變頻調(diào)速及變頻器

楊勇

摘 要：三相異步電動機由于結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、維護方便等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代企業(yè)中，為滿足現(xiàn)代企業(yè)對交流拖動設(shè)備的需求，如何合理地選擇調(diào)速方法并發(fā)展更先進的調(diào)速方法是擺在相關(guān)技術(shù)人員面前的一項現(xiàn)實任務(wù)。文章對三相異步電動機的變頻調(diào)速原理做了闡述，并對變頻器的硬件結(jié)構(gòu)做了介紹，說明了變頻調(diào)速方法的先進性和實用性。

關(guān)鍵詞：三相異步電動機；變頻調(diào)速；變頻器

引言

三相異步電動機由于結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、維護方便等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代企業(yè)中。在由三相異步電動機作為原動機的電力拖動系統(tǒng)中，被拖動的生產(chǎn)機械為適應(yīng)工藝過程的要求，往往需要改變運行速度。實現(xiàn)生產(chǎn)機械轉(zhuǎn)速變化的要求有兩種辦法，一是機械調(diào)速即通過改變機械傳動機構(gòu)速比來使速度變化；二是電氣調(diào)速即通過改變電動機電氣參數(shù)，在負(fù)載不變的情況下，得到不同運行速度的方法。實踐生產(chǎn)中常用的電氣調(diào)速方法比較多，有變極調(diào)速、變轉(zhuǎn)差率調(diào)速。變極調(diào)速是通過改變定子繞組的接線方式改變電動機的極數(shù)從而實現(xiàn)電動機轉(zhuǎn)速的變化；變轉(zhuǎn)差率調(diào)速包括繞線式電動機轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速、串級調(diào)速和調(diào)壓調(diào)速。這些方法存在調(diào)速不平滑、不節(jié)能或機械特性不理想等問題。隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，變頻調(diào)速以顯著的節(jié)電效果、優(yōu)良的調(diào)速特性及廣泛的實用性正逐漸取代傳統(tǒng)的調(diào)速方法，成為是現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)的主要方向。

1 三相異步電動機的工作原理

三相異步電動機也被稱為感應(yīng)電動機，與直流電動機不同，其轉(zhuǎn)子繞組是在旋轉(zhuǎn)磁場的切割作用下產(chǎn)生感應(yīng)電流，并在磁場中受到電磁力作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從而使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)磁場如何產(chǎn)生的是理解三相異步電動機工作原理的關(guān)鍵：空間對稱分布的三相定子繞組通以三相對稱交流電，由于交流電電流方向會隨時間發(fā)生周期性變化，使定子繞組磁場的方向隨時間旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)方向由相序決定（電流超前相指向電流滯后相），旋轉(zhuǎn)速度與交流電頻率成正比列關(guān)系，與磁極對數(shù)成反比例關(guān)系。

2 變頻調(diào)速

2.1 變頻調(diào)速原理

式中n為電動機轉(zhuǎn)速；n0為電動機定子旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速；s為轉(zhuǎn)差率（轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速落后旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速的比率）；f為定子電源頻率；p為定子磁極對數(shù)。由（1）可知：三相異步電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速由定子電源頻率、磁極對數(shù)及轉(zhuǎn)差率決定。要想改變電動機的轉(zhuǎn)速只要改變定子電源頻率、磁極對數(shù)及轉(zhuǎn)差率即可達(dá)到調(diào)速的目的。

2.2 變頻調(diào)速基本控制方式

三相異步電動機的電源額定頻率稱為基頻。變頻調(diào)速時可以從基頻向上調(diào)，也可以從基頻向下調(diào)，這兩種情況下的控制方式是不同的。

2.2.1 基頻向下的變頻調(diào)速：電源頻率降低，如果保持電壓不變，主磁通將增加，使勵磁電流增加使勵磁繞組過熱；同時磁路處于過飽和狀態(tài)，鐵芯損耗急劇增加導(dǎo)致電動機過熱。這都將造成電動機繞組老化甚至燒毀。所以在向下調(diào)節(jié)電源頻率的同時應(yīng)配合向下調(diào)節(jié)電源電壓并保持U/f=常數(shù)，才能使電動機保持一個良好的運行特性。

2.2.2 基頻向上的變頻調(diào)速：電源頻率升高，如果保持電壓不變，主磁通將減少，由于電動機電磁轉(zhuǎn)矩與磁通成正比關(guān)系，所以電動機輸出的轉(zhuǎn)矩將隨電源頻率升高反比下降。對于鼠籠式三相異步電動機都采用從基頻向下的變頻調(diào)速，而不采用基頻向上的變頻調(diào)速。

3 變頻器

實現(xiàn)三相異步電動機的變頻調(diào)速關(guān)鍵是要有一套能同時改變電源電壓及頻率的供電裝置，可以將電壓和頻率固定不變的工頻交流電轉(zhuǎn)變成電壓和頻率可變的交流電，該裝置稱為變頻器。

3.1 變頻器

是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另外頻率和電壓值的電能控制裝置。變頻器主要由整流（交流變直流）、濾波、逆變（直流變交流）、制動單元、驅(qū)動單元、檢測單元微處理單元等組成。通過改變電源的頻率來達(dá)到改變電源電壓的目的，根據(jù)電機的實際需要來提供其所需要的電源電壓，進而達(dá)到節(jié)能、調(diào)速的目的，另外，變頻器還有很多的保護功能，如過流、過壓、過載保護等等。

3.2 變頻器硬件結(jié)構(gòu)

3.2.1 主電路：是給異步電動機提供調(diào)壓調(diào)頻電源的電力變換部分。變頻器的主電路大體上可分為兩類：電壓型是將電壓源的直流變換為交流的變頻器，直流回路的濾波是電容。電流型是將電流源的直流變換為交流的變頻器，其直流回路濾波是電感。它由三部分構(gòu)成，將工頻電源變換為直流功率的“整流器”，吸收在變流器和逆變器產(chǎn)生的電壓脈動的“平波回路”，以及將直流功率變換為交流功率的“逆變器”。（1）整流器：最近大量使用的是二極管的變流器，它把工頻電源變換為直流電源。也可用兩組晶體管變流器構(gòu)成可逆變流器，由于其功率方向可逆，可以進行再生運轉(zhuǎn)；（2）平波回路：在整流器整流后的直流電壓中，含有電源6倍頻率的脈動電壓，此外逆變器產(chǎn)生的脈動電流也使直流電壓變動。為了抑制電壓波動，采用電感和電容吸收脈動電壓（電流）。裝置容量小時，如果電源和主電路構(gòu)成器件有余量，可以省去電感采用簡單的平波回路；（3）逆變器：同整流器相反，逆變器是將直流功率變換為所要求頻率的交流功率，以所確定的時間使6個開關(guān)器件導(dǎo)通、關(guān)斷就可以得到3相交流輸出。

3.2.2 控制電路：是給異步電動機供電（電壓、頻率可調(diào)）的主電路提供控制信號的回路，它有頻率、電壓的“運算電路”，主電路的”電壓、電流檢測電路”，電動機的“速度檢測電路”，將運算電路的控制信號進行放大的”驅(qū)動電路”，以及逆變器和電動機的“保護電路”組成。（1）運算電路：將外部的速度、轉(zhuǎn)矩等指令同檢測電路的電流、電壓信號進行比較運算，決定逆變器的輸出電壓、頻率；（2）電壓、電流檢測電路：與主回路電位隔離檢測電壓、電流等；（3）驅(qū)動電路：驅(qū)動主電路器件的電路。它與控制電路隔離使主電路器件導(dǎo)通、關(guān)斷；（4）速度檢測電路：以裝在異步電動機軸機上的速度檢測器的信號為速度信號，送入運算回路，根據(jù)指令和運算可使電動機按指令速度運轉(zhuǎn)；（5）保護電路：檢測主電路的電壓、電流等，當(dāng)發(fā)生過載或過電壓等異常時，為了防止逆變器和異步電動機損壞，使逆變器停止工作或抑制電壓、電流值。

4 結(jié)束語

變頻器不但可以用于調(diào)速，還可以用于三相異步電動機的軟啟動。由于三相異步電動機旋轉(zhuǎn)磁場速度與交流電頻率成正比例關(guān)系，低頻啟動降低了旋轉(zhuǎn)磁場速度，即降低了磁場切割轉(zhuǎn)子的速度，所以降低了電動機的啟動電流。變頻調(diào)速以顯著的節(jié)電效果、優(yōu)良的調(diào)速特性及廣泛的實用性正逐漸取代傳統(tǒng)的調(diào)速方法，成為是現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)的主要方向。

參考文獻(xiàn)

[1]楊宗豹.電機及拖動基礎(chǔ)[M].冶金工業(yè)出版社，2003.

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