问变频电机工作原理与应用

1 变频器的工作原理 我们知道，交流电动机的同步转速表达式位： n ＝ 60 f(1 － s)/p (1) 式中 n——— 异步电动机的转速； f——— 异步电动机的频率； s——— 电动机转差率； p——— 电动机极对数。 由式 (1) 可知，转速 n 与频率 f 成正比，只要改变频率 f 即可改变电动机的转速，当频率 f 在 0 ～ 50Hz 的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。 2 变频器控制方式 低压通用变频输出电压为 380 ～ 650V ，输出功率为 0.75 ～ 400kW ，工作频率为 0 ～ 400Hz ，它的主电路都采用交 — 直 — 交电路。其控制方式经历了以下四代。 2.1U/f=C 的正弦脉宽调制（ SPWM ）控制方式 其特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。但是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差等。因此人们又研究出矢量控制变频调速。 2.2 电压空间矢量（ SVPWM ）控制方式 它是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形，以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。经实践使用后又有所改进，即引入频率补偿，能消除速度控制的误差；通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流闭环，以提高动态的精度和稳定度。但控制电路环节较多，且没有引入转矩的调节，所以系统性能没有得到根本改善。 2.3 矢量控制（ VC ）方式 矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流 Ia 、 Ib 、 Ic 、通过三相－二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流 Ia1Ib1 ，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流 Im1 、 It1 （ Im1 相当于直流电动机的励磁电流； It1 相当于与转矩成正比的电枢电流），然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。

三相异步电动机工作原理：三相异步电动机转子的转速低于旋转磁场的转速，转子绕组因与磁场间存在着相对运动而感生电动势和电流，并与磁场相互作用产生电磁转矩，实现能量变换。与单相异步电动机相比，三相异步电动机运行性能好，并可节省各种材料。按转子结构的不同，三相异步电动机可分为笼式和绕线式两种。笼式转子的异步电动机结构简单、运行可靠、重量轻、价格便宜，得到了广泛的应用，其主要缺点是调速困难。绕线式三相异步电动机的转子和定子一样也设置了三相绕组并通过滑环、电刷与外部变阻器连接。调节变阻器电阻可以改善电动机的起动性能和调节电动机的转速。变频电机工作原理： 变频电机采用“专用变频感应电动机+变频器”的交流调速方式，使机械自动化程度和生产效率大为提高设备小型化、增加舒适性，目前正取代传统的机械调速和直流调速方案。变频电机工作原理：　 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一频率的电能控制装置。我们现在使用的变频器主要采用交—直—交方式（vvvf变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为igbt三相桥式逆变器，且输出为pwm波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。直流电动机的工作原理 如果直流电机的转子不用原动机拖动，而把它的电刷a、b接在电压为u的直流电源上（如图2所示），那么会发生什么样的情况呢？从图上可以看出，电刷a是正电位，b是负电位，在n极范围内的导体ab中的电流是从a流向b，在s极范围内的导体cd中的电流是从c流向d。前面已经说过，载流导体在磁场中要受到电磁力的作用，因此，ab和cd两导体都要受到电磁力fde的作用。根据磁场方向和导体中的电流方向，利用电动机左手定则判断，ab边受力的方向是向左，而cd边则是向右。由于磁场是均匀的，导体中流过的又是相同的电流，所以，ab边和cd边所受电磁力的大小相等。这样，线圈上就受到了电磁力的作用而按逆时针方向转动了。当线圈转到磁极的中性面上时，线圈中的电流等于零，电磁力等于零，但是由于惯性的作用，线圈继续转动。线圈转过半州之后，虽然ab与cd的位置调换了，ab边转到s极范围内，cd边转到n极范围内，但是，由于换向片和电刷的作用，转到n极下的cd边中电流方向也变了，是从d流向c，在s极下的ab边中的电流则是从b流向a。因此，电磁力fdc的方向仍然不变，线圈仍然受力按逆时针方向转动。可见，分别处在n、s极范围内的导体中的电流方向总是不变的，因此，线圈两个边的受力方向也不变，这样，线圈就可以按照受力方向不停的旋转了，通过齿轮或皮带等机构的传动，便可以带动其它工作机械。

高压电机要实现调速，主要采用三种方式：（1）液力耦合器方式。即在电机和负载之间串入一个液力耦合装置，通过液面的高低调节电机和负载之间耦合力的大小，实现负载的速度调节；（2）串级调速。串级调速必须采用绕线式异步电动机，将转子绕组的一部分能量通过整流、逆变再送回到电网，这样相当于调节了转子的内阻，从而改变了电动机的滑差；由于转子的电压和电网的电压一般不相等，所以向电网逆变需要一台变压器，为了节省这台变压器，现在国内市场应用中普遍采用内馈电机的形式，即在定子上再做一个三相的辅助绕组，专门接受转子的反馈能量，辅助绕组也参与做功，这样主绕组从电网吸收的能量就会减少，达到调速节能的目的。（3）高低方式。由于当时高压变频技术没有解决，就采用一台变压器，先把电网电压降低，然后采用一台低压的变频器实现变频；对于电机，则有两种办法，一种办法是采用低压电机；另一种办法，则是继续采用原来的高压电机，需要在变频器和电机之间增加一台升压变压器。 上述三种方式，发展到目前都是比较成熟的技术。液力耦合器和串级调速的调速精度都比较差，调速范围较小，维护工作量大，液力耦合器的效率相比变频调速还有一定的差距，所以这两项技术竞争力已经不强了。至于高低方式，能够达到比较好的调速效果，但是相比真正的高压变频器，还有如下缺点：效率低，谐波大，对电机的要求比较严格，功率较大时（500KW以上），可靠性较低。高低方式的主要优势在于成本较低。 (1) 市场普遍接受。如果在5年以前推广高压变频器，一般还要给用户讲解其原理，为什么要使用它。但是现在，经过众多厂家的共同努力，和市场使用效果的宣传，用户已经普遍接受高压变频器，只是在众多厂家中选择谁的问题。 (2) 业绩很重要。高压变频器一般功率较大，都使用在非常关键的部位。所以用户对产品的可靠性是最关心的。考查可靠性的最好办法，就是去已经使用的用户那里去了解情况，这样的用户越多，说服力就越强. (3) 服务的重要性不容忽视。高压变频器是大功率的电子设备，在使用中，总会遇到一些问题，高压变频器工作的场合又非常关键，因此，对用户的及时服务是非常重要的。服务是维持用户关系的非常重要的方面。如果服务不到位，或者像有些国外厂家，服务和备件的价格较高，都会影响用户的选择。 (4) 现场的适应性非常重要。一般的高压变频器开发厂家，在自己的实验室里，都很难完全模仿用户现场的情况，所以，产品设计的灵活性怎么样，到了现场遇到问题能否尽快解决，都是非常重要的。由于耗电量大，负载又非常重要，用户往往不希望设备较长时间的试运行，所以，产品设计不严谨，一旦遇到问题，就非常难以解决。近年来，许多厂家的产品裹足不前，就是这个原因。 (5) 价格进一步下降。由于激烈的竞争，以及后来者为了夺取业绩而不得已采用的低价策略，高压变频器的价格下降很快，在某些项目上，一些竞争厂家报出的价格甚至低于成本价。 随着技术的进步，高压变频器除了在已有的市场上继续扩大规模外，还将进一步扩展应用的领域，对于很多负载，还需要解决变频器的工程应用上的问题。总之，高压变频器正在迎来发展的黄金时期。