交流變頻調(diào)速的原理及其應(yīng)用

PrincipleandIt'sApplicationaboutACFrequencyConversionGovernor

摘要：闡述交流異步電機(jī)采用變頻調(diào)速技術(shù)的工作原理及特點(diǎn)，說明其電路結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)組成。并以地毯背涂機(jī)為例介紹在地毯制造業(yè)上的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：變頻交流調(diào)速

1引言

　　交流異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方式有多種，諸如調(diào)壓調(diào)速、變級調(diào)速、串級調(diào)速、滑差調(diào)速等，而變頻調(diào)速優(yōu)于上述任何一種調(diào)速方式，是當(dāng)今國際上廣泛采用的效益高、性能好、應(yīng)用廣的新技術(shù)。它采用微機(jī)控制、電力電子技術(shù)及電機(jī)傳動(dòng)技術(shù)取得工業(yè)交流異步電機(jī)的無級調(diào)速功能。目前在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用，是自動(dòng)化電力傳動(dòng)的發(fā)展方向。

　　交流變頻調(diào)速技術(shù)已經(jīng)成熟。高壓大功率變頻器（幾千V，數(shù)千kW）已在大容量風(fēng)機(jī)、高壓水泵等電機(jī)上應(yīng)用。低壓小功率（幾百V，幾個(gè)kW）變頻器在鼓風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、離心機(jī)、攪拌機(jī)、水泵、機(jī)床，甚至在空調(diào)、洗衣機(jī)等方面被廣泛采用。在紡織工業(yè)方面，用于織布機(jī)、毛紡機(jī)等，本文以地毯背涂機(jī)為例敘述在地毯制造業(yè)上的應(yīng)用。

2基本原理及特點(diǎn)

　　變頻調(diào)速是通過改變電機(jī)定子繞組供電的頻率來達(dá)到調(diào)速的目的。常用三相交流異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)為圖1所示。定子由鐵心及繞組構(gòu)成，轉(zhuǎn)子繞組做成籠型（見圖2），俗稱鼠籠型電動(dòng)機(jī)。當(dāng)在定子繞組上接入三相交流電時(shí)，在定子與轉(zhuǎn)子之間的空氣隙內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場，它與轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)，使轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生感應(yīng)電勢，出現(xiàn)感應(yīng)電流，此電流與旋轉(zhuǎn)磁場相互作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來。電機(jī)磁場的轉(zhuǎn)速稱為同步轉(zhuǎn)速，用n1表示

　　n1=60f/p(r/min)(1)

式中：f——三相交流電源頻率，一般為50Hz。

　　p——磁極對數(shù)。當(dāng)p=1時(shí)，n1=3000r/min；p=2時(shí)，n1=1500r/min?？梢姶艠O對數(shù)p越多，轉(zhuǎn)速n1越慢。

　　轉(zhuǎn)子的實(shí)際轉(zhuǎn)速n比磁場的同步轉(zhuǎn)速n1要慢一點(diǎn)，所以稱為異步電機(jī)，這個(gè)差別用轉(zhuǎn)差率s表示：

　　s=[n1－n）/n1]×100％（2）

　　當(dāng)加上電源轉(zhuǎn)子尚未轉(zhuǎn)動(dòng)瞬間，n=0，這時(shí)s=1；起動(dòng)后的極端情況n=n1，則s=0，即s在0～1之間變化。一般異步電機(jī)在額定負(fù)載下的s=（1～6）％。

綜合式（1）和式（2）可以得出

n=60f（1－s）/p（3）

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圖1三相異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖 ?????????????????????? 圖2籠型電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn) ???????? 子繞組1—銅環(huán)；2—銅條

1—機(jī)座；2—定子鐵心；
3—定子繞組；4—轉(zhuǎn)子鐵心；
5—轉(zhuǎn)子繞組

　　由式（3）可以看出，對于成品電機(jī)，其磁極對數(shù)p已經(jīng)確定，轉(zhuǎn)差率s變化不大，則電機(jī)的轉(zhuǎn)速n與電源頻率f成正比，因此改變輸入電源的頻率就可以改變電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，進(jìn)而達(dá)到異步電機(jī)調(diào)速的目的。

　　但是，為了保持在調(diào)速時(shí)電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩不變，必須維持電機(jī)的磁通量恒定，因此定子的供電電壓也要作相應(yīng)調(diào)節(jié)。變頻器就是在調(diào)整頻率（VariableFrequency）的同時(shí)還要調(diào)整電壓（VariableVoltage），故簡稱VVVF（裝置）。通過電工理論分析可知，轉(zhuǎn)矩與磁通量（最大值）成正比，在轉(zhuǎn)子參數(shù)值一定時(shí)，轉(zhuǎn)矩與電源電壓的平方成正比。

??? 變頻器的工作原理是把市電（380V、50Hz）通過整流器變成平滑直流，然后利用半導(dǎo)體器件（GTO、GTR或IGBT）組成的三相逆變器，將直流電變成可變電壓和可變頻率的交流電，由于采用微處理器編程的正弦脈寬調(diào)制（SPWM）方法，使輸出波形近似正弦波，用于驅(qū)動(dòng)異步電機(jī)，實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速。上述的兩次變換可簡化為AC－DC－AC（交－直－交）變頻方式。

圖3

圖4

圖3給出國產(chǎn)（深圳華為）變頻器的原理圖。圖中各組成部分名稱已經(jīng)標(biāo)出，DSP是微機(jī)編程器。

??? 利用變頻器可以根據(jù)電機(jī)負(fù)載的變化實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、平滑的增速或減速，基本保持異步電機(jī)固有特性轉(zhuǎn)差率小的特點(diǎn)，具有效率高、范圍寬、精度高且能無級變速的優(yōu)點(diǎn)，這對于水泵，風(fēng)機(jī)等設(shè)備是很適用的。

我國應(yīng)用的變頻器，國外產(chǎn)品以日本富士、三菱牌號(hào)較多，***普傳產(chǎn)品也不少，國內(nèi)有西普（西安）、艾倫（上海）、華為（深圳）、艾普斯（天津）等廠家的產(chǎn)品均在推廣應(yīng)用。

3應(yīng)用舉例——變頻器在地毯制造業(yè)上的應(yīng)用

　　地毯背涂機(jī)是地毯生產(chǎn)中常用的設(shè)備，目前國內(nèi)多數(shù)企業(yè)仍采用單臺(tái)異步電機(jī)作傳動(dòng)動(dòng)力源，由機(jī)械聯(lián)接方式運(yùn)行。雖然工作穩(wěn)定，但難以獲得高質(zhì)量加工效果。

　　國外有的采用電液傳動(dòng)、滑差調(diào)速或直流調(diào)速等，但都有缺點(diǎn)，不能適應(yīng)環(huán)境條件（防火、防爆、絨毛粉塵等）要求，而采用變頻器及異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速方式，既便宜，效果又好。圖4給出用變頻器構(gòu)成的地毯背涂機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

　　本系統(tǒng)是同步控制方式，轉(zhuǎn)差率為（1～5）％，轉(zhuǎn)矩曲線較好，地毯背涂膠與進(jìn)布等各傳動(dòng)部分同步協(xié)調(diào)運(yùn)行。系統(tǒng)在起動(dòng)前，指令信號(hào)已經(jīng)設(shè)定，保證涂膠量和進(jìn)布速度協(xié)調(diào)同步及保證出布和進(jìn)布之間有一定的張力調(diào)節(jié)。

　　本系統(tǒng)選用4極電動(dòng)機(jī)，以利考慮電機(jī)的低速轉(zhuǎn)矩特性，與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相匹配。還要求具有線性軟起動(dòng)功能，變頻器選為5.5kW。

　　涂膠輥的負(fù)載特性屬于減速負(fù)載，在負(fù)載區(qū)段，電機(jī)處于發(fā)電再生制動(dòng)狀態(tài)，所以要選擇帶有再生變流的變頻器或者選擇通用變頻器加制動(dòng)單元的方法，效果也很好。