变频调速在交流电动机中的应用

丁治龙

【摘要】变频器不仅具有卓越的节能作用、显著的调速性能和保护功能，还具有优越的控制方式。应用变频调速，不仅可以使电动机在节能的转速下运行，而且还可以大大提高电动机转速的控制精度，提升工艺质量和生产效率，是企业技术改造和产品更新换代的理想调速装置。本文介绍了变频调速技术的原理和功能，阐述了变频调速在交流异步电动机的应用。

【关键词】变频调速；交流电动机；原理；功能；应用

从20世纪70年代开始，计算机技术的飞跃发展使得现代控制理论得以被广泛应用到实际工业生产中。交流电力拖动系统逐步具备了调速范围宽、稳速范围大、稳速精度高、动态响应快以及在四象限中实现可逆运行等优良性能。在交流调速技术中，变频调速具有绝对优势，并且它的调速性能与可靠性持续得到提升而且易于實现过程自动化，因此深受工业行业的青睐。

一、变频调速技术的原理

变频调速就是通过改变输入到交流电机的电源频率，从而达到调节交流电动机的输出转速的目的。变频调速范围宽，平滑性好，效率最高，具有优良的静态及动态特性，是应用最广的一种高性能交流调速。电动机械特性随电动机自身电气参数改变而改变，但由于系统转动惯量的存在，转速不能突变，一旦外部施加的电气参数改变，必然引起电动机电磁转矩的突变，从而破坏原来的转矩平衡关系而产生新的系统合转矩。该合转矩将对系统产生一个加速度，使系统加速或减速。当外部参数稳定之后，系统转速过渡到新的稳定状态，这个加速或减速过程就称为调速过程。

变频调速器从电网接收工频50Hz的交流电，经过恰当的强制变换方法，将输入的工频交流电变换成为频率和幅值都可调节的交流电输出到交流电动机，实现交流电动机的变速运行。

在拖动系统中，用变频器驱动电动机的目的就是实现调速，让电动机按照希望的方式运转。但不论系统是否采用调速，稳定运行是必须的，即要求系统在受到扰动时有自动恢复的能力。交流调速传动，主要是指采用电子式电力变换器对交流电动机的变频调速传动。除变频以外的另一些简单的调速方案，例如变极调速、定子调压调速、转差离合器调速等，虽然仍在特定场合有一定的应用，但由于其性能较差，终将会被变频调速所取代。

二、交流电机的分类

交流电动机的诞生和发展已有100多年的历史，至今研究制造了形式多样、用途各异的各种容量、各种品相的交流电动机。根据采用的电流制式不同，电动机分为直流电动机和交流电动机两大类，其中交流电动的拥有量最多，提供给工业生产的电量多半是通过交流电动机加以利用的。交流电动机分为同步电动机和异步（感应）电动机两大类。电动机的转子转速与定子电流的频率保持严格不变的关系，即是同步电动机；反之，若不保持这种关系，即是异步电动机。根据统计，交流电动机用电量占电机总用电量的85%左右，可见交流电动机应用的广泛性及其在国民经济中的重要地位。

三、变频器的功能

1、变频器的过载保护功能。对电动机进行过载保护的目的是使电动机不因过热而烧坏。因此，进行保护的主要依据便是电动机的升温不应超过其额定值。

2、变频器的升速功能。升速时间长，意味着频率上升慢，电动机在起动过程中的转差小，动态转矩小。其结果是减小了起动电流；反之，升速时间短，意味着频率上升快，如拖动系统的惯性大，则电动机转子的转速将跟不上同步转速的上升，结果使转差和动态转矩增大，导致升速电流超过允许值。升速过程属于从一种稳定运行状态转换到另一种稳定运行状态的过渡过程，在这段时间内，通常是不进行生产活动的。因此，升速时间应在不过流的前提下，越短越好。变频器除了可以控制升、降速时间外，还可以通过对升速方式的预置，对不同时段的加速度进行控制。常见的升速方式有三种：（1）频率与时间成线性关系，多数负载可预置为线性方式。（2）S形方式，在开始阶段和结束阶段，升速的过程比较缓慢；而在中间阶段，则按线性方式升速。如在电梯的起动和停止过程中，如果加速度变化过快，会使乘客感到不舒服，故以采用S形方式为宜。（3）半S形方式，升速过程呈半S形，例如，鼓风机在低速时负载转矩很小，升速过程可以快一些，但随着转速的增加，负载转矩增大较多，升速过程应减缓一些，采用半S形升速方式是比较适宜的。

四、变频调速在交流异步电动机的应用

1、变频器的类型。交-直-交变频器的作用是特工频交流电（频串和电压幅值恒定）经过整流器整流成为直流电，直流电再经过逆变器变换成可变压变频的交流电。根据控制方式的不同，交-直-交变频器可分为三种形式：（1）可控整流量调压、变频器调频的交-直-交变频器。这种变频器调压和调频分别由互相协调配合的两个控制电路实现。（2）不控整流器整流、斩波器调压、逆变器调频的交-直-交变频器。这种变频器的整流环节由二极管构成，只整流不调压，斩波器用于脉宽调压。（3）整流器整流、脉宽调制（PWM）、逆变器调压调频的交-直-交器不控变频器。这种变频器用PWM逆变，输出谐波较小，而且输出波形非常接近正弦波。

交-直-交变频器适用于各种电力拖动系统、稳压稳频电源和不停电电源。交-交变频器的作用是将工频交流电（频率和电压幅值恒定）经过交-交变频器直接变换成变压变频的交流电。电压源型交-直-交变频器和电流源型交-直-交变频器的主要区别在于中间直流环节所采用的滤波器。

2、变频调速的基本要求。为了充分利用铁芯材料，在设计电机时，一般将额定工作点选在磁化曲线开始弯曲处。因调速时希望保持每极磁通为额定值。因为磁通增加，将引起铁芯过分饱和，励磁电流急剧增加，导致绕组过分发热，功率因数降低；而磁通减少，将使电动机输出转矩下降。如果负载转矩仍维持不变，势必导致定、转子过电流，也要产生过热，故而希望保持磁通恒定，即实现恒磁通变频调速。

3、变频调速的基本控制方式。交流异步电动机调速时，和电流电动机一样，希望保持电动机中每极的磁能为额定值，并且保持不变。如果磁通太弱，电动机的铁心得不到充分利用，造成浪费，如果磁通太强，会使铁心饱和，导致过大的励磁电流，严重时会使绕组过热而破坏。异步电动机定子每相绕组感应电动势：E1=4.44f1N1KN1Фm式中，N1为定子绕组每相串联匝数；KN1为基波绕组系数；Фm为每极气隙磁通。由上式可见，Фm的值是由E1和f1共同决定的，对E1和f1进行适当的控制，就可以使气磁通Фm保持额定值不变。

五、结束语

随着电力电子技术、微电子技术及大规模集成电路的发展，交流电动机调速系统的性能越来越好，特别是鼠笼式交流异步电动机的变频调速系统，其性能已与直流电动机调速系统相媲美。由于鼠笼式交流异步电动机具有结构简单、体积小、重量轻、价格低、坚固耐用、工作可靠、维护方便、适应性强等一系列优点，而且功率、转速、电压的允许值高于直流电动机，所以交流变频调速得到了迅速的发展，并有取代直流电动机调速的趋势。

参考文献

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[2]李发海，王岩编著.电机与拖动基础[M].清华大学出版社，1994

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[4]宋家成.交流调速系统应用与维修[M].中国电力出版社，2009