变频调速的原理

1、1 变频调速的原理21异步电机的静态等效电路 根据电机学原理，在下述三个假定条件下：忽略空间和时间谐波，忽略磁饱和，忽略铁损，异步电机的稳态等效电路示于图一。 图一 异步电机T形等效电路Rs、Rr 定子每相电阻和折合到定子侧的转子每相电阻；Lls、Llr 定子每相漏感和折合到定子侧的转子每相漏感；Lm定子每相绕组产生气隙主磁通的等效电感，即励磁电感；Us、w1 定子相电压和供电角频率；s 转差率。由图可以导出 （2-1）式中 （2-2）令电磁功率 （2-3）则异步电机的机械特性： （2-4）22变频调速的基本原理交流电动机的同步转速可以表示为： （2-5）式中-交流电动机的同步转速；f-交流电

2、动机定子绕组的宫殿频率；p-交流电动机定子绕组的磁极对数。根据异步电动机转差率的定义： （2-6）可知交流异步电动机的转速为： （2-7）由（2-6）（2-7）可知，如果均匀的改变交流电动机定子绕组的供电频率，电动机的同步转速就可以平滑的改变，从而电动机的转速也可以平滑的改变，这样就实现了对电动机转速的调节和控制。变频调速被人们公认为具有高效率，高精度和款调速范围的调速性能，因此是交流电动机的一种比较理想的调速方法。23变频调速的控制方式 （2-8）式中：Eg 气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值，单位为V；f1定子频率，单位为Hz；Ns定子每相绕组串联匝数；kNs基波绕组系数；Fm每极气隙

3、磁通量，单位为Wb。 基频以下调速：绕组中的感应电动势是难以直接控制的，当电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压 Us Eg，则得，这就是恒压频比的控制方式。但是，在低频时 Us 和 Eg 都较小，定子阻抗压降所占的份量就比较显著，不再能忽略。这时，需要人为地把电压 Us 抬高一些，以便近似地补偿定子压降。带定子压降补偿的恒压频比控制特性示于图二中的 b 线，无补偿的控制特性则为a 线。 图二 恒压频比控制特性 图三 异步电机变压变频调速的控制特性 基频以上调速：频率从向上升高，受到电动机绝缘耐压和磁路饱和的限制，定子电压不能随之升高，最多只能保持额定电压不变，这将导

4、致磁通与频率成反比的降低，使得异步电动机工作在弱磁状态。把基频以下和基频以上两种情况的控制特性画在一起。如图三。3变频调速的方法举例31基于SVPWM的交流电机变频调速系统的介绍在交流调速领域中,随着高开关频率的功率器件(如IGBT、MOSFET等)出现,脉宽调制(PWM)技术取代了老式相控技术,一跃占据了主导地位。在众多PWM技术中,电压空间矢量PWM(也称为磁链跟踪PWM)调制具有比较显著的优点:电流谐波少,转矩脉动小,噪声低。SVPWM的基本原理：在交流电机变压变频调速系统中,三相电压型逆变器可等效成由图四所示的6个开关元件组成,电机的相电压和线电压依赖于它所对应的逆变器桥臂上下6个功率

5、开关的状态,根据SA、SB、SC为0或1可以组合8个状态,这8种工作状态可相应表示为8个矢量称作基本空间电压矢量,根据其相位分别命名为，其中，为零矢量。把他们映射到Park复平面下，就可以得到空间矢量图，如图五所示。 图四 逆变器-电动机等效电路图 图五 三相电压型逆变器的基本空间电压矢量 SVPWM通常有硬件实现和软件实现两种方法,硬件实现是通过DSP内置的SVPWM状态机,编程简单,易于实现,但输出线电压的谐波含量大。软件方法是通过常规的比较功能实现,输出电压谐波含量小,是目前最为常用方法。目前最流行的是七段式空间电压矢量PWM波形,它由3段零矢量和4段相邻的非零矢量组成,3段零矢量分别位

6、于PWM波的开始、中间和结尾。 32矢量控制在异步电动机变频调速中的应用介绍 矢量控制基本设想：根据一个三相交流的磁场系统和一个旋转体上的直流磁场系统，以两相系统作过渡，可以相互进行等效变换的原理，所以将变频器的给定信号变换成类似直流电动机磁场系统的控制信号，也就是说，假设有两个互相垂直的直流绕组同处于一个旋转体上，两个绕组中分别独立地通入由给定信号分解而得的励磁电流信号和转矩电流信号，并且和作为基本控制信号，则通过等效变换，可以得到与基本控制信号等效的三相交流控制信号、去控制逆变电路。对于电动机在运行过程中的三相交流系统的数据，又可以等效变换成两个互相垂直的直流信号，反馈到给定控制部分，用以

7、修正基本控制信号和。进行矢量控制时，可以和直流电动机一样，使其中一个磁场电流信号不变，而控制另一个磁场电流信号，从而获得和直流电动机类似的控制功能。基本框图如图六： 图六 控制反馈图给定控制器将信号分解成两个相互垂直且独立的直流信号和，然后通过直/交变换将和变换成两相直流电流信号i1和i2，又经过2/3变换，得到三相交流控制信号、，去控制逆变桥。电流反馈用于反映负载的状况，使直流信号的转矩分量能随负载而变，从而模拟出类似于直流电动机的工作状况。速度反馈用于反映拖动系统的实际转速和给定值之间的差异，并使之以最快的速度进行校正，从而提高系统的动态特性。4变频调速的应用问题 目前，交流拖动控制系统的

8、应用领域主要有下面三个方面：1）一般性能调速和节能调速；2）高性能的交流调速系统和伺服系统；3）特大容量，极高转速的交流调速。41变频器运行时对普通异步电机的影响普通异步电动机在用变频器进行调速时，由于供电系统中电压除基波外不可避免含有高次谐波分量，以及电动机运行速度范围的扩大，运行过程中，普通异步电动机存在以下问题：1、电动机的效率问题：使用变频调速，虽然综合效率提高，但电机效率有所下降。不论哪种形式的变频器，在运行中均产生不同程度的谐波电压和电流，使电动机在非正弦电压、电流下运行，高次谐波会引起电动机定子铜耗、转子铜（铝）耗、铁耗及附加损耗的增加，最为显著的是转子铜（铝）耗。因为异步电动机

9、是以接近于基波频率所对应的同步转速旋转的，因此，高次谐波电压以较大的转差切割转子导条后，便会产生很大的转子损耗。除此之外，因集肤效应所产生的附加铜耗，这些损耗都使得电动机的功率因数和效率变差。2、电动机的温升问题：普通异步电动机因变频器产生的高次谐波，还会使电动机额外发热。3、电动机绝缘强度问题：普通异步电动机用变频器调速时，变频器载波频率约为几千到十几千赫，这就使得电动机定子绕组要承受很高的电压上升率，相当于对电动机施加陡度很大的冲击电压，使电动机的匝间绝缘承受较为严酷的考验。4、电机轴承强度问题：变频宫殿式，产生的轴电压和轴电流会对电机轴承作用，缩短轴承使用寿命；普通异步电动机高频率运转时

10、电机轴承受力增大，需考虑轴承强度。5、谐波电磁噪声与震动:6、电动机对频繁启动、制动的适应能力：采用变频器供电后，电动机可以在很低的频率和电压下以无冲击电流的方式启动，并可利用变频器所供的各种制动方式进行快速制动。42普通电机在变频运行时的注意事项1、尽量采用绝缘等级高的电机：绝缘等级越高，电机绝缘强度越高、允许的工作温度越高，因变频调速产生的温升、绝缘问题影响越小。2、尽量选用强度高、质量好的轴承，并选用专用润滑脂；增加轴承的电气绝缘或者将电机轴通过电刷接地，或设法隔断轴电流的回路，如采用陶瓷滚子轴承或实现轴承室绝缘，减小轴电流对电机轴承的影响。3、普通电机在变频状态下工作，频率调整不要过于

11、频繁，应根据电机极对数，在适当的频率范围内对普通异步电动机进行频率调整：2极为2065Hz范围长期运行，4极为2575Hz范围长期运行，6极为3085Hz范围长期运行，8极为35100Hz范围长期运行。5结论本文介绍了交流变频调速的发展概述，基本原理，应用领域，具体方法举例，和应用注意事项。随着电力电子技术，控制技术和计算机技术的发展，交流调速系统已逐步普及，打破了以往直流调速系统一统高性能调速天下的格局。参考文献陈伯时.电力拖动自动控制系统运动控制系统M.4版.北京：机械工业出版社，2010.牛鸿.关于交流电动机变频调速的一些探讨J.变频器世界，2010，（08）.李晶.矢量控制在异步电动机变频调速的应用J.