變頻電機(jī)控制系統(tǒng)的組成與原理，變頻電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量

　　變頻電機(jī)是指在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件下，以100%額定負(fù)載在10%~100%額定速度范圍內(nèi)連續(xù)運(yùn)行，溫升不會(huì)超過該電機(jī)標(biāo)定容許值的電機(jī)。

　　隨著電力電子技術(shù)及新型半導(dǎo)體器件的迅速發(fā)展 ，交流調(diào)速技術(shù)得到不斷的完善和提高 ，逐步完善的變頻器以其良好的輸出波形、優(yōu)異的性能價(jià)格比在交流電機(jī)上得到廣泛應(yīng)用。 例如： 鋼廠用于軋鋼的大型電動(dòng)機(jī)和中、小型輥道電動(dòng)機(jī)、鐵路及城市軌道交通用牽引電機(jī)、電梯電機(jī)、集裝箱起吊設(shè)備用起重電機(jī)、水泵和風(fēng)機(jī)用電機(jī)、壓縮機(jī)、家用電器用電機(jī)等都相繼使用交流變頻調(diào)速電機(jī) ，并取得了良好效果。采用交流變頻調(diào)速電機(jī)比直流調(diào)速電機(jī)具有顯著的優(yōu)點(diǎn)：

　　（ 1）調(diào)速容易 ，而且節(jié)能。

　　（ 2）交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、體積小、慣量小、造價(jià)低、維修容易、耐用。

　?。?3）可以擴(kuò)大容量 ，實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速和高電壓運(yùn)行。

　　（ 4）可以實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)和快速制動(dòng)。

　　（ 5）無火花、防爆、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)。［1］

　　近年來 ，國際上變頻調(diào)速傳動(dòng)裝置以每年 13 %～ 16% 的增長率發(fā)展 ，并有逐步取代大部分直流調(diào)速傳動(dòng)裝置的趨勢(shì)。 由于以恒頻、恒壓電源進(jìn)行工作的普通異步電機(jī)應(yīng)用于變頻調(diào)速系統(tǒng)時(shí) ，存在著很大的局限性 ，國外發(fā)展了根據(jù)使用場(chǎng)合和使用要求而設(shè)計(jì)的專用的變頻交流電動(dòng)機(jī)。例如 ，有低噪音、低振動(dòng)用的電機(jī) ，有提高低速轉(zhuǎn)矩特性的電機(jī) ，有高速電機(jī) ，有帶測(cè)速發(fā)電機(jī)的電機(jī)以及矢量控制電機(jī)等。

　　變頻電機(jī)控制系統(tǒng)的組成和控制原理

　　異步電動(dòng)機(jī)用變頻器傳動(dòng)時(shí)的框圖如下圖所示，整流器將交流電變?yōu)橹绷麟姡讲ɑ芈穼⒅绷麟娖胶猓?a href="http://www.ttokpm.com/tags/逆變器/" target="_blank">逆變器將直流電逆變?yōu)轭l率可調(diào)的交流電。為了電動(dòng)機(jī)的調(diào)速傳動(dòng)所給出的操作量有電壓、電流、頻率。

　　主電路方式分為電壓型及電流型兩類，控制方式也分為電壓控制及電流控制兩種。這兩種方式，不管主電路方式是電壓型還是電流型都可以適用。

　　通用變頻器等采用電壓控制方式，與輸出頻率成比例地控制輸出電壓。對(duì)于需要快速響應(yīng)的用途則必須控制輸出電流，可采用電流控制方式。

　　1、電壓控制 通用變頻器適用電壓型的電壓控制。逆變器控制輸出的電壓和頻率。輸出電壓的大小，可以利用半導(dǎo)體開關(guān)的導(dǎo)通率將輸出電壓控制成為正弦波。晶閘管變頻器在整流器側(cè)控制輸出電壓，在逆變器側(cè)控制頻率。

　　2、電流控制 對(duì)于要求類似直流電動(dòng)機(jī)快速響應(yīng)性的應(yīng)用場(chǎng)合，為了快速控制異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，適用電流控制。

　　變頻器控制面板結(jié)構(gòu)如下，面板右側(cè)為與變頻電機(jī)面板的接口，包含變頻電機(jī)的驅(qū)動(dòng)接口，左側(cè)為與運(yùn)動(dòng)控制器的接口，包含速度控制信號(hào)與正反轉(zhuǎn)控制接口等。

　　U，V，W信號(hào)為電機(jī)的電源線，用于驅(qū)動(dòng)變頻電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。

　　DAC，GND，OVCC，EX012，EX013為控制信號(hào)，其含義為：

　　DAC為驅(qū)動(dòng)器接受的模擬控制信號(hào)，范圍一般為-10V-10V，對(duì)應(yīng)電機(jī)的最低轉(zhuǎn)速和最高轉(zhuǎn)速。

　　GND為接地信號(hào)。EX012，EX013分別為電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)信號(hào)。

　　變頻電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量方法

　　轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是指剛體繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)慣性（回轉(zhuǎn)物體保持其勻速圓周運(yùn)動(dòng)或靜止的特性）的量度，是衡量電機(jī)響應(yīng)能力和靈活性的指標(biāo)之一。其量值取決于物體的形狀、質(zhì)量分布及轉(zhuǎn)軸的位置?？烧f是一個(gè)物體對(duì)于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的慣性。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量在旋轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)中的角色相當(dāng)于線性動(dòng)力學(xué)中的質(zhì)量，描述角動(dòng)量、角速度、力矩和角加速度等數(shù)個(gè)量之間的關(guān)系。

　　變頻電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)定包括懸掛轉(zhuǎn)子擺動(dòng)法、空載減速法、輔助擺錘法，本文根據(jù)相關(guān)電機(jī)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)介紹變頻電機(jī)這三種轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)試方法的測(cè)試內(nèi)容。

　　懸掛轉(zhuǎn)子擺動(dòng)法測(cè)定轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

　　1.單鋼絲法測(cè)定轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

　　采用單鋼絲扭轉(zhuǎn)擺動(dòng)比較法測(cè)定電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

　　選擇密度均勻的金屬制成假轉(zhuǎn)子，假轉(zhuǎn)子形狀應(yīng)為簡單的圓柱體，以便能用式（1）較精確計(jì)算出假轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。假轉(zhuǎn)子的質(zhì)量應(yīng)能將所選用的鋼絲拉直且鋼絲不變形。把假轉(zhuǎn)子可靠地懸掛在長度l≥0.5m的鋼絲一端，鋼絲的另一端固定在支架上，鋼絲軸線應(yīng)與假轉(zhuǎn)子軸線同心且垂直地面。

　　將假轉(zhuǎn)子繞心軸扭轉(zhuǎn)一個(gè)適當(dāng)?shù)慕嵌龋屑?xì)測(cè)量往復(fù)擺動(dòng)次數(shù)N及所需時(shí)間t（s），求得擺動(dòng)周期平均值T’（T’=N/t）。被試電機(jī)轉(zhuǎn)子在相同的條件下，重復(fù)上述試驗(yàn)，按上方法求得其擺動(dòng)周期的平均值T，按式（2）計(jì)算被試電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J。

　　假轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J’（kg*㎡）由式（1）計(jì)算：

　　式中：

　　m——直徑D部分的圓柱體質(zhì)量，單位為千克（kg）；

　　D——圓柱體直徑，單位為米（m）。

　　被試電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J（kg*㎡）按式（2）計(jì)算：

　　式中：

　　T——被試電機(jī)轉(zhuǎn)子的擺動(dòng)周期平均值，單位為秒（s）；

　　T’——假轉(zhuǎn)子的擺動(dòng)周期平均值，單位為秒（s）。

　　2.雙鋼絲法測(cè)定轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

　　用兩根平行的鋼絲將被試電機(jī)轉(zhuǎn)子懸掛起來，使其轉(zhuǎn)軸中心線與地面垂直。扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子使其產(chǎn)生以軸線為中心的擺動(dòng)。距轉(zhuǎn)軸中心線的扭角應(yīng)不大于10°。仔細(xì)測(cè)取若干次擺動(dòng)所需的時(shí)間，求出擺動(dòng)周期的平均值T。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J（kg*㎡）按式（3）求?。?/p>

　　式中：

　　l——鋼絲的長度，單位為米（m）；

　　m——被試電機(jī)轉(zhuǎn)子的質(zhì)量，單位為千克（kg）；

　　g——重力加速度，單位為米每二次方秒（m/2^s）；

　　a——兩鋼絲之間的距離，單位為米（m）。

　　空載減速法測(cè)定轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

　　此法用于測(cè)定功率為100kW以上上機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

　　試驗(yàn)時(shí)，使被試電機(jī)的轉(zhuǎn)速升高并超過同步轉(zhuǎn)速，然后，切斷電源或脫開驅(qū)動(dòng)機(jī)械，在1.1倍~0.9倍同步轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，測(cè)定轉(zhuǎn)速變化n（r/nin）所需的時(shí)間t（s）。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J（kg*㎡）按式（4）計(jì)算：

　　輔助擺錘法測(cè)定轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

　　此法用于測(cè)定具有滾動(dòng)軸承電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

　　將一個(gè)質(zhì)量已知的輔助擺錘用質(zhì)量盡可能小的臂桿固定于被試電機(jī)轉(zhuǎn)軸端面中心上，擺錘臂桿應(yīng)與軸線成直角。當(dāng)轉(zhuǎn)軸上帶有皮帶輪或半個(gè)聯(lián)軸器時(shí)，也可用它們固定擺錘。

　　試驗(yàn)時(shí)，擺錘的初始位置與靜止位置的偏移應(yīng)不大于15°，在開始擺動(dòng)后，測(cè)量2~3次擺動(dòng)所需的時(shí)間，求出擺動(dòng)周期的平均值。以擺錘通過靜止位置的瞬間作為測(cè)量擺動(dòng)周期的起始點(diǎn)。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J（kg*㎡）按式（5）計(jì)算：

　　式中：

　　m——輔助擺錘的質(zhì)量，單位為千克（kg）；

　　r——輔助擺錘的重心到轉(zhuǎn)軸中心線的距離，單位為米（m）；

　　T——輔助擺錘擺動(dòng)周期的平均值，單位為秒（s）。

　　對(duì)功率為10kw~1000kW的電機(jī)，選用輔助擺錘時(shí)，應(yīng)使擺動(dòng)周期3s~8s。為了校核，建議在擺錘質(zhì)量略有不同的情況下重復(fù)進(jìn)行測(cè)定。