變頻調速在交流電動機中的應用

丁治龍

【摘要】變頻器不僅具有卓越的節能作用、顯著的調速性能和保護功能，還具有優越的控制方式。應用變頻調速，不僅可以使電動機在節能的轉速下運行，而且還可以大大提高電動機轉速的控制精度，提升工藝質量和生產效率，是企業技術改造和產品更新換代的理想調速裝置。本文介紹了變頻調速技術的原理和功能，闡述了變頻調速在交流異步電動機的應用。

【關鍵詞】變頻調速；交流電動機；原理；功能；應用

從20世紀70年代開始，計算機技術的飛躍發展使得現代控制理論得以被廣泛應用到實際工業生產中。交流電力拖動系統逐步具備了調速范圍寬、穩速范圍大、穩速精度高、動態響應快以及在四象限中實現可逆運行等優良性能。在交流調速技術中，變頻調速具有絕對優勢，并且它的調速性能與可靠性持續得到提升而且易于實現過程自動化，因此深受工業行業的青睞。

一、變頻調速技術的原理

變頻調速就是通過改變輸入到交流電機的電源頻率，從而達到調節交流電動機的輸出轉速的目的。變頻調速范圍寬，平滑性好，效率最高，具有優良的靜態及動態特性，是應用最廣的一種高性能交流調速。電動機械特性隨電動機自身電氣參數改變而改變，但由于系統轉動慣量的存在，轉速不能突變，一旦外部施加的電氣參數改變，必然引起電動機電磁轉矩的突變，從而破壞原來的轉矩平衡關系而產生新的系統合轉矩。該合轉矩將對系統產生一個加速度，使系統加速或減速。當外部參數穩定之后，系統轉速過渡到新的穩定狀態，這個加速或減速過程就稱為調速過程。

變頻調速器從電網接收工頻50Hz的交流電，經過恰當的強制變換方法，將輸入的工頻交流電變換成為頻率和幅值都可調節的交流電輸出到交流電動機，實現交流電動機的變速運行。

在拖動系統中，用變頻器驅動電動機的目的就是實現調速，讓電動機按照希望的方式運轉。但不論系統是否采用調速，穩定運行是必須的，即要求系統在受到擾動時有自動恢復的能力。交流調速傳動，主要是指采用電子式電力變換器對交流電動機的變頻調速傳動。除變頻以外的另一些簡單的調速方案，例如變極調速、定子調壓調速、轉差離合器調速等，雖然仍在特定場合有一定的應用，但由于其性能較差，終將會被變頻調速所取代。

二、交流電機的分類

交流電動機的誕生和發展已有100多年的歷史，至今研究制造了形式多樣、用途各異的各種容量、各種品相的交流電動機。根據采用的電流制式不同，電動機分為直流電動機和交流電動機兩大類，其中交流電動的擁有量最多，提供給工業生產的電量多半是通過交流電動機加以利用的。交流電動機分為同步電動機和異步（感應）電動機兩大類。電動機的轉子轉速與定子電流的頻率保持嚴格不變的關系，即是同步電動機；反之，若不保持這種關系，即是異步電動機。根據統計，交流電動機用電量占電機總用電量的85%左右，可見交流電動機應用的廣泛性及其在國民經濟中的重要地位。

三、變頻器的功能

1、變頻器的過載保護功能。對電動機進行過載保護的目的是使電動機不因過熱而燒壞。因此，進行保護的主要依據便是電動機的升溫不應超過其額定值。

2、變頻器的升速功能。升速時間長，意味著頻率上升慢，電動機在起動過程中的轉差小，動態轉矩小。其結果是減小了起動電流；反之，升速時間短，意味著頻率上升快，如拖動系統的慣性大，則電動機轉子的轉速將跟不上同步轉速的上升，結果使轉差和動態轉矩增大，導致升速電流超過允許值。升速過程屬于從一種穩定運行狀態轉換到另一種穩定運行狀態的過渡過程，在這段時間內，通常是不進行生產活動的。因此，升速時間應在不過流的前提下，越短越好。變頻器除了可以控制升、降速時間外，還可以通過對升速方式的預置，對不同時段的加速度進行控制。常見的升速方式有三種：（1）頻率與時間成線性關系，多數負載可預置為線性方式。（2）S形方式，在開始階段和結束階段，升速的過程比較緩慢；而在中間階段，則按線性方式升速。如在電梯的起動和停止過程中，如果加速度變化過快，會使乘客感到不舒服，故以采用S形方式為宜。（3）半S形方式，升速過程呈半S形，例如，鼓風機在低速時負載轉矩很小，升速過程可以快一些，但隨著轉速的增加，負載轉矩增大較多，升速過程應減緩一些，采用半S形升速方式是比較適宜的。

四、變頻調速在交流異步電動機的應用

1、變頻器的類型。交-直-交變頻器的作用是特工頻交流電（頻串和電壓幅值恒定）經過整流器整流成為直流電，直流電再經過逆變器變換成可變壓變頻的交流電。根據控制方式的不同，交-直-交變頻器可分為三種形式：（1）可控整流量調壓、變頻器調頻的交-直-交變頻器。這種變頻器調壓和調頻分別由互相協調配合的兩個控制電路實現。（2）不控整流器整流、斬波器調壓、逆變器調頻的交-直-交變頻器。這種變頻器的整流環節由二極管構成，只整流不調壓，斬波器用于脈寬調壓。（3）整流器整流、脈寬調制（PWM）、逆變器調壓調頻的交-直-交器不控變頻器。這種變頻器用PWM逆變，輸出諧波較小，而且輸出波形非常接近正弦波。

交-直-交變頻器適用于各種電力拖動系統、穩壓穩頻電源和不停電電源。交-交變頻器的作用是將工頻交流電（頻率和電壓幅值恒定）經過交-交變頻器直接變換成變壓變頻的交流電。電壓源型交-直-交變頻器和電流源型交-直-交變頻器的主要區別在于中間直流環節所采用的濾波器。

2、變頻調速的基本要求。為了充分利用鐵芯材料，在設計電機時，一般將額定工作點選在磁化曲線開始彎曲處。因調速時希望保持每極磁通為額定值。因為磁通增加，將引起鐵芯過分飽和，勵磁電流急劇增加，導致繞組過分發熱，功率因數降低；而磁通減少，將使電動機輸出轉矩下降。如果負載轉矩仍維持不變，勢必導致定、轉子過電流，也要產生過熱，故而希望保持磁通恒定，即實現恒磁通變頻調速。

3、變頻調速的基本控制方式。交流異步電動機調速時，和電流電動機一樣，希望保持電動機中每極的磁能為額定值，并且保持不變。如果磁通太弱，電動機的鐵心得不到充分利用，造成浪費，如果磁通太強，會使鐵心飽和，導致過大的勵磁電流，嚴重時會使繞組過熱而破壞。異步電動機定子每相繞組感應電動勢：E1=4.44f1N1KN1Фm式中，N1為定子繞組每相串聯匝數；KN1為基波繞組系數；Фm為每極氣隙磁通。由上式可見，Фm的值是由E1和f1共同決定的，對E1和f1進行適當的控制，就可以使氣磁通Фm保持額定值不變。

五、結束語

隨著電力電子技術、微電子技術及大規模集成電路的發展，交流電動機調速系統的性能越來越好，特別是鼠籠式交流異步電動機的變頻調速系統，其性能已與直流電動機調速系統相媲美。由于鼠籠式交流異步電動機具有結構簡單、體積小、重量輕、價格低、堅固耐用、工作可靠、維護方便、適應性強等一系列優點，而且功率、轉速、電壓的允許值高于直流電動機，所以交流變頻調速得到了迅速的發展，并有取代直流電動機調速的趨勢。

參考文獻

[1]張燕賓編著.變頻調速460問[M].機械工業出版社，2006

[2]李發海，王巖編著.電機與拖動基礎[M].清華大學出版社，1994

[3]國家發展和改革委員會節能信息傳播中心.工業企業節能技術指南匯編[M].中國環境科學出版社，2009

[4]宋家成.交流調速系統應用與維修[M].中國電力出版社，2009