李忠旺

（西山煤電西曲礦排矸二隊， 山西　古交　030200）

引言

異步電動機自動控制發(fā)展已經(jīng)進入新的時期，尤其是變頻器的使用，給異步電機控制帶來了更加方便的選擇。通過變頻器改變電機頻率，實現(xiàn)電動機的調(diào)速功能，這一過程具有明顯的優(yōu)勢，能耗低且故障率低[1]。但異步電動機變頻調(diào)速過程其實是一個涉及到電機機械特性的改變，需要進一步探索機械特性變化情況。

1　變頻調(diào)速對異步電動機的影響

異步電動機調(diào)速系統(tǒng)主要包含異步電動機與變頻器兩部分，變頻調(diào)速與傳統(tǒng)調(diào)壓調(diào)速方法存在本質(zhì)上的差異，變頻調(diào)速是改變定子供電頻率方式來使旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速改變，實現(xiàn)對電動機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。同時，為了保證主磁通不發(fā)生改變，還需要對電源電壓進行調(diào)節(jié)，確保電壓與頻率比維持恒定。異步電動機的機械特性與很多參數(shù)存在關(guān)聯(lián)，電動機的額定頻率、額定負載、電壓設(shè)計等參數(shù)的改變，都會對機械特性曲線造成影響，并且電動機參數(shù)如果受到主磁路飽和及溫度等方面的影響，也會發(fā)生改變[2]。機械特性的改變，會造成電動機最佳工作點、調(diào)速區(qū)間等的選擇難度增加，變得更加復(fù)雜。變頻調(diào)速器雖然存在體積小、噪聲小、節(jié)能效果好且故障率低等優(yōu)勢，但人們?nèi)匀粚ψ冾l調(diào)速具有更高的要求，電機在額定轉(zhuǎn)速下調(diào)速，會造成負載能力下降，也就是機械特性變軟。

2　變頻調(diào)速后異步電動機機械特性分析

變頻調(diào)速的基本原理就是通過旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n0，實現(xiàn)對電動機轉(zhuǎn)速的調(diào)整。這里調(diào)整過程需要改變電流頻率f，通過n0=60f/p計算，p為旋轉(zhuǎn)磁場的磁極對數(shù)。在變頻器調(diào)速時，f值連續(xù)可調(diào)，則電動機的同步轉(zhuǎn)速n0也隨之發(fā)生改變，連續(xù)可調(diào)。研究變

式中：sx表示頻率fx時的轉(zhuǎn)差率值；r1為每項定子繞組的電阻值；x1為每項定子繞組的漏磁電抗值；r2為每項轉(zhuǎn)子繞組的電阻值；x2為每項轉(zhuǎn)子繞組的漏磁電抗值。通過該計算公式，可獲得電動機調(diào)速后的轉(zhuǎn)矩結(jié)果，通過分析不同ku、kf條件對異步電動機機械特性變化，可掌握電動機調(diào)頻后對機械特性的影響[3]。

2.2　不同條件下異步電動機機械特性變化分析

1）ku=kf＜1時異步電動機的機械特性。當(dāng)ku=kf＜1時，可獲得異步電動機的機械特性曲線圖（下頁圖1），分析圖1可發(fā)現(xiàn)：fx不同，則在相同轉(zhuǎn)矩下異步電動機速度降△nx會明顯降低，因此在工作區(qū)的機械特性曲線表現(xiàn)出大致的平行狀態(tài)，也就是說異步電動機在該條件下機械特性較硬。當(dāng)kf逐漸降低時，臨界轉(zhuǎn)矩有明顯的下降趨勢，而電動機帶負載的能力也明顯降低。

2）kf＞1時異步電動機的機械特性。當(dāng)kf＞1時，可獲得異步電動機的機械特性曲線圖，分析圖2可發(fā)現(xiàn)：當(dāng)fx升高時，臨界轉(zhuǎn)矩會按照1/kf2的線性規(guī)律逐漸下降，而臨界轉(zhuǎn)差變化較小，但由于臨界轉(zhuǎn)矩下頻調(diào)速后異步電動機機械特性，需要分析變頻后轉(zhuǎn)矩計算方法，并分析ku=kf≤1時的機械特性、kf＞1時的機械特性情況。

2.1　變頻后的轉(zhuǎn)矩分析

變頻后異步電動機頻率用fx表示，而電壓值則用Ux表示，則頻率和電壓的計算公式為：

式中：kf表示頻率調(diào)節(jié)比，簡稱調(diào)頻比；fN表示電動機的額定頻率；ku表示電壓調(diào)節(jié)比，簡稱調(diào)壓比；UN表示電動機的額定電壓。通過將電壓計算公式與頻率計算公式帶入異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩計算式中，可得到變頻后的轉(zhuǎn)矩計算公式：降幅度較大，所以機械特性的傾斜度會明顯變大，在工作區(qū)顯示異步電動機機械特性略微變軟。

由此可見，恒壓頻比控制下變頻調(diào)速的機械特性基本上是上下平移的，最大轉(zhuǎn)矩值會隨著頻率變化而降低。當(dāng)頻率較低時，最大轉(zhuǎn)矩太小而造成電動機帶負載能力不足，需要通過采用定子阻抗壓降補償來提升電壓值，增強帶負載能力。

圖1　ku=kf＜1條件下的異步電動機機械特性曲線

圖2　kf＞1時異步電動機的機械特性曲線

3　改善機械特性的措施

針對異步電動機變頻調(diào)壓后機械特性變化，可采取V/F控制、矢量控制及擬超導(dǎo)控制等方式改變機械特性，具體如下。

3.1　V/F控制措施

針對ku=kf降低時的電壓改變，△Ux明顯增大，造成最大轉(zhuǎn)矩下降，可采取提升調(diào)壓比的方式改變ku=kf關(guān)系，使ku>kf，從而降低△Ux在Ux中所占的壁紙，從而確保電極臨界轉(zhuǎn)矩得到補償。完全補償?shù)腣/F，其具體含義是無論fx發(fā)生怎樣的變化，都可以通過補償方式保證臨界準據(jù)與最大轉(zhuǎn)矩保持一致，所以可以稱為全補償。V/F控制主要通過變頻器來改變ku、kf的值，從而保證給予電動機轉(zhuǎn)矩不同程度的補償，實質(zhì)即是采用提高電壓方式補償阻抗壓降，實現(xiàn)機械特性硬度的提升。

3.2　矢量控制措施

矢量控制簡單的說就是將交流電機調(diào)速通過一系列等效變換，等效成直流電機的調(diào)速特性。具體做法是將異步電動機的定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場的電流分量（勵磁電流）和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量（轉(zhuǎn)矩電流）分別加以控制，并同時控制兩分量間的幅值和相位，即控制定子電流矢量，所以稱這種控制方式為矢量控制方式。如果兩個直流繞組相互垂直，且處于同一旋轉(zhuǎn)體上，分別在兩個繞組中獨立通入給定信號分解得到的勵磁電流信號與轉(zhuǎn)矩電流信號，然后將這兩個值作為基本控制信號，在等效轉(zhuǎn)化下獲得基本控制信號的等效三相交流控制信號，從而去控制逆變電路。矢量控制與直流電動機工作方式比較接近，所以其機械特性、動態(tài)特性等都大幅提升。

3.3　擬超導(dǎo)技術(shù)控制措施

擬超導(dǎo)技術(shù)的技術(shù)解釋是一種新的“擬超導(dǎo)”合成技術(shù)，有助于改善電動機變頻調(diào)速機的械特性。通過定子電阻的改變來影響機械特性，在定子電壓Ux隨著頻率fx下降而降低時，因Ux中的I1r1的比例增大，會降低頂自測傳遞至轉(zhuǎn)子測的能量，造成電動機臨界轉(zhuǎn)矩下降。擬超導(dǎo)技術(shù)通俗講就是通過設(shè)計一個動態(tài)的“負阻電路”，保證在任何時間點都能抵消電阻壓降對電動機的影響，形成相當(dāng)于電動機繞組的電阻被有效抵消，形成“超導(dǎo)”狀態(tài)，實現(xiàn)對機械特性的改變。在未進行補償時，臨界轉(zhuǎn)矩較小，而負載越大則轉(zhuǎn)差就越大。進行定子電阻壓降補償時，改變工作頻率過程臨界轉(zhuǎn)矩保持不變，且負載越重，轉(zhuǎn)差也越大。進行定子、轉(zhuǎn)子雙補償時，工作頻率改變過程可保證臨時轉(zhuǎn)矩不變，而負載變化不會對轉(zhuǎn)差造成影響。

4　結(jié)語

異步電動機的變頻器調(diào)速控制已經(jīng)成為現(xiàn)代自動控制的重要組成，并且在電力拖動企業(yè)發(fā)展過程中被廣泛應(yīng)用。針對異步電動機變頻調(diào)速后機械特性進行研究，分析異步電動機調(diào)速后轉(zhuǎn)矩、帶負載能力及不同ku、kf條件下的異機械特性變化，并基于此提出V/F控制、矢量控制及擬超導(dǎo)技術(shù)等有效調(diào)整措施，可保證機械特性符合電動機運行需求，為今后異步電動機變頻調(diào)速控制研究打下基礎(chǔ)。

[1]張宏明，仝彩霞.普通交流異步電動機變頻調(diào)速性能研究[J].煤炭技術(shù)，2013，32（3）：70-72.

[2]趙鵬飛.單相雙容值異步電動機變頻驅(qū)動方法研究[J].中國科技博覽，2015（10）：82.

[3]盧曉路.采煤機截割部電機變頻動態(tài)特性分析[D].阜新：遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2015.