淺談交流電機(jī)的變頻調(diào)速

李雪峰

摘要：目前，被大多數(shù)行業(yè)公認(rèn)為最有應(yīng)用優(yōu)勢(shì)的交流調(diào)速方式是交流變頻調(diào)速技術(shù)，交流變頻調(diào)速技術(shù)的節(jié)能效果及變頻調(diào)速的功能十分顯著，這種交流調(diào)速方式促進(jìn)了我國(guó)煤炭企業(yè)電氣傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展。本文闡述了交流電機(jī)的工作原理以及取得的成果，對(duì)交流電機(jī)的變頻調(diào)速進(jìn)行了研究，對(duì)交流變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展具有重要的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：電機(jī)；變頻調(diào)速；交流

引言

交流電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)是當(dāng)今節(jié)電、改善工藝流程以提高產(chǎn)品質(zhì)量和改善環(huán)境、推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步的一種主要手段。變頻調(diào)速的起、制動(dòng)性能良好，具有高效率、高功率因數(shù)和節(jié)能的特點(diǎn)。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，社會(huì)對(duì)生產(chǎn)的要求也越來越高，要求節(jié)能環(huán)保、提高生產(chǎn)效率，所以改變常規(guī)的交直流電機(jī)，發(fā)展交流變頻電機(jī)成了必然趨勢(shì)。

1變頻調(diào)速交流電機(jī)的基本原理及優(yōu)點(diǎn)

1.1變頻調(diào)速交流電機(jī)基本原理

變頻調(diào)速交流電機(jī)的基本原理是基于變頻調(diào)速電機(jī)的原理，即通過以下式子求出三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n：

n=n1（1-s）=60f（1-s）/p

其中，“n”表示“電機(jī)轉(zhuǎn)速”；“n1”表示“電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速”；“p”表示“磁極對(duì)數(shù)”；“s”表示“轉(zhuǎn)差率”；“f”表示“頻率”。根據(jù)公式得出：實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)的調(diào)速需要改變轉(zhuǎn)差率、極對(duì)數(shù)和頻率。改變轉(zhuǎn)差率、極對(duì)數(shù)會(huì)出現(xiàn)一定的損耗，使電機(jī)的工作效率在一定程度上受到限制。變頻調(diào)速實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)整是通過改變子電源頻率進(jìn)而改變同步頻率的。

1.2變頻調(diào)速交流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)

和直流調(diào)速電機(jī)相比變頻調(diào)速交流電機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）功率和轉(zhuǎn)速方面：直流調(diào)速電機(jī)由于存在換向，會(huì)受到不同程度的限制；變頻調(diào)速交流電機(jī)則不受限制。

（2）體積和重量方面：兩種電機(jī)同轉(zhuǎn)矩情況下，變頻調(diào)速交流電機(jī)體積小、重量輕。

（3）動(dòng)態(tài)性能方面：兩種電機(jī)同轉(zhuǎn)矩情況下，變頻調(diào)速交流電機(jī)動(dòng)態(tài)性能好、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小。

（4）維護(hù)維修方面：兩者比較，變頻調(diào)速交流電機(jī)維護(hù)簡(jiǎn)單，基本免維護(hù)。

（5）工作性能方面：同轉(zhuǎn)矩的變頻調(diào)速交流電機(jī)效率高、節(jié)能。

（6）電機(jī)結(jié)構(gòu)方面：直流電機(jī)需要用到大量的電刷，且電刷受到磨損后產(chǎn)生的碳粉不能有效回收，對(duì)環(huán)境造成污染，如果長(zhǎng)期積累，會(huì)使電機(jī)內(nèi)部出現(xiàn)短路，影響電機(jī)安全運(yùn)行。

2常用變頻電機(jī)的產(chǎn)品類別及使用

2.1電壓型交-交變頻調(diào)速同步電動(dòng)機(jī)

電壓型交-交變頻調(diào)速同步電動(dòng)機(jī)是指一種低速電機(jī)，其使用的最高頻率不能超過20Hz。所以，需要保證電機(jī)的頻率不能超標(biāo)，通常采取限制電機(jī)極數(shù)的措施來限制電機(jī)的頻率。當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速超過限定值時(shí)，需要采用其他形式的電源，也可以開發(fā)隱極變頻同步電動(dòng)機(jī)。但是隱極的變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)在目前只有西門子公司開發(fā)了。

2.2電壓型交-直-交變頻調(diào)速同步電動(dòng)機(jī)

這種電機(jī)只適合IGCT、IEGT變頻裝置供電。這種電機(jī)的最高頻率可以大于100Hz，它的運(yùn)行頻率很寬。因此，隨著技術(shù)的發(fā)展，這種電機(jī)在市場(chǎng)上的應(yīng)用也會(huì)越來越廣泛。

2.3電壓型交-直-交變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)

這種電機(jī)適合IGBT變頻裝置供電。目前，電壓型交直交變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用于社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，未來傳統(tǒng)的交流電機(jī)與直流電機(jī)將會(huì)被其取代。

2.4電流型交-直-交負(fù)載換相（LCI）變頻調(diào)速電機(jī)

主要使用于高速線材的主電動(dòng)機(jī)。該種電機(jī)要求具有準(zhǔn)確的參數(shù)，如果參數(shù)的準(zhǔn)確性不夠或是參數(shù)的控制不準(zhǔn)，會(huì)使電機(jī)換向失敗，使其停止運(yùn)行。因此，這類產(chǎn)品在現(xiàn)代社會(huì)的使用逐漸減少。

3交流變頻調(diào)速的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)

交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)包括主電路和控制電路，主電路的作用是完成功率的轉(zhuǎn)換；控制電路要為變頻主電路提供各種控制信號(hào)。

3.1主電路的選擇

在交流變頻調(diào)速系統(tǒng)中，主回路作為直接執(zhí)行機(jī)構(gòu)，主回路可靠性和穩(wěn)定性對(duì)系統(tǒng)有直接影響，因此，主電路選擇十分重要。交-直-交變頻電路實(shí)現(xiàn)由整流器將電網(wǎng)中的交流電整流成直流電，經(jīng)過濾波，然后由逆變器逆變成交流電供給負(fù)載。中間環(huán)節(jié)采用阻抗為零的恒壓源的大電容濾波；電動(dòng)機(jī)不需要進(jìn)行頻繁制動(dòng)和反轉(zhuǎn)，因此主電源選擇不可控的二極管整流橋，逆變電路和濾波電路分別采用三相全橋形式和阻容方式；在功率器件方面，由于變頻調(diào)速系統(tǒng)，要求開關(guān)頻率足夠高和輸出容量足夠大，所以采用IGBT，其驅(qū)動(dòng)功率小、飽和壓降低。變頻調(diào)速系統(tǒng)中通過減小頻率實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的降速和停機(jī)。從電動(dòng)機(jī)的角度來看，電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)是再生制動(dòng)；從變頻調(diào)速系統(tǒng)的角度來看，拖動(dòng)系統(tǒng)在轉(zhuǎn)速下降時(shí)減少的動(dòng)能，由電動(dòng)機(jī)"再生"電能后，在變頻主電路的直流環(huán)節(jié)中被消耗，為此，在系統(tǒng)電路中設(shè)計(jì)了由VE、RE、VDE組成的放電回路，以免過高的直流電壓使各部分器件損壞。

3.2控制電路的選擇

交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的核心部分是控制電路，系統(tǒng)的運(yùn)算速度和控制精度決定了控制系統(tǒng)的性能，這在某種程度上依賴于實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的電子芯片。在控制逆變部分，根據(jù)PWM波形的生成原理，采用VHDL語言，從硬件和軟件上采用基于CPLD，用于IGBT控制的數(shù)字化PWM波形產(chǎn)生器的實(shí)現(xiàn)方法；根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，選擇了轉(zhuǎn)速負(fù)反饋控制，提高了系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定度。保護(hù)電路主要包括系統(tǒng)過壓、過流以及泵升電壓的保護(hù)等?？刂齐娐泛捅Ｗo(hù)電路影響著整個(gè)系統(tǒng)的性能，它的作用是保證主電路工作安全、可靠。

4變頻電機(jī)的研究

4.1電磁方案的研究

目前，很多公司擁有變頻調(diào)速交流電機(jī)進(jìn)行電磁設(shè)計(jì)的軟件，可以優(yōu)選和評(píng)定產(chǎn)品電磁設(shè)計(jì)方案。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，需要分析電機(jī)的穩(wěn)態(tài)以及動(dòng)態(tài)性能，并對(duì)阻尼的諧波電流及轉(zhuǎn)矩進(jìn)行仿真，有利于選取阻尼繞組和電機(jī)的結(jié)構(gòu)與尺寸，從而使電機(jī)的可靠性、安全性及穩(wěn)定性增強(qiáng)。

4.2強(qiáng)度和振動(dòng)分析

在電機(jī)的設(shè)計(jì)過程中，技術(shù)研究中心需要諧波分析計(jì)算和頻率等數(shù)據(jù)作為參考，并將設(shè)計(jì)的定子和其主要部件（機(jī)座、定子鐵心和定子裝配）的結(jié)構(gòu)與尺寸、質(zhì)量分布、軋機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的正反轉(zhuǎn)以及負(fù)荷突加突減的工況等傳遞給技術(shù)研究中心，讓工程計(jì)算的專業(yè)人員采用專門的有限元結(jié)構(gòu)分析軟件包進(jìn)行分析計(jì)算。將電機(jī)定子鐵心及機(jī)殼的振型、自振頻率分別計(jì)算出來，然后計(jì)算整個(gè)定子的振型和頻率。另外，有些電機(jī)在一定的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)調(diào)速運(yùn)行，通過比較電機(jī)的諧波頻率與定子各部分的固有頻率，調(diào)整定子及其主要部件的結(jié)構(gòu)和尺寸分布、質(zhì)量分布，從而使定子滿足強(qiáng)度要求，使定子固有頻率得到保證。

4.3低頻測(cè)試系統(tǒng)的研究

電壓式變頻調(diào)速電機(jī)的供電頻率一般為0-20Hz，因此不能用常規(guī)的頻率為50Hz的儀表進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，而需要一套低頻的測(cè)試系統(tǒng)來完成變頻調(diào)速交流電機(jī)的產(chǎn)品試驗(yàn)以及參數(shù)的測(cè)定。

4.4變頻電機(jī)試驗(yàn)

大型變頻電動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)，多數(shù)采用電機(jī)的可逆性原理。因?yàn)榇蠖鄶?shù)電機(jī)的頻率比較低，這種低頻的電源電機(jī)廠一般都無法提供，因?yàn)樵囼?yàn)站的發(fā)電機(jī)都是按頻率50Hz來設(shè)計(jì)的。因此，可以將變頻電動(dòng)機(jī)當(dāng)作發(fā)電機(jī)運(yùn)行，用直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行拖動(dòng)。

結(jié)束語

變頻調(diào)速交流電機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中具有體積小、可靠性高、維護(hù)方便、精度高等優(yōu)點(diǎn)，其優(yōu)越性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的直流和交流電機(jī)。綜合考慮變頻調(diào)速交流電機(jī)的經(jīng)濟(jì)性，未來變頻調(diào)速交流電機(jī)的使用將更加廣泛。

參考文獻(xiàn)：

[1]俞斌.交流電機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能方法及其遠(yuǎn)程控制[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2012，39（03）：36-39.

[2]李澤明.淺析交流電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)的節(jié)能效果及應(yīng)用[J].科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2012，22（11）：147-148.

[3]董晨.交流電機(jī)變頻調(diào)速研究[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2016，（12）：35-36.