淺談交流電機的變頻調速

李雪峰

摘要：目前，被大多數(shù)行業(yè)公認為最有應用優(yōu)勢的交流調速方式是交流變頻調速技術，交流變頻調速技術的節(jié)能效果及變頻調速的功能十分顯著，這種交流調速方式促進了我國煤炭企業(yè)電氣傳動技術的發(fā)展。本文闡述了交流電機的工作原理以及取得的成果，對交流電機的變頻調速進行了研究，對交流變頻調速技術的發(fā)展具有重要的借鑒意義。

關鍵詞：電機；變頻調速；交流

引言

交流電機變頻調速技術是當今節(jié)電、改善工藝流程以提高產品質量和改善環(huán)境、推動技術進步的一種主要手段。變頻調速的起、制動性能良好，具有高效率、高功率因數(shù)和節(jié)能的特點。隨著電子技術的發(fā)展，社會對生產的要求也越來越高，要求節(jié)能環(huán)保、提高生產效率，所以改變常規(guī)的交直流電機，發(fā)展交流變頻電機成了必然趨勢。

1變頻調速交流電機的基本原理及優(yōu)點

1.1變頻調速交流電機基本原理

變頻調速交流電機的基本原理是基于變頻調速電機的原理，即通過以下式子求出三相異步電動機的轉速n：

n=n1（1-s）=60f（1-s）/p

其中，“n”表示“電機轉速”；“n1”表示“電機的同步轉速”；“p”表示“磁極對數(shù)”；“s”表示“轉差率”；“f”表示“頻率”。根據(jù)公式得出：實現(xiàn)異步電機的調速需要改變轉差率、極對數(shù)和頻率。改變轉差率、極對數(shù)會出現(xiàn)一定的損耗，使電機的工作效率在一定程度上受到限制。變頻調速實現(xiàn)電機轉速的調整是通過改變子電源頻率進而改變同步頻率的。

1.2變頻調速交流電機的優(yōu)點

和直流調速電機相比變頻調速交流電機具有以下優(yōu)點：

（1）功率和轉速方面：直流調速電機由于存在換向，會受到不同程度的限制；變頻調速交流電機則不受限制。

（2）體積和重量方面：兩種電機同轉矩情況下，變頻調速交流電機體積小、重量輕。

（3）動態(tài)性能方面：兩種電機同轉矩情況下，變頻調速交流電機動態(tài)性能好、轉動慣量小。

（4）維護維修方面：兩者比較，變頻調速交流電機維護簡單，基本免維護。

（5）工作性能方面：同轉矩的變頻調速交流電機效率高、節(jié)能。

（6）電機結構方面：直流電機需要用到大量的電刷，且電刷受到磨損后產生的碳粉不能有效回收，對環(huán)境造成污染，如果長期積累，會使電機內部出現(xiàn)短路，影響電機安全運行。

2常用變頻電機的產品類別及使用

2.1電壓型交-交變頻調速同步電動機

電壓型交-交變頻調速同步電動機是指一種低速電機，其使用的最高頻率不能超過20Hz。所以，需要保證電機的頻率不能超標，通常采取限制電機極數(shù)的措施來限制電機的頻率。當電機的轉速超過限定值時，需要采用其他形式的電源，也可以開發(fā)隱極變頻同步電動機。但是隱極的變頻調速電動機在目前只有西門子公司開發(fā)了。

2.2電壓型交-直-交變頻調速同步電動機

這種電機只適合IGCT、IEGT變頻裝置供電。這種電機的最高頻率可以大于100Hz，它的運行頻率很寬。因此，隨著技術的發(fā)展，這種電機在市場上的應用也會越來越廣泛。

2.3電壓型交-直-交變頻調速異步電動機

這種電機適合IGBT變頻裝置供電。目前，電壓型交直交變頻調速異步電動機廣泛應用于社會的各個領域，未來傳統(tǒng)的交流電機與直流電機將會被其取代。

2.4電流型交-直-交負載換相（LCI）變頻調速電機

主要使用于高速線材的主電動機。該種電機要求具有準確的參數(shù)，如果參數(shù)的準確性不夠或是參數(shù)的控制不準，會使電機換向失敗，使其停止運行。因此，這類產品在現(xiàn)代社會的使用逐漸減少。

3交流變頻調速的簡單設計

交流電機變頻調速系統(tǒng)包括主電路和控制電路，主電路的作用是完成功率的轉換；控制電路要為變頻主電路提供各種控制信號。

3.1主電路的選擇

在交流變頻調速系統(tǒng)中，主回路作為直接執(zhí)行機構，主回路可靠性和穩(wěn)定性對系統(tǒng)有直接影響，因此，主電路選擇十分重要。交-直-交變頻電路實現(xiàn)由整流器將電網中的交流電整流成直流電，經過濾波，然后由逆變器逆變成交流電供給負載。中間環(huán)節(jié)采用阻抗為零的恒壓源的大電容濾波；電動機不需要進行頻繁制動和反轉，因此主電源選擇不可控的二極管整流橋，逆變電路和濾波電路分別采用三相全橋形式和阻容方式；在功率器件方面，由于變頻調速系統(tǒng)，要求開關頻率足夠高和輸出容量足夠大，所以采用IGBT，其驅動功率小、飽和壓降低。變頻調速系統(tǒng)中通過減小頻率實現(xiàn)電動機的降速和停機。從電動機的角度來看，電動機的工作狀態(tài)是再生制動；從變頻調速系統(tǒng)的角度來看，拖動系統(tǒng)在轉速下降時減少的動能，由電動機"再生"電能后，在變頻主電路的直流環(huán)節(jié)中被消耗，為此，在系統(tǒng)電路中設計了由VE、RE、VDE組成的放電回路，以免過高的直流電壓使各部分器件損壞。

3.2控制電路的選擇

交流電機變頻調速系統(tǒng)的核心部分是控制電路，系統(tǒng)的運算速度和控制精度決定了控制系統(tǒng)的性能，這在某種程度上依賴于實現(xiàn)該系統(tǒng)的電子芯片。在控制逆變部分，根據(jù)PWM波形的生成原理，采用VHDL語言，從硬件和軟件上采用基于CPLD，用于IGBT控制的數(shù)字化PWM波形產生器的實現(xiàn)方法；根據(jù)系統(tǒng)的設計要求，選擇了轉速負反饋控制，提高了系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定度。保護電路主要包括系統(tǒng)過壓、過流以及泵升電壓的保護等?？刂齐娐泛捅Ｗo電路影響著整個系統(tǒng)的性能，它的作用是保證主電路工作安全、可靠。

4變頻電機的研究

4.1電磁方案的研究

目前，很多公司擁有變頻調速交流電機進行電磁設計的軟件，可以優(yōu)選和評定產品電磁設計方案。在產品設計過程中，需要分析電機的穩(wěn)態(tài)以及動態(tài)性能，并對阻尼的諧波電流及轉矩進行仿真，有利于選取阻尼繞組和電機的結構與尺寸，從而使電機的可靠性、安全性及穩(wěn)定性增強。

4.2強度和振動分析

在電機的設計過程中，技術研究中心需要諧波分析計算和頻率等數(shù)據(jù)作為參考，并將設計的定子和其主要部件（機座、定子鐵心和定子裝配）的結構與尺寸、質量分布、軋機傳動系統(tǒng)的正反轉以及負荷突加突減的工況等傳遞給技術研究中心，讓工程計算的專業(yè)人員采用專門的有限元結構分析軟件包進行分析計算。將電機定子鐵心及機殼的振型、自振頻率分別計算出來，然后計算整個定子的振型和頻率。另外，有些電機在一定的轉速范圍內調速運行，通過比較電機的諧波頻率與定子各部分的固有頻率，調整定子及其主要部件的結構和尺寸分布、質量分布，從而使定子滿足強度要求，使定子固有頻率得到保證。

4.3低頻測試系統(tǒng)的研究

電壓式變頻調速電機的供電頻率一般為0-20Hz，因此不能用常規(guī)的頻率為50Hz的儀表進行試驗測試，而需要一套低頻的測試系統(tǒng)來完成變頻調速交流電機的產品試驗以及參數(shù)的測定。

4.4變頻電機試驗

大型變頻電動機的試驗，多數(shù)采用電機的可逆性原理。因為大多數(shù)電機的頻率比較低，這種低頻的電源電機廠一般都無法提供，因為試驗站的發(fā)電機都是按頻率50Hz來設計的。因此，可以將變頻電動機當作發(fā)電機運行，用直流電動機進行拖動。

結束語

變頻調速交流電機在實際應用中具有體積小、可靠性高、維護方便、精度高等優(yōu)點，其優(yōu)越性遠遠高于傳統(tǒng)的直流和交流電機。綜合考慮變頻調速交流電機的經濟性，未來變頻調速交流電機的使用將更加廣泛。

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