变频电机的负载曲线核对

1.问题导入

月初偶然接触到一个很奇怪的现象,一款变频电机在各个档位下的输入线电流,如果负载不变,无论怎样切换变频器输出频率,电流会保持近乎恒定。这个特性让我感觉很好奇。直觉的理解,因为频率变化,而电机的转差率是有上限的,最高不会超过10%这个量级。所以,相当于如果负载不变,则相当于电机功率在频率切换时,会随频率线性变化,这个变化一定会反应到电流上,对吧?但是不是。现在想看看这是这台变频器的特异现象,还是所有变频器的共同现象。

我们会先定性,然后定量进行解算。

2.依照电路模型的初步核对

三相电机的传统电学模型,大多数教科书里都会提到。它是一个T型电路。因为三相电,理想情况下是完全对称的,所以,这个问题会转变为一个近乎于互感效应:


此时, I2回路的电感称为互感抗,I0回路被用来维持定子线圈的主磁通。

2.1 变频器的V/F控制模式

在传统的V/F变频控制模式下,仅以电压角度考虑I0分支的电压降,因为这个回路的阻抗可以被表征为:

r0 + iL0*freq

如果外界电压U1与输入电源频率freq保持线性关系升降。同时因为r0与感抗相较更小,所以,此时总体的电压和阻抗之间就能够保持一个相对的线性关系即:

U1/(iL0*freq),此时空载电流就能在频率变化时近乎不变。

为什么变频器的V/F控制模式,要让空载电流不变?是因为此时,如果电流的变化不变,电流的变化产生磁通,那么定子回路的磁通量以及变化就不变,然后就是整个回路的磁场特性近乎恒定。这一种复杂问题降维处理的考量。因为我们知道,电机的输入参数中电压,电流,频率和功率因数都可能发生变化。电机在进行控制时,需要实时解算,能够稳定住一个变量或者中间变量,能够大大降低解算的复杂度。

2.2 V/F控制模式下的输出功率与频率的变化的定性分析

现在我们看看既有的V/F控制模式能否实现我们所观测到的现象。毕竟,现在的变频器控制越来越先进,有能够实时进行幅角控制的新的算法出现。

好的,现在假定当前电机输入从50Hz降至10Hz。

此时电压应该从380V,同样线性减小5倍。即,此时的电压为:380/5 = 76V

我们现在假定负载在380V已经达到了额定功率,套用一台电机的参数:

电机参数解析-CSDN博客 ​​​​​​​ 

我们取0.75KW那台电机,此时:50Hz下,它的电路参数会严格依照电机参数表,相应的电压是:380V,电流为额定电流1.72A,功率因数是0.82,然后效率是80.7%。在那篇文章中,我们能够看到匹配关系:

输出功率 = sqrt(3) * 电压 × 电流 × 功率因数 × 效率。

现在电源频率降低至1/5。磁场特性除了转速下降,其他完全相同,所以此时的机械功率会减少到原来的1/5。因为转速降低。此时的输入电流会是多少?会维持恒定吗?

T型等效电路的空载臂电流是不变的。在V/F保持相对恒定的速度变化时。而互感臂呢?似乎与空载电流那条臂是相同的?不对,但是,如果只考虑电压臂,此时,电压线性减少至1/5,落在电阻臂上的输出功率会同样减少至原来的1/5,而互感臂的电机内阻可忽略,即使不忽略,此时机械功率的载体,r2回路的等效电阻两端的电压减少到之前的1/5,所以,似乎U2/R会降低至原来的1/25
,对吧?但是因为频率已经降低至1/5,所以,等效电阻应该缩小至原来的1/5。所以,U2/R = ((1/5)U额定)*((1/5)U额定)/(1/5)R额定负载等效地电阻。 = 1/5额定机械输出功率。

2.3 V/F控制模式下 负载变化时输入电流变化,定性分析

现在假定负载的力矩增大由额定输出功率增大20%。要看同一变频器档位电流的变化。

<待续...总字数大概3000字,代码和配图不计算在内.>

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