【正文】 競爭的不斷加??；節(jié)能降耗已成為降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量的重要手段之一 .而八十年代初發(fā)展起來的變頻調(diào)速技術(shù)，正是順應(yīng)了工業(yè)生產(chǎn)自動化發(fā)展的要求，開創(chuàng)了一個全新的智能電機(jī)時代。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(jī)運(yùn)行電壓上，會對電動機(jī)的對地絕緣形成 威脅，對地絕緣在高電壓的反復(fù)沖擊下會加速老化。 ? 電動機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)承受高電壓沖擊 目前中小容量變頻器，大多數(shù)采用 SPWM 的控制方式。 ? 低速時的冷卻效果差 在電源頻率較低時，因普通異步電動機(jī)的阻抗不盡理想，使電源中高次諧波所引起的損耗增大。由于電動機(jī)工作的頻率范圍寬，轉(zhuǎn)速變化范圍大，各種電磁波的頻率很難避開電動機(jī)各種結(jié)構(gòu)件的固有頻率。變頻器電源中含有的高次時間諧波與電動機(jī)電磁部分的固有空間諧波相互干涉，形成各種電磁振動力。如將普通異步電動機(jī)運(yùn)行于變頻 器輸出的非正弦電源條件下，其溫升一般約增加 10%~20%。以當(dāng)前比較普遍使用的正弦波 PWM 變頻器為例，其低次諧波基本上為零，剩下的是比載波頻率（晶體管開關(guān)頻率）大一倍左右的高次諧波分量。該系統(tǒng)技術(shù)先進(jìn)、性能穩(wěn)定、維護(hù)工作量少。 6) 變頻調(diào)速節(jié)能效果明顯，有時可高達(dá) 30%~50%。 4) 輸出電壓和電流的波形接近正弦，從而減少諧波分量，降低電動機(jī)運(yùn)行時的發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動，改善了電動機(jī)的運(yùn)行性能。 2) 使用二極管整流器，交流電網(wǎng)的功率因數(shù)與逆變器輸出電壓的大小無關(guān)而且接近 1；如有數(shù)臺裝置，可由同一臺不可控整流器供電。因此，鑒于設(shè)計的選擇，這里主要介紹異步電動機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)。 交流電機(jī)主要分為異步電機(jī)和同步電機(jī)兩大類。 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的原理及特點(diǎn) 三相交流變頻電動機(jī)設(shè)計與結(jié)構(gòu)分析 9 一、交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的原理及構(gòu)成 異 步電機(jī)的轉(zhuǎn)速方程是 ： n=60f(1s)/p， （ 23） 其中 n 為電動機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)， f 為電源頻率， s 為轉(zhuǎn)差率， p 為定子旋轉(zhuǎn)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(jī)的轉(zhuǎn)速，可以改變 f， s， p 這三個量中的任意一個，就能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)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(jī)的轉(zhuǎn)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(yīng)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(jī)的磁路設(shè)計都是按照一定的飽和磁通量設(shè)計的，如果 Φ 增大，那么磁路有可能就進(jìn)入了飽和狀態(tài)，所以必須保證 Φ 為恒定，所以相應(yīng)的也應(yīng)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。 在矢量控制方式中，磁場電流和轉(zhuǎn)矩電流可以根據(jù)可測定的電動機(jī)定子電壓和電流的實際值用計算方法求得。采用矢量控制方式的目的，主要是為了提高變頻調(diào)速的動態(tài)性能。 上述的 U/F 控制方式和轉(zhuǎn)差頻率的控制思想，都建立在異步電動機(jī)的靜態(tài)數(shù)學(xué)模型上，因此動態(tài)性能指標(biāo)不高。與 U/F 控制方式相比，由于轉(zhuǎn)差補(bǔ)償?shù)淖饔茫湔{(diào)整精度大為提高。根據(jù)速度傳感器的檢測，可以求出轉(zhuǎn)差角頻率，再把它與速度設(shè)定值相疊加，以該疊加值作為逆變器的頻率設(shè)定值，就實現(xiàn)了轉(zhuǎn)差補(bǔ)償。 2. 轉(zhuǎn)差頻率控制 在沒有任何附加措施的情況下，當(dāng)處于 U/F 控制方式下運(yùn)行時，如果負(fù)載變化，轉(zhuǎn)速也會隨之變化，轉(zhuǎn)速的變化量與轉(zhuǎn)差率成正比， U/F 控制的靜態(tài)調(diào)速精度顯然較差。故常用于速度精度要求不十分嚴(yán)格或負(fù)載變動較小的場合。由此可見，轉(zhuǎn)速的改變是靠改變頻率的設(shè)定值來實現(xiàn)的。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(guān)系是 U/F 曲線發(fā)生器決定的?；l以下可以實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，基頻以上可以實現(xiàn)恒功率調(diào)速。從轉(zhuǎn)矩的響應(yīng)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(zhuǎn)差頻率控制和轉(zhuǎn)差矢量控制。之后又采用了正弦波脈寬調(diào)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。故在調(diào)頻的同時也要調(diào)壓，為反映這兩種同時調(diào)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(diào)整電壓）。但電勢 E1 的大小無法進(jìn)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。這 是因為當(dāng)頻率改變時，電動機(jī)內(nèi)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(yùn)轉(zhuǎn)時會造成電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)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(jī)的功率因數(shù) ?cos 及效率 η顯著下降。它是由決定 U/f1 特性的頻率電壓“運(yùn)算電路”、主電路的“ U/A 檢測電路”、電動機(jī)“速度檢測電路”、“ PWM 生成及驅(qū)動電路”以及變頻器、電動機(jī)的各種保護(hù)電路等組成?？梢娔孀児苁亲冾l器的核心元件。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(fù)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(diào)的交流電?？刂齐娐肥翘峁┬盘?，并有規(guī)則的控制逆變器導(dǎo)通與截止，使之向異步電動機(jī)提供頻率、電壓都可調(diào)的交流電源，以驅(qū)動電動機(jī)的運(yùn)行。主電路是由整流器 、三相交流變頻電動機(jī)設(shè)計與結(jié)構(gòu)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?，F(xiàn)以后者為例說明變頻的基本原理。電角度的三相交流電 。 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(guān)器件導(dǎo)通和關(guān)斷。運(yùn)算電路的控制信號送至 “ 驅(qū)動電路 ” 以及逆變器和電動機(jī)的 “ 保護(hù)電路 ” 。 變頻器是輸出電壓和頻率可調(diào)的調(diào)速裝置。 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(chǎn)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。 1. 整流電路 整流電路的功能是把交流電源轉(zhuǎn)換成 直流電源。因此，交流變頻調(diào)速已逐漸取代了過去的傳統(tǒng)滑差調(diào)速、變極調(diào)速、直流調(diào)速等調(diào)速系統(tǒng)，越來越廣泛的應(yīng)用于冶金、紡織、印染、煙機(jī)生產(chǎn)線及樓宇、供水等領(lǐng)域。 變頻器廣泛用于交流電機(jī)的調(diào)速中 。 用來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù) 。 并設(shè)一個可調(diào)頻率的裝置 。之后將直流電 逆變成交流電。 它首先是將交流電變?yōu)橹绷麟?。 變頻調(diào)速的基本原理 變頻調(diào)速方法 ： 是改變電動機(jī)定子電源的頻率，從而改變其同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法。 本方法適用于風(fēng)機(jī)、水泵的調(diào)速。液力耦合器的動力轉(zhuǎn)輸能力與殼內(nèi)相對充液量的大小是一致的。 液力耦合器調(diào)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。電磁調(diào)速電動機(jī)的調(diào)速特點(diǎn)： 1）裝置結(jié)構(gòu)及控制線路簡單、運(yùn)行可靠、維修方便； 2）調(diào)速平滑、無級調(diào)速； 3）對電網(wǎng)無諧影響； 4）速度失大、效率低。當(dāng)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(jīng)過電樞。電樞和后者沒有機(jī)械聯(lián)系，都能自由轉(zhuǎn)動。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(jī)設(shè)計與結(jié)構(gòu)分析 5 的導(dǎo)通角，可以改變勵磁電流的大小。調(diào)壓調(diào)速的特點(diǎn)： 1）調(diào)壓調(diào)速線路簡單，易實現(xiàn)自動控制； 2）調(diào)壓過程中轉(zhuǎn)差功率以發(fā)熱形 式消耗在轉(zhuǎn)子電阻中，效率較低。調(diào)壓調(diào)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(diào)壓方式有串聯(lián)飽和電抗器、自耦變壓器以及晶閘管調(diào)壓等幾種。為了擴(kuò)大調(diào)速范圍，調(diào)壓調(diào)速應(yīng)采用轉(zhuǎn)子電阻值大的籠型電動機(jī)，如專供調(diào)壓調(diào)速用的力矩電動機(jī)，或者在繞線式電動機(jī)上串聯(lián)頻敏電阻。 定子調(diào)壓調(diào)速方法 當(dāng)改變電動機(jī)的定子電壓時，可以得到一組不同的機(jī)械特性曲線，從而獲得不同轉(zhuǎn)速。此方法設(shè)備簡單，控制方便，但轉(zhuǎn)差功率以發(fā)熱的形式消耗在電阻上。 轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方法 繞線式異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子串入附加電阻，使電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率加大，電動機(jī)在較低的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。其特點(diǎn)： 1）效率高，調(diào)速過程中沒有附加損耗； 2）應(yīng)用范圍廣，可用于籠 型異步電動機(jī)； 3）調(diào)速范圍大，特性硬，精度高； 4）技術(shù)復(fù)雜，造價高，維護(hù)檢修困難。 變頻調(diào)速方法 變頻調(diào)速是改變電動機(jī)定子電源的頻率，從而改變其同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法。根據(jù)轉(zhuǎn)差功率吸收利用方式，串級調(diào)速可分為電機(jī)串級調(diào)速、機(jī)械串級調(diào)速及晶閘管串級調(diào)速形式，多采用晶閘管串級調(diào)速，其特點(diǎn)為： 1） 可將調(diào)速過程中的轉(zhuǎn)差損耗回饋到電網(wǎng)或生產(chǎn)機(jī)械上，效率較高； 2） 裝置容量與調(diào)速范圍成正比，投資省，適用于調(diào)速范圍在額定轉(zhuǎn)速 70％－ 90％ 的 生產(chǎn)機(jī)械上 ； 三相交流變頻電動機(jī)設(shè)計與結(jié)構(gòu)分析 4 3） 調(diào)速裝置故障時可以切換至全速運(yùn)行，避免停產(chǎn)； 4） 晶閘管串級調(diào)速功率因數(shù)偏低，諧波影響較大。 串級調(diào)速方法 串級調(diào)速是指繞線式電動機(jī)轉(zhuǎn)子回路中串入可調(diào)節(jié)的附加電勢來改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)差，達(dá)到調(diào)速的目的。 變極對數(shù)調(diào)速方法 這種調(diào)速方法是用改變定子繞組的連接方式來改變籠型電動機(jī)定子極對數(shù)達(dá)到調(diào)速目的，特點(diǎn)如下： 1）具有較硬的機(jī)械特性，穩(wěn)定性良好； 2）無轉(zhuǎn)差損耗，效率高； 3）接線簡單、控制方便、價格低； 4）有級調(diào)速，級差較大，不能獲得平滑調(diào)速； 5）可以與調(diào)壓調(diào)速、電磁轉(zhuǎn)差離合器配合使用，獲得較高效率的平滑調(diào)速特性。還有改變定子電壓、頻率的變頻調(diào)速。最后探討了變頻調(diào)速電動機(jī)設(shè)計方法及不同頻率時的參數(shù)變化。分析變頻器供電時的異步電動機(jī)的機(jī)械特性、變頻電源中的諧波成分對電機(jī)的影響和變頻調(diào)速異步電動機(jī)的設(shè)計特點(diǎn)。分析了各種交流調(diào)速方法，得出變頻調(diào)速是目前最理想的交流調(diào)速方法的結(jié)論。變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速和起制動性能，高效率、高 功率因數(shù)和節(jié)電效果，廣泛的適用范圍及其它許多優(yōu)點(diǎn)而被國內(nèi)外公認(rèn)為最有發(fā)展前途的調(diào)速方式。因此，進(jìn)行三相交流調(diào)速電動機(jī)的設(shè)計與研究是非常必要的。因此僅就目前的市場容量考慮，約有 6000 萬 kW 的調(diào)速電機(jī)市場。據(jù)石油、電力、建材、鋼 鐵、有色、煤炭、化工、造紙、紡織等部門最近對企業(yè)抽樣調(diào)查結(jié)果，石油、建材、化工行業(yè)電動機(jī)調(diào)速應(yīng)用較好。它與傳統(tǒng)的交流拖動系統(tǒng)相比 ,利用變頻器對交流電動機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制 ,有許多優(yōu)點(diǎn) ,如節(jié)電 ,容易實現(xiàn)對現(xiàn)有電動機(jī)的調(diào)速控制 ,可以實現(xiàn)大范圍內(nèi)的高效連續(xù)調(diào)速控制 ,容易實現(xiàn)電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)切換 ,可以進(jìn)行高頻度的起停運(yùn)轉(zhuǎn) ,可以進(jìn)行電氣制動 ,可以對電動機(jī)進(jìn)行高速驅(qū)動 ,可以適應(yīng)各種環(huán)境 ,可以用一臺變頻器對多臺電動機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制 ,電源功率因素大 ,所需容量小 ,可以組成高性能的控制系統(tǒng)等。 變頻器技術(shù)是一門綜合性的技術(shù)。而我國這方面的基礎(chǔ)還很薄弱，我們有理由認(rèn)為：推進(jìn)我國變頻器產(chǎn)業(yè)化是國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的一個有力推動點(diǎn)，必將帶動和促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)共同發(fā)展。要把變頻器的開發(fā)、推廣、應(yīng)用、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展作為新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)來培育。因此，必須把推進(jìn)變頻調(diào)速 等高效節(jié)電技術(shù)作為今后節(jié)能工作的重點(diǎn)之一，花大力氣，加大推廣運(yùn)用工作力度。 本課題的提出和意義 近年來，隨著各種技術(shù)迅速發(fā)展，交流調(diào)速取代直流調(diào)速和計算機(jī)數(shù)字控制取代模擬控制已成為發(fā)展趨勢 !電機(jī)交流變頻調(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)量和改善不斷惡化的環(huán)境，推動技術(shù)進(jìn)步的一種主要手段 ! 因此研究變頻調(diào)速技術(shù)對于能源利用和我國的工業(yè)節(jié)能有重要意義 ! 變頻調(diào)速技術(shù)主要向著兩個方向發(fā)展：一是實現(xiàn)高功率因數(shù)、高效率、無諧波干擾，研制具有良好電磁兼容性能的“綠色電器”；二是向變頻器應(yīng)用的深度和廣度發(fā) 展 !隨著變流器應(yīng)用領(lǐng)域深度和廣度的不斷開拓，變頻調(diào)速技術(shù)將越來越清楚地展示它在一個國家國民經(jīng)濟(jì)中的重要性 ! 可以預(yù)料，現(xiàn)代控制理論和人工智能技術(shù)在變頻調(diào)速技術(shù)中的應(yīng)用和推廣，將賦予它更強(qiáng)的生命力和更高的技術(shù)含量 !其發(fā)展方向具體有如下幾項： (1)實現(xiàn)高水平的控制； (2)開發(fā)清潔電能的變流器； (3)縮小裝置的尺寸； (4)高速度的數(shù)字控制； (5)模擬與計算機(jī)輔助設(shè)計 CAD技術(shù)。上世紀(jì) 20 年代，人們認(rèn)識到變頻調(diào)速是交流電動機(jī)的一種最好調(diào)速方法。但是直流電動機(jī)本身在結(jié)構(gòu)上存在嚴(yán)重的問題，以及對環(huán)境的要求也高和維護(hù)檢修不便的問題。 關(guān)鍵詞 ： 變頻調(diào)速系統(tǒng) ；變頻器；變頻電機(jī)；電磁設(shè)計 三相交流變頻電動機(jī)設(shè)計與結(jié)構(gòu)分析 II Abstract A brief description of the AC var