1、 毕业论文 文献综述 电气工程及自动化 三相异步电动机的变频调速分析 摘要： 变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变他的同步转速的调速方法。本文首先从三相异步电动机变频调速的工作原理出发，讨论调速的本质；其次，以变频器为基础，讨论变频原理；最后结合三相异步电动机和变频器，讨论其变频调速的原理。 关键词： 三相异步电动机 变频器 变频调速 调速分析 引言 本文主要通过介绍异步电动机的调速原理和变频器调速的原理，再通过结合以后，简单分析三相异步电动机的变频调速的原理，并对某些问题进行探讨和研究。 异步电动机的调 速 在基于稳态模型的异步电动机调速系统中，采用稳态等效电路来分析异步电动机在不同
2、电压和频率供电条件下的转矩与磁通的稳态关系和机械特性，并在此基础上设计异步电动机调速系统。常用的基于稳态模型的异步电动机调速方法有调压调速和变压变频调速两类 1。 所谓调速，就是人为地改变机械特性的参数，使电动机的稳定工作点偏离固有特性，工作在人为机械特性上，以达到调速的目的。 三相交流电动机定子绕组中的 i相交流电在定子隙圆周上产生一个旋转磁场，这个旋转磁场的转速称同步转速，记为 n，实际电动机转速 n要低于同步转速，故一般称这样 的三相交流电动机为三相异步电动机 2。 三相异步电动机的的几种常用调速方法有变频调速、变极调速、串电阻调速、串级调速、变压调速等等，各有各的特点和各自的适用场合。
3、 变频器的调速原理 自上世纪 80年代被引进中国以来，变频器作为节能应用与速度控制领域中越来越重要的自动化设备，得到了快速发展和广泛的应用。变频技术具有调速性能好、功率因数高、可实现软启动等优点，这些优点使变频器在实际应用中具有显著的节能效果。变频调速是目前交流电动机最理想、最节能的调速方案 3。 变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变 换为另一频率的电能控制装置。我们现在使用的变频器主要采用交 直 交方式（ VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆
4、变和控制 4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为 IGBT三相桥式逆变器，且输出为 PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率 4。 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的，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 N表示： N=60f p (1) 式中： f为三相交流电源频率，一般为 50Hz： P为磁极对数。当 p=1时， N=3000rlmin： P=
5、2时， N=1500r min。 由式 (1)可知磁极对数 P越多 j转速 N就会越慢。转子的实际转速 n比磁场的同步转速 Y要慢一点，所以称为异步电机，这个差别用转差率 S表示： S=(nl 11) n1 100 (2) 在加上电源转子尚未转动瞬间， n=O，这时 s=1：启动后的极端情况 n=N，则 s=O， 即 S在 0 l之间变化。一般异步电机在额定负载下的 s=i 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
6、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 5。 三相异步电动机的变频调速原理 异步电动机由于结构简单，价格低廉，无需经常性维护。运行可靠等一系列优点，在交流传动领域内得到了最广泛的应用 6。 变频凋速是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。随着电力子技术的飞速发展，变频调速互相交流异步电动机的应用越来 越广泛。它已在诼步替代其它各种调速电动机，而变频调速 i相异步电动机因其结构简单、制造方便、易于维护、性能良好、运行可靠等优点而在 T业领域得到广泛应用 7。 由上述（
7、 3）式可得。异步电动机变频调速的控制方式基本有以下二种： 一、电源频率低于工频范围调节，电源的工频频率在我国为 50Hz。电机定子绕组内的感应电动势为 E=4.44flK1N1 (4) 式中 fl 定子绕组中感应电动势的频率，与电源频率 f相等， Hz K1 电机定子绕组的绕组系数，其值取决于绕组结构， K11 N1 电机定子绕组每相串联的线圈匝数 电机每极磁通 定子电压 U，与定子绕组感应电动势 E的关系为 U1=El+I1Z1 (5) 式中 Z 定子绕组每组阻抗 I1 定子绕组相电流 若忽略定子压降 I1Z1,则 U1 E=4 44f1K1N1 (6)把该式整理成 U1=4 44f1K1
8、N1 (7) K=4 44K1N1 (8) 则 =U1/Kf1 (9) 电动机的电磁转矩 M与 (U1/f1)2成正比，若下调频率 f1同时也下调 U1，使 (U1/f1)比值保持恒量，则磁通由不变，肉此转矩也保持常值，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 8。 二、基频以上调速。当电机的电压随着频率的增加而升高时，若电机的电压已达到电机的额定电压，继续增加电压有可能破坏电机的绝缘，因此，在电机达到额定电压后，即使频率增加，仍维持电机的电压不变。这样，电机所能输出的功率由电机的额定电压和额定电流的乘积所决定，而不随频率的变化而变化。通用变频器对
9、异步电机调速时，输出频率和电压是按一定规律改变的，在额定频率以下，变频器的输出电压随输出频率升高而升高 1。 把基频以下和基频以上两种情况的控制特性画在一起，如下图： 一般认为 ，异步电动机在不同转速下允许长期运行的电流为额定电流，即能在允许温升下长期运行的电流，额定电流不变时，电动机允许输出的转矩将随磁通变化。在基频以下，由于磁通恒定，允许输出转矩也恒定，属于“恒转矩调速”方式；在基频以上，转速升高时磁通减小，允许输出转矩也随之降低，输出功率基本不变，属于“近似的恒功率调速”方式。 存在的问题 变频器在运行过程中，由于内部的相控整流和不可控二极管整流，使输入电流波形发生严重畸变，不但大大降低
10、了系统的功率因数，还引起严重的高次谐波污染。另外，在使用过程中由于电流和电压的急剧变化，会 给周围的其他电子设备造成严重的电磁干扰 9。 常见故障分析 1) 过流故障：过流故障可分为加速、减速、恒速过电流。其可能是由于变频器的加减速时间太短、负载发生突变、负荷分配不均，输出短路等原因引起的。一般可通过延长加减速时间、减少负荷的突变、外加能耗制动元件、进行负荷分配设计、对线路进行检查。如果断开负载变频器还是过流故障，说明变频器逆变电路已环，需要更换变频器。 2) 过载故障：过载故障包括变频过载和电机过载。可能是加速时间太短，电网电压太低、负载过重等原因引起的。可通过延长加速时间、延长制动时间、检
11、 查电网电压等。负载过重，所选的电机和变频器不能拖动该负载，也可能是由于机械润滑不好引起。如前者则必须更换大功率的电机和变频器；如后者则要对生产机械进行检修。 3) 欠压：说明变频器电源输入部分有问题，需检查后才可以运行 10。 结束语 异步电动机的调速方法多种多样，而变频调速由于调速范围广，力能指标好，性能优良等优点，是其中应运相当广泛的一种 。随着当今社会的数字化、智能化、网络化的发展，变频器在电动机的交流调速中将得到广泛的应用。 参考文献 1阮毅，陈伯时 .电力拖动自动控制系统 M.北京：机械工业 出版社， 2009， 8. 2张永利，李利 .三相异步电动机变频调速的原理及发展 J.黑龙
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