交流电动机变频调速方法研究

题目：交流电动机变频调速方法研究

学习中心： 四川南充奥鹏学习中心

层 次： 专 升 本

专 业：电气工程及其自动化

学 号： 14614380109

学 生： 董赞辉

一、绪论

（一）变频调速技术简介。

变频调速技术是一种以改变交流电动机的供电频率来达到交流电动机调速目的的技术。电机有直流电机和交流电机。直流机调速容易实现，性能好，因此过去生产机械的调速多用直流电动机。但直流电机由于采用直流电源，它的滑环和碳刷要经常拆换，故费时费工，成本高，给人们带来太大的麻烦。因此人们希望让简单可靠廉的交流电机也像直流电动机那样调速。这样就出现了定子调速、变极调速、滑差调速、转子串电阻调速、串极调速等交流调速方式。

（二）国内研究现状。

我国是一个能源生产大国，但我国同时也是一个能源匮乏国，随着能源危机的加重，

各行各业都应该实现节能减排。工矿企业作为能耗企业，如果实现节能减排则显得尤为重要。异步电动机作为这些企业的主要动力设备，所以实现异步电动机的节能就是实现企业的节能。变频器作为一种新型节能减排技术则得到了广泛的应用。

二、交流电动机调速

（一）交流变频调速技术的发展。

交流电动机的调速系统是一项以大功率电力电子器件为基础的新型技术学科在过去的十几年间由于大功率电力电子器件的不断出现，使交流电动机的调速技术取得了很大的发展。

1.交流电机

交流电机是用于实现机械能和交流电能相互转换的机械。由于交流电力系统的巨大发展，交流电机已成为最常用的电机。交流电机与直流电机相比，由于没有换向器，因此结构简单，制造方便，比较牢固，容易做成高转速、高电压、大电流、大容量的电机。交流电机功率的覆盖范围很大，从几瓦到几十万千瓦、甚至上百万千瓦。

2.直流电机

直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和

风扇等组成。

（二）交流调速的方式。

异步电机得调速方法可以有改变转差率，改变磁极对数及变频三种。其中改变转差率的方法又可以通过调定子电压，转子电阻转差电压以及定、转子供电频率等方法来实现。

1.串极调速

它是将绕线式异步电动机的转差功率回馈到电网的一种比较经济的调速方法，可以又低同步及高同步两种串调方式。

2.矢量变换控制调速

它是模拟直流电及得控制特点来进行交流机的控制。

3.变频调速

它是一种最有发展前途得一种调速方式，其调速花样繁多。

三、变频调速原理

（一）异步电机变频调速原理。

交流调速是通过改变电定子绕组的供电的频率来达到调速的目的的，但定子绕组上接入三相交流电时，定子与转子之间的空气隙内产生一个旋转的磁场，它与转子绕组产生感

应电动势，出现感应电流，此电流与旋转磁场相互作用，产生电磁转矩。使电动机转起来。电机磁场转速称为同步转速，用n0表示：

式中：f为三相交流电源频率，一般是50Hz；

为磁极对数。当p=1时，n0=3000r/min；p=2时，n0=1500r/min。

由上式可知磁极对数p越多，转速n0就越慢，转子的实际转速n比磁场的同步转速n0要慢一点，所以称为异步电动机，这个差别用转差率表示：

在加上电源转子尚未转动瞬间，n=0，这时s=1；启动后的极端情况n=n0，则s=0，即在0～1之间变化，一般异步电动机在额定负载下的 s=1%～6%。综合（3-1）和（3-2）式可以得出：

由式（3-3）可以看出，对于成品电机，其极对数已经确定，转差率的变化不大，则电机的转速与电源频率成正比，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。

（二）电动机变频调速方案的。

一、直流电动机调速

直流电动机是指将直流电送到直流，把直流电动机的电能转换成机械能。这里首先要介绍如何将市电的交流电转换成需要的直流电。六十年代以前采用的是发电机－－电动机系统（F-D），这种方法只有在由专用的发电机供电时才有可能。

另一种是可控硅－－电动机系统（SCR-D）。

直流电动机的调速还比较方便，可以通过调节电枢供电电压，电枢中串联电阻，激磁回路串联电阻来实现。

可见直流电动机调速有三种方法，而且调节电枢供电电压的方法容易实现平滑、无级、宽范围、低损耗的要求。尽管直流电动机调速就其性能而言，可以相当满意，但因其结构夏杂，惯量大，维护麻烦，不适宜在恶劣环境中运行，不易实现大容量化、高压化、高速化，而且价格昂贵。

二、交流电动机调速

交流电动机刚好相反。电动机结构简单、惯量小、维护方便，可在恶劣环境中运行，容易实现大容量化，高压化、高速化，而且价格低廉。

从节能的角度看，交流电动机的调速装置可以分为高效调速装置和低效调速装置两大类。高效调速装置的特点是：调速时基本保持额定转差，不增加转差损耗，或可以将转差动率回馈至电网。低效调速装置的特点是：调速时改变转差，增加转差损耗。

（一）具体的交流调速装置有：

高效调速方法包括：

改变极对数调速——鼠笼式电机

变频调速——鼠笼式电机

串级调速——绕线式电机

换向器电机调速——同步电机

低效调速方法包括：

定子调压调速——鼠笼式电机

电磁滑差离合器调速——鼠笼式电机

转子串电阻调速——绕线式电机

（二）各种调速装置的特点：

（1）改变极对数调速

优点：

①无附加转差损耗，效率高；

②控制电路简单，易维修，价格低；

③与定子调压或电磁转差离合器配合可得到效率较高的平滑调速。术网

缺点：

转自电气自动化技

有级调速，不能实现无级平滑的调速。且由于受到电机结构和制造工艺的限制，通常只能实现2～3种极对数的有级调速，调速范围相当有限。

（2）变频调速

优点：

①无附加转差损耗，效率高，调速范围宽；

②对于低负载运行时间较长，或起、停较频繁的场合，可以达到节电和保护电机的目的。

缺点：技术较复杂，价格较高。

（3）换向器电机调速

优点：

①具有交流同步电动机结构简单和直流电动机良好的调速性能；

②低速时用电源电压、高速时用电机反电势自然换流，运行可靠；

③无附加转差损耗，效率高，适用于高速大容量同步电动机的启动和调速。

缺点：过载能力较低，原有电机的容量不能充分发挥。

（4）串级调速

优点：

①可以将调速过程中产生的转差能量加以回馈利用。效率高；

②装置容量与调速范围成正比，适用于70％～95％的调速。

缺点：

功率因素较低，有谐波干扰，正常运行时无制动转矩，适用于单象限运行的负载。

（5）定子调压调速

优点：

①线路简单，装置体积小，价格便宜；

②使用、维修方便。

缺点：

①调速过程中增加转差损耗，此损耗使转子发热，效率较低；

②调速范围比较小；

转 自电气自动化技术网

③要求采用高转差电机，比如特殊设计的力矩电机，所以特性较软，一段适用于55kW以下的异步电动机。

（6）电磁转差离合器调速

优点：

①结构简单，控制装置容量小，价值便宜。

②运行可靠，维修容易。

③无谐波干扰。

缺点：

①速度损失大，因为电磁转差离合器本身转差较大，所以输出轴的最高转速仅为电机同步转速的80％～90％；

②调速过程中转差功率全部转化成热能形式的损耗，效率低。

（7）转子串电阻调速

优点：

①技术要求较低，易于掌握；

②设备费用低；

③无电磁谐波干扰。

缺点：

①串铸铁电阻只能进行有级调速。若用液体电阻进行无级调速，则维护、保养要求较高；

②调速过程中附加的转差功率全部转化为所串电阻发热形式的损耗，效率低。

③调速范围不大。

综上所述，交流最理想的调速方法应该是改变电动机供电电源的频率，这就是变频调速。随着电力电子技术的飞速发展，变频调速的性能指标完全可以达到甚至超过直流电动机调速系统。以上说明了交流电动机变频调速的各种方法的优缺点。