一、基本U/f控制
基本U/f控制是根据电动机的电磁特性采取的控制模式,即输出频率变化时,输出电压也成比例的变化,U/f=C(常数)。恒压频比控制是变频器控制的基础,其他控制也是建立在该控制基础上的。
基本U/f控制一般用于变频器的开环控制,如图3-1所示。
图3-1 基本U/f控制
(一)U/f控制理论依据
给三相异步电动机的定子绕组加上电源电压U1后,绕组中便产生感应电动势E1(见图3-2),根据电动机理论,E1的表达式为
E1=4.44K1N1f1Φm
式中 E1——定子绕组的感应电动势有效值;
K1——定子绕组的绕组系数,K1<1,为常数;
N1——定子每相绕组的匝数,为常数;
f1——定子绕组感应电动势的频率,即电源的频率;
Φm——旋转磁场的主磁通,大小和定子空载电流成正比,为了保证电动机工作在磁通的最佳值,Φm也为常数。
图3-2 感应电动势的产生
图3-3所示是电动机的铁心磁饱和曲线,由图3-3可见,在a点为特性线的最佳点,当大于a点,进入饱和区,当电动机调频工作时,要保持a点不变。
当电动机工作时,I1增加,I2增加,产生的磁通大小相等,方向相反,相互抵消,即工作时主磁通是不变的,仍然保持在空载电流的设定值(见图3-4)。
图3-3 电动机铁心磁饱和曲线
图3-4 主磁通不变
将上述常数带入公式,有E1=f1C,由于ΔU很小,当U1较高时,ΔU可忽略,有:
U1≈E1=f1C
上式可改写为
U1/f1=C(常数)
U1上升,f1上升;U1下降,f1下降。
即U1/f1=常数,这就是变频器的基本U/f控制模式。该控制线是任何控制模式都要遵守的。
U/f控制电路结构简单、成本较低,机械特性硬度也较好,能够满足一般传动的平滑调速要求,已在各产业的各个领域得到广泛应用。这种控制方式在低频时,由于输出电压较低,转矩受定子电阻压降的影响比较显著,使输出最大转矩减小。其机械特性终究没有直流电动机机械特性硬度好,动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意,且系统性能不高,控制曲线会随负载的变化而变化,转矩响应慢,电动机转矩利用率不高,低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降,稳定性变差。
应用范围:可以满足大部分对调速响应动态性能要求不高的场合,如风机、水泵负载。
(二)基频以下变频调速
基频以下恒磁通变频调速
我国电网50Hz交流电称为基频,在0~50Hz范围调速时,称为基频以下调速。0~50Hz范围调速如图3-5所示。
图3-50 ~50Hz范围调速
特点:
1)基频以下调速时转速变化转矩不变,具有恒转矩特性。
2)随着转速的下降,电动机输出功率下降。
3)当转速较低时,具有节能作用。
4)起动转矩小。
当f1较低时,U1亦较低,电阻R1上的电压ΔU已不可忽略,它使定子电流下降,从而使Φm减小,这将引起低速时的输出转矩减小(见图3-6)。转矩补偿:为补偿低速时转矩不足,在低频时提升定子电压U1,补偿曲线如图3-7中曲线“2”。所有U/f变频器都有低频转矩补偿功能。
图3-6 低速时输出转矩减小
图3-7 转矩补偿
(三)基频以上变频调速
当电动机工作在基频(额定频率)以上时,由于电动机不能超过额定电压运行,所以频率在额定值以上升高时,定子电压不变,保持在额定值。Φm随着f1的升高而下降,电动机的转矩亦随着频率的升高而下降。因为电动机输出功率为
P=nT
转速升高,转矩下降,乘积不变,即基频以上的变频调速属于“恒功率”调速。
恒功率调速曲线如图3-8所示。
图3-8 恒功率调速曲线
(四)基频以上调速应用
1.满足高速设备的需要
如内圆磨床的磨头电动机,转速在每分钟上万转,可采用变频高速电动机驱动,简化传动环节。
2.满足恒功率设备的需要
即设备需要调速,又需要电动机输出恒功率。
超频恒功率工作原理是:电动机采用超频调速工作,输出恒功率;通过降速器,使负载得到应有的可调转速,从而不加大电动机和变频器的功率。
(五)低频时临界转矩减小的原因与对策
1.变频运行时的数据举例
低频时临界转矩减频运行时小的原因如图3-9所示。
U1=-E1+ΔU1→U1≈E1+ΔU1
频率为50Hz时磁能相对值为100%,25Hz时为94%,10Hz时为78%,由此可以看出频率下降时磁通比额定磁通下降了22%。所以电动机的带负载能力下降。
2.对策(电压补偿、转矩补偿、转矩提升)
从图3-10可以看出,在低频运行时,输入电压适当的增加一点补偿量,从而加大了U/f比,也就加大了反电动势与频率的比。如果补偿量恰到好处,则可使反电动势与频率与额定状态相等,结果是磁通量也等于额定值。
图3-9 低频时临界转矩减频运行时小的原因
a)运行频率为50Hz b)运行频率为25Hz c)运行频率为10Hz
图3-10 电压补偿的原理
a)电压补偿的含义 b)25Hz时的补偿量 c)10Hz时的补偿量
(六)负载变化的影响
负载变化时,电动机的电流及其阻抗压降也随之变化,所以当负载变化时所需要的电压补偿量也应该跟着改变。但变频器的U/f线是一次选定的,就是说当U/f线选定后,在某一频率下的电压补偿量Δu就确定了。如在满载时得到恰好的补偿(如图3-11b),在轻载时就会发生磁通相对值增大,磁化曲线进入深度饱和段(如图3-11c),励磁电流产生巨大的尖峰波。
图3-11 负载变化(减轻)对磁通的影响
a)负载率减轻至20% b)正常时的励磁电流 c)饱和时的励磁电流
(七)U/f线的选择与调整
1.调整U/f线的实质
基本频率
基本频率的大小是和变频器的输出电压相对应的。有两种定义方法:
1)和变频器的最大输出电压对应的频率(见图3-12)。
2)当变频器的输出电压等于额定电压时的最小输出频率。
基本频率用fBA表示,在绝大多数情况下,基本频率都和电动机的额定频率相等。
图3-12 基本频率的定义
a)基本U/f线 b)变频器的对应关系 c)电动机的对应关系
2.基本频率的调整实例
一台220V的电动机配380V变频器,进口电动机的额定电压常常是三相220V,而我国低压电网的电压都是三相380V,两者之间能否配用呢?
可以通过提高基本频率的方法来解决。如图3-13所示,当把基本频率预置为87Hz时,则与87Hz对应的电压是380V,而50Hz对应的电压是220V,应用此方法时,电动机的工作频率可以上升至87Hz,从而增大了电动机的输出功率,但应注意由于变频器输出电压的脉动幅度仍高达513V左右,因此所用电动机的槽绝缘必须和380V电动机一样才行。
图3-13 220V电动机配380V变频器
a)对基本频率的设定 b)变频器与电动机的对应关系
(八)270V、70Hz电动机配380V变频器
一台电动机的额定数据是70Hz、270V。首先在U/f坐标内找到与(70Hz、270V)对应的点(见图3-14a),找出380V对应的频率为98Hz,将基本频率预置为98Hz即可。
图3-14 270V、70Hz电动机配380V变频器
a)对基本频率的设定 b)变频器与电动机的对应关系
(九)转矩提升的预置要点
实际调试时,U/f比例由小逐渐加大,每加大一档,首先看能否带得动负载,即使能带动负载,还应观察空载时会不会跳闸,一直到低频运行时,即能带动重负载,又不会空载跳闸为止。
1.低频重载时
如带式输送机,如图3-15所示,是运送煤炭或石料的传输带,其工作特点是:
1)其负载轻重与转速无关,属于恒转矩负载,机械特性如图3-15b所示。
2)在运行过程中,因为传输带上的物料多少是不恒定的,所以其负载轻重常有变化。
对于这类负载,必须考虑在物料最多的情况下,低频时也能带动负载。因此,应该选择具有一定补偿量的U/f曲线,如图3-15c所示。
当工作频率为fx1时,在不进行补偿时,变频器的输出电压为UX1。这时电动机在负载较重时,有可能带不动。如U/f曲线选择了曲线②,则当工作频率为fx1时,变频器的输出电压增加为UX2,使电动机的有效转矩足以克服负载的阻转矩。
图3-15 带式输送机的U/f曲线
a)负载示意图 b)负载机械特性 c)U/f曲线的选择
2.低频轻载时
风机属于二次方律负载,其机械特性如图3-16a所示,在低转速运行时,负载的阻转矩很小。如Q1点,在这种情况下,即使不进行电压补偿,电动机的有效转矩也比负载转矩大得多。为此,变频器专门设置了若干根“负补偿线”。就是说,在低频时,电压非但不加大,相反地还应该适当减小,如图3-16b中曲线②。当工作频率为fx1时,变频器的输出电压减小为Ux1,使电动机的有效转矩接近于负载转矩。
图3-16 风机的U/f曲线
a)风机的机械特性 b)U/f曲线的选择