【正文】 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(jià)格低； 4）有級(jí)調(diào)速，級(jí)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。 串級(jí)調(diào)速方法 串級(jí)調(diào)速是指繞線式電動(dòng)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差，達(dá)到調(diào)速的目的。根據(jù)轉(zhuǎn)差功率吸收利用方式，串級(jí)調(diào)速可分為電機(jī)串級(jí)調(diào)速、機(jī)械串級(jí)調(diào)速及晶閘管串級(jí)調(diào)速形式，多采用晶閘管串級(jí)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 ； 3） 調(diào)速裝置故障時(shí)可以切換至全速運(yùn)行，避免停產(chǎn)； 7 4） 晶閘管串級(jí)調(diào)速功率因數(shù)偏低，諧波影響較大。 變頻調(diào)速方法 變頻調(diào)速是改變電動(dòng)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。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(dòng)機(jī)； 3）調(diào)速范圍大，特性硬，精度高； 4）技術(shù)復(fù)雜，造價(jià)高，維護(hù)檢修困難。 轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方法 繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串入附加電阻，使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率加大，電動(dòng)機(jī)在較低的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。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。 定子調(diào)壓調(diào)速方法 當(dāng)改變電動(dòng)機(jī)的定子電壓時(shí)，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。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(dòng)機(jī)，如專供調(diào)壓調(diào)速用的力矩電動(dòng)機(jī)，或者在繞線式電動(dòng)機(jī)上串聯(lián)頻敏電阻。調(diào)壓調(diào)速的主要裝置是一個(gè)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。調(diào)壓調(diào)速的特點(diǎn)： 1）調(diào)壓調(diào)速線路簡單，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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。直流勵(lì)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，改變晶閘管的導(dǎo)通角，可以改變勵(lì)磁電流的大小。電樞和后者沒有機(jī)械聯(lián)系，都能自由轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)電樞與磁極均為靜止時(shí)，如勵(lì)磁繞組通以直流，則沿氣隙圓周表面將形成若干對(duì) N、 S 極性交替的磁極，其磁通經(jīng)過電樞。電磁調(diào)速電動(dòng)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(jí)調(diào)速； 3）對(duì)電網(wǎng)無諧影響； 4）速度失大、效率低。 液力耦合器調(diào)速方法 液力耦合器是一種液力傳動(dòng)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。液力耦合器的動(dòng)力轉(zhuǎn)輸能力與殼內(nèi)相 對(duì)充液量的大小是一致的。 本方法適用于風(fēng)機(jī)、水泵的調(diào)速。 變頻調(diào)速的基本原理 變頻調(diào)速方法 ： 是改變電動(dòng)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。 它首先是將交流電變?yōu)橹绷麟?。之后將直流電逆變成交流電。 并設(shè)一個(gè)可調(diào)頻率的裝置 。 用來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù) 。 變頻器廣泛用于交流電機(jī)的調(diào)速中 。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。 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。 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(dòng)電壓，此外逆變器產(chǎn)生的脈動(dòng)電流也使直流電壓變動(dòng)，為了抑制電壓波動(dòng)采用電感和電容吸收脈動(dòng)電壓 (電流 )，一般通用變頻器電源的直流部分對(duì)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。 變頻器是輸出電壓和頻率可調(diào)的調(diào)速裝置。運(yùn)算電路的控制信號(hào)送至 “ 驅(qū)動(dòng)電路 ” 以及逆變器和電動(dòng)機(jī)的 “ 保護(hù)電路 ” 。 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(shí)間使上橋、下橋的功率開關(guān)器件導(dǎo)通和關(guān) 斷。電角度的三相交流電 ?，F(xiàn)以后者為例說明變頻的基本原理。主電路是由整流器 、儲(chǔ)能元件、逆變器三種器件組成的交～直和直～交兩大電路?？刂齐娐肥翘峁┬盘?hào)，并有規(guī)則的控制逆變器導(dǎo)通 與截止，使之向異步電動(dòng)機(jī)提供頻率、電壓都可調(diào)的交流電源，以驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行。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(shí)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?？梢娔孀児苁亲冾l器的核心元件。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(dòng) 機(jī)“速度檢測電路”、“ PWM 生成及驅(qū)動(dòng)電路”以及變頻器、電動(dòng)機(jī)的各種保護(hù)電路等組成。這是因?yàn)楫?dāng)頻率改變時(shí)，電動(dòng)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(shí)會(huì)造成電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩不足 ,低速時(shí)，則磁通 m? 會(huì)過大，使磁路過于飽和，引起勵(lì)磁電流增大，造成電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù) ?cos 及效率 η顯著下降。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。故在調(diào)頻的同時(shí) 也要調(diào)壓，為反映這兩種同時(shí)調(diào)節(jié)的情況，常用 VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)符號(hào)代表變頻器（在頻率上升時(shí)磁通不會(huì)飽和，也可以不調(diào)整電壓）。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。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?；l以下可以實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，基頻以上可以實(shí)現(xiàn)恒功率調(diào)速。逆變器的脈沖發(fā)生器同時(shí)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。由此可見，轉(zhuǎn)速的改變是靠改變頻率的設(shè)定值來實(shí)現(xiàn)的。故常用于速度精度要求不十分嚴(yán)格或負(fù)載變動(dòng)較小的場合。 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(shí)，如果負(fù)載變化，轉(zhuǎn)速也會(huì)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。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(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)差補(bǔ)償。與 U/F 控制方式相比，由于轉(zhuǎn)差補(bǔ)償?shù)淖饔?，其調(diào)整精度大為提高。 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(dòng)機(jī)的靜態(tài)數(shù)學(xué)模型上，因此動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)不高。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(dòng)態(tài)性能。 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(dòng)機(jī)定子電壓和電流的實(shí)際值用計(jì)算方法求得。 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的原理及特點(diǎn) 一、交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的原理及構(gòu)成 12 異 步 電機(jī)的轉(zhuǎn)速方程是 ： n=60f(1s)/p， （ 23） 其中 n 為電動(dòng)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(duì)數(shù)，所以從這個(gè)公式就可以看出，要想改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以改變 f， s， p 這三個(gè)量中的任意一個(gè)，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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，但是還有另外一個(gè)問題，先看看下面這個(gè)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(dòng)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(gè)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?yàn)殡姍C(jī)的磁路設(shè)計(jì)都是按照一定的飽和磁通量設(shè)計(jì)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(gè)常量。 交流電機(jī)主要分為異步電機(jī)和同步電機(jī)兩大類。因此，鑒于設(shè)計(jì)的選擇，這里主要介紹異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)。 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(tái)裝置，可由同一臺(tái)不可控整流器供電。 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(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，改善了電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能。 6) 變頻調(diào)速節(jié)能效果明顯，有時(shí)可高達(dá) 30%~50%。該系統(tǒng)技術(shù)先進(jìn)、性能穩(wěn)定、維護(hù)工作量少。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。如將普通異步電動(dòng)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%。變頻器電源中含有的高次時(shí)間諧波與電動(dòng)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(dòng)力。由于電動(dòng)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(dòng)機(jī)各種結(jié)構(gòu)件的固有頻率。 ? 低速時(shí)的冷卻效果差 在電源頻率較低時(shí)，因普通異步電動(dòng)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。 ? 電動(dòng)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。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)的對(duì)地絕緣形成威脅，對(duì)地絕緣在高電壓的反復(fù)沖擊下會(huì)加速老化。隨著經(jīng)濟(jì)改革的不斷深入，市場競爭的不斷加劇；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(dòng)化發(fā)展的要求，開創(chuàng)了一個(gè)全新的智能電機(jī)時(shí)代。八十年代末，變頻調(diào)速技術(shù)引入我國并得到推廣。目前，變頻調(diào)速技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代電力傳動(dòng)技術(shù)的一個(gè)主要發(fā)展方向。 交流變頻調(diào)速性能良好，因而已在供水，冶金，紡織，造紙，化工，建材等行業(yè)廣泛采用并大力推廣。目前自來水行業(yè)多采用串級(jí)調(diào)速，串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)效率只有 50%，體積大，故障多，而采用變頻調(diào)速可以得到較大的節(jié)能效果。 （ 2）鋼鐵行業(yè) 變 頻調(diào)速精度高，節(jié)電效果好，可頻繁起抽動(dòng)作用，控制靈活，易構(gòu)成閉環(huán)，因此在軋機(jī)輥道，轉(zhuǎn)爐，圓盤給料機(jī)、風(fēng)機(jī)等多處得到應(yīng)用。 （ 4）化工行業(yè) 除將變頻器用于供水，風(fēng)機(jī)外，在化工行業(yè)中各工藝生產(chǎn)線，各類泵，攪拌機(jī)等用量也非常大。 （ 5）紡織印染行業(yè) 紡織印染行業(yè)對(duì)變頻調(diào)速有大量的 需求，除大量的風(fēng)機(jī)外，精紡機(jī)，粗紡機(jī)，整經(jīng)機(jī)，經(jīng)編機(jī)以及印染設(shè)備均可采用變頻調(diào)速技術(shù)。 15 變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn) 由于交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的輸出特性能較好地適應(yīng)負(fù)載機(jī)械特性，不僅有助于節(jié)能，而且還對(duì)自動(dòng)控制領(lǐng)域的發(fā)展起了極大的促進(jìn)作用。但是，交流變頻系統(tǒng)性能的改進(jìn)，不僅與控制方法和變頻裝置等有關(guān)，還與所用的電動(dòng)機(jī)有很大關(guān)系。 變頻電源供電情況下電動(dòng)機(jī)應(yīng)用所面臨的問題 應(yīng)用交流變頻調(diào)速技術(shù)的主要目的，一是節(jié)能；二是高精度的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速控制；三是實(shí)現(xiàn)高速驅(qū)動(dòng)。由于以上特點(diǎn)，因而帶來以下一系列問題： （ 1）損耗增加，效率 降低 由于變頻電源的輸出中含有大量的高次諧波，這些諧波會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的銅損耗和鐵損耗，降低運(yùn)行效率。而高次諧波不僅沒有降低，反而大大增加了。 （ 2）產(chǎn)生電磁振動(dòng)和噪聲 由于一系列高次諧波的存在，還會(huì)產(chǎn)生電磁振動(dòng)和噪聲。 （ 3）低速時(shí)出現(xiàn)低頻脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，影響低速穩(wěn)定運(yùn)行 即使是采用 SPWM 調(diào)制方式，但與工頻正弦供電相比，仍然會(huì)出現(xiàn)一定程度的低次諧波，從而在低速運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，影響電動(dòng)機(jī)低速運(yùn)行。此外有時(shí)還伴有電暈現(xiàn)象產(chǎn)生，致使 線圈對(duì)地絕緣損壞。 16 （ 6）低速運(yùn)行時(shí)散熱效果降低 由于變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)調(diào)速范圍大，常常在低頻率下低速運(yùn)行，這時(shí)，由于轉(zhuǎn)速很低，普通電動(dòng)機(jī)所采用的自扇冷卻方式所提供的冷卻風(fēng)量已大大減小，散熱效果大大降低，必須采用其它的冷卻方式。但工頻恒定轉(zhuǎn)速運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)，要避免與 50Hz 的電頻率響應(yīng)的機(jī)械固有頻率發(fā)生共振比較容易。 綜上所述，異步電動(dòng)機(jī)在由變頻電源供電運(yùn)行時(shí)將會(huì)面臨諸多的特殊問題。 電磁設(shè)計(jì) 對(duì)普通異步電動(dòng)機(jī)來說，再設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮的性能參數(shù)是過載能力、啟動(dòng)性能、效率和功率因數(shù)。方式一般如下： 1） 盡可能的減小定子和轉(zhuǎn)子電阻。 2）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。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。 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 和 冷卻方式等方面的影響，一般注意以下問題： 1）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。 3）冷卻方式：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)。主要是易產(chǎn)生磁路不對(duì)稱，也會(huì)產(chǎn)生軸電流，當(dāng)其他高頻分量所產(chǎn)生的電流結(jié)合一起作用時(shí)，軸電流將大為增加，從而導(dǎo)致軸承損壞，所以一般要采取絕緣措施。 變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn) 一、既然變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)是運(yùn)用于變