交流變頻調(diào)速的原理及其應(yīng)用

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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，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，是自動化電力傳動的發(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

　　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），俗稱鼠籠型電動機(jī)。當(dāng)在定子繞組上接入三相交流電時，在定子與轉(zhuǎn)子之間的空氣隙內(nèi)產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場，它與轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生相對運(yùn)動，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，使電動機(jī)轉(zhuǎn)動起來。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，n1=3000r/min；p=2時，n1=1500r/min。可見磁極對數(shù)p越多，轉(zhuǎn)速n1越慢。

　　轉(zhuǎn)子的實際轉(zhuǎn)速n比磁場的同步轉(zhuǎn)速n1要慢一點，所以稱為異步電機(jī)，這個差別用轉(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)動瞬間，n=0，這時s=1；起動后的極端情況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1三相異步電動機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖 ?????????????????????? 圖2籠型電動機(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，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)動異步電機(jī)，實現(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)載的變化實現(xiàn)自動、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，具有效率高、范圍寬、精度高且能無級變速的優(yōu)點，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)仍采用單臺異步電機(jī)作傳動動力源，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、滑差調(diào)速或直流調(diào)速等，但都有缺點，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)布等各傳動部分同步協(xié)調(diào)運(yùn)行。系統(tǒng)在起動前，指令信號已經(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單元的方法，效果也很好。