交流调速原理及运用

8.1概述

8.1.1交流调速技术的发展 一、发展过程

19世纪相继诞生了直流电动机和交流电动机，由于直流电动机转矩容易控制，因此

它作为调速电动机的代表在20世纪的大部分年代广泛地应用于工业生产中。直流调速系 统具有起、制动性能好、调速范围广、静差小及稳定性能好等优点，晶闸管整流装置的应 用更使直流调速在自动调速系统中占主导地位，相比交流电动机则只能应用于不变速的或 要求调递性能不高的传动系统中。

虽然直流调速系统的理论和实践应用比较成熟．但由于电动机的单机容量、最高耐电 压、最高转速及过载能力等主要技术指标受机械换向的制约，限制了直流调速系统的发展，使得人们长期以来寻找用交流电动机替代直流电动机调速的方案，研究没有换向器的交流调速系统。交流电动机的主要优点是：没有电刷和换向器，结构简单，运行可靠，使用寿命长，维护方便，且价格比相同容量的直流电动机低。早在20世纪30年代就有人提出用交流调速代替直流调速的有关理论，到60年代，随着电力电子技术的发展，交流调速得以迅速发展。1971年伯拉斯切克(F.Rlaschke)提出了交流电动机矢量控制原理，使交流转动技术从理论上解决丁获得与直流传动相似的静、动态特性问题。矢量变换控制技术（或称磁场定向控制技术）是一种模拟直流电动机的控制。众所周知，调速的关键问题在于转矩的控制，直流电动机的转矩表达式为TCTIa，其中CT是转矩常数．磁通和电枢电流Ia是两个可以单

''CTmI2cos2，其中CT是异步电动机转矩系数气

独控制的独立变量，它们之间互成90º正交关系，在电路上互不影响，可以分别进行调节。而交流异步电动机的转矩表达式为T隙，有效磁通m与转子电流I2之间是既不成直角关系又不相互独立的两个变量，转子电流

I2不仅与m有关，且还与转差率s（或转速n）有关（因为2arctgsx2），这也是交流r2电动机转矩难以控制的原因所在。为了获得与直流电动机相似的控制性能，矢量控制理论提出了坐标变换，即把交流电动机的定子电流I1分解成磁场定向坐标的磁场电流分量I1M和与之相垂直的坐标转矩电流分量I1T，把固定坐标系变换为旋转坐标系解耦后，交流量的控制即变为直流量的控制，就与直流电动机相同了。

矢量控制理论的提出只解决了交流传动控制理论上的问题，而要实现矢量控制技术，则需要复杂的模拟电子电路，其设计、制造和调试均很麻烦，直到有了全控型大功率快速电力电子器件和微机控制之后，可以用软件来实现矢量控制的算法，才使硬件电路规范化，从而降低了成本，提高了控制系统的可靠性。由此可见，电力电子技术和微机控制技术的发展给交流调速系统的发展奠定了物质基础，它们的迅速进步是推动交流调速系统不断更新的动力。

继矢量控制技术发明之后，又相继提出了直接转矩控制、标量解耦控制等万法，均能达到良好的动态性能，这都表明交流调速系统完全可以与直流调速系统相抗衡、相媲美。 二、交流调速系统分类 (一)概述

我们知道交流电机包括异步电机和同步电机两大类；对交流异步电动机而言，其转速为

n60f(1s)(r/min)；从转速公式可知改变电动机的极对数P、改变定子供电频率f以p60f(r/min)，p及改变转差率s都可达到调速的目的。对同步电机而言，同步电机转速为n由于实际使用中同步电机的极对数P固定，因此只有采用变压变频(VVVF)调速，即通常说的变频调速。变频调速系统的静、动态特性能与直流调速系统媲美，实际应用中最为广泛，也是最有发展前途的调速系统。 （二）交流调速系统 1．异步电机调速系统

（1）转差功率不变型调速系统。这种调速系统中，转差功率是消耗在转子上的，不论转速高低，转差功率基本不变，因此效率高。变极对数调速和变频调速均居于此类，但变极对数调速是有级调速，应用受到限制；而变频调速是无级调速，应用非常广。根据变频器的不同，变频调速又可分为交-直-交变频调速(如图8.1所示)和交-交变频调速(如图8.2所示)。

（2）转差功率消耗型调速系统。这种调速系统中，转差功率全部转换成热能被消耗，因此效率低，但系统简单，因此仍有一定的应用场合。如图8.3所示的变电压调速、如图8.4所示的电磁转差离合器调速以及如图8.5所示的绕线式异步电动机转子回路串电阻调速均

属此类。

图8.1 交-直-交变频器异步电动机主回路结构 （a）电压型变频器 （b）电流型变频器

图8.2 三相交-交变频系统原理图

三、交流调速系统的主要应用领域

交流电动机在工业设备电气传动巾应用十分广泛，据有关资料统计，我国在电网的总负荷中，动力负荷约占60％，其中异步电动机负荷约占总负荷的85％左右，因此对交流电动机的有效利用，在改善其运行性能、节约能源等方面，交流调速系统大有用武之地，其主要应用可归纳如下。

（一）以节能为目的

工业企业大量使用的风机、水泵、压缩机类负载是用交流电动机拖动的，这类负载的用电量约占工业用电量的50％左右，其中有不少场合需要调节流量，但由于过去交流电动机本身不能调速，只得用闸闷、挡板、放空及回流等措施来实现调节风量和供水的流量，造成很大的电能浪费。如果把传统的调节流量装置换成交流调速装置，采用改变电动机转速的方法来实现流量的调节，则可大大节约电能。据统计，改换交流调速装置后每台风机、水泵平均可节电20％，节电效果十分明显。

(二)以实现自动化或提高产品质量、提高生产率为目的

工业生产中有许多在工艺上需要调速的生产机械，例如为了提高搬运机械停止位置精度、提高生产线速度控制精度而采用有反馈装置的流量控制来实现自动化；又如生产加工 时，为了实现最佳速度控制及协调生产线内各装置的速度，使其同步、同速以提高产品质 且和加工精度等等。这些生产机械需要高性能的调速装置，过去多采用直流传动。现代交 流调速技术，完全能获得与直流调速系统同样的高动态性能。并且由于交流电动机比直流 电动机结构简单、工作可靠、维修方便、效率高、成本低，因此在此领域内，交流调速可以与直流调速相竞争。

(三)用于特大容量场合以及使设备小型化为目的

直流电动机的单机容量、最高转速、耐高压等问题部受换向器的限制，一般直流电动 机牵机容量只能达12~14Mw．最高电压在1000V左右，最高转速只能达3000r／min。交流 电动机单机容景、最高转速和耐高压各项指标远远高于直流电动机，因此在需特大容量或 极高转速传动时，采用交流调速更为适宜。并且由于结构上的原因，在同等容量情况下， 交流电机比直流电机体积小，质量轻，惯性小，能使设备小型化。

8.1.2器件技术与交流调速系统

一、电力电子器件

20世纪50年代发明了晶闸管，它标志着以固态器件为基础的电力电子学革命的开始，从此，晶闸管的额定容量及其工作频率不断增长，使电力电子器件在调速系统中得到了广泛的应用。 70年代后第二代全控型器件迅速发展，如门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力

场效应管、绝缘栅双极晶体管等，新一代的电力电子器件又产生了新一代的交流调速装置。20世纪80年代出现的功率集成电路代表了第三代电力电子器件，使电力电子装置向小型化、智能化以及节能化发展。

二、发展前景

交流调速系统的发展实际上是依赖于微电子学、电力电子技术、计算机控制、现代控制理论和逆变技术的发展以及交流电动机制造技术的发展的。新的控制理论的提出和电力电子器件技术、计算机控制技术的迅速更新是推动交流凋速系统不断进步的动力。交流调速系统的发展前景可概括如下。

（1）研制各种新型的开关元件和储能元件以及模块，目前，电力电子器件正在向大功率化、高频化、模块化及智能化发展，这也是今后功率器件主要发展方向。

（2）交流调速系统中应用最广也是最含发展前途的是变压变频调速，而要实现变压变频调速就离不开变频技术。在全控型高频率开关器件组成的脉宽调制（PWM）逆变器取代了以普通晶闸管构成的方波形逆变器之后，正弦脉宽调制（SPWM）逆变器及其专用芯片得到了普遍的应用。同时磁通跟踪型PWM逆变器由于控制简单、数字化方便，亦呈现出取代传统SPWM的趋势，虽然随着器件开关频率的提高，并借助于控制模式的优化来消除指定谐波使PWM逆变器的输出波形非常逼近正弦被，但在电网侧，由于电流谐波分量大，总功率因数仍很低，因此消除对电网的谐波污染，并提高功率因数仍是变频技术不可回避的问题。近年来研究出的谐振型逆变器是—种新型软开关逆变器，由于应用谐振技术使功率外关在零电压和零电流下进行开关状态转换，使外关损耗儿乎为零，这种逆变器效率高、体积小、质量轻、成本低，是很有发展前景的逆变器。

（3）推广微型计算机在交流调速系统巾的应用。数字化技术能实现更复杂的控制，使调速系统的硬件简化、成本降低、精度提高，可靠性更高。数字化已成为交流调速系统控制技术的发展方向。

8.2变频调速及系统

一、变颊调速工作原理 (一)变频调速工作原理

由电机学的基本公式：

fn060 （8.1）

p 式中电动机定于绕组的磁极对数P一定，改变电源频率f即可改变电动机同步转速。异步电动机的实际转速总低于同步转速，而且随着同步转速而变化。电源频率增加，同步转速n0也增加，实际转速也增加；电源频率下降，同步转速n0也下降，电机转速也降低，这种通过改变电源频率实现的速度调节过程称为变频调速。

在工程中，鼠笼式电动机在电动机总数量中占主导部分。因此对鼠笼式电动机的调速控制成为电机调速的主要内容之一。在变频调速技术中，向电动机提供频率可变的电源并控制电动机的转速是由变压变频器（WVF）完成的。

（二）调速控制方式

调速控制方式基本上有以下三种。 1．电源频率低于工频范围调节

电源的工频频率在我月为50Hz。电机定子绕组内的感应电动势为

E14.44f1WKW11 （8.2）

式中

W---定子绕组匝数；

KW1---绕组系数；

1---电机每极磁通。

U1E1IZ1 （8.3）

定子电压U1与定子绕组感应电动势E1的关系为

式中 Z1---定子绕组每相阻抗； I1---定子绕组电流。

若忽略定子压降IZ1，则U1E14.44f1WKW11，把该式（8.3）整理成

E1Kf11 （8.4）

K4.44WKW1 （8.5）

式中 K--比例系数。 则

1U1/Kf1 （8.6）

电动机的电磁转矩M与

U1/f12成正比，符下调电源频率f1同时也下调U1，使

U1/f1比值保持为恒定量，则磁通1不变，由此，转矩也保持常值，此时电动机拖动

负载的能力不发生改变。这种控制方式称为恒磁通调压调频调速，也叫恒转矩调速。 2．电源频率高于工频范围调节 由于使电源频率

f1增加，U1/f1变小，而U1不能高于额定电压，在该控制方式中，

保持U1不变，由于频率变高，由式（8.6）知道，定子磁通1变小，电磁转矩M也变小，但电源频率增加导致电动机转速n增加，设电动机角速度2n，电动机的功率P是电磁转矩M与角速度的乘积

P=M· （8.7） 调节过程中，使频率

f与转矩的变化呈一定协调关系，从而保持电动机功率P为恒定

量，即功率不发生变化，这种升频定压调速为恒压调速。 3．转差频率控制

三相异步电动机中，定子与转子之间的圆周空隙内有—旋转磁场，转速为n0，电机转子实际转速为n，(n0 - n)是转子与旋转磁场之间的相对切割速度，对频率、电压进行协调控制，使U1/比。对频率

f1不变，此时磁通1也不变，在1不变的条件下，电磁转矩M与(n0 - n)2成正

f进行调节，即调节了(n0 - n)，因此，在实际转速调节时也实现了转矩的调节。

8.2.1变频调速的工作原理与控制方式 8.2.2变频调速的核心部件-变频器 8.2.3逆变器主回路的PAM、PWM控制方式 8.2.4恒转矩和恒功率变频调速

8.2.5变频器的U/f控制和转差频率控制方式

8.3变频器的选择 8.4变频器的正确使用