交流異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速技術(shù)

摘要:近些年來，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及科技的進(jìn)步，電氣傳動(dòng)領(lǐng)域的技術(shù)也得到了很大程度的革新。特別是交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)的不斷發(fā)展以及完善，使得交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的性能得到了很大的優(yōu)化，并且被廣泛的應(yīng)用到了社會(huì)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域。本文通過對(duì)交流異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速技術(shù)原理以及方法的研究，在分析其發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上介紹了變頻調(diào)速技術(shù)的具體應(yīng)用。

關(guān)鍵詞:異步電動(dòng)機(jī);變頻調(diào)速;調(diào)速方式

中圖分類號(hào):TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1674-7712 (2012) 12-0023-02

電動(dòng)機(jī)是進(jìn)行工業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的一種重要工具，它能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)變成為機(jī)械能從而滿足生產(chǎn)的需要，也因此被廣泛的運(yùn)用到社會(huì)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域。一般來講，電動(dòng)機(jī)可以分為直流電機(jī)與交流電機(jī)，只是近年來隨著技術(shù)的發(fā)展以及直流電機(jī)固有的缺點(diǎn)，人們對(duì)交流電機(jī)的運(yùn)用更為廣泛。但是交流電機(jī)相對(duì)直流電機(jī)來說在調(diào)速方面有著一些困難，所以變頻調(diào)速技術(shù)也就應(yīng)用而生。隨著交流傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)調(diào)速理論研究逐步突破以及調(diào)速裝置(主要為變頻器)性能的完善，交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的缺點(diǎn)(性能較差)已經(jīng)基本得到了克服。目前，交流調(diào)速系統(tǒng)的性能已經(jīng)可以與直流系統(tǒng)相媲美，甚至可以超過直流系統(tǒng)。不僅使交流調(diào)速系統(tǒng)控制裝置體積小，效率高，而且還更容易實(shí)現(xiàn)各種功能復(fù)雜但在結(jié)構(gòu)上簡(jiǎn)單的控制方案，更加充實(shí)和推動(dòng)了變頻器理論的進(jìn)一步發(fā)展。

一、交流異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速技術(shù)概述

(一)交流異步電動(dòng)機(jī)特點(diǎn)概述。交流異步電動(dòng)機(jī)是在現(xiàn)今社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件下運(yùn)用最為廣泛的一種動(dòng)力機(jī)械，其承載著工業(yè)生產(chǎn)以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等重要的任務(wù)。但是作為一種機(jī)械設(shè)備，由于其特定的結(jié)構(gòu)以及性能也有著屬于自身的使用特點(diǎn)，具體來講如下:

1.交流異步電動(dòng)機(jī)使用優(yōu)點(diǎn)。在電動(dòng)機(jī)中主要有直流電動(dòng)機(jī)與交流電動(dòng)機(jī)，而交流異步電動(dòng)機(jī)作為交流電動(dòng)機(jī)的一種，具有自己明顯的運(yùn)用優(yōu)勢(shì)。首先，它具有簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，并且功能齊全，可靠性高;其次，在其內(nèi)部，控制器可以自成系統(tǒng)，也就使得軟件功能完善靈活;再次，其控制功能全面精確，使用壽命長(zhǎng);最后，它在工作的過程中擁有著較高的工作效率，并且機(jī)器本身的重量也輕，通用性強(qiáng)，具有較低的運(yùn)行成本。

2.交流異步電動(dòng)機(jī)使用缺陷。雖然說，通過上面的分析我們可以看出交流異步電動(dòng)機(jī)有著很多的運(yùn)行優(yōu)勢(shì)，但是不可避免的它還是有著自身的一些缺點(diǎn)。其中調(diào)速性能差是其主要的缺點(diǎn)。它不能夠像直流電動(dòng)機(jī)一樣進(jìn)行靈活簡(jiǎn)單的調(diào)速，而是由于其工藝要求，需要一定的電動(dòng)機(jī)調(diào)速上場(chǎng)合。所以，很多時(shí)候人們也往往因?yàn)榻涣鳟惒诫妱?dòng)機(jī)這樣的一個(gè)缺點(diǎn)，會(huì)選用直流電動(dòng)機(jī)來進(jìn)行作業(yè)，或者是運(yùn)用新的技術(shù)，來讓交流異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行能夠進(jìn)行符合其工藝要求的調(diào)速。當(dāng)然這時(shí)候，交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)也就應(yīng)用而生。

(二)交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)概述。變頻調(diào)速技術(shù)是一種有效的交流異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速技術(shù)，其是隨著變頻裝置的出現(xiàn)而慢慢的發(fā)展起來的。并且隨著電力電子技術(shù)以及微電子技術(shù)的不斷深入發(fā)展，其技術(shù)也得到了很大的幾進(jìn)步，幾乎可以跟直流電機(jī)的調(diào)速技術(shù)相媲美。具體來講，變頻調(diào)速技術(shù)有著下面的一個(gè)特點(diǎn)。

1.變頻調(diào)速技術(shù)使用優(yōu)點(diǎn)。在交流異步電動(dòng)機(jī)中，使用變頻調(diào)速技術(shù)主要有下面的一些優(yōu)勢(shì):首先，變頻調(diào)速相對(duì)于普通調(diào)速具有平滑性好、效率高的優(yōu)點(diǎn)，并且在電動(dòng)機(jī)處于低速運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，其穩(wěn)定性也好;其次，在調(diào)速的過程中范圍比較大，并且使用時(shí)候的精確度也相對(duì)來說比較高;再次，在變頻調(diào)速中由于其在電機(jī)啟動(dòng)的過程中所需要的電流比較低，所以具有比較明顯的節(jié)電效果;最后，整個(gè)變頻調(diào)速技術(shù)自動(dòng)化程度高。

2.變頻調(diào)速技術(shù)使用缺陷。跟所有的調(diào)速技術(shù)一樣，雖然變頻調(diào)速技術(shù)有著很多的優(yōu)點(diǎn)，但是不可避免的也會(huì)出現(xiàn)一些缺陷。首先，由于變頻調(diào)速技術(shù)的電流中含有很多的高次諧波，一方面會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成污染，另一方面還能夠?qū)﹄姍C(jī)造成損耗，使得電機(jī)發(fā)熱;其次，變頻調(diào)速技術(shù)需要專用的變頻電源，所以在造價(jià)方面就比較高，而且投資的回收期也相對(duì)來說比較長(zhǎng)，技術(shù)復(fù)雜。

二、交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展方向

在現(xiàn)今的社會(huì)中，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展以及科技的進(jìn)步，變頻調(diào)速技術(shù)也得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。作為變頻調(diào)速技術(shù)的承載者變頻器應(yīng)該適應(yīng)技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，不斷的進(jìn)行自身的完善，從而讓整個(gè)變頻調(diào)速技術(shù)更加現(xiàn)代化，更加靈活化。下面是變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展方向:

(一)向網(wǎng)絡(luò)智能化發(fā)展。智能化是現(xiàn)金社會(huì)發(fā)展的一個(gè)主流方向，不管是小到手機(jī)等通訊工具還是大到電動(dòng)機(jī)等機(jī)械設(shè)備，都在向網(wǎng)絡(luò)智能化的道路上行走。而變頻技術(shù)也應(yīng)該適應(yīng)這樣的一個(gè)發(fā)展，能夠免去那么多的設(shè)定，從而實(shí)現(xiàn)故障自我診斷以及部件的自動(dòng)更換等等，并且在此基礎(chǔ)上不斷的延長(zhǎng)變頻器的壽命。

(二)向?qū)ｉT化一體化發(fā)展。專門化的研究與制造能夠使得設(shè)備的性能更強(qiáng)，也能夠使得技術(shù)更加先進(jìn)。所以對(duì)于交流異步電動(dòng)機(jī)來說也應(yīng)該走專門化的發(fā)展道路。專門就某個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行變頻器的研究，強(qiáng)化其性能，提高其技術(shù)。當(dāng)然除此之外，還應(yīng)該讓變頻器與電動(dòng)機(jī)逐漸的一體化，讓變頻器成為電動(dòng)機(jī)的一部分，從而更好的進(jìn)行控制。

(三)向環(huán)保無公害的方向發(fā)展。近些年來，隨著人們對(duì)環(huán)境的越來越重視，各種機(jī)械設(shè)備也慢慢的在呼吁環(huán)保無公害。而交流異步電動(dòng)機(jī)作為一種設(shè)備在其進(jìn)行調(diào)速的過程中也應(yīng)該考慮綠色環(huán)保，將噪聲以及電源諧波的污染將到最低。

三、交流異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用

交流異步電動(dòng)機(jī)被廣泛的應(yīng)用到了電氣傳動(dòng)之中，而在其的運(yùn)用中對(duì)調(diào)速原理的理解就顯得十分重要，下面是交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的技術(shù)原理以及控制方法。

(一)交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速原理。在了解交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)原理之前，我們需要對(duì)交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速先做個(gè)大體的了解。因?yàn)榻涣鳟惒诫妱?dòng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)的原理是從交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速方程中得出的。

1.交流異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速方程。在交流異步電動(dòng)機(jī)中，往往交流的調(diào)速是通過定子與轉(zhuǎn)子之間的產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)而實(shí)現(xiàn)的，在定子與轉(zhuǎn)子進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，這個(gè)電流跟磁場(chǎng)相互發(fā)生作用，也就產(chǎn)生了電磁轉(zhuǎn)矩，使得電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來，產(chǎn)生一定的轉(zhuǎn)速，也就是同步轉(zhuǎn)速。一般用n0來表示。其具體的轉(zhuǎn)速公式如下:

其中，f是交流電源的頻率，一般設(shè)定為50Hz，p則是磁極的對(duì)數(shù)，一般來講當(dāng)p=1的時(shí)候，n0就為每分鐘3000轉(zhuǎn);而當(dāng)p=2的時(shí)候，則n0為每分鐘1500轉(zhuǎn)。通過公式我們可以看出，當(dāng)磁極對(duì)數(shù)越多的時(shí)候，轉(zhuǎn)速也相應(yīng)越慢，而轉(zhuǎn)子的實(shí)際轉(zhuǎn)速n一般都會(huì)比同步轉(zhuǎn)速n0慢一點(diǎn)，也就是所謂的異步電機(jī)，由此產(chǎn)生的差別會(huì)用s來表述，其公式如下:

由上面的兩個(gè)公式我們就可以得出交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速方程，也就是如下面所示:

2.交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)原理。交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)原理是通過交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速而實(shí)現(xiàn)的，也就是說在交流異步電動(dòng)機(jī)中，電機(jī)的轉(zhuǎn)速n與電源的頻率f成正比，所以在進(jìn)行電機(jī)異步頻率的改變中，可以通過調(diào)節(jié)輸入電源的頻率以及改變電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速而實(shí)現(xiàn)，這也就是所謂的交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的原理。

(二)交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)控制方法。在交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速中最基本的控制方法則為 恒定控制。這種控制方法通過改變變頻器輸出電壓頻率與電壓幅值而實(shí)現(xiàn)調(diào)速，讓整個(gè)電機(jī)的頻率保持在穩(wěn)定的狀態(tài)內(nèi)，使得電機(jī)的效率以及功率保持恒定。并且在控制的方式上也會(huì)隨著運(yùn)行頻率基頻的不同而控制狀況不同。具體來講，主要有下面的兩種控制調(diào)速狀況:

1.基頻以下的變頻調(diào)速。基頻以下的變頻調(diào)速又可以成為恒磁通變頻調(diào)速，這種調(diào)速是 比恒定調(diào)速在基頻以下的調(diào)速，所以當(dāng)頻率較低的時(shí)候，定子的抗壓都不能夠被忽視，所以這種變頻后的機(jī)械的性能應(yīng)該如下圖所示:

如圖所示，我們可以看出，當(dāng)電機(jī)向低于額定轉(zhuǎn)速n0方向調(diào)速的時(shí)候，電機(jī)會(huì)保持原來的機(jī)械特征，并且轉(zhuǎn)矩也會(huì)隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的下降而減小，這就會(huì)讓電機(jī)的負(fù)載能力下降。這也是變頻調(diào)速的缺陷的一個(gè)反應(yīng)。所以往往為了提高電機(jī)的負(fù)載能力，則使用 轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償法，來增強(qiáng)交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的使用性能。

補(bǔ)償法是在電機(jī)頻率降低的時(shí)候，采用提高電壓的方法來使得磁通量保持恒定，從而讓電機(jī)的轉(zhuǎn)矩能夠得到回升，以此來提高電機(jī)的變頻調(diào)速使用性能。一般而言，進(jìn)行補(bǔ)償后的電動(dòng)機(jī)機(jī)械性能曲線圖如下所示:

2.基頻以上的變頻調(diào)速。交流異步電動(dòng)機(jī)基頻以上的調(diào)速方式，屬于恒功率的調(diào)速方式，在進(jìn)行變頻調(diào)速之后的機(jī)械的性能曲線圖如下所示:

我們可以看出，電動(dòng)機(jī)在基頻以上進(jìn)行調(diào)速的時(shí)候機(jī)械特性曲線工作段的斜率逐漸的增大，使得機(jī)械的特性變軟。使得機(jī)械在一個(gè)比較恒定的狀態(tài)下進(jìn)行工作。

四、總結(jié)

通過以上對(duì)于交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)的分析，我們可以看出這樣的一種變頻調(diào)速的控制方式雖然說給電動(dòng)機(jī)的調(diào)速帶來了很大的方便，使得操作也變得簡(jiǎn)單，但是在其控制的過程中還是存在著低速性能差的缺陷。所以，在進(jìn)行交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速中一定要加大對(duì)技術(shù)的研究，彌補(bǔ)這些缺憾，從而讓變頻調(diào)速技術(shù)變得更加完善。

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