浅谈交流电机的变频调速

李雪峰

摘要：目前，被大多数行业公认为最有应用优势的交流调速方式是交流变频调速技术，交流变频调速技术的节能效果及变频调速的功能十分显著，这种交流调速方式促进了我国煤炭企业电气传动技术的发展。本文阐述了交流电机的工作原理以及取得的成果，对交流电机的变频调速进行了研究，对交流变频调速技术的发展具有重要的借鉴意义。

关键词：电机；变频调速；交流

引言

交流电机变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。变频调速的起、制动性能良好，具有高效率、高功率因数和节能的特点。随着电子技术的发展，社会对生产的要求也越来越高，要求节能环保、提高生产效率，所以改变常规的交直流电机，发展交流变频电机成了必然趋势。

1变频调速交流电机的基本原理及优点

1.1变频调速交流电机基本原理

变频调速交流电机的基本原理是基于变频调速电机的原理，即通过以下式子求出三相异步电动机的转速n：

n=n1（1-s）=60f（1-s）/p

其中，“n”表示“电机转速”；“n1”表示“电机的同步转速”；“p”表示“磁极对数”；“s”表示“转差率”；“f”表示“频率”。根据公式得出：实现异步电机的调速需要改变转差率、极对数和频率。改变转差率、极对数会出现一定的损耗，使电机的工作效率在一定程度上受到限制。變频调速实现电机转速的调整是通过改变子电源频率进而改变同步频率的。

1.2变频调速交流电机的优点

和直流调速电机相比变频调速交流电机具有以下优点：

（1）功率和转速方面：直流调速电机由于存在换向，会受到不同程度的限制；变频调速交流电机则不受限制。

（2）体积和重量方面：两种电机同转矩情况下，变频调速交流电机体积小、重量轻。

（3）动态性能方面：两种电机同转矩情况下，变频调速交流电机动态性能好、转动惯量小。

（4）维护维修方面：两者比较，变频调速交流电机维护简单，基本免维护。

（5）工作性能方面：同转矩的变频调速交流电机效率高、节能。

（6）电机结构方面：直流电机需要用到大量的电刷，且电刷受到磨损后产生的碳粉不能有效回收，对环境造成污染，如果长期积累，会使电机内部出现短路，影响电机安全运行。

2常用变频电机的产品类别及使用

2.1电压型交-交变频调速同步电动机

电压型交-交变频调速同步电动机是指一种低速电机，其使用的最高频率不能超过20Hz。所以，需要保证电机的频率不能超标，通常采取限制电机极数的措施来限制电机的频率。当电机的转速超过限定值时，需要采用其他形式的电源，也可以开发隐极变频同步电动机。但是隐极的变频调速电动机在目前只有西门子公司开发了。

2.2电压型交-直-交变频调速同步电动机

这种电机只适合IGCT、IEGT变频装置供电。这种电机的最高频率可以大于100Hz，它的运行频率很宽。因此，随着技术的发展，这种电机在市场上的应用也会越来越广泛。

2.3电压型交-直-交变频调速异步电动机

这种电机适合IGBT变频装置供电。目前，电压型交直交变频调速异步电动机广泛应用于社会的各个领域，未来传统的交流电机与直流电机将会被其取代。

2.4电流型交-直-交负载换相（LCI）变频调速电机

主要使用于高速线材的主电动机。该种电机要求具有准确的参数，如果参数的准确性不够或是参数的控制不准，会使电机换向失败，使其停止运行。因此，这类产品在现代社会的使用逐渐减少。

3交流变频调速的简单设计

交流电机变频调速系统包括主电路和控制电路，主电路的作用是完成功率的转换；控制电路要为变频主电路提供各种控制信号。

3.1主电路的选择

在交流变频调速系统中，主回路作为直接执行机构，主回路可靠性和稳定性对系统有直接影响，因此，主电路选择十分重要。交-直-交变频电路实现由整流器将电网中的交流电整流成直流电，经过滤波，然后由逆变器逆变成交流电供给负载。中间环节采用阻抗为零的恒压源的大电容滤波；电动机不需要进行频繁制动和反转，因此主电源选择不可控的二极管整流桥，逆变电路和滤波电路分别采用三相全桥形式和阻容方式；在功率器件方面，由于变频调速系统，要求开关频率足够高和输出容量足够大，所以采用IGBT，其驱动功率小、饱和压降低。变频调速系统中通过减小频率实现电动机的降速和停机。从电动机的角度来看，电动机的工作状态是再生制动；从变频调速系统的角度来看，拖动系统在转速下降时减少的动能，由电动机"再生"电能后，在变频主电路的直流环节中被消耗，为此，在系统电路中设计了由VE、RE、VDE组成的放电回路，以免过高的直流电压使各部分器件损坏。

3.2控制电路的选择

交流电机变频调速系统的核心部分是控制电路，系统的运算速度和控制精度决定了控制系统的性能，这在某种程度上依赖于实现该系统的电子芯片。在控制逆变部分，根据PWM波形的生成原理，采用VHDL语言，从硬件和软件上采用基于CPLD，用于IGBT控制的数字化PWM波形产生器的实现方法；根据系统的设计要求，选择了转速负反馈控制，提高了系统的精度和稳定度。保护电路主要包括系统过压、过流以及泵升电压的保护等。控制电路和保护电路影响着整个系统的性能，它的作用是保证主电路工作安全、可靠。

4变频电机的研究

4.1电磁方案的研究

目前，很多公司拥有变频调速交流电机进行电磁设计的软件，可以优选和评定产品电磁设计方案。在产品设计过程中，需要分析电机的稳态以及动态性能，并对阻尼的谐波电流及转矩进行仿真，有利于选取阻尼绕组和电机的结构与尺寸，从而使电机的可靠性、安全性及稳定性增强。

4.2强度和振动分析

在电机的设计过程中，技术研究中心需要谐波分析计算和频率等数据作为参考，并将设计的定子和其主要部件（机座、定子铁心和定子装配）的结构与尺寸、质量分布、轧机传动系统的正反转以及负荷突加突减的工况等传递给技术研究中心，让工程计算的专业人员采用专门的有限元结构分析软件包进行分析计算。将电机定子铁心及机壳的振型、自振频率分别计算出来，然后计算整个定子的振型和频率。另外，有些电机在一定的转速范围内调速运行，通过比较电机的谐波频率与定子各部分的固有频率，调整定子及其主要部件的结构和尺寸分布、质量分布，从而使定子满足强度要求，使定子固有频率得到保证。

4.3低频测试系统的研究

电压式变频调速电机的供电频率一般为0-20Hz，因此不能用常规的频率为50Hz的仪表进行试验测试，而需要一套低频的测试系统来完成变频调速交流电机的产品试验以及参数的测定。

4.4变频电机试验

大型变频电动机的试验，多数采用电机的可逆性原理。因为大多数电机的频率比较低，这种低频的电源电机厂一般都无法提供，因为试验站的发电机都是按频率50Hz来设计的。因此，可以将变频电动机当作发电机运行，用直流电动机进行拖动。

结束语

变频调速交流电机在实际应用中具有体积小、可靠性高、维护方便、精度高等优点，其优越性远远高于传统的直流和交流电机。综合考虑变频调速交流电机的经济性，未来变频调速交流电机的使用将更加广泛。

参考文献：

[1]俞斌.交流电机变频调速节能方法及其远程控制[J].电机与控制应用，2012，39（03）：36-39.

[2]李泽明.浅析交流电机变频调速技术的节能效果及应用[J].科技情报开发与经济，2012，22（11）：147-148.

[3]董晨.交流电机变频调速研究[J].内燃机与配件，2016，（12）：35-36.