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交流變頻調(diào)速的原理及其應(yīng)用 1 引言 交流異步電動機的調(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,，是當今上廣泛采用的效益高、性能好、應(yīng)用廣 的新技術(shù),。

它采用微機控制,、 電力電子技術(shù)及電機傳動技術(shù)取得工業(yè)交流異步電機的無級調(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）已在大容量風機,、 高壓水泵等電機上應(yīng)用。

低壓小功率（幾百 V,，幾個 kW）變頻器在鼓風機,、壓縮機、離心 機,、攪拌機,、水泵、機床,，甚至在空調(diào),、洗衣機等方面被廣泛采用。

在紡織工業(yè)方面,，用于 織布機,、毛紡機等，本文以地毯背涂機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)速是通過改變電機定子繞組供電的頻率來達到調(diào)速的目的,。

常用三相交流異步電 動機的結(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。

當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,，使電動機轉(zhuǎn)動起來,。

電機磁場的轉(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 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,，這個差別用轉(zhuǎn) 差率 s 表示： s=[n1－n）/n1]×100％（2） 當加上電源轉(zhuǎn)子尚未轉(zhuǎn)動瞬間,，n=0，這時 s=1,；起動后的情況 n=n1,，則 s=0，即 s 在 0～1 之間變化,。

一般異步電機在額定負載下的 s=（1～6）％,。

綜合式（1）和式（2）可以得出 n=60f（1－s）/p（3） 圖 1 三相異步電動機結(jié)構(gòu)示意圖 圖 2 籠型電動機的轉(zhuǎn) 子繞組 1—銅環(huán)； 2—銅條 1—機座,；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,，其磁極對數(shù) p 已經(jīng)確定,，轉(zhuǎn)差率 s 變化不大，則 電機的轉(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的同步轉(zhuǎn)速,，

進而達到異步電機調(diào)速的目的。

但是,，為了保持在調(diào)速時電機的轉(zhuǎn)矩不變,，必須維持電機的磁通量恒定，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（ 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 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,，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)標出，DSP 是微機編 程器,。

利用變頻器可以根據(jù)電機負載的變化實現(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,，風機等設(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，中國臺灣普傳產(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,。

變頻器究竟叫 CONVERTER 還是 INVERTER？ ,？

但中文詞典的譯義 不太一樣,，前者譯為轉(zhuǎn)爐(什么是轉(zhuǎn)爐？是能轉(zhuǎn)動的爐子嗎,？還是能轉(zhuǎn)變物質(zhì)特性的爐子,？ 不清楚) ；后者除譯為轉(zhuǎn)爐外,，還譯為 【電工】 變換器/變流器 (是變頻器嗎,？沒說) 。

我 對 CONVERTOR(ER) 的翻譯是“轉(zhuǎn)換器” ,，英文中一般在 CONVERTER 前面還有一個定義詞,， 如 TEMPERATURE CONVERTER(將溫度轉(zhuǎn)換為其他物理量的器件),，MP3 CONVERTER(將其他音 樂文件格式轉(zhuǎn)換為 MP3 格式的軟件)，CURRENCY CONVERTER(將一種貨幣轉(zhuǎn)換為另一種貨幣 的計算器),，BIG5-GB CODE CONVERTER(將繁體字改為簡體字的轉(zhuǎn)碼器),，PDF CONVERTER (PDF 文件格式互換軟件) 等等。

英語系中不單獨將 CONVERTER 定義為變頻器,，而是說 FREQUENCY CONVERTER (頻率轉(zhuǎn)換器) ,。

因為 FREQUENCY CONVERTER (頻率轉(zhuǎn)換器) 不止一 種，所以對變頻器更正式的的英文稱呼是 VARIABLE FREQUENCY DRIVE (可變頻率驅(qū)動器) ,， 簡稱即 VFD,。

再說 INVERTER，英文的含義比較單一,，指一種將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姷难b置,。

中文詞典翻 譯為變極器/逆變器/反用換流器，基本符合愿意,。

不象 CONVERTER 要連用,，英語系中 INVERTER 單獨使用時， 就專指 DC-AC 變流器,； 有時也連用,， POWER INVERTER (大功率 DC-AC 如 變流器) ，LAPTOP BACKLIGHT INVERTER (筆記本電腦背燈 DC-AC 變流器) 等,。

但是許多非英 語系將變頻器也叫做 INVERTER,，這是因為變頻器的主要功率器件也是 DC-AC 變換，符 合 INVERTER 的工作原理,。

因為用的人多了，INVERTER 代表變頻器逐漸被說英語的人群接 受了,。

回到主題,，變頻器應(yīng)該叫做 VARIABLE FREQUENCY DRIVE，簡稱 VFD,；或者叫做 FREQUENCY CONVERTER,；也可叫做 INVERTER；但不能單叫做 CONVERTER,。

YVP 變頻調(diào)速電動機的優(yōu)點 YVP 系列變頻電機專為匹配變頻調(diào)速設(shè)計制造,。

電機采用 F 級絕緣，也可按用戶要求制 成 H 級,，外殼防護等級為 IP44,，也可按用戶要求制成 IP54，冷卻方式有全封閉自扇冷卻 （I11）及全封閉單獨軸流風機冷卻（I16） ,，視用戶需要而定,。

還可加裝光電編碼器,、 測速發(fā)電機等測速裝置和渦流制動器、電磁制動器等制動裝置,，以適應(yīng)不同的使用場合,。

YVP 系列電動機額定電壓為 380V，頻率為 5-200Hz,，也可根據(jù)用戶要求確定額定點的電 壓和頻率,。

中心高 100 及以下 Y 接法，中心高 112 以上為Δ接法,。

采用電磁計算方法,，充分考慮目前 SPWM 技術(shù)和矢量控制變頻器的控制特點， 電機具有起動轉(zhuǎn)矩大,，無須附加起動設(shè)備,，低頻起動電流小，低頻轉(zhuǎn)矩特性無爬行,，恒轉(zhuǎn)矩 調(diào)速范圍寬等優(yōu)點,。

采用繞組分布，有效抑制變頻電源高次諧波的影響,，保證電機具有噪音低,、振 動小、效率高,、過載能力強,、節(jié)能效果明顯等優(yōu)點。

采用優(yōu)質(zhì)電磁線,、的真空浸漆工藝和絕緣工藝,，滿足變頻條件下*的絕緣要求。

優(yōu)質(zhì)軸承和的機械加工工藝以及高精度的轉(zhuǎn)子平衡工藝,，保證在高速下可靠運轉(zhuǎn),。

采用單獨的軸流風機強迫通風，保證了電機低速時*恒轉(zhuǎn)矩運行的可靠性,。

標準化程度高,，便于兩者的互換使用。

變頻電機的主要優(yōu)點在于可以通過改變電源的頻率來控制電機的速度,！ ,！ 從力學的角度來看是普通電機+變頻器切削力大, 但是從經(jīng)濟學角度來是變頻電機切削力好 采用交流變頻調(diào)速電機比直流調(diào)速電機具有顯著的優(yōu)點主要是： （1）調(diào)速容易、節(jié)能,。

（2）交流電機結(jié)構(gòu)簡單,、體積小慣量小，造價低,、容易維修,、內(nèi)用,。

（3）可以擴大容量、實現(xiàn)高轉(zhuǎn)速和高電壓運行,。

（4）可以實現(xiàn)軟啟動,，實現(xiàn)快速制動。

（5）無火花,、防暴,、環(huán)境適應(yīng)能力強。

無極調(diào)速又是自動調(diào)速,。

無極調(diào)速又是自動調(diào)速,。

速又是自動調(diào)速 實現(xiàn)無級調(diào)速，例如,，對直流電機,，用變頻器就不能調(diào)速。

無級調(diào)速一般情況下可以用機械和電氣兩個大類實現(xiàn),。

機械式無極調(diào)速,，可通過液壓控制來實現(xiàn)。

電氣上首先要分對直流電機還是對交流電機調(diào)速（伺服電機,、步進電機還是另類,，先不算） ， 直流電機用直流調(diào)速器控制,，如西門子的 6RA70 等,，交流電機用變頻器控制，如西門子的 MM440 等,。

還有一種方式是對什么電機都有效的,，就是電磁調(diào)速器，加在電機和負載之間,，靠丟轉(zhuǎn)來調(diào) 速,。

還有一種機電類型的。

如液壓傳動無級調(diào)速,，空氣動力無極調(diào)速，生物能無級調(diào)速. 直流電機調(diào)速和變頻器調(diào)速優(yōu)缺點比較,？ 直流電機調(diào)速和變頻器調(diào)速優(yōu)缺點比較,？直流電機調(diào)速是不是比變頻器調(diào)速穩(wěn) 定而成本高些？ 定而成本高些,？  變頻器控制的交流調(diào)速系統(tǒng),，電機的轉(zhuǎn)矩（電流）響應(yīng)速度很快，應(yīng)該是 30ms 以內(nèi)吧（西 門子工程型變頻器給出的參數(shù)） ,；而直流調(diào)速裝置呢,，轉(zhuǎn)矩（電流）給出的響應(yīng)時間是 50ms 以內(nèi)吧（西門子直流調(diào)速器給出的參數(shù)）. 電機＋控制如果是工程型的,，直流便宜，交流貴,； 如果不是工程型的,，是通用型的，那可能就差不多了,。

從使用上,，直流的系統(tǒng)干擾遠遠小于 交流系統(tǒng)，所以運行可靠,；但直流電機需要維護,，交流電機可以基本免維護。

,，低速大轉(zhuǎn)矩的場合,，比如幾百轉(zhuǎn)，幾十轉(zhuǎn)的時候輸出額定轉(zhuǎn)矩的場合,，直流系統(tǒng)優(yōu)勢 明顯,；第二，直流和交流都可以滿足工藝要求,，誰的成本便宜選擇誰,。

當然，如果選擇直流 系統(tǒng)的話,，一定要和用戶溝通并且確認,。

現(xiàn)在的用戶往往不希望選擇直流系統(tǒng)。

所以,，要經(jīng) 過用戶確認,。

第三，做了直流和交流系統(tǒng),，我個人喜歡直流系統(tǒng),，原因很簡單，控制穩(wěn)定可 靠,，且輕易不會對周圍的設(shè)備產(chǎn)生 EMC 的問題,。

而交流系統(tǒng)卻是在此方面很有問題的。

需 要做 N 多工作,。

有時非常棘手,。

趨勢上是交流變頻傳動取代直流， 交流變頻傳動在低轉(zhuǎn)速輸出大轉(zhuǎn)矩的情況下可以加裝減 速機,，實際上直流轉(zhuǎn)動在用于低轉(zhuǎn)速輸出大轉(zhuǎn)矩的情況下,，通常也是裝有減速機的。

隨著變 頻器控制算法的完善，在這個問題上直流并不占有明顯優(yōu)勢了,。

除了 EMC 問題,，在其余問 題上交流變頻傳動多是占優(yōu)或可媲美直流的。

說是這么說,， 但是為什么在鋼鐵企業(yè)交流系統(tǒng)還是不能*取代直流系統(tǒng)呢,？可以算算成本 就知道了。

尤其是 100kW 以上的系統(tǒng),，交流系統(tǒng)的成本比直流系統(tǒng)的成本高得太多了,。

在 兩種系統(tǒng)都能滿足使用要求的前提下，為什么要多花錢呢,？ 同步與異步變頻調(diào)速電機的區(qū)別  同步變頻調(diào)速電機的轉(zhuǎn)子內(nèi)鑲有永磁體,，當電機瞬間起動完畢后，電機轉(zhuǎn)入正常運行,，定子

旋轉(zhuǎn)磁場帶動鑲有永磁體的轉(zhuǎn)子進行同步運行,， 此時電機的轉(zhuǎn)速根據(jù)電機的極數(shù)和電機輸入 轉(zhuǎn)速不受負載和其他因數(shù)影響。

同樣同步變頻調(diào)速電機也附 電源頻率形成嚴格的對應(yīng)關(guān)系,， 加了一個獨立式強迫冷卻風機,， 以適應(yīng)電機在低速運行時的高效散熱和降低電機在高速運行 時的風摩耗。

由于電機的轉(zhuǎn)速和電源頻率的嚴格對應(yīng)關(guān)系,， 使得電機的轉(zhuǎn)速精度主要就取決 于變頻器輸出電源頻率的精度,， 控制系統(tǒng)簡單， 對一臺變頻器控制多臺電機實現(xiàn)多臺電機的 轉(zhuǎn)速一致,，也不需要昂貴的光學編碼器進行閉環(huán)控制,。

TYP 變頻調(diào)速永磁同步電機具有的三大優(yōu)點： 1、高效節(jié)能:與異步變頻調(diào)速電機相比,，高效節(jié)能,。

同規(guī)格相比，該系列電機效率比異 步變頻電機效率高 3~10 個百分點,。

以 1.5kW 為利,，兩者效率差近 7 個百分點； 2,、可調(diào)速:與異步變頻系統(tǒng)相比,，無需編碼器即可進行準確的速度控制； 3,、高功率因數(shù):既可減少無功能量的消耗,，又能降低變壓器的容量 異步變頻調(diào)速電機是由普通異步電機派生而來， 由于要適應(yīng)變頻器輸出電源的特性,， 電 機在轉(zhuǎn)子槽型，絕緣工藝，電磁設(shè)計校核等作了很大的改動,，特別是電機的通風散熱,，它在 一般情況下附加了一個獨立式強迫冷卻風機， 以適應(yīng)電機在低速運行時的高效散熱和降低電 機在高速運行時的風摩耗,。

變頻器的輸出一般顯示電源的輸出頻率,， 轉(zhuǎn)速輸出顯示為電機的 極數(shù)和電源輸出頻率的計算值， 與異步電機的實際轉(zhuǎn)速有很大區(qū)別,， 使用一般異步變頻電動 機時,，由于異步電機的轉(zhuǎn)差率是由電機的制造工藝決定，故其離散性很大,，并且負載的變化 當單機控 直接影響電機的轉(zhuǎn)速,， 要控制電機的轉(zhuǎn)速只能采用光電編碼器進行閉環(huán)控制， 制時轉(zhuǎn)速的精度由編碼器的脈沖數(shù)決定,，當多機控制時,，多臺電機的轉(zhuǎn)速就無法嚴格同步。

這是異步電機先天所決定的,。

直流電機調(diào)速器的工作原理 一,、什么是直流調(diào)速器(DC speed regulator?)? 什么是直流調(diào)速器 直流調(diào)速器就是調(diào)節(jié)直流電動機速度的設(shè)備, 由于直流電動機具有低轉(zhuǎn)速大力矩的特點,是 交流電動機無法取代的, 因此調(diào)節(jié)直流電動機速度的設(shè)備—直流調(diào)速器,具有廣闊的應(yīng)用天 地。

什么場合下要選擇使用直流調(diào)速器? 二,、什么場合下要選擇使用直流調(diào)速器 下列場合需要使用直流調(diào)速器: 1．需要較寬的調(diào)速范圍,。

2. 需要較快的動態(tài)響應(yīng)過程。

3. 加,、減速時需要自動平滑的過渡過程,。

4. 需要低速運轉(zhuǎn)時力矩大。

5. 需要較好的挖土機特性,，能將過載電流自動限止在設(shè)定電流上,。

以上五點也是直流調(diào)速器的應(yīng)用特點。

直流調(diào)速器應(yīng)用: 三,、直流調(diào)速器應(yīng)用 直流調(diào)速器在數(shù)控機床,、造紙印刷、紡織印染,、光纜線纜設(shè)備,、包裝機械、電工機械,、食品 加工機械,、橡膠機械、生物設(shè)備,、印制電路板設(shè)備,、實驗設(shè)備,、焊接切割、輕工機械,、物流 輸送設(shè)備,、機車車輛、醫(yī)設(shè)備,、通訊設(shè)備,、雷達設(shè)備、衛(wèi)星地面接受系統(tǒng)等行業(yè)廣泛應(yīng)用,。

直流調(diào)速器工作原理簡單介紹： 四,、直流調(diào)速器工作原理簡單介紹： 直流調(diào)速器就是調(diào)節(jié)直流電動機速度的設(shè)備， 上端和交流電源連接,， 下端和直流電動機連接,， 直流調(diào)速器將交流電轉(zhuǎn)化成兩路輸出直流電源，一路輸入給直流電機礪磁（定子） ,，一路輸 入給直流電機電樞（轉(zhuǎn)子） ,，直流調(diào)速器通過控制電樞直流電壓來調(diào)節(jié)直流電動機轉(zhuǎn)速。

同

時直流電動機給調(diào)速器一個反饋電流,， 調(diào)速器根據(jù)反饋電流來判斷直流電機的轉(zhuǎn)速情況,， 必 要時修正電樞電壓輸出，以此來再次調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速,。

五,、直流電機的調(diào)速方案 一般有下列 3 種方式：1、改變電樞電壓,；2,、改變激磁繞組電壓；3,、改變電樞回路電阻,。

常用的是調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)，即 1（改變電樞電壓）. 一種模塊式直流電機調(diào)速器 電機調(diào)速器,，集電源,、控制、驅(qū)動電路于一體,，采用立體結(jié)構(gòu)布局,， 六、一種模塊式直流電機調(diào)速器 控制電路采用微功耗元件,，用光電耦合器實現(xiàn)電流,、電壓的隔離變換，電路的比例常數(shù),、積 分常數(shù)和微分常數(shù)用 PID 適配器調(diào)整,。

該調(diào)速器體積小,、重量輕，可單獨使用也可直接安裝 在直流電機上構(gòu)成一體化直流調(diào)速電機,，可具有調(diào)速器所應(yīng)有的一切功能,。