变频调速原理及概述

变频调速原理及概述

异步电机调速系统的种类很多，但是效率最高、性能最好、应用最广的是变频调速，它可以构成高动态性能的交流调速系统来取代直流调速系统，是交流调速的主要发展方向。变频调速是以变频器向交流电机供电，并构成开环或闭环系统，从而实现对交流电机的宽范围内无极调速。变频器可把固定电压、固定频率的交流电压变换为可调电压、可调频率的交流电。在变换过程中。没有直流环节的称为交-交变频器，有中间直流环节的称为交-直-交变频器。由直流电变为交流电的变换器称为逆变器。目前应用最广的是交-直-交变频器，通常由整流器、中间直流储能电路和逆变器三部分组成。

人们所说的交流调速传动，主要是指采用电子式电力变换器对交流电动机的变频调速传动，除变频以外的另外一些简单的调速方案，例如变极调速、定子调压调速、转差离合器调速等，由于其性能较差，终将会被变频调速所取代。交流调速传动控制技术之所以发展的如此迅速，和如下一些关键性技术的突破性进展有关，它们是电力电子器件（包括半控型和全控型器件）的制造技术、基于电力电子电路的电力变换技术、交流电动机的矢量变换控制技术、直接转矩控制技术、PWM（Pulse Width Modulation）技术以及以微型计算机和大规模集成电路为基础的全数字化控制技术等。

变频器的发展：近二十年来，以功率晶体管GTR为逆变器功率元件、8位微处理器为控制核心、按压频比U/f控制原理实现异步机调速的变频器，在性能和品种上出现了巨大的技术进步。其一，是所用的电力电子器件GTR以基本上为绝缘栅双极晶体管IGBT所替代，进而广泛采用性能更为完善的智能功率模块IPM，使得变频器的容量和电压等级不断地扩大和提高。其二，是8位微处理器基本上为16位微处理器所替代，进而有采用功能更强的32位微处理器或双CPU，使得变频器的功能从单一的变频调速功能发展为含有逻辑和智能控制的综合功能。其三，是在改善压频比控制性能的同时，推出能实现矢量控制和转矩直接控制的变频器，使得变频器不仅能实现调速，还可进行伺服控制。

变频器的基本结构和分类：变频器是利用交流电动机的同步转速随电机定子电压频率变化而变化的特性而实现电动机调速运行的装置。变频器最早的形式是用旋转变频发电机组作为可变频率电源，供给交流电动机，主要是异步电动机进行调速。随着电力电子半导体器件的发展，静止式变频电源成为变频器的主要形式。

变频器的基本结构：为交流电机变频调速提供变频电源的一般都是变频器。按主回路电路结构，变频器有交-交变频器和交-直-交变频器两种结构形式。

1．交-交变频器

交-交变频器无中间直流环节，直接将工频交流电变换成频率、电压均可控制的交流电，又称直接式变频器。整个系统由两组整流器组成，一组为正组整流

器，一组为反组整流器，控制系统按照负载电流的极性，交替控制两组反向并联的整流器，使之轮流处于整流和逆变状态，从而获得变频变流电压，交-交变频器的电压由整流器的控制角来决定。

交-交变频器由于其控制方式决定了最高输出频率只能达到电源频率的1/3-1/2，不能高速运行。但由于没有中间直流环节，不需换流，提高了变频效率，并能实现四象限运行。交-交变频器主要用于大容量、低转速、高性能的同步电动机传动。

2．交-直-交变频器

交-直-交变频器，先把工频交流电通过整流器变成直流电，然后再把直流电变换成频率、电压均可控制的交流电，它又称为间接式变频器。因本课题中所用变频器为交-直-交变频器，故下面的阐述主要就交-直-交变频器进行。

交-直-交变频器其基本构成如图1-1所示，由主电路（包括整流器、中间直流环节、逆变器）和控制电路组成，各部分作用如下所述：

图1.1交-直-交变频器的基本构成

（1）整流器。电网侧的变流器是整流器，它的作用是把三相（或单相）交流电整流成直流电。

（2）逆变器。负载侧的变流器为逆变器。最常见的结构形式是利用六个半导体主开关器件组成的三相桥式逆变电路。有规律的控制逆变器中主开关器件的通与断，可以得到任意频率的三相交流电输出。

（3）中间直流环节。由于逆变器逆变器的负载属于感性负载，在中间直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换。这种无功能量要靠中间直流环节的储能元件（电容器或电抗器）来缓冲。所以中间直流环节又称为中间直流储能环节。

（4）控制电路。控制电路由运算电路、检测电路、控制信号的输入、输出电路和驱动电路等构成。其主要任务是完成对逆变器的开关控制、对整流器的电

压控制以及完成各种保护功能等。控制方法可以采用模拟控制或数字控制。高性能的变频器目前已经采用微型计算机进行全数字控制，采用尽可能简单的硬件电路，主要靠软件来完成各种功能。

变频器的分类：按缓冲无功功率的中间直流环节的储能元件是电容还是电感，变频器可分为电压型变频器和电流型变频器两大类。

1．电压型变频器

对于交-直-交变频器，当中间直流环节主要采用大电容作为储能元件时，主回路直流电压波形比较平直，在理想情况下是一种内阻抗为零的恒压源，输出交流电压是矩形波或阶梯波，称为电压型变频器，如图1.2所示：

图1.2电压变频型器

2．电流型变频器 当交-直-交变频器的中间直流环节采用大电感作为储能元件时，直流回路中电流波形比较平直，对负载来说基本上是一个恒流源，输出交流电流是矩形波或阶梯波，称为电流型变频器。

交流电动机变频调速原理

异步电动机是用来把交流电能转化为机械能的交流电动机的一个品种，通过定子的旋转磁场和转子感应电流的相互作用使转子转动。

现代交流调速传动，主要指采用电子式电力变换器对交流电动机的变频调速传动。对于交流异步电动机，调速方法很多，其中以变频调速性能最好。由电机学知识知道，异步电动机同步转速，即旋转磁场转速为 p f n 1160= (1-1)

式中，f 1为供电电源频率，p 为电机极对数。

异步电动机轴转速为 )1(60)1(11s p f s n n -=

-= (1-2) 式中，s 为异步电动机的转差率，n n

n s -=1 。