[摘 要]变频调速可以使用标准电机如不需维护的笼型电动机，可以连续调速，改变转速方向可通过电子回路改变相序实现。其优点是启动电流小，加减速度可调节，电机可以高速化和小型化，防爆容易，保护功能齐全等，随着控制技术和电力电子技术的发展，变频调速技术的应用越来越广泛。普通电机三相绕组接通三相电源产生的磁场在空间旋转，称为旋转磁场，转速的大小由电动机极数和电源频率而定。转子在磁场中相对定子有相对运动，切割磁杨，形成感应电动势。普通异步电动机都是按恒频恒压设计的，不可能完全适应变频调速的要求。变频器还对电机有相当大的影响。
　　中图分类号：TN773 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）20-0351-02
　　一、交流调速的发展概况
　　交流变频调速的优越性早在20世纪20年代就己被人们所认识，但受到器件的限制，未能推广。50年代初，中小型感应电动机多采用晶闸管调压调速；大中型绕线式感应电动机采用晶闸管静止型电气串级调速系统。70年代发展起来的变频调速，比上述两种调速方式效率更高，性能更好。交流变频调速的方法是异步电机最有发展前途的调速方法。随着电力电子技术的不断发展，性能可靠、匹配完善、价格便宜的变频器会不断出现，这一技术会得到更为广泛、普遍的应用。对于可调速的电力拖动系统，工程上往往根据电动机电流形式分为直流调速系统和交流调速系统两类。
　　1、变频器简介
　　变频器通常分为4部分：整流单元、高容量电容、逆变器和控制器。整流单元将工作频率固定的交流电转换为直流电。高容量电容存储转换后的电能。逆变器由大功率开关晶体管阵列组成电子开关，将直流电转化成不同频率、宽度、幅度的方波。控制器按设定的程序工作，控制输出方波的幅度与脉宽，使叠加为近似正弦波的交流电，驱动交流电动机。
　　变频器的主电路大体上可分为两类：电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路通过电容滤波。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路通过电感滤波。它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”；吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”；以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。
　　整流器是将工频电源变换为直流功率。最近大量使用的是二极管的变流器，它把工频电源变换为直流电源。也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。
　　平波回路主要是吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动。在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉动电压（电流）。装置容量小时，如果电源和主电路构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波回路。
　　逆变器是将直流功率变换为交流功率。同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。以电压型PWM逆变器为例示出开关时间和电压波形。
　　2、变频器的控制方式
　　转差频率控制就是通过控制转差频率来控制转矩和电流。转差频率控制需要检出电动机的转速，构成速度闭环，速度调节器的输出为转差频率，然后以电动机速度与转差频率之和作为变频器的给定频率。与U/f控制相比，其加减速特性和限制过电流的能力得到提高。另外，它有速度调节器，利用速度反馈构成闭环控制，速度的静态误差小。然而要达到自动控制系统稳态控制，还达不到良好的动态性能。
　　矢量控制，也称磁场定向控制。它是70年代初由西德F.Blasschke等人首先提出，以直流电机和交流电机比较的方法阐述了这一原理。
　　转矩控制的优越性在于 ，转矩控制是控制定子磁链，在本质上并不需要转速信息，控制上对除定子电阻外的所有电机参数变化鲁棒性良好，所引入的定子磁链观测器能很容易估算出同步速度信息，因而能方便的实现无速度传感器，这种控制被称为无速度传感器直接转矩控制。
　　二、三相异步电动机的基本原理
　　三相绕组接通三相电源产生的磁场在空间旋转，称为旋转磁场，转速的大小由电动机极数和电源频率而定。转子在磁场中相对定子有相对运动，切割磁杨，形成感应电动势。转子铜条是短路的，有感应电流产生。转子铜条有电流，在磁场中受到力的作用。转子就会旋转起来。第一：要有旋转磁场，第二：转子转动方向与旋转磁场方向相同，第三：转子转速必须小于同步转速，否则导体不会切割磁场，无感应电流产生，无转矩，电机就要停下来，停下后，速度减慢，由于有转速差，转子又开始转动，所以只要旋转磁场存在，转子总是落后同步转速在转动。
　　交流异步电动机是电气传动中使用最为广泛的电动机类型，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。三相交流电源频率一般是50Hz；由上式可知磁极对数越多，转速就越慢，转子的实际转速比磁场的同步转速 要慢一点，所以称为异步电动机三相异步电动机的变频开环调速。
　　三、变频电机与普通电机的区别
　　普通异步电动机都是按恒频恒压设计的，不可能完全适应变频调速的要求。以下为变频器对电机的影响
　　1、电动机的效率和温升的问题
　　不论那种形式的变频器，在运行中均产生不同程度的谐波电压和电流，使电动机在非正弦电压、电流下运行。拒资料介绍，以目前普遍使用的正弦波PWM型变频器为例，其低次谐波基本为零，剩下的比载波频率大一倍左右的高次谐波。 高次谐波会引起电动机定子铜耗、转子铜（铝）耗、铁耗及附加损耗的增加，最为显著的是转子铜（铝）耗。因为异步电动机是以接近于基波频率所对应的同步转速旋转的，因此，高次谐波电压以较大的轉差切割转子导条后，便会产生很大的转子损耗。除此之外，还需考虑因集肤效应所产生的附加铜耗。这些损耗都会使电动机额外发热，效率降低，输出功率减小，如将普通三相异步电动机运行于变频器输出的非正弦电源条件下，其温升一般要增加10%--20%。 　　2、电动机绝缘强度问题
　　目前中小型变频器，不少是采用PWM的控制方式他的载波频率约为几千到十几千赫，这就使得电动机定子绕组要承受很高的电压上升率，相当于对电动机施加陡度很大的冲击电压，使电动机的匝间绝缘承受较为严酷的考验。另外，由PWM变频器产生的矩形斩波冲击电压叠加在电动机运行电压上，会对电动机对地绝缘构成威胁，对地绝缘在高压的反复冲击下会加速老化。
　　3、谐波电磁噪声与震动，普通异步电动机采用变频器供电时，会使由电磁、机械、通风等因素所引起的震动和噪声变的更加复杂
　　变频电源中含有的各次时间谐波与电动机电磁部分的固有空间谐波相互干涉，形成各种电磁激振力。当电磁力波的频率和电动机机体的固有振动频率一致或接近时，将产生共振现象，从而加大噪声。由于电动机工作频率范围宽，转速变化范围大，各种电磁力波的频率很难避开电动机的各构件的固有震动频率
　　4、电动机对频繁启动、制动的适应能力
　　由于采用变频器供电后，电动机可以在很低的频率和电压下以无冲击电流的方式启动，并可利用变频器所供的各種制动方式进行快速制动，为实现频繁启动和制动创造了条件，因而电动机的机械系统和电磁系统处于循环交变力的作用下，给机械结构和绝缘结构带来疲劳和加速老化问题
　　5、低转速时的冷却问题
　　首先，异步电动机的阻抗不尽理想，当电源频率较底时，电源中高次谐波所引起的损耗较大。其次，普通异步电动机再转速降低时，冷却风量与转速的三次方成比例减小，致使电动机的低速冷却状况变坏，温升急剧增加，难以实现恒转矩输出。
　　四、变频电动机的特点
　　1、电磁设计
　　对普通异步电动机来说，再设计时主要考虑的性能参数是过载能力、启动性能、效率和功率因数。而变频电动机，由于临界转差率反比于电源频率，可以在临界转差率接近1时直接启动，因此，过载能力和启动性能不在需要过多考虑，而要解决的关键问题是如何改善电动机对非正弦波电源的适应能力。方式一般如下：
　　1）尽可能的减小定子和转子电阻。减小定子电阻即可降低基波铜耗，以弥补高次谐波引起的铜耗增
　　2）为抑制电流中的高次谐波，需适当增加电动机的电感。但转子槽漏抗较大其集肤效应也大，高次谐波铜耗也增大。因此，电动机漏抗的大小要兼顾到整个调速范围内阻抗匹配的合理性。
　　3）变频电动机的主磁路一般设计成不饱和状态，一是考虑高次谐波会加深磁路饱和，二是考虑在低频时，为了提高输出转矩而适当提高变频器的输出电压。
　　2、结构设计
　　再结构设计时，主要也是考虑非正弦电源特性对变频电机的绝缘结构、振动、噪声冷却方式等方面的影响，一般注意以下问题：
　　1）绝缘等级，一般为F级或更高，加强对地绝缘和线匝绝缘强度，特别要考虑绝缘耐冲击电压的能力。
　　2）对电机的振动、噪声问题，要充分考虑电动机构件及整体的刚性，尽力提高其固有频率，以避开与各次力波产生共振现象。. Q3 b/ M/ e： S' P7 Q
　　3）冷却方式：一般采用强迫通风冷却，即主电机散热风扇采用独立的电机驱动。
　　4）防止轴电流措施，对容量超过160KW电动机应采用轴承绝缘措施。主要是易产生磁路不对称，也会产生轴电流，当其他高频分量所产生的电流结合一起作用时，轴电流将大为增加，从而导致轴承损坏，所以一般要采取绝缘措施。
　　5）对恒功率变频电动机，当转速超过3000/min时，应采用耐高温的特殊润滑脂，以补偿轴承的温度升高。