交流變頻調(diào)速的原理及其應(yīng)用

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(jí)調(diào)速、串級(jí)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(guó)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(jí)調(diào)速功能。目前在國(guó)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(chǎng)，它與轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，出現(xiàn)感應(yīng)電流，此電流與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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(chǎng)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(duì)數(shù)。當(dāng)p=1時(shí)，n1=3000r/min；p=2時(shí)，n1=1500r/min?？梢姶艠O對(duì)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(chǎng)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）

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(duì)于成品電機(jī)，其磁極對(duì)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(jiǎn)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。