丁治龍

【摘要】變頻器不僅具有卓越的節(jié)能作用、顯著的調(diào)速性能和保護(hù)功能，還具有優(yōu)越的控制方式。應(yīng)用變頻調(diào)速，不僅可以使電動(dòng)機(jī)在節(jié)能的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，而且還可以大大提高電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制精度，提升工藝質(zhì)量和生產(chǎn)效率，是企業(yè)技術(shù)改造和產(chǎn)品更新?lián)Q代的理想調(diào)速裝置。本文介紹了變頻調(diào)速技術(shù)的原理和功能，闡述了變頻調(diào)速在交流異步電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】變頻調(diào)速；交流電動(dòng)機(jī)；原理；功能；應(yīng)用

從20世紀(jì)70年代開始，計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛躍發(fā)展使得現(xiàn)代控制理論得以被廣泛應(yīng)用到實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中。交流電力拖動(dòng)系統(tǒng)逐步具備了調(diào)速范圍寬、穩(wěn)速范圍大、穩(wěn)速精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快以及在四象限中實(shí)現(xiàn)可逆運(yùn)行等優(yōu)良性能。在交流調(diào)速技術(shù)中，變頻調(diào)速具有絕對(duì)優(yōu)勢，并且它的調(diào)速性能與可靠性持續(xù)得到提升而且易于實(shí)現(xiàn)過程自動(dòng)化，因此深受工業(yè)行業(yè)的青睞。

一、變頻調(diào)速技術(shù)的原理

變頻調(diào)速就是通過改變輸入到交流電機(jī)的電源頻率，從而達(dá)到調(diào)節(jié)交流電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速的目的。變頻調(diào)速范圍寬，平滑性好，效率最高，具有優(yōu)良的靜態(tài)及動(dòng)態(tài)特性，是應(yīng)用最廣的一種高性能交流調(diào)速。電動(dòng)機(jī)械特性隨電動(dòng)機(jī)自身電氣參數(shù)改變而改變，但由于系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的存在，轉(zhuǎn)速不能突變，一旦外部施加的電氣參數(shù)改變，必然引起電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的突變，從而破壞原來的轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系而產(chǎn)生新的系統(tǒng)合轉(zhuǎn)矩。該合轉(zhuǎn)矩將對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)加速度，使系統(tǒng)加速或減速。當(dāng)外部參數(shù)穩(wěn)定之后，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速過渡到新的穩(wěn)定狀態(tài)，這個(gè)加速或減速過程就稱為調(diào)速過程。

變頻調(diào)速器從電網(wǎng)接收工頻50Hz的交流電，經(jīng)過恰當(dāng)?shù)膹?qiáng)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(diào)節(jié)的交流電輸出到交流電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)交流電動(dòng)機(jī)的變速運(yùn)行。

在拖動(dòng)系統(tǒng)中，用變頻器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的目的就是實(shí)現(xiàn)調(diào)速，讓電動(dòng)機(jī)按照希望的方式運(yùn)轉(zhuǎn)。但不論系統(tǒng)是否采用調(diào)速，穩(wěn)定運(yùn)行是必須的，即要求系統(tǒng)在受到擾動(dòng)時(shí)有自動(dòng)恢復(fù)的能力。交流調(diào)速傳動(dòng)，主要是指采用電子式電力變換器對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速傳動(dòng)。除變頻以外的另一些簡單的調(diào)速方案，例如變極調(diào)速、定子調(diào)壓調(diào)速、轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速等，雖然仍在特定場合有一定的應(yīng)用，但由于其性能較差，終將會(huì)被變頻調(diào)速所取代。

二、交流電機(jī)的分類

交流電動(dòng)機(jī)的誕生和發(fā)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(dòng)機(jī)。根據(jù)采用的電流制式不同，電動(dòng)機(jī)分為直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)兩大類，其中交流電動(dòng)的擁有量最多，提供給工業(yè)生產(chǎn)的電量多半是通過交流電動(dòng)機(jī)加以利用的。交流電動(dòng)機(jī)分為同步電動(dòng)機(jī)和異步（感應(yīng)）電動(dòng)機(jī)兩大類。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與定子電流的頻率保持嚴(yán)格不變的關(guān)系，即是同步電動(dòng)機(jī)；反之，若不保持這種關(guān)系，即是異步電動(dòng)機(jī)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，交流電動(dòng)機(jī)用電量占電機(jī)總用電量的85%左右，可見交流電動(dòng)機(jī)應(yīng)用的廣泛性及其在國民經(jīng)濟(jì)中的重要地位。

三、變頻器的功能

1、變頻器的過載保護(hù)功能。對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行過載保護(hù)的目的是使電動(dòng)機(jī)不因過熱而燒壞。因此，進(jìn)行保護(hù)的主要依據(jù)便是電動(dòng)機(jī)的升溫不應(yīng)超過其額定值。

2、變頻器的升速功能。升速時(shí)間長，意味著頻率上升慢，電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過程中的轉(zhuǎn)差小，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩小。其結(jié)果是減小了起動(dòng)電流；反之，升速時(shí)間短，意味著頻率上升快，如拖動(dòng)系統(tǒng)的慣性大，則電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速將跟不上同步轉(zhuǎn)速的上升，結(jié)果使轉(zhuǎn)差和動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩增大，導(dǎo)致升速電流超過允許值。升速過程屬于從一種穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一種穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的過渡過程，在這段時(shí)間內(nèi)，通常是不進(jìn)行生產(chǎn)活動(dòng)的。因此，升速時(shí)間應(yīng)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(shí)間外，還可以通過對(duì)升速方式的預(yù)置，對(duì)不同時(shí)段的加速度進(jìn)行控制。常見的升速方式有三種：（1）頻率與時(shí)間成線性關(guān)系，多數(shù)負(fù)載可預(yù)置為線性方式。（2）S形方式，在開始階段和結(jié)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(dòng)和停止過程中，如果加速度變化過快，會(huì)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(fēng)機(jī)在低速時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩很小，升速過程可以快一些，但隨著轉(zhuǎn)速的增加，負(fù)載轉(zhuǎn)矩增大較多，升速過程應(yīng)減緩一些，采用半S形升速方式是比較適宜的。

四、變頻調(diào)速在交流異步電動(dòng)機(jī)的應(yīng)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(jīng)過整流器整流成為直流電，直流電再經(jīng)過逆變器變換成可變壓變頻的交流電。根據(jù)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(diào)壓、變頻器調(diào)頻的交-直-交變頻器。這種變頻器調(diào)壓和調(diào)頻分別由互相協(xié)調(diào)配合的兩個(gè)控制電路實(shí)現(xiàn)。（2）不控整流器整流、斬波器調(diào)壓、逆變器調(diào)頻的交-直-交變頻器。這種變頻器的整流環(huán)節(jié)由二極管構(gòu)成，只整流不調(diào)壓，斬波器用于脈寬調(diào)壓。（3）整流器整流、脈寬調(diào)制（PWM）、逆變器調(diào)壓調(diào)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(dòng)系統(tǒng)、穩(wěn)壓穩(wěn)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(jīng)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(qū)別在于中間直流環(huán)節(jié)所采用的濾波器。

2、變頻調(diào)速的基本要求。為了充分利用鐵芯材料，在設(shè)計(jì)電機(jī)時(shí)，一般將額定工作點(diǎn)選在磁化曲線開始彎曲處。因調(diào)速時(shí)希望保持每極磁通為額定值。因?yàn)榇磐ㄔ黾?，將引起鐵芯過分飽和，勵(lì)磁電流急劇增加，導(dǎo)致繞組過分發(fā)熱，功率因數(shù)降低；而磁通減少，將使電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩下降。如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩仍維持不變，勢必導(dǎo)致定、轉(zhuǎn)子過電流，也要產(chǎn)生過熱，故而希望保持磁通恒定，即實(shí)現(xiàn)恒磁通變頻調(diào)速。

3、變頻調(diào)速的基本控制方式。交流異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速時(shí)，和電流電動(dòng)機(jī)一樣，希望保持電動(dòng)機(jī)中每極的磁能為額定值，并且保持不變。如果磁通太弱，電動(dòng)機(jī)的鐵心得不到充分利用，造成浪費(fèi)，如果磁通太強(qiáng)，會(huì)使鐵心飽和，導(dǎo)致過大的勵(lì)磁電流，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使繞組過熱而破壞。異步電動(dòng)機(jī)定子每相繞組感應(yīng)電動(dòng)勢：E1=4.44f1N1KN1Фm式中，N1為定子繞組每相串聯(lián)匝數(shù)；KN1為基波繞組系數(shù)；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(duì)E1和f1進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂疲涂梢允箽獯磐ě秏保持額定值不變。

五、結(jié)束語

隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)及大規(guī)模集成電路的發(fā)展，交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的性能越來越好，特別是鼠籠式交流異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)，其性能已與直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)相媲美。由于鼠籠式交流異步電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、價(jià)格低、堅(jiān)固耐用、工作可靠、維護(hù)方便、適應(yīng)性強(qiáng)等一系列優(yōu)點(diǎn)，而且功率、轉(zhuǎn)速、電壓的允許值高于直流電動(dòng)機(jī)，所以交流變頻調(diào)速得到了迅速的發(fā)展，并有取代直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速的趨勢。

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