變流技術在電機拖動系統中的應用

摘要：利用變流技術，通過晶閘管可控制整流和逆變電路，實現電機拖動系統中電機正/反轉調速；利用變流技術，亦可將變頻器作為三相異步電動機供電電源，實現電機變頻調速，達到節能的目的。

關鍵詞：變流技術 電動機 正/反轉 變頻調速

0 引言

變流技術是指利用電力電子器件對電能進行控制和轉換的技術，電能的轉換與控制包括整流、逆變、斬波、變頻等方面的控制。變流技術是工業企業電氣化與自動化中一門非常重要的應用技術。工業應用中常要求電動機能實現快速的可逆控制，既能正轉或反轉，又能作為電動機或發動機運行，利用變流技術并合理選用相應的電力電子器件，可以實現電機四象限運行，并拖動負載運行滿足工業要求。自20世紀90年代中期以來，電力電子器件逐漸形成以絕緣栓雙極型晶體管IGBT為主體的局面。到目前為止，IGBT管已發展到了第四代產品，兆瓦以下功率電力電子器件IGBT為首選器件。而在兆瓦以上大功率場合，門極可關斷晶閘管GTO為首選器件，功率更大場合可使用光控晶閘管。

1 應用方案一

1.1 利用晶閘管橋路供電，控制電動機的正/反轉

采用兩組變流橋的可逆電路，兩組晶閘管變流電路反并聯組成可逆拖動系統，可以方便地實現電動機正/反向調速運行，并能夠實現發電反饋制動，此時電動機的電磁轉矩變成制動轉矩，把電動機軸上的機械能變成電能送回電網。兩組變流電路可用同一交流電源供電，采用反并聯連接。電氣控制原理圖如圖1：

1.2 直流拖動系統控制原理分析

當電動機磁場方向不變時，正轉時由I組電橋供電。反轉時由II組電橋供電，任何時候只允許一組橋路工作，另一組橋路阻斷，這樣不會產生環流。電機四象限運行情況如下，其中α為控制角、β為逆變角、Em為電機電動勢、Ud為輸出負載電壓。

第一象限：電機正轉，電機作電動運行，I組橋工作在整流狀態，II組橋不工作，此時，第一象限中I組橋晶閘管控制角α1<90°，且Em

第二象限：電機正轉，電機作發電運行，II組橋工作在逆變狀態，I組橋不工作，此時，第二象限中II組橋逆變角βII<90，且Em>Udβ。

第三象限：電機反轉，電機作電動運行，II組橋工作在整流狀態，I組橋不工作，此時，第三象限中II組橋控制角αII<90，且Em

第四象限：電機反轉， 電機作發電運行， I組橋工作在逆變狀態，II組橋不工作，此時，第四象限中I組橋逆變角βI<90，且Em>Udα。

電機四象限運行圖如圖2：

由此可知，四象限的運行主要在于控制每組晶閘管的控制角α大小。利用單結晶體管觸發電路或正弦波觸發電路或鋸齒波觸發電路控制觸發脈沖發出時刻，使α移相范圍在0-90°間實現整流，在0-180°間實現逆變。若采用帶晶閘管渦流制動器調速裝置工作的交流繞線型應用電動機，改變晶閘管移相角而變換渦流缺點器的勵磁電流，也可以控制電動機的正反轉速度。

2 應用方案二

2.1 利用VVVF的調速裝置，實現電機變壓變頻調速

VVVF調速裝置適用于鼠籠型感覺電動機，通過改變感應電動機的定子電壓、頻率而控制電動機的轉速。這種V/F控制在改變頻率的同時控制變頻器輸出電壓，使電機磁通保持一定，在較寬范圍內，電動機的效率，功率因數不下降。將變頻器作為各類生產設備內電機的供電電源，根據異步電動機的工作原理，實現變頻調速。多用于通用變頻器、風機、泵類機械的節能運轉及生產流水線的工作臺傳動，空調等家用電器也采用V/F控制的變頻器。三相異步電動機變頻調速傳動與直流電動機調速傳動相比具有單機容量不受限制、體積小、重量輕、動態響應好、轉動慣量小、維護簡單、節約能源等優點，通過三相異步電動機變頻調速傳動能實現節能、實現高精度的速度轉矩控制、實現高速傳動。

2.2 變頻器的構成框圖及各部分的作用

變頻器電路構成框圖如圖3：

各部分作用如下：

主回路：包括變流器部分，平滑回路，逆變部分。給異步電動機提供調壓調頻電力變換。變流器部分起整流作用，將工頻50HZ交流電變成直流電，實現交-直變換。逆變器部分起逆變作用，將直流電再次變為可調頻率的交流電，實現直-交變換。平滑回路部分當電機處于再生制動狀態時，將再生到直流側的能量消耗一部分，使直流電側電壓保持在許可范圍內。

控制回路：包括運算回路，電壓/電流檢測回路，速度檢測回路，驅動回路，保護回路。為變頻器主回路提供通斷信號。運算回路是將外部的速度、轉矩等指令同檢測回路的電流、電壓信號比較運算，決定變頻器的輸出電壓、頻率。電壓/電流檢測回路的作用是與主回路電位隔離，檢測電壓、電流。

驅動回路：驅動主回路元件導通，關斷。

速度檢測回路：檢測異步電動機的速度。

保護回路：檢測主回路的電壓、電流等，當發生過載或過流等異常時，為了防止變頻器和異步電動機損壞，使變頻器停止工作或抑制電壓、電流。

2.3 控制原理分析

感應電機動的轉速為n和電流頻率為f，電動機極對數為p、轉差率為s。已知電動機轉速公式n=60f（1-s）/p，從上式可知，改變電機三相定子電流頻率f，可改變電動機的輸出轉速n。只需要把變頻器輸出電壓作為電機供電電壓即可實現變頻調速；另一方面，即使在低速時電動機的輸出轉矩也要保持在額定值以上，此時，V/F=恒定值。所以在控制電動機電源頻率的同時，控制變頻器輸出電壓。變頻的同時也改變了三相籠型異步電機供電電壓。若采用中頻電子電力變頻器作為中頻交流供電電源，利用變流技術先將工頻交流電通過可控整流變為直流，再通過逆變電路將直流信號變為頻率可調的交流電，通過這種交流-直流-交能的電能變換，一般可節電30-50%，被廣泛應用于通風機、空調器、泵的電機拖動系統內作為供電電源，利用變頻器作為供電電源效率高達95%，長期工作效果更顯著，并且變頻變壓使電機從小到大同步起動，起動電流限制在額定電流以內，升速平穩。停車時可作能耗制動，停車比發電機時間快。同時具有無噪音、無振動，消除了噪聲與污染，控制方便的優點，是發電機無法比擬的。

3 結論

利用變流技術，合理選擇控制角或逆變角，可實現電機正/反轉控制。近年來更多地使用高效、節能的電氣設備，同時需要提高電機的工作效率。利用變流技術，合理選擇晶閘管，并且通過電機的變頻調速可以滿足用戶要求。由晶閘管組成的變流裝置具有功率放大倍數大，可達10000以上；快速響應好，為毫秒級；功耗低、效率高、節能效果顯著；體積小，無噪音，無火花磨損，維護方便，可靠性高等優點。例如在各大鋼鐵行業上的主軋機，開卷機和卷取機中的主拖動電機，通常選用了變頻調速電動機。國內外為節能，在調速及自動化方面已經普遍利用變流技術實現對電機變頻調速。

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作者簡介：

王瑋（1977-），男，貴州貴陽人，研究方向：電力電子技術。