【正文】 1；啟動后的極端情況 n=N，則 s=0，即 s 在 0～ 1之間變化。一般異步電機在額定負載下的 s=1%6%.綜合式（ 1）和式（ 2）可以得出： N=60f(1s)/p (35) 由式 (3)可以看出，對于成品電機，其磁極對數(shù) p已經(jīng)確定，轉(zhuǎn)差率 s 變化不大，則電機的轉(zhuǎn)速 n與電源頻率 f成正比，因此改變輸入電源的頻率就可以改變電機的同步轉(zhuǎn)速，進而達到異步電機的調(diào)速目的。但是，為了保持在調(diào)速時電機的最大轉(zhuǎn)矩不變，必須維持電機的磁通量恒定，因此定子的供電電壓也要做相應(yīng)的調(diào)節(jié)。變頻器就是在調(diào)整頻率（ Variable Frequency）的同時還要調(diào)整 電壓（ Variable Voltage），故稱變壓變頻調(diào)速，簡稱 VVVF。 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2021屆本科生畢業(yè)設(shè)計 25 異步電動機是電力、化工等生產(chǎn)企業(yè)最主要的動力設(shè)備。作為高能耗設(shè)備，其輸出功率不能隨負荷按比例變化，大部分只能通過擋板或閥門的開度來調(diào)節(jié)，而電動機消耗的能量變化不大，從而造成很大的能量損耗。變頻技術(shù)是應(yīng)交流電機無級調(diào)速的需要而誕生的。近年來，隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)及大規(guī)模集成電路的發(fā)展，生產(chǎn)工藝的改進及功率半導(dǎo)體器件價格的降低，變頻調(diào)速越來越被工業(yè)上所采用。使用變頻器對電動機電源進行技術(shù)改造成為各企業(yè)節(jié)能降耗、提高效率的重要手段 。 變頻器工作原理 變頻調(diào)速原理 n＝ 60 f（ 1－ s） /p （ 36） 式中 n異步電動機的轉(zhuǎn)速； f異步電動機的頻率； s電動機轉(zhuǎn)差率； p電動機極對數(shù)。 由式（ 1）可知，轉(zhuǎn)速 n 與頻率 f 成正比，只要改變頻率 f 即可改變電動機的轉(zhuǎn)速，當頻率 f在 0～ 50Hz 的范圍內(nèi)變化時，電動機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬。變頻調(diào)速就是通過改變電動機電源頻率實現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的。 變頻器主要采用交 直 交方式，先把工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機。變頻器的電路一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制 4 個部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為 IGBT 三相橋式逆變器，且輸出為 PWM 波形，中間直流環(huán)節(jié)為濾波、直流儲能和緩沖無功功率。 諧波抑制 變頻器使用的突出問題就是諧波干擾，當變頻器工作時，輸出電流的諧波電流會對電源造成干擾。雖然各變頻器廠家對變頻器諧波的治理均采取了措施且基本達到國家標準要求，但諧波仍 然是變頻器選型和使用中最需要關(guān)注的問題。 變頻器的輸出電壓中含有除基波以外的其他諧波。較低次諧波通常對電機負載影響較大，引起轉(zhuǎn)矩脈動，而較高的諧波又使變頻器輸出電纜的漏電流增加，使電機出力不足，故變頻器輸出的高低次諧波都必須抑制。 變頻器控制方式 ： ① U/f=C 的正弦脈寬調(diào)制（ SPWM）控制方式 其特點是控制電路結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，機械特性硬度也較好，能夠滿足一般傳動的平滑調(diào)速要求，已在產(chǎn)業(yè)的各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但是，這種控制方式在低頻時，由于輸出電壓較低，轉(zhuǎn)矩受 定子電阻壓降的影響比較顯著，使輸出最大轉(zhuǎn)天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2021屆本科生畢業(yè)設(shè)計 26 矩減小。另外，其機械特性終究沒有直流電動機硬，動態(tài)轉(zhuǎn)矩能力和靜態(tài)調(diào)速性能都還不盡如人意，且系統(tǒng)性能不高、控制曲線會隨負載的變化而變化，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢、電機轉(zhuǎn)矩利用率不高，低速時因定子電阻和逆變器死區(qū)效應(yīng)的存在而性能下降，穩(wěn)定性變差等。因此人們又研究出矢量控制變頻調(diào)速。 ② 電壓空間矢量（ SVPWM）控制方式 它是以三相波形整體生成效果為前提，以逼近電機氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場軌跡為目的，一次生成三相調(diào)制波形，以內(nèi)切多邊形逼近圓的方式進行控制的 。經(jīng)實踐使用后又有所改進，即引入頻率補償，能消除速度控制的誤差；通過反饋估算磁鏈幅值，消除低速時定子電阻的影響；將輸出電壓、電流閉環(huán)，以提高動態(tài)的精度和穩(wěn)定度。但控制電路環(huán)節(jié)較多，且沒有引入轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，所以系統(tǒng)性能沒有得到根本改善。 ③ 矢量控制（ VC）方式 矢量控制變頻調(diào)速的做法是將異步電動機在三相坐標系下的定子電流 Ia、 Ib、Ic、通過三相－二相變換，等效成兩相靜止坐標系下的交流電流 Ia1Ib1，再通過按轉(zhuǎn)子磁場定向旋轉(zhuǎn)變換，等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的直流電流 Im It1（ Im1 相當于直流電動機的勵磁電流； It1 相當于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流），然后模仿直流電動機的控制方法，求得直流電動機的控制量，經(jīng)過相應(yīng)的坐標反變換，實現(xiàn)對異步電動機的控制。其實質(zhì)是將交流電動機等效為直流電動機，分別對速度，磁場兩個分量進行獨立控制。通過控制轉(zhuǎn)子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉(zhuǎn)矩和磁場兩個分量，經(jīng)坐標變換，實現(xiàn)正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有劃時代的意義。然而在實際應(yīng)用中，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準確觀測，系統(tǒng)特性受電動機參數(shù)的影響較大，且在等效直流電動機控制過程中所用矢量旋轉(zhuǎn)變換較復(fù)雜，使得 實際的控制效果難以達到理想分析的結(jié)果。 ④ 直接轉(zhuǎn)矩控制（ DTC）方式 直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標系下分析交流電動機的數(shù)學(xué)模型，控制電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。它不需要將交流電動機等效為直流電動機，因而省去了矢量旋轉(zhuǎn)變換中的許多復(fù)雜計算；它不需要模仿直流電動機的控制，也不需要為解耦而簡化交流電動機的數(shù)學(xué)模型。 ⑤ 矩陣式交 交控制方式 VVVF 變頻、矢量控制變頻、直接轉(zhuǎn)矩控制變頻都是交－直－交變頻中的一種。其共同缺點是輸入功率因數(shù)低，諧波電流大，直流電 路需要大的儲能電容，再生能量又不能反饋回電網(wǎng)，即不能進行四象限運行。為此，矩陣式交－交變頻應(yīng)運而生。由于矩陣式交－交變頻省去了中間直流環(huán)節(jié)，從而省去了體積大、價格貴的電解電容。它能實現(xiàn)功率因數(shù)為 l，輸入電流為正弦且能四象限運行，系統(tǒng)的功率密度大。天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2021屆本科生畢業(yè)設(shè)計 27 其實質(zhì)不是間接的控制電流、磁鏈等量，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控制量來實現(xiàn)的。 變頻器控制方式的合理選用 控制方式是決定變頻器使用性能的關(guān)鍵所在。目前市場上低壓通用變頻器品牌很多，包括歐、美、日及國產(chǎn)的共約 50 多種。選用變頻器時不要認為檔次越高越好，而要按負載的特 性，以滿足使用要求為準，以便做到量才使用、經(jīng)濟實惠。 轉(zhuǎn)矩控制型變頻器的選型及相關(guān)問題 基于調(diào)速方便、節(jié)能、運行可靠的優(yōu)點，變頻調(diào)速器已逐漸替代傳統(tǒng)的變極調(diào)速、電磁調(diào)速和調(diào)壓調(diào)速方式。在推出 PWM 磁通矢量控制的變頻器數(shù)年后，又出現(xiàn)采用 DTC 控制技術(shù)的變頻器，它能夠用開環(huán)方式對轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩進行準確控制，而且動態(tài)和靜態(tài)指標已優(yōu)于 PWM閉環(huán)控制指標。 直接轉(zhuǎn)矩控制以測量電機電流和直流電壓作為自適應(yīng)電機模型的輸入。該模型每隔 25μ s產(chǎn)生一組精確的轉(zhuǎn)矩和磁通實際值，轉(zhuǎn)矩比較器和磁通比較器將轉(zhuǎn)矩和磁通的實際值與轉(zhuǎn) 矩和磁通的給定值進行比較，以確定最佳開關(guān)位置。由此可以看出它是通過對轉(zhuǎn)矩和磁通的測量，即刻調(diào)整逆變電路的開關(guān)狀態(tài)，進而調(diào)整電機的轉(zhuǎn)矩和磁通，以達到精確控制的目的。 選型原則 首先要根據(jù)機械對轉(zhuǎn)速 (最高、最低 )和轉(zhuǎn)矩 (起動、連續(xù)及過載 )的要求，確定機械要求的最大輸入功率 (即電機的額定功率最小值 )。有經(jīng)驗公式 P=nT/9950(kW) （ 37） 式中 :P機械要求的輸入功率 (kW)； n機械轉(zhuǎn)速 (r/min)； T機械的最大轉(zhuǎn)矩 (N m)。 然后，選擇電機的極數(shù)和額定功率。電機的極數(shù)決定了同步轉(zhuǎn)速，要求電機的同步轉(zhuǎn)速盡可能地覆蓋整個調(diào)速范圍，使連續(xù)負載容量高一些。為了充分利用設(shè)備潛能，避免浪費，可允許電機短時超出同步轉(zhuǎn)速，但必須小于電機允許的最大轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)矩取設(shè)備在起動、連續(xù)運行、過載或最高轉(zhuǎn)速等狀態(tài)下的最大轉(zhuǎn)矩。最后，根據(jù)變頻器輸出功率和額定電流稍大于電機的功率和額定電流的原則來確定變頻器的參數(shù)與型號。 需要注意的是，變頻器的額定容量及參數(shù)是針對一定的海拔高度和 環(huán)境溫度而標出的，一般指海拔 1000m 以下，溫度在 40℃或 25℃以下。若使用環(huán)境超出該規(guī)定，則在確定變頻器參數(shù)、型號時要考慮到環(huán)境造成的降容因素。 變頻器的外部配置及應(yīng)注意的問題 選擇合適的外部熔斷器，以避免因內(nèi)部短路對整流器件的損壞變頻器的型號確天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2021屆本科生畢業(yè)設(shè)計 28 定后，若變頻器內(nèi)部整流電路前沒有保護硅器件的快速熔斷器，變頻器與電源之間應(yīng)配置符合要求的熔斷器和隔離開關(guān)，不能用空氣斷路器代替熔斷器和隔離開關(guān)。 選擇變頻器的引入和引出電纜根據(jù)變頻器的功率選擇導(dǎo)線截面合適的三芯或四芯屏蔽動力電纜。尤其是從變頻器到電機之間 的動力電纜一定要選用屏蔽結(jié)構(gòu)的電纜，且要盡可能短，這樣可降低電磁輻射和容性漏電流。當電纜長度超過變頻器所允許的輸出電纜長度時，電纜的雜散電容將影響變頻器的正常工作，為此要配置輸出電抗器。對于控制電纜，尤其是 I/0信號電纜也要用屏蔽結(jié)構(gòu)的。對于變頻器的外圍元件與變頻器之間的連接電纜其長度不得超過 10m。 在輸入側(cè)裝交流電抗器或 EMC濾波器根據(jù)變頻器安裝場所的其它設(shè)備對電網(wǎng)品質(zhì)的要求，若變頻器工作時已影響到這些設(shè)備的正常運行，可在變頻器輸入側(cè)裝交流電抗器或 EMC 濾波器，抑制由功率器件通斷引起的電磁干擾。若與變頻 器連接的電網(wǎng)的變壓器中性點不接地，則不能選用 EMC 濾波器。當變頻器用 500V 以上電壓驅(qū)動電機時，需在輸出側(cè)配置 du/dt 濾波器，以抑制逆變輸出電壓尖峰和電壓的變化，有利于保護電機，同時也降低了容性漏電流和電機電纜的高頻輻射，以及電機的高頻損耗和軸承電流。使用 du/dt 濾波器時要注意濾波器上的電壓降將引起電機轉(zhuǎn)矩的稍微降低；變頻器與濾波器之間電纜長度不得超過 3m。 變頻器選型時應(yīng)按實際的負載特性，以滿足使用要求為準，以便做到量才使用，經(jīng)濟實惠。隨著變頻器的高智能化、高可靠性、低價格和免維護，變頻器節(jié)能降耗的作 用會更加明顯。 風機、水泵采用變頻控制的優(yōu)勢 調(diào)節(jié)效率高，接近于理想的調(diào)節(jié)和變速，節(jié)能效果顯著。 變頻器提供了豐富的輸入輸出信號端子，利用這些端子．可方便地實現(xiàn)電機的啟停、調(diào)速，再加上速度檢測回路，形成閉環(huán)控制，很容易實現(xiàn)自動化控制。變頻器在調(diào)速范圍、加減速性能、速度、精度等方面的優(yōu)勢和其增速特性，可使生產(chǎn)效率顯著提高。 可容易地實現(xiàn)工頻電網(wǎng)運行與變頻器運行之間的切換， 一旦變頻器發(fā)生故障，可以退出運行改由工頻電網(wǎng)直接運行，不影響風機、泵的連續(xù)運行。能同時實現(xiàn)軟啟動和軟停車。易進行設(shè)備改造。改造設(shè) 備時，不涉及電動機及所驅(qū)動的風機、泵本身，停機改造時問短。安裝地點靈活。不限于電動機軸端或靠近處，處理方便。 變頻電機配電 變頻電動機的特點 電磁設(shè)計 :對普通異步電動機來說，在設(shè)計時主要考慮的性 能參數(shù)是過載能力、啟動性能、效率和功率因數(shù)。而 變頻電動機，由于臨界轉(zhuǎn)差率反比于電源頻天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2021屆本科生畢業(yè)設(shè)計 29 率 ，可以 在臨界轉(zhuǎn)差率接近 1 時直接啟動，因此 ，過載能力 和啟動性能不再需要過多考慮，而要解決的關(guān)鍵問題 是如何改善電動機對非正弦波電源的適應(yīng)能力。一般采用如下方法 ： 盡可能地減小定子和轉(zhuǎn)子電阻。減小定子電阻 ， 可 降低基波銅耗．以彌補高次諧波引起的銅耗增加。 為抑制電流中的高次諧波．需適當增加電動機 的電感。但轉(zhuǎn)子槽漏抗較大其集膚效應(yīng)也大，高次諧 波銅耗也增大。因此，電動機漏抗的大小要兼顧到整個調(diào)速范圍內(nèi)阻抗匹配的合理性 。 變頻電動機的主磁路一般設(shè)計成不飽和狀態(tài) ， 一是考慮高次諧波會加深磁路飽和，二是考慮在低頻時．為了提高輸出轉(zhuǎn)矩而適當提高變頻器的輸出電壓。 結(jié)構(gòu)設(shè)計在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，主要也是考慮非正弦電源特性對 變頻電機的絕緣結(jié)構(gòu) 、振動、噪聲、冷卻方式等方面的影響 ， 一般注意以下問題 ： 絕緣等級， 一般為 F 級或 更高 ， 加強對地絕 緣和線匝絕緣強度。 特別要考慮絕緣耐沖擊電壓的能力。目前中小型變頻器 ，不少是采用 P WM ( 脈沖寬 度調(diào)制 )的控制方式。其載波頻率約 為幾千到十幾千赫．這就使得電動機定子繞組要承受很高的電壓上升率。 使 電動機的匝間絕緣承受較為嚴酷的考驗。另外， 由 PWM 變頻器產(chǎn)生的矩形斬波沖擊電壓疊加在電動機運行電壓上，會對電動機對地絕緣構(gòu)成威脅。 對電機的振動、噪聲問題 ， 要充分考慮電動機構(gòu)件及整體的剛性，盡力提高其固有頻率，以避開與各次諧波產(chǎn)生共振現(xiàn)象。 冷卻方式．普通異步電動機在轉(zhuǎn)速降低時，冷卻 風量與轉(zhuǎn)速的三次方成比例減小，致使電動機的低速冷卻狀況變壞 ，溫升急劇增加，難以實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩輸出。而變頻電機一般采用強迫通風冷卻，即主電機散熱風扇采用獨立的電機驅(qū)動。 傳統(tǒng)水泵控制技術(shù)的弊端 ： 在傳統(tǒng)的水泵控制方式中，靠調(diào)節(jié)出口或 人口 閘閥方式來進行，人為增加管網(wǎng)阻力達到變化流量和壓力的目的。因此，在控制過程中，流程阻力損失相應(yīng)增加，而此時