1、图 1 异步电机转子转动原理Sn e,ifn0 N转子导条论文： 浅析时下各种电器中流行的变频调速技术沈曙光（咸宁职业技术学院 437600）摘要：对时下电机变频调速原理方式的一种分析，使人们从原理方面对一种较新技术作一点了解，从而在很多相关方面都能有所认识到变频调速技术并不神秘。关键词：电机 变频 调速 近几年来只要到家电市场购买家电，常会碰到与电机调速有关的说明，导购员无不眩耀说产品是交流变频调速的，尤其是对于空调的调速方面说得最多，而一般的人们对于什么是变频调速技术并不了解，所以往往被说得无比神秘，其实并不尽然，本文对于这种调速方式进行一个简单的分析和描述:首先，我们要对于电机的工作情况
2、作一个简单的了解。因为多数电机都为交流异步电机，所以我们以异步电机为例。如右图说明异步电机转子转动的原理。当永久磁铁以转速 n0 反时针旋转时，闭合的转子导条因切割磁力线 而产生感应电动势 e，其方向由右手定则判定。由感应电动势 e 产生的感应电流 i 与感应电动势 e 同方向，如图所示。在磁场中的转子导条因带电而受到电磁力 f 的作用，其方向由左手定则判定为反时针方向，该力使电机转子以转速 n 跟着磁铁旋转起来。但是，转子转速 n 一定要小于磁铁转速 n0，因为是带电的转子导条与磁铁之间的相对运动产生了电磁力，这就是“异步”的来历。了解了异步电机的转动原理再来了解异步电机的调速方法，从异步电
3、动机的转速关系式（1）)(60)1(10spfsn可见，要改变异步电动机的转速，可从下列三方面着手：1改变电动机定子绕组的极对数 p，以改变定子旋转磁场的转速 n0，即变极调速；2改变电动机的转差率 s。改变转差率 s 的方法有下列几种：（1）改变加于定子的端电压 U1，为此须用调压器调压。由式 1 可知，电磁转矩与定子的端电压 U1 的平方成正比，当 U1 下降时，电磁转矩、最大转矩和起动转矩均下降更多，其机械特性如图 2-7 所示。由此可见，调压调速只适合于轻载，特别适合风机类负载。（2）改变定子电阻或电抗，为此须在定子中串入外电阻或电抗器；（3）改变转子电阻或电抗，为此采用绕线式电动机，
4、在转子回路中串入外加电阻或电抗。由式 2-6 和 2-7 可见，随着转子回路中外加电阻的增大，最大转矩不变，最大转矩时的转差率 sm增大；起动转矩在一定范围内会增大，机械特性如图 2-8 所示。（4）在转子回路中引入外加电势，即将转子感应电势整流为直流，再将直流逆变为交流，送回到交流电网中去，控制逆变器的逆变角，可改变逆变器的电压，也即改变加于转子回路中的电势，从而实现调速，这种调速方法又称串级调速。3变频调速当电源频率改变时，同步转速 n0 与频率成正比变化，于是电动机的转速 n 也随之改变。下面将详细说明异步电动机变频调速控制特性。以上三种方式都可以达到电机调速的目的，其中前两种是常见的方
5、式，而第三种是近几年才开始流行的，那么为什么现在变频调速最活跃、发展最快呢? 变频调速以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节能效果、广泛的适用范围及其它许多优点，主导交流调速的发展方向。其优异特性主要有：(1) 调速时平滑性好，效率高。低速时，特性静关率较高，相对稳定性好。 (2) 调速范围较大，精度高。 (3) 起动电流低，对系统及电网无冲击，节电效果明显。 (4) 变频器体积小，便于安装、调试、维修简便。 (5) 易于实现过程自动化。 (6) 必须有专用的变频电源，目前造价较高。 (7) 在恒转矩调速时，低速段电动机的过载能力大为降低。所以变频技术现在很流行，但是在变频的同时是
6、不是就直接用来变速呢？实际是不可以的，为什么呢?以下就为变频调速方式的介绍和探讨：从上可知在交流变频中，重点要就要把交流电的频率改变，而用来改变频率是称为是交流变频控制芯片芯片，也叫做变频器。1.变频器是变频调速系统中电动机的供电电源设备，其品质的优劣直接影响到交流调速系统的性能。与一般电源设备不同，为适应电压-频率协调控制的的需要，此类电源设备的输出电压有效值和频率必须同时可调，即必须是一种 VVVF(Variable Voltage Variable Freguency)装置。依装置结构和变频原理不同，变频器分为直接变频器与间接变频器两类。直接变频器亦称交-交变频器，它直接将有效值和频率均
7、固定的交流电压变换为两者均可调的交流电压，其示意图如图（2a)所示。间接变频器亦称交-直-交变频器，它首先将有效值和频率均固定的交流电压变换为直流电压，经滤波后再经逆变器变换为电压和频率均可调的交流电压，其示意图如图（2b)所示。装置中滤波器的作用是为了消除整流器与逆变器间因谐波造成的相互干扰。若采用电容滤波，则变频电源近似为电压源，称为电压源型变频器，如图（3a)所示。电压源型变频器中间直流环节由于采用电容储能，因此直流环节电压值不受负载影响，其主要运行特点是逆变器采用 PWM 技术，既变压，又变频；负载端电压波形为矩形波，电流（2a)直接变频器 （2b)间接变频器交流电源（电压、频率均可调
8、）M3变频器 交流电源（电压、频率均固定）交流电源（电压、频率均固定）交流电源（电压、频率均可调）逆变器 整流器滤波器M3直流电源（3a)电压源型变频器 （3b)电流源型变频器)整流器逆变器 M3L逆变器 整流器M3C接近正弦波；系统响应速度快；同一相上下桥臂功率开关管有直通短路的可能，须采取保护措施；整流器一般采用不控整流，故不能实现能量回馈制动。若采用电感滤波，则变频电源近似为电流源，称为电流源型变频器，如图（3b)所示。电流源型变频器的中间直流环节采用大电感储能，直流电流可近似保持恒定，直流回路呈现高阻抗，相当于电流源。电流源型变频器大多用于大功率的风机、水泵调速控制系统。其特点是可控整
9、流调压、逆变器变频；负载侧电流为矩形波，电压接近正弦波；系统响应慢。2.逆变器是将直流电变换成交流电的变换器。直流变成交流的逆变过程可分为有源逆变和无源逆变。逆变器输出接到交流电网的逆变称为有源逆变，当三相可控整流器满足逆变条件时（如直流电动机负载再生制动时） ，适当改变控制角 （或逆变角 ）的大小，可实现有源逆变。逆变器的输出直接接到交流负载的逆变称为无源逆变，其输出电压和频率均可变，由于这样的逆变器不能再从电网得到换流电压，所以需要设计相应的换流回路或采用有关断能力的功率器件（如 BJT 、 GTO、 MOSFET 及 IGBT 等）来实现换流。通过以上就可以达到变频的目的了，那么为什么变
10、频时要同时变压呢？从电机转速公式来看，在转差率 S 基本不变和电机极对数 P 不变的前提下，只要改变就能改变转速，似乎与电源电压 无关。但事实上，变频调速性能的好坏往往取决于1f 1U电压配合得是否恰到好处。异步电动机是一个机、电、磁综合于一体的整体，它实现机电能量的转换的耦和场是磁场，所以在一些其他物理量参数改变的时候，必须同时关注电机的工作基础，即磁场的变化情况，否则，不但达不到所希望的效果，甚至会损坏电机。由上节给出的异步电机的“T”形等效电路可见，定子漏阻抗 很小，在一般情况)(1jxr下忽略定子漏阻抗压降时，异步电动机定子每相电动势的有效值为：（2）式中： -定子相绕组有效串联匝mw
11、kfEU114. 1wk数-每极气隙磁通量m变频调速时，若把频率 由额定频率 开始向下变化，而保持电压 不变，则由上1fNf1 1U式可知，电机的每极磁通 将增大，电机中的磁密 B 也将增大，所需的励磁电流 也将m mI增加。由于铁磁材料的非线性， 的增加与 的增加是不成比例的。电机的磁化曲线如mI图 4 所示。图中的横坐标是磁场强度 H，纵坐标是磁通密度 B。励磁电流 与磁场强度 HmI成正比，磁通 、电动势 都与磁通密度 B 成正比，所以图中就用一条曲线表示它们之m1E间的关系。为了充分利用铁磁材料，电机设计时都把额定时的磁通 取在磁化曲线的拐mN弯点处。从图中可以看出，若 增加一倍，则m
12、会增大几十倍，相当于电机等效电路中的激磁电mI抗 随 的增大而急剧减小。以致在空载时也会x使励磁电流 大于电机的额定电流 ，且这时的输mINI1入能量全部消耗在电阻 （定子铜耗）及 （铁耗）1rmr上，使电机过热。变频调速时，若把频率 由额定频率 开始向上变化，而保持电压 不变，则电机1fNf1 1U的每极磁通 将下降，由图 4 看出，这时的 与 是基本成比例变化的， 基本不变，mmImx不会出现 过大的问题。但是，电机的转矩与 成比例下降。若要使电机转矩不变，只I有增加电流，这又会使电机过流，且 的降低说明电机的铁心利用不充分，这也不是所m希望的。综上所述，在频率 变化时，若不同时改变电压
13、，则会使电机的磁通 大幅变化，1f 1Um这将使电机运行不正常甚至损坏电机，所以变频的同时必须变压，其较理想的目标是使磁通 基本保持恒定。m二额定频率以下调速时的电压控制方式当频率 在额定频率 以下变化时，常用的电压配合控制方式有如下三种。1fNf11恒压频比控制（ =常数） 。即使 等于常数的控制方式。由式 2 可知，/U1/fU当忽略定子上的漏抗压降时，只要保持 =常数，就能使 基本保持恒定。这种控制1m方式的优点是容易实现，缺点是当频率 逐步降低时，定子电阻 上的压降所占的比重越f 1r来越大，使 的关系被破坏。当频率 较低时，即使保持 =常数，但 比额1UE1/fUm定时的要小许多。因
14、此，在这种控制方式下，异步电动机在低频时的性能很差，基本上不能输出转矩。通常的解决办法是在低频时使变频器的输出电压升高一些，用来补偿定子电阻上的压降，以维持磁通 基本不变。这种方法称“定子压降低频补偿的恒压频比控制” 。m恒压频比控制的控制特性 如图 5 中的 ob 直线段，带定子压降低频补偿的恒压)(1fU频比控制的控制特性 如图 5 中的 ab 直线段。补偿量的大小应视负载的不同而1mNI0 ，HmNB， ，1E图4 异步电机磁化曲线不同。2恒气隙磁通控制（ =常数） 。使气1/fE隙磁通 保持恒定，即使 等于常数。这m种控制方式下能使气隙磁通 保持恒定，然而m电机中的 是难于直接控制的，
15、所能控制的仍是1E变频器的输出电压 。在不同的频率下，用额1U定负载时的电流，由 加上定子漏阻抗压降可算出 ，由此所得到的 曲线将1U)(1f与带定子压降低频补偿的恒压频比控制的 是同一条曲线，如图中的 ab 直线段。)(1f但当负载变化时，如负载较轻时，为使 =常数，则应使 曲线如图 2-中的/E)(1f线段。因此，在一般变频器中，应有一组不同补偿量的 曲线，在不同的负ba 1U载下自动选用不同的曲线。若选用额定负载下的补偿曲线来代替轻载时的补偿曲线，会产生过补偿现象，所补偿的电压大部分用来直接产生励磁，以致电动机的磁化电流大幅增加，使电机在轻载或空载时的电流大于额定电流的反常现象。若选用轻
16、载下的补偿曲线来代替满载时的补偿曲线，则所补偿的电压大部分用来抵消定子漏阻抗压降，而使气隙磁通下降，电机出力减小，严重时无法带动负载。m3恒转子全磁通控制（ =常数） 。若在低频时把电压 的补偿再提高一点，补1/fEr 1U偿掉在转子漏抗上的压降，使 =常数（ 的位置见图 2） 。 与转子产生转矩的磁rr rE通相对应，是气隙磁通 减去转子漏感所产生的磁通，称为“转子全磁通” 。恒转子全磁m通控制可以使异步电机获得与直流电动机相似的机械特性，是高性能交流调速系统追求的目标，它的控制实现就要依赖于“矢量控制”了。三额定频率以下调速时的电压控制方式当变频器的输出频率 高于额定频率 时，若要保持 基
17、本不变，按式（2）的关1fNf1m系，则应使变频器的输出电压 在 的基础上继续升高。但这会遇到两个难题，一是电U动机及元器件一般都是以 为设计目标的，当 时，可能会使电动机及元器件损N11NU坏；二是变频器的直流母线电压一般都是由交流电源经整流得到的，是一个基本不变的值，经逆变桥输出的交流电压最大值也是确定的，要想再升高也是很困难的。这样，不得不使这时的电压值保持最高输出值 。这时的控制特性如图 5 中的 bc 段， = 不变。NU1 1NU图5 异步电机变频调速控制特性b cNf1f， 1Um0NaU1Na)(1fm当 ， = 时，电动机的气隙磁通 将与 成反比例地降低，与直流电1fN1UN
18、m1f动机的弱磁升速情况类似。在转子有功电流 保持不变的情况下（由电机学知，异2cosI步电动机电磁转矩又可表示为 ） ，电动机的电磁转矩与 成正比，KMmem而与 成反比。而这时电动机的电磁功率 基本不变。可见，电动1f 1fMPeme机能输出的最大功率近似不变，故称“近似恒功率调速” 。由以上可以看出在交流变频调速中，在改变电流频率的同时一定同时注意调压，而所谓的最新技术也和原来的变极和变压调速一样只是一种调速方法而矣，虽说有他的优点为，但并不神秘！参考文献： 1韩安荣.通用变频器及其应用（第 2 版）M.北京：机械工业出版社，2000. 2吴忠智，吴加林.变频器应用手册Z.北京： 机械工业出版社，1995. 3项立峥;梁安江 ;张海燕 ;王海祖;宋海发;交流同步电机高压变频调速装置成功投运及技术浅析J;变频器世界;2008 年 01 期4中国变频器网作者简介：沈曙光，通山人，男，1975.1 月生，讲师，咸宁职业技术学院，从事电子电工方面的教学与研究 邮箱：
