交流变频调速基本原理

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。 ⑴ 磁场以 n0 转速顺时针旋转，转子绕组切割磁力线，产生转子电流 ⑵ 通电的转子绕组相对磁场运动，产生电磁力 ⑶ 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： ⑴ 在空间位置上互差 2π /3 rad 电度角。这一点，由定子三相绕组的布置来保证 ⑵ 在时间上互差 2π /3 rad 相位角（或 1/3 周期） 。这一点，由通入的三相交变电流来保证 3．电动机转速 产生转子电流的必要条件是转子绕组切割定子磁场的磁力线。 因此， 转子的转速 n 必须低于 定子磁场的转速 n0，两者之差称为转差： Δ n＝n0－n 转差与定子磁场转速（常称为同步转速）之比，称为转差率： s＝Δ n/n0 同步转速 n0 由下式决定： n0＝60f/p 式中，f 为输入电流的频率，p 为旋转磁场的极对数。 由此可得转子的转速 n＝60f（1－s）/p 二、异步电动机调速 由转速 n＝60f（1－s）/ p 可知异步电动机调速有以下几方法： 1．改变磁极对数 p （变极调速） 定子磁场的极对数取决于定子绕组的结构。所以，要改变 p，必须将定子绕组制为可以换接 成两种磁极对数的特殊形式。通常一套绕组只能换接成两种磁极对数。 变极调速的主要优点是设备简单、操作方便、机械特性较硬、效率高、既适用于恒转矩调 速，又适用于恒功率调速；其缺点是有极调速，且极数有限，因而只适用于不需平滑调速的 场合。 2．改变转差率 s （变转差率调速） 以改变转差率为目的调速方法有：定子调压调速、转子变电阻调速、电磁转差离合器调速、 串极调速等。 ⑴定子调压调速 当负载转矩一定时，随着电机定子电压的降低，主磁通减少，转子感应电动势减少，转子电 流减少，转子受到的电磁力减少，转差率 s 增大，转速减小，从而达到速度调节的目；同理， 定子电压升高，转速增加。 调压调速的优点是调速平滑，采用闭环系统时，机械特性较硬，调速范围较宽，缺点是低速 时，转差功率损耗较大，功率因素低，电流大，效率低。调压调速既非恒转矩调速，也非恒 功率调速，比较适合于风机泵类特性的负载。 分体机上的室内风机就是利用定子电压调速的方法进行调速的，其调速电路如下图。 根据风机速度的反馈信号，控制晶闸管 SCR 导通的相角，从而控制风机定子的输入电压，以 控制风机的风速。 前面讲在空间位置上互差2π /3rad电度角的三相绕组通以在时间上互差2π /3 rad相位角 （或 1/3 周期）三相交变电流可产生旋转磁场，同样，在空间位置上互差π /2 rad 电度角的两相绕 组通以在时间上互差π /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π /2 rad 相位角（或 1/2 周期）交变电流，在空间位置上互差π /2 rad 电度角的两相绕组是由风机的内部结构来保证 的。 ⑵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。目前，转子变电阻调速只 在一些调速要求不高的场合采用。 ⑶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。 ⑷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。 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。 三．异步电动机变频调速 1．变频器与逆变器、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（DC－AC 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（DC－DC 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 TM＝KTM*I2*COSφ (式中 TM：电磁转矩，Ф ：主磁通，I2：转子电流，COSφ ：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