【正文】 1；啟動(dòng)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(jī)在額定負(fù)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(duì)于成品電機(jī)，其磁極對(duì)數(shù) p已經(jīng)確定，轉(zhuǎn)差率 s 變化不大，則電機(jī)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(jī)的同步轉(zhuǎn)速，進(jìn)而達(dá)到異步電機(jī)的調(diào)速目的。但是，為了保持在調(diào)速時(shí)電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩不變，必須維持電機(jī)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(shí)還要調(diào)整 電壓（ Variable Voltage），故稱(chēng)變壓變頻調(diào)速，簡(jiǎn)稱(chēng) 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(jì) 25 異步電動(dòng)機(jī)是電力、化工等生產(chǎn)企業(yè)最主要的動(dòng)力設(shè)備。作為高能耗設(shè)備，其輸出功率不能隨負(fù)荷按比例變化，大部分只能通過(guò)擋板或閥門(mén)的開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)，而電動(dòng)機(jī)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(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速的需要而誕生的。近年來(lái)，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(jìn)及功率半導(dǎo)體器件價(jià)格的降低，變頻調(diào)速越來(lái)越被工業(yè)上所采用。使用變頻器對(duì)電動(dòng)機(jī)電源進(jìn)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速； f異步電動(dòng)機(jī)的頻率； s電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率； p電動(dòng)機(jī)極對(duì)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)頻率 f在 0～ 50Hz 的范圍內(nèi)變化時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬。變頻調(diào)速就是通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)電源頻率實(shí)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(guò)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(dòng)機(jī)。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(gè)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(chǔ)能和緩沖無(wú)功功率。 諧波抑制 變頻器使用的突出問(wèn)題就是諧波干擾，當(dāng)變頻器工作時(shí)，輸出電流的諧波電流會(huì)對(duì)電源造成干擾。雖然各變頻器廠家對(duì)變頻器諧波的治理均采取了措施且基本達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)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(wèn)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(duì)電機(jī)負(fù)載影響較大，引起轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，而較高的諧波又使變頻器輸出電纜的漏電流增加，使電機(jī)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(diǎn)是控制電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，機(jī)械特性硬度也較好，能夠滿(mǎn)足一般傳動(dòng)的平滑調(diào)速要求，已在產(chǎn)業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但是，這種控制方式在低頻時(shí)，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(jì) 26 矩減小。另外，其機(jī)械特性終究沒(méi)有直流電動(dòng)機(jī)硬，動(dòng)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(huì)隨負(fù)載的變化而變化，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢、電機(jī)轉(zhuǎn)矩利用率不高，低速時(shí)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(jī)氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)軌跡為目的，一次生成三相調(diào)制波形，以?xún)?nèi)切多邊形逼近圓的方式進(jìn)行控制的 。經(jīng)實(shí)踐使用后又有所改進(jìn)，即引入頻率補(bǔ)償，能消除速度控制的誤差；通過(guò)反饋估算磁鏈幅值，消除低速時(shí)定子電阻的影響；將輸出電壓、電流閉環(huán)，以提高動(dòng)態(tài)的精度和穩(wěn)定度。但控制電路環(huán)節(jié)較多，且沒(méi)有引入轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，所以系統(tǒng)性能沒(méi)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(dòng)機(jī)在三相坐標(biāo)系下的定子電流 Ia、 Ib、Ic、通過(guò)三相－二相變換，等效成兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電流 Ia1Ib1，再通過(guò)按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向旋轉(zhuǎn)變換，等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流 Im It1（ Im1 相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流； It1 相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流），然后模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制方法，求得直流電動(dòng)機(jī)的控制量，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的坐標(biāo)反變換，實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的控制。其實(shí)質(zhì)是將交流電動(dòng)機(jī)等效為直流電動(dòng)機(jī)，分別對(duì)速度，磁場(chǎng)兩個(gè)分量進(jìn)行獨(dú)立控制。通過(guò)控制轉(zhuǎn)子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉(zhuǎn)矩和磁場(chǎng)兩個(gè)分量，經(jīng)坐標(biāo)變換，實(shí)現(xiàn)正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有劃時(shí)代的意義。然而在實(shí)際應(yīng)用中，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測(cè)，系統(tǒng)特性受電動(dòng)機(jī)參數(shù)的影響較大，且在等效直流電動(dòng)機(jī)控制過(guò)程中所用矢量旋轉(zhuǎn)變換較復(fù)雜，使得 實(shí)際的控制效果難以達(dá)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(biāo)系下分析交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，控制電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。它不需要將交流電動(dòng)機(jī)等效為直流電動(dòng)機(jī)，因而省去了矢量旋轉(zhuǎn)變換中的許多復(fù)雜計(jì)算；它不需要模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制，也不需要為解耦而簡(jiǎn)化交流電動(dòng)機(jī)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(diǎn)是輸入功率因數(shù)低，諧波電流大，直流電 路需要大的儲(chǔ)能電容，再生能量又不能反饋回電網(wǎng)，即不能進(jìn)行四象限運(yùn)行。為此，矩陣式交－交變頻應(yīng)運(yùn)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(jià)格貴的電解電容。它能實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)為 l，輸入電流為正弦且能四象限運(yùn)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(jì) 27 其實(shí)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(lái)實(shí)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(chǎng)上低壓通用變頻器品牌很多，包括歐、美、日及國(guó)產(chǎn)的共約 50 多種。選用變頻器時(shí)不要認(rèn)為檔次越高越好，而要按負(fù)載的特 性，以滿(mǎn)足使用要求為準(zhǔn)，以便做到量才使用、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。 轉(zhuǎn)矩控制型變頻器的選型及相關(guān)問(wèn)題 基于調(diào)速方便、節(jié)能、運(yùn)行可靠的優(yōu)點(diǎn)，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(kāi)環(huán)方式對(duì)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行準(zhǔn)確控制，而且動(dòng)態(tài)和靜態(tài)指標(biāo)已優(yōu)于 PWM閉環(huán)控制指標(biāo)。 直接轉(zhuǎn)矩控制以測(cè)量電機(jī)電流和直流電壓作為自適應(yīng)電機(jī)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(shí)際值，轉(zhuǎn)矩比較器和磁通比較器將轉(zhuǎn)矩和磁通的實(shí)際值與轉(zhuǎn) 矩和磁通的給定值進(jìn)行比較，以確定最佳開(kāi)關(guān)位置。由此可以看出它是通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)矩和磁通的測(cè)量，即刻調(diào)整逆變電路的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，進(jìn)而調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁通，以達(dá)到精確控制的目的。 選型原則 首先要根據(jù)機(jī)械對(duì)轉(zhuǎn)速 (最高、最低 )和轉(zhuǎn)矩 (起動(dòng)、連續(xù)及過(guò)載 )的要求，確定機(jī)械要求的最大輸入功率 (即電機(jī)的額定功率最小值 )。有經(jīng)驗(yàn)公式 P=nT/9950(kW) （ 37） 式中 :P機(jī)械要求的輸入功率 (kW)； n機(jī)械轉(zhuǎn)速 (r/min)； T機(jī)械的最大轉(zhuǎn)矩 (N m)。 然后，選擇電機(jī)的極數(shù)和額定功率。電機(jī)的極數(shù)決定了同步轉(zhuǎn)速，要求電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速盡可能地覆蓋整個(gè)調(diào)速范圍，使連續(xù)負(fù)載容量高一些。為了充分利用設(shè)備潛能，避免浪費(fèi)，可允許電機(jī)短時(shí)超出同步轉(zhuǎn)速，但必須小于電機(jī)允許的最大轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)矩取設(shè)備在起動(dòng)、連續(xù)運(yùn)行、過(guò)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(jī)的功率和額定電流的原則來(lái)確定變頻器的參數(shù)與型號(hào)。 需要注意的是，變頻器的額定容量及參數(shù)是針對(duì)一定的海拔高度和 環(huán)境溫度而標(biāo)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(hào)時(shí)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(wèn)題 選擇合適的外部熔斷器，以避免因內(nèi)部短路對(duì)整流器件的損壞變頻器的型號(hào)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(jì) 28 定后，若變頻器內(nèi)部整流電路前沒(méi)有保護(hù)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(kāi)關(guān)，不能用空氣斷路器代替熔斷器和隔離開(kāi)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(dòng)力電纜。尤其是從變頻器到電機(jī)之間 的動(dòng)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(dāng)電纜長(zhǎng)度超過(guò)變頻器所允許的輸出電纜長(zhǎng)度時(shí)，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(duì)于控制電纜，尤其是 I/0信號(hào)電纜也要用屏蔽結(jié)構(gòu)的。對(duì)于變頻器的外圍元件與變頻器之間的連接電纜其長(zhǎng)度不得超過(guò) 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(chǎng)所的其它設(shè)備對(duì)電網(wǎng)品質(zhì)的要求，若變頻器工作時(shí)已影響到這些設(shè)備的正常運(yùn)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(diǎn)不接地，則不能選用 EMC 濾波器。當(dāng)變頻器用 500V 以上電壓驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)，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(hù)電機(jī)，同時(shí)也降低了容性漏電流和電機(jī)電纜的高頻輻射，以及電機(jī)的高頻損耗和軸承電流。使用 du/dt 濾波器時(shí)要注意濾波器上的電壓降將引起電機(jī)轉(zhuǎn)矩的稍微降低；變頻器與濾波器之間電纜長(zhǎng)度不得超過(guò) 3m。 變頻器選型時(shí)應(yīng)按實(shí)際的負(fù)載特性，以滿(mǎn)足使用要求為準(zhǔn)，以便做到量才使用，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。隨著變頻器的高智能化、高可靠性、低價(jià)格和免維護(hù)，變頻器節(jié)能降耗的作 用會(huì)更加明顯。 風(fēng)機(jī)、水泵采用變頻控制的優(yōu)勢(shì) 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(hào)端子，利用這些端子．可方便地實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟停、調(diào)速，再加上速度檢測(cè)回路，形成閉環(huán)控制，很容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(shì)和其增速特性，可使生產(chǎn)效率顯著提高。 可容易地實(shí)現(xiàn)工頻電網(wǎng)運(yùn)行與變頻器運(yùn)行之間的切換， 一旦變頻器發(fā)生故障，可以退出運(yùn)行改由工頻電網(wǎng)直接運(yùn)行，不影響風(fēng)機(jī)、泵的連續(xù)運(yùn)行。能同時(shí)實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)和軟停車(chē)。易進(jìn)行設(shè)備改造。改造設(shè) 備時(shí)，不涉及電動(dòng)機(jī)及所驅(qū)動(dòng)的風(fēng)機(jī)、泵本身，停機(jī)改造時(shí)問(wèn)短。安裝地點(diǎn)靈活。不限于電動(dòng)機(jī)軸端或靠近處，處理方便。 變頻電機(jī)配電 變頻電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn) 電磁設(shè)計(jì) :對(duì)普通異步電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，在設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮的性 能參數(shù)是過(guò)載能力、啟動(dòng)性能、效率和功率因數(shù)。而 變頻電動(dòng)機(jī)，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(jì) 29 率 ，可以 在臨界轉(zhuǎn)差率接近 1 時(shí)直接啟動(dòng)，因此 ，過(guò)載能力 和啟動(dòng)性能不再需要過(guò)多考慮，而要解決的關(guān)鍵問(wèn)題 是如何改善電動(dòng)機(jī)對(duì)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(bǔ)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(dāng)增加電動(dòng)機(jī) 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(dòng)機(jī)漏抗的大小要兼顧到整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)阻抗匹配的合理性 。 變頻電動(dòng)機(jī)的主磁路一般設(shè)計(jì)成不飽和狀態(tài) ， 一是考慮高次諧波會(huì)加深磁路飽和，二是考慮在低頻時(shí)．為了提高輸出轉(zhuǎn)矩而適當(dāng)提高變頻器的輸出電壓。 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，主要也是考慮非正弦電源特性對(duì) 變頻電機(jī)的絕緣結(jié)構(gòu) 、振動(dòng)、噪聲、冷卻方式等方面的影響 ， 一般注意以下問(wèn)題 ： 絕緣等級(jí)， 一般為 F 級(jí)或 更高 ， 加強(qiáng)對(duì)地絕 緣和線匝絕緣強(qiáng)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(dòng)機(jī)定子繞組要承受很高的電壓上升率。 使 電動(dòng)機(jī)的匝間絕緣承受較為嚴(yán)酷的考驗(yàn)。另外， 由 PWM 變頻器產(chǎn)生的矩形斬波沖擊電壓疊加在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行電壓上，會(huì)對(duì)電動(dòng)機(jī)對(duì)地絕緣構(gòu)成威脅。 對(duì)電機(jī)的振動(dòng)、噪聲問(wèn)題 ， 要充分考慮電動(dòng)機(jī)構(gòu)件及整體的剛性，盡力提高其固有頻率，以避開(kāi)與各次諧波產(chǎn)生共振現(xiàn)象。 冷卻方式．普通異步電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速降低時(shí)，冷卻 風(fēng)量與轉(zhuǎn)速的三次方成比例減小，致使電動(dòng)機(jī)的低速冷卻狀況變壞 ，溫升急劇增加，難以實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩輸出。而變頻電機(jī)一般采用強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻，即主電機(jī)散熱風(fēng)扇采用獨(dú)立的電機(jī)驅(qū)動(dòng)。 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(lái)進(jìn)行，人為增加管網(wǎng)阻力達(dá)到變化流量和壓力的目的。因此，在控制過(guò)程中，流程阻力損失相應(yīng)增加，而此時(shí)