III. V/F 系统概论
III.1
历史背景
继电梯的发展及一般性对马达的控制发展来看,在 70 年代以前是对直流马达有利的,因为直流马达的
转矩 T 与电枢电流 I 成正比,改变 I 即可改变 T,因而改变马达的转速,。若对三相感应马达而言,由于定
了电流与椟矩间不是正比,而且因为有其他不利因素,使感应马达在电梯方面得不到什么地位,长久以来
都局限于低速(一般为 60MPM)应用的范围。但在过去数十年当中,曾有不少研究者看透了用变频方法控
制感应马达可使其脱胎换骨,顺而探索及研制一套实用的高功率变频系统,可惜不少尝试都宣告失败,直
至 70 年代微电脑蓬勃发展,再加上高功率半导体的制作成功,才使这多后来的梦想(将三相感应马达如直
流马达一样控制)终于实现。
III.2
YPM 控制和 V/F 控制的基本差异
这两个系统都使用交流感应电动机,也采用微电脑及大功率半导体管作控制,但在 YPM 系统中,马
达仍是直接连结住三相电源(具有固定频率 50Hz),因此我们只能对马达作局部控制。在一定程度内马达
本身的特性仍是决定马达最后运转情况的一项重要因素。在 V/F 系统中三相电源只提供马达所需电力,在
理论上我们可以说 V/F 系统能对马达作 100%的控制,因为这系统光将三相电源整流变成一个直流电源,然
后再用逆变的方式去产生另一个三相电源,但这个三相电源的特性是它的电流是一点一滴的计算出来的,
就因为这样我们说它可以差不多对马达作完全的控制。图一是 V/F 系统主电路的简化图,推动马达的是六
枚晶体管,在图中它们的基极(亦即控制极)看来没有接线但实际是有线和 PWM 控制电路连系在一起的,
不过没有绘出。在后面我们还有更详细的图。
图一 V/F 主电路简化图
III.3
V/F 系统里的几个基本关系
下面我们列举一些基本符号,然后再列出一些基本式子,让读者参考。这些符号及式子这里将不加解
释,有兴趣的读者可自行参看有关书籍及资料
n:电动机转数(r、p、m);p:电动机极数;T:电动机转矩(N—m);f:频率(Hz);V:电动
机定子电压(v);I:电动机定子电流(A);S:滑率,或转差率;B:磁通密度(W/m²);P:功率(KW);
K
1
,K
2
,K
3
,K
4
,K
5
,K
6
:常数
(1) n=120f/p(1-S);
(2) B= K
1
V/f;
(3) T= K
2
V/f I;
(4) p= K
4
Tn;
(5) P≌K
5
Tf= K
5
K
2
VI= K
6
VI
读者们请注意 2)、3)两式,从 3)式如要 T 与 I 成正比(和直流马达一样),则 V/f 必须为一个常数,
而经 2)式,如 V/f 为一常数,则马达内的磁场亦保持不变,这是 V/F 名称的由来,也是这种控制的基本
III.4
三相感应电动机
这一类型马达由于结构坚固简单、保养工作轻,故一直以来在工业界大量应用,其特征为 a)起动电流
大;b)转速虽固定,但因负载变化影响而漂移;c)最大扭力(按:此即上面所提的转矩 T,T 并非力,但由
于转矩这名称较难明白,故以扭力代替,读者们要注意,扭力并非力,但包含了力的成份)与负载无关;
d)基于设计关系,功率固数最高值一般在满载情况下出现。由于 a)、b)、c)、d)皆不利于电梯应用,故在过
去电梯系统中如使用这种马达,在速度方面即受限制。幸而上述的各项特性都在一个情况下产生:即交流
电源频率为固定(如香港的 50Hz),如果根本上避开了这个条件再配合一些有利因素,就可得到与 a)、b)、
c)、d)完全不同的特性。感应马达的转子基本上是一个短路金属体,只有定子才是线组,定子与转子间虽无
电的直接联系却有磁的联系,因此和一具变压器非常接近。事实上有些人就称感应马达为“旋转变压器”。
变压器应用时次级绝不能发生短路,同时我们需要的是电流。在感应马达中次级的转子永远处于短路状态,
而我们需要的不是它的短路电流而是它所发生的扭力。从上面的简单说明,读者可以明白基于扭力的产生,
经电源输入的电能就“路过”马达而重新表现为一种机械能,能量只是过路客,不会积聚在马达内。强大
的扭力可带动沉重的物体作出需要的运动。但如马达因故障或外在因素影响而不能起动,则经电源流入的
巨量电能因不断积聚在马达内,可在极短时间内将马达摧毁。感应马达的研究和开发已达到空前未有的地
步,下面我们介绍人一个最简单的模型给读者,这模型当然不够准确,但一般已足够使我们了解 V/F 控制