電動機(jī)變頻調(diào)速的探討與運(yùn)用
變頻器技術(shù)是一門綜合性的技術(shù)。它建立在控制技術(shù)、電子電力技術(shù)、微電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上。它與傳統(tǒng)的交流拖動系統(tǒng)相比， 利用變頻器對交流電動機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制， 有許多優(yōu)點(diǎn)， 如節(jié)電， 容易實現(xiàn)對現(xiàn)有電動機(jī)的調(diào)速控制， 可以實現(xiàn)大范圍內(nèi)的高效連續(xù)調(diào)速控制， 容易實現(xiàn)電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)切換， 可以進(jìn)行高頻度的起停運(yùn)轉(zhuǎn)， 可以進(jìn)行電氣制動， 可以對電動機(jī)進(jìn)行高速驅(qū)動， 可以適應(yīng)各種環(huán)境， 可以用一臺變頻器對多臺電動機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制， 電源功率因素大， 所需容量小， 可以組成高性能的控制系統(tǒng)等。
1 交流電動機(jī)的工作原理和變頻調(diào)速
1. 1 異步電動機(jī)工作原理
當(dāng)在一臺三相異步電動機(jī)的定子繞組上加上三相交流電壓時， 該電壓將產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場， 其速度由定子電壓的頻率所決定。當(dāng)磁場旋轉(zhuǎn)時， 位于該磁場中的轉(zhuǎn)子繞組將切割磁力線， 并在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流， 而此感應(yīng)電流又將受到旋轉(zhuǎn)磁場的作用而產(chǎn)生電磁力， 即轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子跟隨旋轉(zhuǎn)磁場旋轉(zhuǎn)。當(dāng)將三相異步電動機(jī)繞組的任意兩相進(jìn)行交換時， 所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場的方向?qū)l(fā)生改變。因此， 電動機(jī)的轉(zhuǎn)向也將發(fā)生改變。
1. 2 異步電動機(jī)的變頻調(diào)速
異步電動機(jī)定子磁場的轉(zhuǎn)速被稱為異步電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速， 且異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速總是小于其同步轉(zhuǎn)速， 其同步轉(zhuǎn)速由電動機(jī)的磁極個數(shù)和電源頻率所決定， 即：Ns= 120 f / p .
式中： Ns同步轉(zhuǎn)速；f電源頻率；p磁極個數(shù)。
若以 N 表示異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速， 并以同步轉(zhuǎn)速 Ns 為基準(zhǔn)， 將異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)差定義為：S= （ Ns- N）/ Ns ，（ 1）則異步電動機(jī)的實際轉(zhuǎn)速 N 可由下式給出：N= 120f （ 1- S ）/ p ，（2）?。。。。?！
式中： N電動機(jī)轉(zhuǎn)速；S轉(zhuǎn)差。
當(dāng)電動機(jī)為空載時， 轉(zhuǎn)差 S 基本上為 0， 而當(dāng)電動機(jī)為滿負(fù)載時， 則轉(zhuǎn)差一般在 1% 10% 的范圍內(nèi)。由式（ 2） 可知， 改變參數(shù) f ， S ， p 中的任意一個就可以改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速， 即對異步電動機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制。因此， 可以通過改變該電源的頻率來實現(xiàn)對異步電動機(jī)的調(diào)速控制。從某種意義上說， 變頻器就是一個可以任意改變頻率的交流電源。
2 變頻器的構(gòu)成和工作原理
2. 1 變頻器的基本結(jié)構(gòu)2. 2 變頻器內(nèi)部電路的工作原理
一般的三相變頻器的整流電路由三相全波整流橋組成。
它的主要作用是對工頻的外部電源進(jìn)行整流， 并給逆變電路和控制電路提供所需要的直流電源。整流電路按其控制方式， 可以是直流電壓源， 也可以是直流電流源。
直流中間電路的作用是對整流電路的輸出進(jìn)行平滑， 以保證逆變電路和控制電源能夠得到質(zhì)量較高的直流電源。此外， 由于電動機(jī)制動的需要， 在直流中間電路中有時還包括制動電阻以及其它輔助電路。
逆變電路是變頻器最主要的部分之一。它的主要作用是在控制電路的控制下， 將平滑電路輸出的直流電源轉(zhuǎn)換為頻率和電壓都任意可調(diào)的交流電源。逆變電路的輸出就是變頻器的輸出， 它被用來實現(xiàn)對異步電動機(jī)的調(diào)速控制。
變頻器的控制電路包括主控制電路、信號檢測電路、門極驅(qū)動電路、外部接口電路以及保護(hù)電路等幾個部分， 是變頻器的核心部分?？刂齐娐返膬?yōu)劣決定了變頻器性能的優(yōu)劣。控制電路的主要作用是將檢測電路得到的各種信號送至運(yùn)算電路， 使運(yùn)算電路能夠根據(jù)要求為變頻器主電路提供必要的門極驅(qū)動信號， 為變頻器以及異步電動機(jī)提供必要的保護(hù)。
此外， 控制電路還通過 A/ O， O/ A 等外部接口電路接收和發(fā)送多種形式的外部信號和給出系統(tǒng)內(nèi)部工作狀態(tài)， 使變頻器能夠和外部設(shè)備配合進(jìn)行各種高性能的控制。
3 變頻器的分類
3. 1 按變頻形式分類
按變頻形式的不同， 變頻器可分為交直交和交交兩大類。前者是將工頻交流電先通過整流器變成直流電， 經(jīng)濾波器后再送往大功率三極管組成的逆變器。逆變器中的三極管由微機(jī)按一定程序控制其導(dǎo)通與關(guān)斷， 將送到逆變器中的直流電變成所需頻率的交流電， 從而實現(xiàn)變頻。交交變頻器是通過兩組反并聯(lián)的大功率三極管整流橋和濾波器， 直接將工頻交流電變成所需頻率的交流電。但由于其最高頻率一般不超過電網(wǎng)頻率的 1/ 2 1/ 3， 控制系統(tǒng)復(fù)雜， 目前應(yīng)用較少。
3. 2 按主電路工作方式分類
按照主電路工作方式的不同， 變頻器又可分為電壓型和電流型。電壓型變頻器濾波環(huán)節(jié)主要是電容， 電源阻抗小， 相當(dāng)于電壓源， 其輸出電壓為方波， 輸出電流近似正弦波， 其中含高次諧波較多， 變頻效率低于電流型， 動態(tài)性能及可靠性較差， 適用于多臺電機(jī)齊速運(yùn)行。電流型變頻器濾波環(huán)節(jié)主要是電感， 電源阻抗大， 相當(dāng)于電源， 其輸出電壓接近正弦波， 輸出電流為方波， 含高次諧波電流較少， 可靠性及動態(tài)性較好，可以用電流內(nèi)環(huán)控制， 適用于多臺電機(jī)運(yùn)行， 尤其適用于單機(jī)加減速運(yùn)行。
3. 3 按開關(guān)方式分類
按逆變電路的開關(guān)方式對變頻器分類時， 則變頻器可以分為脈沖振幅調(diào)制控制方式， 脈沖寬度調(diào)制控制方式和高載頻控制方式 3 種。
3. 4 按工作原理分類
當(dāng)按照工作原理對變頻器分類時， 按變頻器技術(shù)的發(fā)展過程可分為 v /f 控制方式， 轉(zhuǎn)差頻率控制方式和矢量控制方式。
4 變頻器控制方式和基本原理
當(dāng)按照控制方式對變頻器分類時， 可將變頻器分為 v / f控制變頻器， 轉(zhuǎn)差頻率和矢量控制變頻器三種類型。
4. 1 v/ f 控制變頻器的基本原理
當(dāng)電動機(jī)電源的頻率被改變時， 電動機(jī)的內(nèi)部阻抗也隨之改變， 從而引起勵磁電流的變化， 使電動機(jī)出現(xiàn)勵磁不足或過強(qiáng)的情況。前者電動機(jī)將難以給出足夠的轉(zhuǎn)矩， 后者將會造成電動機(jī)功率因素和效率的下降。為了得到理想的轉(zhuǎn)矩速度特性， 在改變電源頻率進(jìn)行調(diào)速的同時， 必須采取必要的措施來保證電動機(jī)的氣隙磁通處于高效狀態(tài)。通過控制電源電壓和頻率， 使其保持為常值， 這就是 v/ f 控制變頻器。
4. 2 矢量控制變頻器的基本原理
它是通過控制電動機(jī)定子電流的幅值和相位， 來分別對電動機(jī)的磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制， 從而達(dá)到控制電動機(jī)轉(zhuǎn)矩電流特性的目的。
由于轉(zhuǎn)差頻率控制方式的變頻器， 已基本上被矢量控制方式的變頻取代， 本文不再闡述轉(zhuǎn)差頻率控制變頻器。
4. 3 各種控制方式的特點(diǎn)比較
v/ f 控制變頻器采用的是開環(huán)控制， 沒有進(jìn)行速度反饋，在速度控制方面不能給出滿意的控制性能。但是， 這種變頻器有著很高的性能價格比， 在以節(jié)能為目的各種用途和對速度精度要求不太高的各種用途中得到了廣泛的應(yīng)用。
矢量控制是異步電動機(jī)的一種理想的控制方式， 它具有許多優(yōu)點(diǎn)。它可以從零轉(zhuǎn)速進(jìn)行速度控制， 調(diào)速范圍寬， 可以對轉(zhuǎn)矩進(jìn)行精確控制， 系統(tǒng)響應(yīng)速度快， 加減速特性好等。
總之， 交流變頻調(diào)速技術(shù)是現(xiàn)代電力傳動技術(shù)的主要發(fā)展方向， 隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制理論在交流變頻調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用， 作為變頻調(diào)速系統(tǒng)核心的變頻器，其性能也得到了很大提高， 越來越廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和日常生活的許多領(lǐng)域中， 并產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益。
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