交流变频调速 VS 直流调速

交流变频调速的原理及其应用1引言交流异步电动机的调速方式有多种，诸如调压调速、变级调速、串级调速、滑差调速等，而变频调速优于上述任何一种调速方式，是当今国际上广泛采用的效益高、性能好、应用广的新技术。

它采用微机控制、电力电子技术及电机传动技术取得工业交流异步电机的无级调速功能。

目前在国内外已广泛应用，是自动化电力传动的发展方向。

交流变频调速技术已经成熟。

高压大功率变频器（几千V，数千kW）已在大容量风机、高压水泵等电机上应用。

低压小功率（几百V，几个kW）变频器在鼓风机、压缩机、离心机、搅拌机、水泵、机床，甚至在空调、洗衣机等方面被广泛采用。

在纺织工业方面，用于织布机、毛纺机等，本文以地毯背涂机为例叙述在地毯制造业上的应用。

2基本原理及特点变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的。

常用三相交流异步电动机的结构为图1所示。

定子由铁心及绕组构成，转子绕组做成笼型（见图2），俗称鼠笼型电动机。

当在定子绕组上接入三相交流电时，在定子与转子之间的空气隙内产生一个旋转磁场，它与转子绕组产生相对运动，使转子绕组产生感应电势，出现感应电流，此电流与旋转磁场相互作用，产生电磁转矩，使电动机转动起来。

电机磁场的转速称为同步转速，用n1表示n1=60f/p(r/min)(1)式中：f——三相交流电源频率，一般为50Hz。

p——磁极对数。

当p=1时，n1=3000r/min；p=2时，n1=1500r/min。

可见磁极对数p越多，转速n1越慢。

转子的实际转速n比磁场的同步转速n1要慢一点，所以称为异步电机，这个差别用转差率s表示：s=[n1－n）/n1]×100％（2）当加上电源转子尚未转动瞬间，n=0，这时s=1；起动后的极端情况n=n1，则s=0，即s 在0～1之间变化。

一般异步电机在额定负载下的s=（1～6）％。

综合式（1）和式（2）可以得出n=60f（1－s）/p（3）图1三相异步电动机结构示意图图2笼型电动机的转子绕组1—铜环；2—铜条1—机座；2—定子铁心；3—定子绕组；4—转子铁心；5—转子绕组由式（3）可以看出，对于成品电机，其磁极对数p已经确定，转差率s变化不大，则电机的转速n与电源频率f成正比，因此改变输入电源的频率就可以改变电机的同步转速，进而达到异步电机调速的目的。

但是，为了保持在调速时电机的最大转矩不变，必须维持电机的磁通量恒定，因此定子的供电电压也要作相应调节。

变频器就是在调整频率（VariableFrequency）的同时还要调整电压（VariableVoltage），故简称VVVF（装置）。

通过电工理论分析可知，转矩与磁通量（最大值）成正比，在转子参数值一定时，转矩与电源电压的平方成正比。

变频器的工作原理是把市电（380V、50Hz）通过整流器变成平滑直流，然后利用半导体器件（GTO、GTR或IGBT）组成的三相逆变器，将直流电变成可变电压和可变频率的交流电，由于采用微处理器编程的正弦脉宽调制（SPWM）方法，使输出波形近似正弦波，用于驱动异步电机，实现无级调速。

上述的两次变换可简化为AC－DC－AC（交－直－交）变频方式。

图3图4图3给出国产（深圳华为）变频器的原理图。

图中各组成部分名称已经标出，DSP是微机编程器。

利用变频器可以根据电机负载的变化实现自动、平滑的增速或减速，基本保持异步电机固有特性转差率小的特点，具有效率高、范围宽、精度高且能无级变速的优点，这对于水泵，风机等设备是很适用的。

我国应用的变频器，国外产品以日本富士、三菱牌号较多，台湾普传产品也不少，国内有西普（西安）、艾伦（上海）、华为（深圳）、艾普斯（天津）等厂家的产品均在推广应用。

变频器究竟叫CONVERTER 还是INVERTER？先说CONVERTER，也叫CONVERTOR，英文中两者差别不大，是通用的。

但中文词典的译义不太一样，前者译为转炉(什么是转炉？是能转动的炉子吗？还是能转变物质特性的炉子？不清楚) ；后者除译为转炉外，还译为【电工】变换器/变流器(是变频器吗？没说) 。

我对CONVERTOR(ER) 的翻译是“转换器” ，英文中一般在CONVERTER前面还有一个定义词，如TEMPERATURE CONVERTER(将温度转换为其他物理量的器件)，MP3 CONVERTER(将其他音乐文件格式转换为MP3格式的软件)，CURRENCY CONVERTER(将一种货币转换为另一种货币的计算器)，BIG5-GB CODE CONVERTER(将繁体字改为简体字的转码器)，PDF CONVERTER (PDF 文件格式互换软件) 等等。

英语系国家中不单独将CONVERTER 定义为变频器，而是说FREQUENCY CONVERTER (频率转换器) 。

因为FREQUENCY CONVERTER (频率转换器) 不止一种，所以对变频器更正式的的英文称呼是VARIABLE FREQUENCY DRIVE (可变频率驱动器) ，简称即VFD。

再说INVERTER，英文的含义比较单一，指一种将直流电转变为交流电的装置。

中文词典翻译为变极器/逆变器/反用换流器，基本符合愿意。

不象CONVERTER 要连用，英语系国家中INVERTER 单独使用时，就专指DC-AC变流器；有时也连用，如POWER INVERTER (大功率DC-AC 变流器) ，LAPTOP BACKLIGHT INVERTER (笔记本电脑背灯DC-AC变流器) 等。

但是许多非英语系国家将变频器也叫做INVERTER，这是因为变频器的主要功率器件也是DC-AC变换，符合INVERTER 的工作原理。

因为用的人多了，INVERTER 代表变频器逐渐被说英语的人群接受了。

回到主题，变频器应该叫做VARIABLE FREQUENCY DRIVE，简称VFD；或者叫做FREQUENCY CONVERTER；也可叫做INVERTER；但不能单叫做CONVERTER。

YVP变频调速电动机的优点YVP系列变频电机专为匹配变频调速设计制造。

电机采用F级绝缘，也可按用户要求制成H级，外壳防护等级为IP44，也可按用户要求制成IP54，冷却方式有全封闭自扇冷却（IC411）及全封闭单独轴流风机冷却（IC416），视用户需要而定。

还可加装光电编码器、测速发电机等测速装置和涡流制动器、电磁制动器等制动装置，以适应不同的使用场合。

YVP系列电动机额定电压为380V，频率为5-200Hz，也可根据用户要求确定额定点的电压和频率。

中心高100及以下Y接法，中心高112以上为Δ接法。

采用最先进的电磁计算方法，充分考虑目前SPWM技术和矢量控制变频器的控制特点，电机具有起动转矩大，无须附加起动设备，低频起动电流小，低频转矩特性无爬行，恒转矩调速范围宽等优点。

采用最先进的绕组分布，有效抑制变频电源高次谐波的影响，保证电机具有噪音低、振动小、效率高、过载能力强、节能效果明显等优点。

采用优质电磁线、先进的真空浸漆工艺和绝缘工艺，满足变频条件下特有的绝缘要求。

优质轴承和先进的机械加工工艺以及高精度的转子平衡工艺，保证在高速下可靠运转。

采用单独的轴流风机强迫通风，保证了电机低速时长期恒转矩运行的可靠性。

标准化程度高，便于两者的互换使用。

变频电机的主要优点在于可以通过改变电源的频率来控制电机的速度！！从力学的角度来看是普通电机+变频器切削力大,但是从经济学角度来是变频电机切削力好采用交流变频调速电机比直流调速电机具有显著的优点主要是：（1）调速容易、节能。

（2）交流电机结构简单、体积小惯量小，造价低、容易维修、内用。

（3）可以扩大容量、实现高转速和高电压运行。

（4）可以实现软启动，实现快速制动。

（5）无火花、防暴、环境适应能力强。

无极调速又是自动调速。

实现无级调速，例如，对直流电机，用变频器就不能调速。

无级调速一般情况下可以用机械和电气两个大类实现。

机械式无极调速，可通过液压控制来实现。

电气上首先要分对直流电机还是对交流电机调速（伺服电机、步进电机还是另类，先不算），直流电机用直流调速器控制，如西门子的6RA70等，交流电机用变频器控制，如西门子的MM440等。

还有一种方式是对什么电机都有效的，就是电磁调速器，加在电机和负载之间，靠丢转来调速。

还有一种机电类型的。

如液压传动无级调速，空气动力无极调速，生物能无级调速.直流电机调速和变频器调速优缺点比较？直流电机调速是不是比变频器调速稳定而成本高些？变频器控制的交流调速系统，电机的转矩（电流）响应速度很快，应该是30ms以内吧（西门子工程型变频器给出的参数）；而直流调速装置呢，转矩（电流）给出的响应时间是50ms 以内吧（西门子直流调速器给出的参数）. 电机＋控制如果是工程型的，直流便宜，交流贵；如果不是工程型的，是通用型的，那可能就差不多了。

从使用上，直流的系统干扰远远小于交流系统，所以运行可靠；但直流电机需要维护，交流电机可以基本免维护。

第一，低速大转矩的场合，比如几百转，几十转的时候输出额定转矩的场合，直流系统优势明显；第二，直流和交流都可以满足工艺要求，谁的成本便宜选择谁。

当然，如果选择直流系统的话，一定要和用户沟通并且确认。

现在的用户往往不希望选择直流系统。

所以，要经过用户确认。

第三，做了直流和交流系统，我个人喜欢直流系统，原因很简单，控制稳定可靠，且轻易不会对周围的设备产生EMC的问题。

而交流系统却是在此方面很有问题的。

需要做N多工作。

有时非常棘手。

趋势上是交流变频传动取代直流，交流变频传动在低转速输出大转矩的情况下可以加装减速机，实际上直流转动在用于低转速输出大转矩的情况下，通常也是装有减速机的。

随着变频器控制算法的完善，在这个问题上直流并不占有明显优势了。

除了EMC问题，在其余问题上交流变频传动多是占优或可媲美直流的。

说是这么说，但是为什么在钢铁企业交流系统还是不能完全取代直流系统呢？可以算算成本就知道了。

尤其是100kW以上的系统，交流系统的成本比直流系统的成本高得太多了。

在两种系统都能满足使用要求的前提下，为什么要多花钱呢？同步与异步变频调速电机的区别同步变频调速电机的转子内镶有永磁体，当电机瞬间起动完毕后，电机转入正常运行，定子旋转磁场带动镶有永磁体的转子进行同步运行，此时电机的转速根据电机的极数和电机输入电源频率形成严格的对应关系，转速不受负载和其他因数影响。

同样同步变频调速电机也附加了一个独立式强迫冷却风机，以适应电机在低速运行时的高效散热和降低电机在高速运行时的风摩耗。

由于电机的转速和电源频率的严格对应关系，使得电机的转速精度主要就取决于变频器输出电源频率的精度，控制系统简单，对一台变频器控制多台电机实现多台电机的转速一致，也不需要昂贵的光学编码器进行闭环控制。