變頻調(diào)速在交流電動機中的應用

丁治龍

【摘要】變頻器不僅具有卓越的節(jié)能作用、顯著的調(diào)速性能和保護功能，還具有優(yōu)越的控制方式。應用變頻調(diào)速，不僅可以使電動機在節(jié)能的轉速下運行，而且還可以大大提高電動機轉速的控制精度，提升工藝質(zhì)量和生產(chǎn)效率，是企業(yè)技術改造和產(chǎn)品更新?lián)Q代的理想調(diào)速裝置。本文介紹了變頻調(diào)速技術的原理和功能，闡述了變頻調(diào)速在交流異步電動機的應用。

【關鍵詞】變頻調(diào)速；交流電動機；原理；功能；應用

從20世紀70年代開始，計算機技術的飛躍發(fā)展使得現(xiàn)代控制理論得以被廣泛應用到實際工業(yè)生產(chǎn)中。交流電力拖動系統(tǒng)逐步具備了調(diào)速范圍寬、穩(wěn)速范圍大、穩(wěn)速精度高、動態(tài)響應快以及在四象限中實現(xiàn)可逆運行等優(yōu)良性能。在交流調(diào)速技術中，變頻調(diào)速具有絕對優(yōu)勢，并且它的調(diào)速性能與可靠性持續(xù)得到提升而且易于實現(xiàn)過程自動化，因此深受工業(yè)行業(yè)的青睞。

一、變頻調(diào)速技術的原理

變頻調(diào)速就是通過改變輸入到交流電機的電源頻率，從而達到調(diào)節(jié)交流電動機的輸出轉速的目的。變頻調(diào)速范圍寬，平滑性好，效率最高，具有優(yōu)良的靜態(tài)及動態(tài)特性，是應用最廣的一種高性能交流調(diào)速。電動機械特性隨電動機自身電氣參數(shù)改變而改變，但由于系統(tǒng)轉動慣量的存在，轉速不能突變，一旦外部施加的電氣參數(shù)改變，必然引起電動機電磁轉矩的突變，從而破壞原來的轉矩平衡關系而產(chǎn)生新的系統(tǒng)合轉矩。該合轉矩將對系統(tǒng)產(chǎn)生一個加速度，使系統(tǒng)加速或減速。當外部參數(shù)穩(wěn)定之后，系統(tǒng)轉速過渡到新的穩(wěn)定狀態(tài)，這個加速或減速過程就稱為調(diào)速過程。

變頻調(diào)速器從電網(wǎng)接收工頻50Hz的交流電，經(jīng)過恰當?shù)膹娭谱儞Q方法，將輸入的工頻交流電變換成為頻率和幅值都可調(diào)節(jié)的交流電輸出到交流電動機，實現(xiàn)交流電動機的變速運行。

在拖動系統(tǒng)中，用變頻器驅動電動機的目的就是實現(xiàn)調(diào)速，讓電動機按照希望的方式運轉。但不論系統(tǒng)是否采用調(diào)速，穩(wěn)定運行是必須的，即要求系統(tǒng)在受到擾動時有自動恢復的能力。交流調(diào)速傳動，主要是指采用電子式電力變換器對交流電動機的變頻調(diào)速傳動。除變頻以外的另一些簡單的調(diào)速方案，例如變極調(diào)速、定子調(diào)壓調(diào)速、轉差離合器調(diào)速等，雖然仍在特定場合有一定的應用，但由于其性能較差，終將會被變頻調(diào)速所取代。

二、交流電機的分類

交流電動機的誕生和發(fā)展已有100多年的歷史，至今研究制造了形式多樣、用途各異的各種容量、各種品相的交流電動機。根據(jù)采用的電流制式不同，電動機分為直流電動機和交流電動機兩大類，其中交流電動的擁有量最多，提供給工業(yè)生產(chǎn)的電量多半是通過交流電動機加以利用的。交流電動機分為同步電動機和異步（感應）電動機兩大類。電動機的轉子轉速與定子電流的頻率保持嚴格不變的關系，即是同步電動機；反之，若不保持這種關系，即是異步電動機。根據(jù)統(tǒng)計，交流電動機用電量占電機總用電量的85%左右，可見交流電動機應用的廣泛性及其在國民經(jīng)濟中的重要地位。

三、變頻器的功能

1、變頻器的過載保護功能。對電動機進行過載保護的目的是使電動機不因過熱而燒壞。因此，進行保護的主要依據(jù)便是電動機的升溫不應超過其額定值。

2、變頻器的升速功能。升速時間長，意味著頻率上升慢，電動機在起動過程中的轉差小，動態(tài)轉矩小。其結果是減小了起動電流；反之，升速時間短，意味著頻率上升快，如拖動系統(tǒng)的慣性大，則電動機轉子的轉速將跟不上同步轉速的上升，結果使轉差和動態(tài)轉矩增大，導致升速電流超過允許值。升速過程屬于從一種穩(wěn)定運行狀態(tài)轉換到另一種穩(wěn)定運行狀態(tài)的過渡過程，在這段時間內(nèi)，通常是不進行生產(chǎn)活動的。因此，升速時間應在不過流的前提下，越短越好。變頻器除了可以控制升、降速時間外，還可以通過對升速方式的預置，對不同時段的加速度進行控制。常見的升速方式有三種：（1）頻率與時間成線性關系，多數(shù)負載可預置為線性方式。（2）S形方式，在開始階段和結束階段，升速的過程比較緩慢；而在中間階段，則按線性方式升速。如在電梯的起動和停止過程中，如果加速度變化過快，會使乘客感到不舒服，故以采用S形方式為宜。（3）半S形方式，升速過程呈半S形，例如，鼓風機在低速時負載轉矩很小，升速過程可以快一些，但隨著轉速的增加，負載轉矩增大較多，升速過程應減緩一些，采用半S形升速方式是比較適宜的。

四、變頻調(diào)速在交流異步電動機的應用

1、變頻器的類型。交-直-交變頻器的作用是特工頻交流電（頻串和電壓幅值恒定）經(jīng)過整流器整流成為直流電，直流電再經(jīng)過逆變器變換成可變壓變頻的交流電。根據(jù)控制方式的不同，交-直-交變頻器可分為三種形式：（1）可控整流量調(diào)壓、變頻器調(diào)頻的交-直-交變頻器。這種變頻器調(diào)壓和調(diào)頻分別由互相協(xié)調(diào)配合的兩個控制電路實現(xiàn)。（2）不控整流器整流、斬波器調(diào)壓、逆變器調(diào)頻的交-直-交變頻器。這種變頻器的整流環(huán)節(jié)由二極管構成，只整流不調(diào)壓，斬波器用于脈寬調(diào)壓。（3）整流器整流、脈寬調(diào)制（PWM）、逆變器調(diào)壓調(diào)頻的交-直-交器不控變頻器。這種變頻器用PWM逆變，輸出諧波較小，而且輸出波形非常接近正弦波。

交-直-交變頻器適用于各種電力拖動系統(tǒng)、穩(wěn)壓穩(wěn)頻電源和不停電電源。交-交變頻器的作用是將工頻交流電（頻率和電壓幅值恒定）經(jīng)過交-交變頻器直接變換成變壓變頻的交流電。電壓源型交-直-交變頻器和電流源型交-直-交變頻器的主要區(qū)別在于中間直流環(huán)節(jié)所采用的濾波器。

2、變頻調(diào)速的基本要求。為了充分利用鐵芯材料，在設計電機時，一般將額定工作點選在磁化曲線開始彎曲處。因調(diào)速時希望保持每極磁通為額定值。因為磁通增加，將引起鐵芯過分飽和，勵磁電流急劇增加，導致繞組過分發(fā)熱，功率因數(shù)降低；而磁通減少，將使電動機輸出轉矩下降。如果負載轉矩仍維持不變，勢必導致定、轉子過電流，也要產(chǎn)生過熱，故而希望保持磁通恒定，即實現(xiàn)恒磁通變頻調(diào)速。

3、變頻調(diào)速的基本控制方式。交流異步電動機調(diào)速時，和電流電動機一樣，希望保持電動機中每極的磁能為額定值，并且保持不變。如果磁通太弱，電動機的鐵心得不到充分利用，造成浪費，如果磁通太強，會使鐵心飽和，導致過大的勵磁電流，嚴重時會使繞組過熱而破壞。異步電動機定子每相繞組感應電動勢：E1=4.44f1N1KN1Фm式中，N1為定子繞組每相串聯(lián)匝數(shù)；KN1為基波繞組系數(shù)；Фm為每極氣隙磁通。由上式可見，Фm的值是由E1和f1共同決定的，對E1和f1進行適當?shù)目刂?，就可以使氣磁通Фm保持額定值不變。

五、結束語

隨著電力電子技術、微電子技術及大規(guī)模集成電路的發(fā)展，交流電動機調(diào)速系統(tǒng)的性能越來越好，特別是鼠籠式交流異步電動機的變頻調(diào)速系統(tǒng)，其性能已與直流電動機調(diào)速系統(tǒng)相媲美。由于鼠籠式交流異步電動機具有結構簡單、體積小、重量輕、價格低、堅固耐用、工作可靠、維護方便、適應性強等一系列優(yōu)點，而且功率、轉速、電壓的允許值高于直流電動機，所以交流變頻調(diào)速得到了迅速的發(fā)展，并有取代直流電動機調(diào)速的趨勢。

參考文獻

[1]張燕賓編著.變頻調(diào)速460問[M].機械工業(yè)出版社，2006

[2]李發(fā)海，王巖編著.電機與拖動基礎[M].清華大學出版社，1994

[3]國家發(fā)展和改革委員會節(jié)能信息傳播中心.工業(yè)企業(yè)節(jié)能技術指南匯編[M].中國環(huán)境科學出版社，2009

[4]宋家成.交流調(diào)速系統(tǒng)應用與維修[M].中國電力出版社，2009