交流变频调速的原理及其应用

交流变频调速的原理及其应用

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摘要：阐述交流异步电机采用变频调速技术的工作原理及特点，说明其电路结构及系统组成。并以地毯背涂机为例介绍在地毯制造业上的应用。

关键词：变频交流调速

1引言

　　交流异步电动机的调速方式有多种，诸如调压调速、变级调速、串级调速、滑差调速等，而变频调速优于上述任何一种调速方式，是当今国际上广泛采用的效益高、性能好、应用广的新技术。它采用微机控制、电力电子技术及电机传动技术取得工业交流异步电机的无级调速功能。目前在国内外已广泛应用，是自动化电力传动的发展方向。

　　交流变频调速技术已经成熟。高压大功率变频器（几千V，数千kW）已在大容量风机、高压水泵等电机上应用。低压小功率（几百V，几个kW）变频器在鼓风机、压缩机、离心机、搅拌机、水泵、机床，甚至在空调、洗衣机等方面被广泛采用。在纺织工业方面，用于织布机、毛纺机等，本文以地毯背涂机为例叙述在地毯制造业上的应用。

2基本原理及特点

　　变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的。常用三相交流异步电动机的结构为图1所示。定子由铁心及绕组构成，转子绕组做成笼型（见图2），俗称鼠笼型电动机。当在定子绕组上接入三相交流电时，在定子与转子之间的空气隙内产生一个旋转磁场，它与转子绕组产生相对运动，使转子绕组产生感应电势，出现感应电流，此电流与旋转磁场相互作用，产生电磁转矩，使电动机转动起来。电机磁场的转速称为同步转速，用n1表示

　　n1=60f/p(r/min)(1)

式中：f——三相交流电源频率，一般为50Hz。

　　p——磁极对数。当p=1时，n1=3000r/min；p=2时，n1=1500r/min。可见磁极对数p越多，转速n1越慢。

　　转子的实际转速n比磁场的同步转速n1要慢一点，所以称为异步电机，这个差别用转差率s表示：

　　s=[n1－n）/n1]×100％（2）

　　当加上电源转子尚未转动瞬间，n=0，这时s=1；起动后的极端情况n=n1，则s=0，即s在0～1之间变化。一般异步电机在额定负载下的s=（1～6）％。

综合式（1）和式（2）可以得出

n=60f（1－s）/p（3）

图1三相异步电动机结构示意图                        图2笼型电动机的转          子绕组1—铜环；2—铜条

1—机座；2—定子铁心；
3—定子绕组；4—转子铁心；
5—转子绕组

　　由式（3）可以看出，对于成品电机，其磁极对数p已经确定，转差率s变化不大，则电机的转速n与电源频率f成正比，因此改变输入电源的频率就可以改变电机的同步转速，进而达到异步电机调速的目的。

　　但是，为了保持在调速时电机的最大转矩不变，必须维持电机的磁通量恒定，因此定子的供电电压也要作相应调节。变频器就是在调整频率（VariableFrequency）的同时还要调整电压（VariableVoltage），故简称VVVF（装置）。通过电工理论分析可知，转矩与磁通量（最大值）成正比，在转子参数值一定时，转矩与电源电压的平方成正比。

    变频器的工作原理是把市电（380V、50Hz）通过整流器变成平滑直流，然后利用半导体器件（GTO、GTR或IGBT）组成的三相逆变器，将直流电变成可变电压和可变频率的交流电，由于采用微处理器编程的正弦脉宽调制（SPWM）方法，使输出波形近似正弦波，用于驱动异步电机，实现无级调速。上述的两次变换可简化为AC－DC－AC（交－直－交）变频方式。

图3

图4

图3给出国产（深圳华为）变频器的原理图。图中各组成部分名称已经标出，DSP是微机编程器。

    利用变频器可以根据电机负载的变化实现自动、平滑的增速或减速，基本保持异步电机固有特性转差率小的特点，具有效率高、范围宽、精度高且能无级变速的优点，这对于水泵，风机等设备是很适用的。

我国应用的变频器，国外产品以日本富士、三菱牌号较多，***普传产品也不少，国内有西普（西安）、艾伦（上海）、华为（深圳）、艾普斯（天津）等厂家的产品均在推广应用。

3应用举例——变频器在地毯制造业上的应用

　　地毯背涂机是地毯生产中常用的设备，目前国内多数企业仍采用单台异步电机作传动动力源，由机械联接方式运行。虽然工作稳定，但难以获得高质量加工效果。

　　国外有的采用电液传动、滑差调速或直流调速等，但都有缺点，不能适应环境条件（防火、防爆、绒毛粉尘等）要求，而采用变频器及异步电动机调速方式，既便宜，效果又好。图4给出用变频器构成的地毯背涂机系统结构图。

　　本系统是同步控制方式，转差率为（1～5）％，转矩曲线较好，地毯背涂胶与进布等各传动部分同步协调运行。系统在起动前，指令信号已经设定，保证涂胶量和进布速度协调同步及保证出布和进布之间有一定的张力调节。

　　本系统选用4极电动机，以利考虑电机的低速转矩特性，与负载转矩相匹配。还要求具有线性软起动功能，变频器选为5.5kW。

　　涂胶辊的负载特性属于减速负载，在负载区段，电机处于发电再生制动状态，所以要选择带有再生变流的变频器或者选择通用变频器加制动单元的方法，效果也很好。