交流变频调速电机原理.docx

1、交流变频调速电机原理交流变频调速电机原理交流变频调速基本原理一异步电动机概述1异步电动机旋转原理 异步电动机的电磁转矩是由定子主磁通和转子电流相互作用产生的。 磁场以n 0转速顺时针旋转，转子绕组切割磁力线，产生转子 电流 通电的转子绕组相对磁场运动，产生电磁力 电磁力使转子绕组以转速n旋转，方向与磁场旋转方向相同2旋转磁场的产生旋转磁场实际上是三个交变磁场合成的结果。这三个交变磁场应满足： 在空间位置上互差2/3 rad电度角。这一点，由定子三相绕组的布置来保证前面讲在空间位置上互差2/3 rad电度角的三相绕组通以在时间上互差2/3 rad相位角（或1/3周期）三相交变电流可产生旋转磁场，

2、同样，在空间位置上互差/2 rad电度角的两相绕组通以在时间上互差/2 rad相位角（或1/2周期）两相交变电流也可产生旋转磁场。下图中，电容C的作用就是把一相电流移相，以产生两相在时间上互差/2 rad相位角（或1/2周期）交变电流，在空间位置上互差/2 rad电度角的两相绕组是由风机的内部结构来保证的。 转子变电阻调速 当定子电压一定时，电机主磁通不变，若减小定子电阻，则转子电流增大，转子受到的电磁力增大，转差率减小，转速降低；同理增大定子电阻，转速增加。 转子变电阻调速的优点是设备和线路简单，投资不高，但其机械特性较软，调速范围受到一定限制，且低速时转差功率损耗较大，效率低，经济效益差。

3、目前，转子变电阻调速只在一些调速要求不高的场合采用。电磁转差离合器调速 异步电动机电磁转差离合器调速系统以恒定转速运转的异步电动机为原动机，通过改变电磁转差离合器的励磁电流进行速度调节。 电磁转差离合器由电枢和磁极两部分组成，二者之间没有机械的联系，均可自由旋转。离合器的电枢与异步电动机转子轴相连并以恒速旋转，磁极与工作机械相连。 电磁转差离合器的工作原理是：如果磁极内励磁电流为零，电枢与磁极间没有任何电磁联系，磁极与工作机械静止不动，相当于负载被“脱离”；如果磁极内通入直流励磁电流，磁极即产生磁场，电枢由于被异步电动机拖动旋转，因而电枢与磁极间有相对运动而在电枢绕组中产生电流，并产生力矩，磁

4、极将沿着电枢的运转方向而旋转，此时负载相当于被“合上”，调节磁极内通入的直流励磁电流，就可调节转速。 电磁转差离合器调速的优点是控制简单，运行可靠，能平滑调速，采用闭环控制后可扩大调速范围，运用于通风类或恒转矩类负载；其缺点是低速时损耗大，效率低。串极调速 前面介绍的定子调压调速、转子变电阻调速、电磁转差离合器调速均存在着转差功率损耗较大、效率低的问题，是很大的浪费。如何能够将消耗于转子电阻上的功率利用起来，同时又能提高调速性能？串极调速就是在这样的指导思想下提出来的。 串极调速的基本思想是将转子中的转差功率通过变换装置加以利用，以提高设备的效率。 串极调速的工作原理实际上是在转子回路中引入了

5、一个与转子绕组感应电动势频率相同的可控的附加电动势，通过控制这个附加电动势的大小，来改变转子电流的大小，从而改变转速。见下图。 串极调速具有机械特性比较硬、调速平滑、损耗小、效率高等优点，便于向大容量发展，但它也存在着功率因素较低的缺点。3改变频率f （变频调速）当极对数p不变时，电动机转子转速与定子电源频率成正比，因此，连续的改变供电电源的频率，就可以连续平滑的调节电动机的转速。异步电动机变频调速具有调速范围广、调速平滑性能好、机械特性较硬的优点，可以方便的实现恒转矩或恒功率调速，整个调速特性与直流电动机调压调速和弱磁调速十分相似，并可与直流调速相比美。二异步电动机变频调速1变频器与逆变器、

6、斩波器变频调速是以变频器向交流电动机供电，并构成开环或闭环系统。变频器是把固定电压、固定频率的交流电变换为可调电压、可调频率的交流电的变换器，是异步电动机变频调速的控制装置。逆变器是将固定直流电压变换成固定的或可调的交流电压的装置（DCAC变换）。将固定直流电压变换成可调的直流电压的装置称为斩波器（DCDC变换）。2变压变频调速（VVVF）在进行电机调速时，通常要考虑的一个重要因素是，希望保持电机中每极磁通量为额定值，并保持不变。如果磁通太弱，即电机出现欠励磁，将会影响电机的输出转矩，由TMKT M I 2 COS 2 (式中 TM ：电磁转矩， M ：主磁通，I 2 ：转子电流，COS 2

7、：转子回路功率因素，KT ：比例系数)，可知，电机磁通的减小，势必造成电机电磁转矩的减小。由于电机设计时，电机的磁通常处于接近饱和值，如果进一步增大磁通，将使电机铁心出现饱和，从而导致电机中流过很大的励磁电流，增加电机的铜损耗和铁损耗，严重时会因绕组过热而损坏电机。因此，在改变电机频率时，应对电机的电压进行协调控制，以维持电机磁通的恒定。为此，用于交流电气传动中的变频器实际上是变压（Variable Voltage，简称VV）变频（Variable Frequency，简称VF）器，即VVVF。所以，通常也把这种变频器叫作VVVF装置或VVVF。根据异步电动机的控制方式不同，变压变频调速可分为

8、恒定压频比（V/F）控制变频调速、矢量控制（FOC）变频调速、 直接转矩控制变频调速等。3变频器分类从变频器主电路的结构形式上可分为交直交变频器和交交变频器。交直交变频器首先通过整流电路将电网的交流电整流成直流电，再由逆变电路将直流电逆变为频率和幅值均可变的交流电。交直交变频器主电路结构如下图。 交交变频器把一种频率的交流电直接变换为另一种频率的交流电，中间不经过直流环节，又称为周波变换器。它的基本结构如下图所示。 常用的交交变频器输出的每一相都是一个两组晶闸管整流装置反并联的可逆线路。正、反向两组按一定周期相互切换，在负载上就获得交变的输出电压u 0。输出电压u 0的幅值决定于各组整流装置的

9、控制角，输出电压u 0的频率决定于两组整流装置的切换频率。如果控制角一直不变，则输出平均电压是方波，要的到正弦波输出，就在每一组整流器导通期间不断改变其控制角。对于三相负载，交交变频器其他两相也各用一套反并联的可逆线路，输出平均电压相位依次相差120。交交变频器由其控制方式决定了它的最高输出频率只能达到电源频率的1/31/2，不能高速运行，这是它的主要缺点。但由于没有中间环节，不需换流，提高了变频效率，并能实现四象限运行，因而多用于低速大功率系统中，如回转窑、轧钢机等。从变频电源的性质上看，可分为电压型变频器和电流型变频器。对交直交变频器，电压型变频器与电流型变频器的主要区别在于中间直流环节采

10、用什么样的滤波器。电压型变频器的主电路典型形式如下图。在电路中中间直流环节采用大电容滤波，直流电压波形比较平直，使施加于负载上的电压值基本上不受负载的影响，而基本保持恒定，类似于电压源，因而称之为电压型变频器。 电压型变频器逆变输出的交流电压为矩形波或阶梯波，而电流的波形经过电动机负载滤波后接近于正弦波，但有较大的谐波分量。由于电压型变频器是作为电压源向交流电动机提供交流电功率，所以主要优点是运行几乎不受负载的功率因素或换流的影响；缺点是当负载出现短路或在变频器运行状态下投入负载，都易出现过电流，必须在极短的时间内施加保护措施。电流型变频器与电压型变频器在主电路结构上基本相似，所不同的是电流型

11、变频器的中间直流环节采用大电感滤波，见下图，直流电流波形比较平直，使施加于负载上的电流值稳定不变，基本不受负载的影响，其特性类似于电流源，所以称之为电流型变频器。 电流型变频器逆变输出的交流电流为矩形波或阶梯波，当负载为异步电动机时，电压波形接近于正弦波。电流型变频器的整流部分一般采用相控整流，或直流斩波，通过改变直流电压来控制直流电流，构成可调的直流电源，达到控制输出的目的。电流型变频器由于电流的可控性较好，可以限制因逆变装置换流失败或负载短路等引起的过电流，保护的可靠性较高，所以多用于要求频繁加减速或四象限运行的场合。一般的交交变频器虽然没有滤波电容，但供电电源的低阻抗使它具有电压源的性质

12、，也属于电压型变频器。也有的交交变频器用电抗器将输出电流强制变成矩形波或阶梯波，具有电流源的性质，属于电流型变频器。交直交变频器根据VVVF调制技术不同，分为PAM和PWM两种。PAM是把VV和VF分开完成的，称为脉冲幅值调制（Pulse Amplitude Modulation）方式，简称PAM方式。PAM调制方式又有两种：一种是调压采用可控整流，即把交流电整流为直流电的同时进行相控整流调压，调频采用三相六拍逆变器，这种方式结构简单，控制方便，但由于输入环节采用晶闸管可控整流器，当电压调得较低时，电网端功率因素较低，而输出环节采用晶闸管组成的三相六拍逆变器，每周换相六次，输出的谐波较大。其基

13、本结构见图a；另一种是采用不控整流、斩波调压，即整流环节采用二极管不控整流，只整流不调压，再单独设置PWM斩波器，用脉宽调压，调频仍采用三相六拍逆变器，这种方式虽然多了一个环节，但调压时输入功率因素不变，克服了上面那种方式中输入功率因数低的缺点。而其输出逆变环节未变，仍有谐波较大的问题。其基本结构见图b。PWM是将VV与VF集中于逆变器一起来完成的，称为脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation）方式，简称PWM方式。PWM调制方式采用不控整流，则输入功率因素不变，用PWM逆变同时进行调压和调频，则输出谐波可以减少。其基本结构见图c。 在VVVF调制技术发展的早期均采用PAM方

14、式，这是由于当时的半导体器件是普通晶闸管等半控型器件，其开关频率不高，所以逆变器输出的交流电压波形只能是方波。而要使方波电压的有效值随输出频率的变化而改变，只能靠改变方波的幅值，即只能靠前面的环节改变中间直流电压的大小。随着全控型快速半导体开关器件BJT、IGBT、GTO等的发展，才逐渐发展为PWM方式。由于PWM方式具有输入功率因数高、输出谐波少的优点，因此在中小功率的变频器中，几乎全部采用PWM方式，但由于大功率、高电压的全控型开关器件的价格还较昂贵，所以为降低成本，在数百千瓦以上的大功率变频器中，有时仍需要使用以普通晶闸管为开关器件的PAM方式。三变压变频协调控制前面讲在进行电机调速时，

15、为保持电动机的磁通恒定，需要对电机的电压与频率进行协调控制。那么应该怎样对电机的电压与频率进行协调控制呢？对此，需要考虑基频（额定频率）以下和基频以上两种情况。基频，即基本频率f 1，是变频器对电动机进行恒转矩控制和恒功率控制的分界线，应按电动机的额定电压（指额定输出电压，是变频器输出电压中的最大值，通常它总是和输入电压相等）进行设定，即在大多数情况下，额定输出电压就是变频器输出频率等于基本频率时的输出电压值，所以，基本频率又等于额定频率f N（即与电动机额定输出电压对应的频率）。异步电动机变压变频调速时，通常在基频以下采用恒转矩调速，基频以上采用恒功率调速。1基频以下调速在一定调速范围内维持磁通恒定，在相同的转矩相位角的条件下，如果能够控制电机的电流为恒定，即可控制电机的转矩为恒定，称为恒转矩控制，即电机在速度变化的动态过程中，具有输出恒定转矩的能力。由于恒定U 1 / f 1控制能在一定调速范围内近似维持磁通恒定，因此恒定U 1 / f 1控制属于恒转矩控制。严格地说，只有控制E g / f 1 恒定才能控制电机的转矩为恒定。 恒定气隙磁通 M控制（恒定E g / f 1控制）根据异步电动机定子的感应电势 E g =4.44 f 1 N 1 K N1 M （式中 E g为气隙磁通在每相