【正文】 步電動機(jī)的頻率； s—電動機(jī)轉(zhuǎn)差率； p—電動機(jī)極對數(shù)。2）串電阻調(diào)速：適用于繞線式異步電動機(jī)，在轉(zhuǎn)子回路串入不同阻值的電阻，人為改變電動機(jī)機(jī)械特性。4）串極調(diào)速：適用于繞線式異步電動機(jī)，通過改變轉(zhuǎn)子回路阻抗來調(diào)速。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(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)頻率 f 在 0～50Hz 的范圍內(nèi)變化時，電動機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬。 第三章 變頻器的基本原理和知識變頻器是交流電機(jī)的驅(qū)動器，它是將三相工頻交流電轉(zhuǎn)變成頻率可調(diào)的三項交流電來驅(qū)動交流電機(jī)（主要是異步電動機(jī)） ，從而使電動機(jī)調(diào)速的。其優(yōu)點是控制結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，缺點是系統(tǒng)性能不高，比較適合應(yīng)用在風(fēng)機(jī)、水泵場合。對變頻器 U/F 控制系統(tǒng)的改造主要經(jīng)歷了三個階段。該方法以三相波形的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)磁場軌跡為目的，一次生成二相調(diào)制波形。典型機(jī)種如 1989 年前后進(jìn)入中國市場的 FUJI（富士）FRN5OOOG5/PSANKEN （三墾）MF 系列等。然而，在上述四種方法中，由于未引入轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，系統(tǒng)性能沒有得到根本性的改善。也稱磁場定向控制。它使人們看到交流電動機(jī)盡管控制復(fù)雜，但同樣可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩、磁場獨立控制的內(nèi)在本質(zhì)。但是，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測，以及矢量變換的復(fù)雜性，使得實際控制效果往往難以達(dá)到理論分析的效果，這是矢量控制技術(shù)在實踐上的不足。盡管如此，矢量控制技術(shù)仍然在努力融入通用型變頻器中，1992 年開始，德國西門子開發(fā)了 6SE70 通用型系列，通過 FC、VC 、SC 板可以分別實現(xiàn)頻率控制、矢量控制、伺服控制。目前，6SE70 系列除了 200kW 以下價格較高，在 200kW 以上有很高的性價比。直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制不同，它不是通過控制電流、磁鏈等量來間接控制轉(zhuǎn)矩，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控量來控制。因而能方便地實現(xiàn)無速度傳感器化。然而，這種控制依賴于精確的電機(jī)數(shù)學(xué)模型和對電機(jī)參數(shù)的自動識別，通過 ID 運行自動確立電機(jī)實際的定子阻抗互感、飽和因素、電動機(jī)慣量等重要參數(shù)，然后根據(jù)精確的電動機(jī)模型估算出電動機(jī)的實際轉(zhuǎn)矩、定子碰鏈和轉(zhuǎn)子速度，并由磁鏈和轉(zhuǎn)矩的 Band－Band 控制產(chǎn)生PWM 信號對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制。 1995 年 ABB 公司首先推出的 ACS600 直接轉(zhuǎn)矩控制系列，已達(dá)到2ms 的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度在帶 PG 時的靜態(tài)速度精度達(dá)土 %，在不帶 PG 的情況下即使受到輸入電壓的變化或負(fù)載突變的影響，可以達(dá)到正負(fù) ％的速度控制精度。其他公司如日本富士電機(jī)推出的 FRN 5000G9/P9 以及最新的 FRN5000Gll/P11 系列出采取了類似無速度傳感器控制的設(shè)計，性能有了進(jìn)一步提高，然而變頻器的價格并不比以前的機(jī)型昂貴多少。如日本三菱電機(jī)開發(fā)用于電動機(jī)控制的M3770M7906 單片機(jī)和美國德州儀器的 TMS320C240DSP 等都是頗具代表性的產(chǎn)品。20 世紀(jì) 60 年代后半期開始，電力電子器件從 SCR(晶閘管)、GTO(門極可關(guān)斷晶閘管)、BJT(雙極型功率晶體管) 、MOSFET(金屬氧化物場效應(yīng)管)、SIT(靜電感應(yīng)晶體管)、SITH(靜電感應(yīng)晶閘管) 、MGT(MOS 控制晶體管)、MCT(MOS 控制品閘管)發(fā)展到今天的 IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)、HVIGBT( 耐高壓絕緣柵雙極型晶閘管)，器件的更新促使電力變換技術(shù)的不斷發(fā)展。 20 世紀(jì) 80 年代，作為變頻技術(shù)核心的 PWM 模式優(yōu)化問題吸引著人們的濃厚興趣，并得出諸多優(yōu)化模式，其中以鞍形波 PWM 模式效果最佳。根據(jù)電壓又分脈幅調(diào)制（改變直流電壓來改變輸出電壓大小，即 PAM）和脈寬調(diào)制（改變輸出脈沖的占空比來改變輸出電壓的大小，即 SPWM ；SPWM 調(diào)制是：采用三角波和正弦波相交獲得的 PWM 波形直接控制各個開關(guān)可以得到脈沖寬度和各脈沖間的占空比可變的呈正弦變化的輸出脈沖電壓電壓，能獲得理想的控制效果：輸出電流近似正弦） 。 變頻器的電路組成圖 33 變頻器電路圖如圖所示變頻器主要有整流單元、逆變部分和制動部分組成的！其中整流單元它的作用是把工頻電源變換成直流電源將交流電變換成直流的電力電子裝置，其輸入電壓為正弦波，輸入電流非正弦，帶有豐富的諧波圖 34 整流電路?? UU??逆變部分逆變部分則是把直流變成交流，是變頻器的核心部分將直流電轉(zhuǎn)換成交流電的電力電子裝置，其輸出電壓為非正弦波，輸出電流近似正弦S1S4S2S3Ed U1圖 35 單相逆變電路圖通過改變開關(guān)管導(dǎo)通時間改變輸出電壓的頻率通過改變開關(guān)管導(dǎo)通順序改變輸出電壓的相序圖 3單相逆變電路原理圖當(dāng) SS3 同時閉合時，U1 電壓為正；但 SS4 同時閉合時，U1 電壓為負(fù)。可以看到在交流電變化的一個周期中，每個開關(guān)導(dǎo)通 π 電角度度。圖中 S1～S6 組成了橋式逆變電路，這 6 個開關(guān)交替的接通、關(guān)斷就可以在輸出端得到一個相位差2π/3 的三相交流電圖 37 三相逆變電路圖 38 三相逆變電路原理圖當(dāng) SS6 同時閉合時，Uuv 為正；S3 、S4 同時閉合得到 Uuv 為負(fù)；同理：SS2 同時閉合和 SS6 同時閉合，得到 Uvw； SS4 同時閉合和 SS2 同時閉合，得到 Uwu。2)各相位的開關(guān)順序以各相的“首端”為準(zhǔn)互差 2π/3 的電角度。 變頻器中的的半導(dǎo)體開關(guān)如上所述可知，逆變電路的工作是在逆變管高頻率的通斷下完成的。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，大功率開關(guān)器件經(jīng)歷了以下階段：（一）門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）門極可關(guān)斷晶閘管結(jié)構(gòu)上有三極：陽極（A） 、陰極（ K） 、門極（G） 。具體如下：1 導(dǎo)通條件在門極和陰極之間加一正向電壓，即：G(+)，K()，GTO 導(dǎo)通。GTO 可以方便的通斷，是一種無觸點開關(guān)，它是逆變電路中的主要開關(guān)元件，但是 GTO 的關(guān)斷需極大的反向脈沖，控制容易失敗，工作頻率也不夠高，所以 GTO 晶閘管在大小容量變頻器中已經(jīng)被新型的大功率晶閘管 GTR 所取代，但在大容量變頻器中，GTO 以其工作電流(4500A)，耐壓高的特性(8000V)，仍得到普遍應(yīng)用。這樣 GTR 也像普通的晶體管一樣，有三個級分別是基極、 （B） 、發(fā)射極（E） 、集電極（C） 。在電力電子的應(yīng)用中，GTR 主要工作在開關(guān)的狀態(tài)，即飽和和截止?fàn)顟B(tài)。在中小容量的變頻器中(工作范圍400A/1200V、1000A/400V，頻率 5000Hz)，曾一度占據(jù)餓了主導(dǎo)地位 GTR 所需的驅(qū)動功率較大，故基極驅(qū)動系統(tǒng)較復(fù)雜，從而使得工作頻率難以提高，這是 GTR 存在的足之處。 MOSFET 是一個電壓控制型器件，所需的驅(qū)動功率很小，使用方便，開關(guān)頻率比較高（1000V/200A/1000kHz） 。（四）絕緣柵雙極晶體管（IGBT）IGBT 是一種結(jié)合了大功率晶體管 GTR 和功率場效應(yīng)晶體管 MOSFET 兩者特點的復(fù)合型器件，它有三個級：集電極（C） 、發(fā)射極（E ） 、柵極(G)，它既有 MOS 的器件的工作速度快，驅(qū)動功率小的特點，又具備了大功率晶體管的電流大，導(dǎo)通壓降低的優(yōu)點。同時 IGBT 的單管容量也不斷提高，并開始進(jìn)入中大容量的電力交流裝置中，用 IGBT 作為逆變器的變頻容量也從原來的 250kVA 有了大幅提高。它的調(diào)速特性基本保持了異步電機(jī)固有特性轉(zhuǎn)差率小的特點，所以具有效率高，范圍寬，精度高，是異步電動機(jī)比較理想的調(diào)速方法。但是變頻率的時候，電源的電壓 U 與頻率 f 的關(guān)系如何呢？一般來說，電動機(jī)的感應(yīng)電動勢 E1 與外加電源電壓 U1 近似即： E1= m；（于 是個常熟電動機(jī)的感應(yīng)電動勢 E1與 f1φ m 正比的）所以 U1 也和 f1φ m 成比，從公式中可以看出：如果 U1 不變，則 f1 變化時 φ ｍ 在變。 ）為此當(dāng)我們在額定頻率 f1 以下調(diào)節(jié)時就要保證 φ ｍ 不變的。原理：利用三角波載波作為信號與調(diào)制信號（一般為正弦波）相比較，以確定各分段矩形脈沖的寬度。當(dāng)用 1U/ f=常數(shù)協(xié)調(diào)控制，在低速時最大轉(zhuǎn)矩 mM減小，起動轉(zhuǎn)矩也減小表現(xiàn)在機(jī)械特性上就是臨界轉(zhuǎn)矩 Tkx 變小是電動機(jī)的過載能力變小。（二）恒功率調(diào)速為了擴(kuò)大調(diào)速范圍，可以使 1ef?，得到 en?，從而實現(xiàn)調(diào)速控制。如下圖所示為變頻調(diào)速的機(jī)械特性圖：圖 額定頻率以下的機(jī)械特性圖 額定頻率以上的機(jī)械特性 變頻的控制算法V/F 控制：簡單實用，性能一般，使用最為廣泛只要保證輸出電壓和輸出頻率恒定就能近似保持磁通保持恒定例: 對于 380V 50Hz 電機(jī)，當(dāng)運行頻率為 40HZ 時，要保持 V/F 恒定，則 40HZ 時電機(jī)的供電電壓:380（40/50)＝304V低頻時，定子阻抗壓降會導(dǎo)致磁通下降，需將輸出電壓適當(dāng)提高用戶可以根據(jù)自我選擇四種控制方式：1. 基本的 U/F 控制曲線；2. 轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)?U/F 控制曲線；適用于低速時需要較大轉(zhuǎn)矩的負(fù)載。4. 分段補(bǔ)償；主要適用于負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速大致長比例的負(fù)載。矢量控制：性能優(yōu)良，可以與直流調(diào)速媲美，技術(shù)成較晚模仿直流電機(jī)的控制方法，采用矢量坐標(biāo)變換來實現(xiàn)對異步電機(jī)定子勵磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量的解耦控制，保持電機(jī)磁通的恒定，進(jìn)而達(dá)到良好的轉(zhuǎn)矩控制性能，實現(xiàn)高性能控制。矢量基本思想：(1) 對直流電動機(jī)的分析 在變頻調(diào)速技術(shù)成熟之前，直流電動機(jī)的調(diào)速特性被公認(rèn)為是最好的。在調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速時，只調(diào)節(jié)其中一個電路的參數(shù)。當(dāng)給定信號改變時，也和直流電動機(jī)一樣，只改變其中一個信號，從而使異步電動機(jī)的調(diào)速控制具有和直流電動機(jī)類似的特點。從而得到與直流電動機(jī)類似的硬機(jī)械特性，提高了低頻時的帶負(fù)載能力。以下為變頻器對電機(jī)的影響電動機(jī)的效率和溫升的問題不論那種形式的變頻器，在運行中均產(chǎn)生不同程度的諧波電壓和電流，使電動機(jī)在非正弦電壓、電流下運行。高次諧波會引起電動機(jī)定子銅耗、轉(zhuǎn)子銅（鋁）耗、鐵耗及附加損耗的增加，最為顯著的是轉(zhuǎn)子銅（鋁）耗。除此之外，還需考慮因集膚效應(yīng)所產(chǎn)生的附加銅耗。電動機(jī)絕緣強(qiáng)度問題目前中小型變頻器，不少是采用 PWM 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機(jī)運行電壓上，會對電動機(jī)對地絕緣構(gòu)成 威脅，對地絕緣在高壓的反復(fù)沖擊下會加速老化。變頻電源中含有的各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，形成各種電磁激振力。由于電動機(jī)工作頻率范圍 寬，轉(zhuǎn)速變化范圍大，各種電磁力波的頻率很難避開電動機(jī)的各構(gòu)件的固有震動頻率。低轉(zhuǎn)速時的冷卻問題首先，異步電動機(jī)的阻抗不盡理想，當(dāng)電源頻率較底時，電源中高次諧波所引起的損耗較大。二、變頻電動機(jī)的特點電磁設(shè)計對普通異步電動機(jī)來說，再設(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)。方式一般如下：1）盡可能的減小定子和轉(zhuǎn)子電阻。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。3）變頻電動機(jī)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(dāng)提高變頻器的輸出電壓。2）對電機(jī)的振動、噪聲問題，要充分考慮電動機(jī)構(gòu)件及整體的剛性，盡力提高其固有頻率，以避開與各次力波產(chǎn)生共振現(xiàn)象。4）防止軸電流措施，對容量超過 160kW 電動機(jī)應(yīng)采用軸承絕緣措施。5）對恒功率變頻電動機(jī)，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過 3000/min 時，應(yīng)采用耐高溫的特殊潤滑脂，以補(bǔ)償軸承的溫度升高。 變頻調(diào)速的優(yōu)點及市場變頻調(diào)速的優(yōu)點主要有如下一些優(yōu)點：調(diào)速范圍寬，可以使普通異步電動機(jī)實現(xiàn)無級調(diào)速，調(diào)速精度大大提啟動電流小，而啟動轉(zhuǎn)矩大；啟動平滑，消除機(jī)械的沖擊力，保護(hù)機(jī)械設(shè)備；對電機(jī)具有保護(hù)功能，降低電機(jī)的維修費用；具有顯著的節(jié)電效果；通過調(diào)節(jié)電壓和頻率的關(guān)系方便的實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩或者恒功率調(diào)速。從節(jié)能來說，當(dāng)前，電機(jī)是我國主要的工業(yè)耗電設(shè)備，據(jù)清華大學(xué)電機(jī)權(quán)威人士統(tǒng)計，我國電機(jī)的總裝機(jī)容量已達(dá) 4 億千瓦，年耗電量達(dá) 6000 億千瓦時，約占工業(yè)耗電量的 80%。另外據(jù)統(tǒng)計，對于塑膠行業(yè)的電費成本，約占整個生產(chǎn)成本的 20%～50%。從以上可以看出，變頻調(diào)速系統(tǒng)有利于我國的電能消耗的節(jié)約，同時在我國有著非常巨大的市場需求。從發(fā)展區(qū)域來說，變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用在我國沿海省份和南