【文章內容簡介】 是提供變頻電源的變頻器，變頻器可分成交流－直流－交流變頻器和交流－交流變頻器兩大類，目前國內大都使用交－直－交變頻器。其特點： 1）效率高，調速過程中沒有附加損耗； 2）應用范圍廣，可用于籠 型異步電動機； 3）調速范圍大，特性硬，精度高； 4）技術復雜，造價高，維護檢修困難。 本方法適用于要求精度高、調速性能較好場合。 轉子串電阻調速方法 繞線式異步電動機轉子串入附加電阻，使電動機的轉差率加大，電動機在較低的轉速下運行。串入的電阻越大，電動機的轉速越低。此方法設備簡單，控制方便，但轉差功率以發(fā)熱的形式消耗在電阻上。屬有級調速，機械特性較軟。 定子調壓調速方法 當改變電動機的定子電壓時，可以得到一組不同的機械特性曲線，從而獲得不同轉速。由于電動機的轉矩與電 壓平方成正比，因此最大轉矩下降很多，其調速范圍較小，使一般籠型電動機難以應用。為了擴大調速范圍，調壓調速應采用轉子電阻值大的籠型電動機，如專供調壓調速用的力矩電動機，或者在繞線式電動機上串聯(lián)頻敏電阻。為了擴大穩(wěn)定運行范圍，當調速在 2： 1 以上的場合應采用反饋控制以達到自動調節(jié)轉速目的。調壓調速的主要裝置是一個能提供電壓變化的電源，目前常用的調壓方式有串聯(lián)飽和電抗器、自耦變壓器以及晶閘管調壓等幾種。晶閘管調壓方式為最佳。調壓調速的特點： 1）調壓調速線路簡單，易實現(xiàn)自動控制； 2）調壓過程中轉差功率以發(fā)熱形 式消耗在轉子電阻中，效率較低。 電磁調速電動機調速方法 電磁調速電動機由籠型電動機、電磁轉差離合器和直流勵磁電源（控制器）三部分組成。直流勵磁電源功率較小，通常由單相半波或全波晶閘管整流器組成，改變晶閘管三相交流變頻電動機設計與結構分析 5 的導通角，可以改變勵磁電流的大小。電磁轉差離合器由電樞、磁極和勵磁繞組三部分組成。電樞和后者沒有機械聯(lián)系，都能自由轉動。電樞與電動機轉子同軸聯(lián)接稱主動部分，由電動機帶動；磁極用聯(lián)軸節(jié)與負載軸對接稱從動部分。當電樞與磁極均為靜止時，如勵磁繞組通以直流，則沿氣隙圓周表面將形成若干對 N、 S 極 性交替的磁極，其磁通經過電樞。當電樞隨拖動電動機旋轉時，由于電樞與磁極間相對運動，因而使電樞感應產生渦流，此渦流與磁通相互作用產生轉矩，帶動有磁極的轉子按同一方向旋轉，但其轉速恒低于電樞的轉速 1N ，變動轉差離合器的直流勵磁電流，便可改變離合器的輸出轉矩和轉速。電磁調速電動機的調速特點： 1）裝置結構及控制線路簡單、運行可靠、維修方便； 2）調速平滑、無級調速； 3）對電網無諧影響； 4）速度失大、效率低。 本方法適用于中、小功率，要求平滑動、短時低速運行的生產機械。 液力耦合器調速方法 液力耦合器是一種液力傳動裝置，一般由泵輪和渦輪組成，它們統(tǒng)稱工作輪，放在密封殼體中。殼中充入一定量的工作液體，當泵輪在原動機帶動下旋轉時，處于其中的液體受葉片推動而旋轉，在離心力作用下沿著泵輪外環(huán)進入渦輪時，就在同一轉向上給渦輪葉片以推力，使其帶動生產機械運轉。液力耦合器的動力轉輸能力與殼內相對充液量的大小是一致的。在工作過程中，改變充液率就可以改變耦合器的渦輪轉速，作到無級調速，其特點為： 1） 功率適應范圍 大，可滿足從幾十千瓦至數(shù)千千瓦不同功率的需要； 2） 結構簡單，工作可靠，使用及維修方便，且造價低； 3） 尺寸小， 容量 大； 4） 控制調節(jié)方便，容易實現(xiàn)自動控制。 本方法適用于風機、水泵的調速。 現(xiàn)在變頻調速產業(yè)逐漸壯大，是主流的調速方式。 變頻調速的基本原理 變頻調速方法 ： 是改變電動機定子電源的頻率，從而改變其同步轉速的調速方法。 變頻器的基本原理 （一） 變頻器的內部結構 三相交流變頻電動機設計與結構分析 6 變頻器實際上就是一個逆變器 。 它首先是將交流電變?yōu)橹绷麟?。 然后用電子元件對直流電進行開關 。之后將直流電 逆變成交流電。 一般功率較大的變頻器用可控硅 。 并設一個可調頻率的裝置 。 使頻率在一定范圍內可調 。 用來控制電機的轉數(shù) 。 使轉數(shù)在一定的范圍內可調 。 變頻器廣泛用于交流電機的調速中 。 變頻器不僅調速平滑 ， 范圍大，效率高，啟動電流小，運行平穩(wěn)，而且節(jié)能效果明顯。因此，交流變頻調速已逐漸取代了過去的傳統(tǒng)滑差調速、變極調速、直流調速等調速系統(tǒng)，越來越廣泛的應用于冶金、紡織、印染、煙機生產線及樓宇、供水等領域。一般分為整流電路、平波電路、控制電路、逆變電路等幾大部分。 1. 整流電路 整流電路的功能是把交流電源轉換成 直流電源。整流電路一般都是單獨的一塊整流模塊 。 2. 平波電路 平波電路在整流器、整流后的直流電壓中含有電源 6倍頻率脈動電壓，此外逆變器產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 )，一般通用變頻器電源的直流部分對主電路而言有余量，故省去電感而采用簡單電容濾波平波電路。 3. 控制電路 現(xiàn)在變頻調速器基本系用 16位、 32位單片機或 DSP 為控制核心，從而實現(xiàn)全數(shù)字化控制。 變頻器是輸出電壓和頻率可調的調速裝置。提供控制信號的回路稱為主控制電 路，控制電路由以下電路構成 :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 ” 。運算電路的控制信號送至 “ 驅動電路 ” 以及逆變器和電動機的 “ 保護電路 ” 。 變頻器采取的控制方式，即速度控制、轉拒控制、 PID 或其它方式 。 4． 逆變電路 逆變電路同整流電路相反，逆變電路是將直流電壓變換為所要頻率的交流電壓，以所確定的時間使上橋、下橋的功率開關器件導通和關斷。從而可以在輸出端 U、 V、 W 三相上得到相位互差 120176。電角度的三相交流電 。 （二） 交～直～交間接變頻的變頻器基本原理 變頻器 的類型很多，總的來看有三種： ～交直接變頻的變頻器，它是把頻率固定的交流電源直接變換成頻率可調的交流電源； ～直～交間接變頻的變頻器?，F(xiàn)以后者為例說明變頻的基本原理。它由主電路和控制電路兩部分組成。主電路是由整流器 、三相交流變頻電動機設計與結構分析 7 儲能元件、逆變器三種器件組成的交～直和直～交兩大電路。交～直部分是把頻率固定的交流電變?yōu)橹绷鳎薄徊糠钟职阎绷麟娮優(yōu)榻涣??？刂齐娐肥翘峁┬盘?，并有?guī)則的控制逆變器導通與截止，使之向異步電動機提供頻率、電壓都可調的交流電源，以驅動電動機的運行。 電壓型的變頻器由整流器、濾波器、逆變器組成 。整流器是將交流全波整流為直流，濾波器濾平整流后的電壓波紋，并在負載變化時保持直流電壓平穩(wěn)，逆變器是把整流后的直流電再“逆變”為頻率可調的交流電。逆變的原理是由逆變管構成一定結構的電路，由控制電器按照一定的規(guī)律來控制逆變管的導通與截止?？梢娔孀児苁亲冾l器的核心元件?？刂齐娐返墓δ苁窍蜃冾l器主電路提供各種控制信號。它是由決定 U/f1 特性的頻率電壓“運算電路”、主電路的“ U/A 檢測電路”、電動機“速度檢測電路”、“ PWM 生成及驅動電路”以及變頻器、電動機的各種保護電路等組成。 變頻器在變頻時有時還要改變電壓。這 是因為當頻率改變時，電動機內的阻抗壓降、定子的電勢都要改變，以致引起磁通 m? 變化，這樣在高速運轉時會造成電動機的電磁轉矩不足 ,低速時，則磁通 m? 會過大，使磁路過于飽和，引起勵磁電流增大，造成電動機的功率因數(shù) ?cos 及效率 η顯著下降。 根據(jù)電動機定子電勢有效值公式 E1==KEf1Φm （ 22） 在頻率 f1改變時 ,要保持 m? 不變，則必須在調頻的同時調節(jié)電勢 E1；即讓 E1/ f1 = 常數(shù) 。但電勢 E1 的大小無法進行控制，如用近似的方法，根據(jù)電勢平衡方程式，可用U/f1 =常數(shù) 代替。此時 m? 可基本不變， m? ≈常數(shù) 。故在調頻的同時也要調壓，為反映這兩種同時調節(jié)的情況，常用 VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)符號代表變頻器（在頻率上升時磁通不會飽和，也可以不調整電壓）。 基本上有兩種調壓方法：一種是脈幅調制“ PAM” ，即在調節(jié)輸出頻率的同時，調節(jié)逆變器前一級的直流電壓，以改變逆變器輸出電壓的幅值；另一種是脈寬調制“ PWM”， 即在調節(jié)輸出頻率的同時調節(jié)輸出電壓的占空比 ? ( ? ?1 1 2/t t t? ?? t1是脈沖的寬度， t2是兩脈沖間的間隔寬度 )，但上述兩種輸出電壓和電流的 波形都非正弦波。之后又采用了正弦波脈寬調制“ SPWM” 方式，即是使脈沖中的占空比 γ按正弦波的規(guī)律安排。 變頻器控制策略和調速控制方式 目前的變頻器雖然種類繁多，控制方式多種多樣，但功能上卻基本類似。從轉矩的響應特性和過渡特性上看，大體分為 U/f 恒定控制 (又稱 VVVF 控制 )、轉差頻率控制和轉差矢量控制。 三相交流變頻電動機設計與結構分析 8 1. U/f 恒定控制基本特性 按照一定的電壓和頻率關系對變頻器的頻率和電壓進行控制，稱為 U/F 控制方式?；l以下可以實現(xiàn)恒轉矩調速，基頻以上可以實現(xiàn)恒功率調速。 U/F 方式又稱為 VVVF 控制方式，逆變器中開關元件用 SPWM 方式進行控制。逆變器的脈沖發(fā)生器同時受控于頻率指令和電壓指令，而它們之間的關系是 U/F 曲線發(fā)生器決定的。這樣經 SPWM 控制之后，變頻器的輸出頻率 F 和輸出電壓 U 之間的關系，就是 U/F 曲線發(fā)生器所確定的關系。由此可見，轉速的改變是靠改變頻率的設定值來實現(xiàn)的。電動機的實際轉速要根據(jù)負載的大小，即轉差率的大小來決定，負載變化時，在設定值不變的條件下，轉子速度將隨轉矩變化而變化。故常用于速度精度要求不十分嚴格或負載變動較小的場合。 U/F 控制是轉速開環(huán)的控制，無需速 度傳感器，控制電路簡單，負載可以是通用標準異步電動機，所以通用性強，經濟性好，是目前通用變頻器產品中使用較多的一種控制方式。 2. 轉差頻率控制 在沒有任何附加措施的情況下，當處于 U/F 控制方式下運行時，如果負載變化，轉速也會隨之變化，轉速的變化量與轉差率成正比， U/F 控制的靜態(tài)調速精度顯然較差。為提高調速精度，采用轉差頻率控制方式。根據(jù)速度傳感器的檢測，可以求出轉差角頻率，再把它與速度設定值相疊加，以該疊加值作為逆變器的頻率設定值，就實現(xiàn)了轉差補償。這種實現(xiàn)轉差補償?shù)拈]環(huán)控制方式，稱為轉差頻率控制方式 。與 U/F 控制方式相比，由于轉差補償?shù)淖饔茫湔{整精度大為提高。但其使用速度傳感器求取轉差角頻率，要針對具體電動機的機械特性調整控制參數(shù)，因而這種控制方式的通用性較差。 上述的 U/F 控制方式和轉差頻率的控制思想，都建立在異步電動機的靜態(tài)數(shù)學模型上，因此動態(tài)性能指標不高。對于軋鋼、造紙設備等動態(tài)性能要求較高的應用場合，可以采用矢量控制變頻器。采用矢量控制方式的目的，主要是為了提高變頻調速的動態(tài)性能。根據(jù)交流電動機的動態(tài)數(shù)學模型，利用坐標變換的手段，將交流電動機的定子電流分解成磁場分量和轉矩分 量，并分別加以控制，即模仿自然解耦的直流電動機的控制方式，對電動機的磁場和轉矩分別進行控制，以獲得類似直流調速系統(tǒng)的動態(tài)性能。 在矢量控制方式中，磁場電流和轉矩電流可以根據(jù)可測定的電動機定子電壓和電流的實際值用計算方法求得。磁場電流和轉矩電流再與相應的設定值相比較，并根據(jù)需要進行必要的校正。 交流變頻調速系統(tǒng)的原理及特點 三相交流變頻電動機設計與結構分析 9 一、交流變頻調速系統(tǒng)的原理及構成 異 步電機的轉速方程是 ： n=60f(1s)/p， （ 23） 其中 n 為電動機的轉數(shù)， f 為電源頻率， s 為轉差率， p 為定子旋轉磁場的極對數(shù)，所以從這個公式就可以看出，要想改變電動機的轉速，可以改變 f， s， p 這三個量中的任意一個，就能夠實現(xiàn)調速，其中改變電源頻率 f 是比較方便和有效的方法，只要改變了電源頻率 f 就能夠改變電動機的轉速，但是還有另外一個問題，先看看下面這個公式 ： ??? fN KEU （ 24） 其中 u 是電源電壓， E 是定子繞組的感應電動勢， f 是電源頻率 ， n 為繞組線圈匝數(shù)，K 為繞組分布系數(shù)， Φ 為磁通量，從這個公式我們可以看出，如果減小 f 的話，電源頻率 U 還不變，那么 Φ 必然變大，因為電機的磁路設計都是按照一定的飽和磁通量設計的，如果 Φ 增大，那么磁路有可能就進入了飽和狀態(tài)，所以必須保證 Φ 為恒定，所以相應的也應該減小電源電壓 U ，同理， f 增大 ， U也要增大，我們必須保證 U/f 為一個常量。 交流變頻調速系統(tǒng)由變頻器極其配套的變頻調速電機構成。 交流電機主要分為異步電機和同步電機兩大類。因為異步電動機與 其他電動機相比，有著無可比擬的優(yōu)點：結構簡單堅固，易于維護。因此，鑒于設計的選擇，這里主要介紹異步電動機的調速系統(tǒng)。