变频调速及变频器

杨勇

摘 要：三相异步电动机由于结构简单、价格低廉、维护方便等优点被广泛应用于现代企业中，为满足现代企业对交流拖动设备的需求，如何合理地选择调速方法并发展更先进的调速方法是摆在相关技术人员面前的一项现实任务。文章对三相异步电动机的变频调速原理做了阐述，并对变频器的硬件结构做了介绍，说明了变频调速方法的先进性和实用性。

关键词：三相异步电动机；变频调速；变频器

引言

三相异步电动机由于结构简单、价格低廉、维护方便等优点被广泛应用于现代企业中。在由三相异步电动机作为原动机的电力拖动系统中，被拖动的生产机械为适应工艺过程的要求，往往需要改变运行速度。实现生产机械转速变化的要求有两种办法，一是机械调速即通过改变机械传动机构速比来使速度变化；二是电气调速即通过改变电动机电气参数，在负载不变的情况下，得到不同运行速度的方法。实践生产中常用的电气调速方法比较多，有变极调速、变转差率调速。变极调速是通过改变定子绕组的接线方式改变电动机的极数从而实现电动机转速的变化；变转差率调速包括绕线式电动机转子回路串电阻调速、串级调速和调压调速。这些方法存在调速不平滑、不节能或机械特性不理想等问题。随着电力电子技术的快速发展，变频调速以显著的节电效果、优良的调速特性及广泛的实用性正逐渐取代传统的调速方法，成为是现代交流调速技术的主要方向。

1 三相异步电动机的工作原理

三相异步电动机也被称为感应电动机，与直流电动机不同，其转子绕组是在旋转磁场的切割作用下产生感应电流，并在磁场中受到电磁力作用，产生电磁转矩，从而使转子旋转。旋转磁场如何产生的是理解三相异步电动机工作原理的关键：空间对称分布的三相定子绕组通以三相对称交流电，由于交流电电流方向会随时间发生周期性变化，使定子绕组磁场的方向随时间旋转，旋转方向由相序决定（电流超前相指向电流滞后相），旋转速度与交流电频率成正比列关系，与磁极对数成反比例关系。

2 变频调速

2.1 变频调速原理

式中n为电动机转速；n0为电动机定子旋转磁场转速；s为转差率（转子转速落后旋转磁场转速的比率）；f为定子电源频率；p为定子磁极对数。由（1）可知：三相异步电动机转子转速由定子电源频率、磁极对数及转差率决定。要想改变电动机的转速只要改变定子电源频率、磁极对数及转差率即可达到调速的目的。

2.2 变频调速基本控制方式

三相异步电动机的电源额定频率称为基频。变频调速时可以从基频向上调，也可以从基频向下调，这两种情况下的控制方式是不同的。

2.2.1 基频向下的变频调速：电源频率降低，如果保持电压不变，主磁通将增加，使励磁电流增加使励磁绕组过热；同时磁路处于过饱和状态，铁芯损耗急剧增加导致电动机过热。这都将造成电动机绕组老化甚至烧毁。所以在向下调节电源频率的同时应配合向下调节电源电压并保持U/f=常数，才能使电动机保持一个良好的运行特性。

2.2.2 基频向上的变频调速：电源频率升高，如果保持电压不变，主磁通将减少，由于电动机电磁转矩与磁通成正比关系，所以电动机输出的转矩将随电源频率升高反比下降。对于鼠笼式三相异步电动机都采用从基频向下的变频调速，而不采用基频向上的变频调速。

3 变频器

实现三相异步电动机的变频调速关键是要有一套能同时改变电源电压及频率的供电装置，可以将电压和频率固定不变的工频交流电转变成电压和频率可变的交流电，该装置称为变频器。

3.1 变频器

是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另外频率和电压值的电能控制装置。变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。通过改变电源的频率来达到改变电源电压的目的，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。

3.2 变频器硬件结构

3.2.1 主电路：是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分。变频器的主电路大体上可分为两类：电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。（1）整流器：最近大量使用的是二极管的变流器，它把工频电源变换为直流电源。也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转；（2）平波回路：在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉动电压（电流）。装置容量小时，如果电源和主电路构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波回路；（3）逆变器：同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。

3.2.2 控制电路：是给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，它有频率、电压的“运算电路”，主电路的”电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的”驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。（1）运算电路：将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率；（2）电压、电流检测电路：与主回路电位隔离检测电压、电流等；（3）驱动电路：驱动主电路器件的电路。它与控制电路隔离使主电路器件导通、关断；（4）速度检测电路：以装在异步电动机轴机上的速度检测器的信号为速度信号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转；（5）保护电路：检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损坏，使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。

4 结束语

变频器不但可以用于调速，还可以用于三相异步电动机的软启动。由于三相异步电动机旋转磁场速度与交流电频率成正比例关系，低频启动降低了旋转磁场速度，即降低了磁场切割转子的速度，所以降低了电动机的启动电流。变频调速以显著的节电效果、优良的调速特性及广泛的实用性正逐渐取代传统的调速方法，成为是现代交流调速技术的主要方向。

参考文献

[1]杨宗豹.电机及拖动基础[M].冶金工业出版社，2003.

[2]许晓峰.电机及拖动基础[M].高等教育出版社，2000.