电动机变频调速的探讨与运用 _知识百科

变频器技术是一门综合性的技术。它建立在控制技术、电子电力技术、微电子技术和计算机技术的基础上。它与传统的交流拖动系统相比，利用变频器对交流电动机进行调速控制，有许多优点，如节电，容易实现对现有电动机的调速控制，可以实现大范围内的高效连续调速控制，容易实现电动机的正反转切换，可以进行高频度的起停运转，可以进行电气制动，可以对电动机进行高速驱动，可以适应各种环境，可以用一台变频器对多台电动机进行调速控制，电源功率因素大，所需容量小，可以组成高性能的控制系统等。
1 交流电动机的工作原理和变频调速
1. 1 异步电动机工作原理
当在一台三相异步电动机的定子绕组上加上三相交流电压时，该电压将产生一个旋转磁场，其速度由定子电压的频率所决定。当磁场旋转时，位于该磁场中的转子绕组将切割磁力线，并在转子绕组中产生相应的感应电动势和感应电流，而此感应电流又将受到旋转磁场的作用而产生电磁力，即转矩，使转子跟随旋转磁场旋转。当将三相异步电动机绕组的任意两相进行交换时，所产生的旋转磁场的方向将发生改变。因此，电动机的转向也将发生改变。
1. 2 异步电动机的变频调速
异步电动机定子磁场的转速被称为异步电动机的同步转速，且异步电动机的转速总是小于其同步转速，其同步转速由电动机的磁极个数和电源频率所决定，即：Ns= 120 f / p .
式中： Ns同步转速；f电源频率；p磁极个数。
若以 N 表示异步电动机的转速，并以同步转速 Ns 为基准，将异步电动机的转差定义为：S= （ Ns- N）/ Ns ，（ 1）则异步电动机的实际转速 N 可由下式给出：N= 120f （ 1- S ）/ p ，（2）！！！！！！
式中： N电动机转速；S转差。
当电动机为空载时，转差 S 基本上为 0，而当电动机为满负载时，则转差一般在 1% 10% 的范围内。由式（ 2）可知，改变参数 f ， S ， p 中的任意一个就可以改变电动机的转速，即对异步电动机进行调速控制。因此，可以通过改变该电源的频率来实现对异步电动机的调速控制。从某种意义上说，变频器就是一个可以任意改变频率的交流电源。
2 变频器的构成和工作原理
2. 1 变频器的基本结构2. 2 变频器内部电路的工作原理
一般的三相变频器的整流电路由三相全波整流桥组成。
它的主要作用是对工频的外部电源进行整流，并给逆变电路和控制电路提供所需要的直流电源。整流电路按其控制方式，可以是直流电压源，也可以是直流电流源。
直流中间电路的作用是对整流电路的输出进行平滑，以保证逆变电路和控制电源能够得到质量较高的直流电源。此外，由于电动机制动的需要，在直流中间电路中有时还包括制动电阻以及其它辅助电路。
逆变电路是变频器最主要的部分之一。它的主要作用是在控制电路的控制下，将平滑电路输出的直流电源转换为频率和电压都任意可调的交流电源。逆变电路的输出就是变频器的输出，它被用来实现对异步电动机的调速控制。
变频器的控制电路包括主控制电路、信号检测电路、门极驱动电路、外部接口电路以及保护电路等几个部分，是变频器的核心部分。控制电路的优劣决定了变频器性能的优劣。控制电路的主要作用是将检测电路得到的各种信号送至运算电路，使运算电路能够根据要求为变频器主电路提供必要的门极驱动信号，为变频器以及异步电动机提供必要的保护。
此外，控制电路还通过 A/ O， O/ A 等外部接口电路接收和发送多种形式的外部信号和给出系统内部工作状态，使变频器能够和外部设备配合进行各种高性能的控制。
3 变频器的分类
3. 1 按变频形式分类
按变频形式的不同，变频器可分为交直交和交交两大类。前者是将工频交流电先通过整流器变成直流电，经滤波器后再送往大功率三极管组成的逆变器。逆变器中的三极管由微机按一定程序控制其导通与关断，将送到逆变器中的直流电变成所需频率的交流电，从而实现变频。交交变频器是通过两组反并联的大功率三极管整流桥和滤波器，直接将工频交流电变成所需频率的交流电。但由于其最高频率一般不超过电网频率的 1/ 2 1/ 3，控制系统复杂，目前应用较少。
3. 2 按主电路工作方式分类
按照主电路工作方式的不同，变频器又可分为电压型和电流型。电压型变频器滤波环节主要是电容，电源阻抗小，相当于电压源，其输出电压为方波，输出电流近似正弦波，其中含高次谐波较多，变频效率低于电流型，动态性能及可靠性较差，适用于多台电机齐速运行。电流型变频器滤波环节主要是电感，电源阻抗大，相当于电源，其输出电压接近正弦波，输出电流为方波，含高次谐波电流较少，可靠性及动态性较好，可以用电流内环控制，适用于多台电机运行，尤其适用于单机加减速运行。
3. 3 按开关方式分类
按逆变电路的开关方式对变频器分类时，则变频器可以分为脉冲振幅调制控制方式，脉冲宽度调制控制方式和高载频控制方式 3 种。
3. 4 按工作原理分类
当按照工作原理对变频器分类时，按变频器技术的发展过程可分为 v /f 控制方式，转差频率控制方式和矢量控制方式。
4 变频器控制方式和基本原理
当按照控制方式对变频器分类时，可将变频器分为 v / f控制变频器，转差频率和矢量控制变频器三种类型。
4. 1 v/ f 控制变频器的基本原理
当电动机电源的频率被改变时，电动机的内部阻抗也随之改变，从而引起励磁电流的变化，使电动机出现励磁不足或过强的情况。前者电动机将难以给出足够的转矩，后者将会造成电动机功率因素和效率的下降。为了得到理想的转矩速度特性，在改变电源频率进行调速的同时，必须采取必要的措施来保证电动机的气隙磁通处于高效状态。通过控制电源电压和频率，使其保持为常值，这就是 v/ f 控制变频器。
4. 2 矢量控制变频器的基本原理
它是通过控制电动机定子电流的幅值和相位，来分别对电动机的磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制电动机转矩电流特性的目的。
由于转差频率控制方式的变频器，已基本上被矢量控制方式的变频取代，本文不再阐述转差频率控制变频器。
4. 3 各种控制方式的特点比较
v/ f 控制变频器采用的是开环控制，没有进行速度反馈，在速度控制方面不能给出满意的控制性能。但是，这种变频器有着很高的性能价格比，在以节能为目的各种用途和对速度精度要求不太高的各种用途中得到了广泛的应用。
矢量控制是异步电动机的一种理想的控制方式，它具有许多优点。它可以从零转速进行速度控制，调速范围宽，可以对转矩进行精确控制，系统响应速度快，加减速特性好等。
总之，交流变频调速技术是现代电力传动技术的主要发展方向，随着电力电子技术、微电子技术和现代控制理论在交流变频调速系统中的应用，作为变频调速系统核心的变频器，其性能也得到了很大提高，越来越广泛地应用于工业生产和日常生活的许多领域中，并产生了良好的经济效益。