交流电动机变频调速

第一节变频调速技术的发展及应用
近十年来，随着电力电子技术、微电子学、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，电力传动领域正发生着交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术的革命。

交流变频调速以其优异的调速和起、制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，被国内外公认为最有发展前途的调速方式，成为当今节电、改善工艺流程以及提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。

一、我国变频调速技术的发展概况
在电气传动领域，人们关心的是如何合理地使用电动机以节约电能和有目的地控制机械的运转状态（位置、速度、解速度等），在实现电能-机械能之间的转换过程中达到优质、高产、低能的目的。

近几年来交流调速中最活跃、发展最快的就是变频调速技术，是交流调速的基础和主干内容，其根本原因在于变频调速在节能和调速特性等方面优良的特性优于其他调速方式，当然，电力电子器件发展、计算机技术、自动控制技术的迅速发展也为它的实现提供了基础。

我国关于变频器的研究开始于20世纪60年代初期，当时典型的技术是交-交变频器供电的交流变频调速传动；继此之后80年代主体技术为电压或电流型六脉冲逆变器供电的交流变频调速传动；从90年代中期至今，随着电力电子器件、调速技术以及控制技术的发展，BJT（IGBT）PWM逆变器供电的交流变频调速传动空前发展，并得到广泛的应用。

目前国内变频调速方面主要的产品状况如下。

（1）在中、小功率变频调速中主要是IGBT的PWM逆变器供电的交流变频调速设备。

产品应用的范围从单机到全生产线；控制方式从简单的U/f控制到高调速性能的矢量控制，但目前U/f控制占主体，矢量控制数量还较少。

（2）电流源型晶闸管逆变器供电的交流变频调速设备。

（3）交-交变频器供电的交流变频调速设备。

二、国外变频调速技术的现状
当前国外交流变频调速技术高速发展，主要有以下几个特点：
（1）近几年来不断涌现出SCR，GTO，IGBT，IGCT等高电压、大电流的大功率电力电子器件以及大功率器件的并联、串联技术的发展应用，使得高电压、大功率变频器产品的生产及应用得到很大的发展。

（2）矢量控制、磁链控制、直接转矩控制、模糊控制等新的控制理论为高性能的变频器提供了理论基础；16位、32位高速处理微处理器，数字信号处理器（DSP），精简指令集计算机（RISC）和高级专用集成电路（ASIC）技术的快速发展，使得变频器朝高精度、多功能化方向发展。

国外产品已实现控制全数字化、产品系列化、功能多样化，产品已进入很成熟的阶段。

（3）由于相关的基础工业和各种制造业的高速发展，已经使变频调速装置相关配套件的生产社会化、专业化，产品可靠性更高。

二、变频调速技术未来发展趋势
交流变频调速技术是强、弱电混合，机电一体化的综合性技术。

它分为功率级和控制级两大部分。

功率级部分是要解决高电压、大电流方面的技术问题和新型电力电子器件的应用技术问题；控制级部分是要解决数字化控制的硬、软件开发问题。

鉴于这两方面，未来变频调速技术的发展方向主要有以下几点：
（1）各种控制方法的深入研究与实现，进一步提高变频调速性能。

（2）进一步提高变频器的功率因数，降低网侧和负载侧的谐波，以减少对电网的污染和电动机的转矩脉冲。

（3） 进一步增加器件的集成度，缩小变频装置整体的尺寸，更加提高系统的可靠性。

（4） 以32位高微处理器为基础的数字控制模版有足够的能力实现各种控制算法，
Windows 控制系统引入使得自由设计成为可能，图形编程的控制技术也有很大的发展。

（5） 电动机模拟器、负荷模拟器 以及各种计算机辅助设计（CAD ）软件的引入对变频
器的设计和测试提供了强有力的支持。

有关资料表明，采用变频调速控制确实能够取得非常明显的节能、增产、提高产品质量的效果，节电率一般在10%~30%，有的高达40%，更重要的是生产中一些技术难点也得到解决。

变频调速技术作为高新技术、基础技术和节能技术，已经渗透到经济领域的所有技术部门中，我国现在正大力发展和推广变频调速技术，努力缩小和世界先进水平的差距，使之向规模化、自主化、标准化发展。

第二节 异步电动机变频调速的原理
异步电动机的转速为
()()s n s p
f n -=-=116011 式中，n 电动机转速；1f 为电动机定子的供电频率；s 为转差率；p 为电动机定子绕组级对数；1n 为旋转磁场的同步转速。

由公式可以看出交流电源频率1f 的变化，电动机同步转速随之成正比变化。

因此，改变电源频率很容易改变异步电动机的转速。

但是，对于异步电动机来说，若电源频率1f 变化而其电源电压1U 值不变的话，将会引起磁通的变化，因为
11E U ≈=Φ11144.4K N f （3-2）
式中，1U 为定子相电压；1E 为定子相电动势；1N 为定子每相绕组的匝数；1K 为定子的绕组系数；Φ为每极气隙磁通。

当1f 小于额定值N f 1时，Φ就大于额定值。

由于电机设计制造时取额定磁通在磁化曲线的饱和段附近，当Φ上升时就会引起过大的励磁电流。

为了使Φ保持恒定，必须在频率1f 变化的同时改变电源电压1U ，并使它们遵循的规律是：
=≈1
111f E f U 常数 这种压频比为常数的控制方式称为恒磁通控制方式，一般在额定频率N f 1以下，即N f f 11<情况下采用。

在N f f 11>时，如果仍保持=1
1f U 常数，则N U U 11>，这是不允许的，此时只能保持N U U 11=不变。

由式（3-2）可看出，随着上升，将减弱，即：
1
1f ∝Φ 这种保持==N U U 11常数的控制方式称为恒电压控制方式，一般在N f f 11>情况下采用。

在变频调速过程中，始终保持定子电流幅值恒定，即=1I 常数，这种变频调速方式称为恒电流变频调速控制方式。

第三节 变频电源
一.变频电源的分类
变频调速原理表明，必须同时改变电源的电压和频率，才能满足变频调速的要求。

现有的交流供电电源都是恒压、恒频的，因此必须通过变频装置，才能获得变压变频的电源。

可见变频电源是市电电源与交流电机之间的接口。

一般将变频电源分为两大类：交-交变频和交-直-交变频。

前者由SCR （可控硅整流器 晶闸管）组成，在少数特大功率交流电机调速系统中应用；后者现在主要由GTO （门极可关断晶闸管）以及IGBT （绝缘栅双极晶体管）等自关断器件组成，可应用于许多交流电机调速系统中。

交-直-交变频电源是指由交流变成直流，再由直流逆变成交流的方式。

这种间接变频电源，又分为电压源型和电流源型两种。

电压源型或电流源型变频电源的确切含义是指变频器的直流中间回路属于何种滤波方式，即属于电压滤波还是电流滤波。

电压源型采用较大容量的电容器进行滤波，直流回路电压波形平直，输出阻抗小，电压不易变化，相当于直流恒压源。

图1 为可控整流的电压源型PWM 变频器，它在当前中、小功率变频调速系统中应用十分广泛。

图2为可控整流电压源方波变频器，现在已很少应用了。

它们两者的逆变器中的电力电子开关将直流电压以一定方向和次序分配给电动机的各个绕组，形成PWM 调制波或阶梯波的交流电压。

图3为可控整流电流源变频器中，采用较大电感的电抗器进行滤波，直流回路的电流波形比较平直，输出阻抗很大，电流不易变化，相当于直流恒流源。

逆变器的电力电子开关将直流电流以一定的方向和次序分配给电动机的各个绕组，并形成PWM 调制波或阶梯波的交流电流，此种变频器因为它有特殊的优点，因此在大功率变频调速中仍有用途。

近代交流调速系统中所采用的PWM 逆变器的主要电路原理图图1所示，这是一个交-直-交电供电系统。

它将不可控整流器经电容滤波后形成的幅值基本固定的直流电压加在逆变器上，利用对逆变器开关元件的通断控制，使逆变器输出端获得矩形脉冲波，这种决定元器件动作顺序和时间分配规律的控制方法称为PWM 法。

通过改变矩形脉冲的宽度就可控制逆变器输出交流基波电压的幅值；通过改变调制周期就可控制其输出功率。

由此可知，在逆变器上可同时进行输出电压与频率的控制，主电路只有一个功率控制级，简化了电路结构，采用不可控整流桥，使系统对电网的功率因数近似为1，而逆变器输出电压值无关。

逆变器在调频时同时实现调压，而与中间直流环节的元件参数无关，从而加快了系统的动态响应。

由于消除和抑制了低次谐波，负载电动机可在近似正弦波的交变电压下运行，因此使电动机转矩
脉动小。

这一切是传统的两个功率控制级、采用六拍阶梯波逆变器的交流异步电动机变频电源所无法比拟的。

晶闸管，又可称作可控硅整流器（SCR）----为半控型器件
门极可关断晶闸管（GTO）----典型全控型器件
绝缘栅双极晶体管（IGBT或IGT）----典型全控型器件。