班长带你学变频器:交流调速的基本原理

班长带你学变频器:交流调速的基本原理

“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(见直流电机的换向),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。20世纪80年代初,最大的汽轮发电机已达150万千瓦。交流电机是由美籍塞尔维亚裔科学家尼古拉·特斯拉发明的。

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。

一、变频调速基本原理及特点

  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)

  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。

利用变频器改变电源频率调速,调速范围大,稳定性平滑性较好,机械特性较硬。就是加上额定负载转速下降得少。属于无级调速。适用于大部分三相鼠笼异步电动机。

二、其他调速方式及原理

1、电磁调速电动机调速方法 :

电磁调速电动机由笼型电动机、电磁转差离合器和直流励磁电源。直流励磁电源功率较小,通常由单相半波或全波晶闸管整流器组成,改变晶闸管的导通角,可以改变励磁电流的大小。

2、液力耦合器调速方法 :

液力耦合器是一种液力传动装置,一般由泵轮和涡轮组成,当泵轮在原动机带动下旋转时,处于其中的液体受叶片推动而旋转,在离心力作用下沿着泵轮外环进入涡轮时,就在同一转向上给涡轮叶片以推力,使其带动生产机械运转。通过不同的液力(润滑油和涡轮)达到调速。

3、串级调速方法 :

串级调速是指绕线式电动机转子回路中串入可调节的附加电势来改变电动机的转差,达到调速的目的。大部分转差功率被串入的附加电势所吸收,再利用产生附加的装置,把吸收的转差功率返回电网或转换能量加以利用。根据转差功率吸收利用方式,串级调速可分为电机串级调速、机械串级调速及晶闸管串级调速形式,多采用晶闸管串级调速。

4、绕线式电动机转子串电阻调速方法:

线式异步电动机转子串入附加电阻,使电动机的转差率加大,电动机在较低的转速下运行。串入的电阻越大,电动机的转速越低。此方法设备简单,控制方便,但转差功率以发热的形式消耗在电阻上。属有级调速,机械特性较软。

5、定子调压调速方法 :

改变电动机的定子电压时,从而获得不同转速。由于电动机的转矩与电压平方成正比,因此最大转矩下降很多,其调速范围较小,使一般笼型电动机难以应用。为了扩大调速范围,调压调速应采用转子电阻值大的笼型电动机,如专供调压调速用的力矩电动机,或者在绕线式电动机上串联频敏电阻。

6、变极对数调速方法 :

改变定子绕组的接红方式来改变笼型电动机定子极对数达到调速。

7、变频调速方法 :

使用变频器改变电动机定子电源的频率,从而改变其同步转速的调速方法。

8、电磁调速

只用于滑差电机。通过改变励磁线圈的电流无极平滑调速,机构简单,但控制功率较小。不宜长期低速运行。

编辑于 2018-07-11