能進行自學習 簡易速度反饋控制機械側(cè)已安裝PG 需多種調(diào)速的場合 簡易伺服驅(qū)動，高精度速度控制，力矩控制
    　　主要參數(shù)設置說明
    　　An環(huán)境參數(shù)
    　　A1-00語言選擇：0：英語 1：日本語 2：德語 3：法語
    　　A1-01訪問等級：2：QUICK-START 3：BASIC 4：ADVANCED
    　　A1-02控制模式：0：無PG V/f控制 1：有PG V/f控制
    　　 2：無PG 矢量控制 3：有PG 矢量控制
    　　A1-03初始化： 回到出廠時設定
    　　bn應用參數(shù)
    　　b1-01（0-4）頻率指令輸入方法
    　　0：數(shù)字操作器 1：模擬量端子
    　　2：MEMOBUS傳送（S1-K2）與GEPLC以及其他廠家PLC
    　　3：選擇卡（CP-216）
    　　4：MEMOBUS傳送（CP-717專用）
    　　b1-02（0-4）運行指令輸入方法選擇
    　　0：數(shù)字操作器 1：模擬量端子
    　　2：MEMOBUS傳送（S1-K2）與GEPLC以及其他廠家PLC
    　　3：選擇卡（CP-216）
    　　4：MEMOBUS傳送
    　　b1-03（0-4）停止方式選擇
    　　0：減速停車 1：自由滑車
    　　2；DC制動 3：帶計時器停車
    　　b1-04（0-4）反轉(zhuǎn)選擇
    　　0：可以反轉(zhuǎn) 1：不能反轉(zhuǎn)
    　　Cn調(diào)整參數(shù)
    　　C1-01加速時間1 C1-02減速時間1
    　　C1-03加速時間2 C1-04減速時間2
    　　C1-05加速時間3 C1-06減速時間3
    　　C1-07加速時間4 C1-08減速時間4
    　　C1-09快速停車時間 C1-10加減速時間單位（0-1）
    　　0：0.01秒 1：0.1秒
    　　C2-01~C2-04 S曲線