一文看懂電動(dòng)機(jī)控制與變頻調(diào)速原理

什么是變頻調(diào)速

變頻調(diào)速簡(jiǎn)單的說(shuō)就是改變頻率和電壓進(jìn)行調(diào)速。將交流電通過(guò)整流變成直流，將直流通過(guò)晶閘管的頻繁關(guān)斷，使之形成的矩形波近似成交流正弦波。晶閘管的頻繁關(guān)斷的頻率決定了輸出交流電的頻率。通過(guò)改變頻率進(jìn)而控制速度變化，這就是交直交變頻。

變頻調(diào)速的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)

1、無(wú)級(jí)調(diào)速

2、啟動(dòng)電流小、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大

3、調(diào)速精度高

4、容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制

5、效率高

6、節(jié)能型調(diào)速

缺點(diǎn)

1、成本高

2、產(chǎn)生諧波污染電網(wǎng)

3、輸出的PWM波，會(huì)造成電機(jī)、電纜的額外發(fā)熱、

4、共模電壓的產(chǎn)生有可能會(huì)降低電機(jī)軸的壽命。

變頻調(diào)速的原理

變頻調(diào)速是通過(guò)改變電機(jī)定子繞組供電的頻率來(lái)達(dá)到調(diào)速的目的。常用三相交流異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)為圖1所示。定子由鐵心及繞組構(gòu)成，轉(zhuǎn)子繞組做成籠型（見(jiàn)圖2），俗稱(chēng)鼠籠型電動(dòng)機(jī)。當(dāng)在定子繞組上接入三相交流電時(shí)，在定子與轉(zhuǎn)子之間的空氣隙內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，它與轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，出現(xiàn)感應(yīng)電流，此電流與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。電機(jī)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速稱(chēng)為同步轉(zhuǎn)速，用n1表示

n1=60f/p（r/min）（1）

式中：f——三相交流電源頻率，一般為50Hz。

p——磁極對(duì)數(shù)。當(dāng)p=1時(shí)，n1=3000r/min；p=2時(shí)，n1=1500r/min。可見(jiàn)磁極對(duì)數(shù)p越多，轉(zhuǎn)速n1越慢。

轉(zhuǎn)子的實(shí)際轉(zhuǎn)速n比磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速n1要慢一點(diǎn)，所以稱(chēng)為異步電機(jī)，這個(gè)差別用轉(zhuǎn)差率s表示：

s=［n1－n）/n1］×100％（2）

當(dāng)加上電源轉(zhuǎn)子尚未轉(zhuǎn)動(dòng)瞬間，n=0，這時(shí)s=1；起動(dòng)后的極端情況n=n1，則s=0，即s在0～1之間變化。一般異步電機(jī)在額定負(fù)載下的s=（1～6）％。

綜合式（1）和式（2）可以得出

n=60f（1－s）/p（3）

圖1三相異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖 圖2籠型電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn) 子繞組1—銅環(huán)；2—銅條

1—機(jī)座；2—定子鐵心；

3—定子繞組；4—轉(zhuǎn)子鐵心；

5—轉(zhuǎn)子繞組

由式（3）可以看出，對(duì)于成品電機(jī)，其磁極對(duì)數(shù)p已經(jīng)確定，轉(zhuǎn)差率s變化不大，則電機(jī)的轉(zhuǎn)速n與電源頻率f成正比，因此改變輸入電源的頻率就可以改變電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，進(jìn)而達(dá)到異步電機(jī)調(diào)速的目的。

但是，為了保持在調(diào)速時(shí)電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩不變，必須維持電機(jī)的磁通量恒定，因此定子的供電電壓也要作相應(yīng)調(diào)節(jié)。變頻器就是在調(diào)整頻率（VariableFrequency）的同時(shí)還要調(diào)整電壓（VariableVoltage），故簡(jiǎn)稱(chēng)VVVF（裝置）。通過(guò)電工理論分析可知，轉(zhuǎn)矩與磁通量（最大值）成正比，在轉(zhuǎn)子參數(shù)值一定時(shí)，轉(zhuǎn)矩與電源電壓的平方成正比。

變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用

縱觀我國(guó)變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用，總的說(shuō)來(lái)走的是一個(gè)由試驗(yàn)到實(shí)用，由零星到大范圍，由輔助系統(tǒng)到生產(chǎn)裝置，由單純考慮節(jié)能到全面改善工藝水平，由手動(dòng)控制到自動(dòng)控制，由低壓中小容量到高壓大容量，一句話(huà)，由低級(jí)到高級(jí)的過(guò)程。

多年來(lái)，國(guó)家經(jīng)貿(mào)委一直會(huì)同國(guó)家有關(guān)部門(mén)致力于變頻調(diào)速技術(shù)的開(kāi)發(fā)及推廣應(yīng)用，在技術(shù)開(kāi)發(fā)、技術(shù)改造方面給予了重點(diǎn)扶持，組織了變頻調(diào)速技術(shù)的評(píng)測(cè)推薦工作，并把推廣應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)作為風(fēng)機(jī)、水泵節(jié)能技改專(zhuān)項(xiàng)的重點(diǎn)投資方向，同時(shí)鼓勵(lì)單位開(kāi)展統(tǒng)貸統(tǒng)還方式，抓開(kāi)發(fā)、抓示范工程、抓推廣應(yīng)用。國(guó)家成立了風(fēng)機(jī)水泵節(jié)能中心，開(kāi)展信息咨詢(xún)。1995~1997年3年間我國(guó)風(fēng)機(jī)水泵變頻調(diào)速技術(shù)改造投人資金3.5億元，改造總?cè)萘窟_(dá)100萬(wàn)kw，可年節(jié)電7億kw·h，平均投資回收期約2年。

變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用范圍已發(fā)展到新階段。石油、石化、機(jī)械、冶金等行業(yè)都經(jīng)過(guò)了單系統(tǒng)試用、大量使用和整套裝置系統(tǒng)使用3個(gè)發(fā)展階段。如廣東茂名石化公司和九江石油化工廠現(xiàn)已發(fā)展到應(yīng)用常減壓和催裂化變頻裝置，取得了節(jié)能、增產(chǎn)的顯著效果；長(zhǎng)春第一汽車(chē)廠18個(gè)專(zhuān)業(yè)廠的輸送機(jī)械、空壓機(jī)等設(shè)備應(yīng)用了162臺(tái)變頻器，保證了新車(chē)的制造迅速達(dá)到了生產(chǎn)指標(biāo)；新疆克拉瑪依油田在煉油、化工、供水、天然氣處理等系統(tǒng)中廣泛采用了變頻器，低壓變頻調(diào)速的普及率已達(dá)70%；梅林水廠、太原鋼廠、邯鄲鋼廠等單位在水泵、風(fēng)機(jī)機(jī)組上采用中壓變頻技術(shù)，保證了生產(chǎn)，節(jié)約了能源等。

什么是電動(dòng)機(jī)控制

電機(jī)控制是指，對(duì)電機(jī)的啟動(dòng)、加速、運(yùn)轉(zhuǎn)、減速及停止進(jìn)行的控制。根據(jù)不同電機(jī)的類(lèi)型及電機(jī)的使用場(chǎng)合有不同的要求及目的。對(duì)于電動(dòng)機(jī)，通過(guò)電機(jī)控制，達(dá)到電機(jī)快速啟動(dòng)、快速響應(yīng)、高效率、高轉(zhuǎn)矩輸出及高過(guò)載能力的目的。

電動(dòng)機(jī)控制的原理（一）

電動(dòng)機(jī)順序控制電路

說(shuō)明：

1、本電路起動(dòng)順序是先M1電動(dòng)機(jī)，后M2電動(dòng)機(jī)；停止順序則相反。

2、PLC（三菱FX0N、FX1N），編程器連接及通電操作。

3、清零操作；程序?qū)懭氩僮?；根?jù)梯形圖寫(xiě)出指令表。

4、 主機(jī)上用導(dǎo)線連接電動(dòng)機(jī)順序控制。

電動(dòng)機(jī)順序控制電路工作原理：合上電源開(kāi)關(guān)QS，按下起動(dòng)按鈕SB1，接觸器KM1得電吸合并自保，M1電動(dòng)機(jī)起動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)。KM1的另一動(dòng)合觸點(diǎn)閉合，為接觸器KM2得電作準(zhǔn)備。按下起動(dòng)按鈕SB2，接觸器KM2得電吸合并自保，M2電動(dòng)機(jī)起動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)。起動(dòng)順序是先KM1吸合，M1電動(dòng)機(jī)起動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)；后KM2吸合，M2電動(dòng)機(jī)起動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)。停車(chē)順序是：只有先按下按鈕SB4，使接觸器KM2斷電釋放，KM2的動(dòng)合觸點(diǎn)斷開(kāi)，M2電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)后再按SB3，M1電動(dòng)機(jī)才能停止運(yùn)轉(zhuǎn)。熱繼電器FR1、FR2常閉觸點(diǎn)，是在電動(dòng)機(jī)過(guò)負(fù)載或缺相過(guò)熱時(shí)將控制電路自動(dòng)斷開(kāi)，保護(hù)了電動(dòng)機(jī)。

電動(dòng)機(jī)控制的原理（二）

異步電動(dòng)機(jī)可逆控制電路（范例）

可逆控制電路（范例）電路工作原理：

（圖A）按下SB2，KM1得電吸合，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)正轉(zhuǎn)。按下SB1，KM1斷電釋放，電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。按下SB3，KM2得電吸合，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)反轉(zhuǎn)。按下SB1，KM2斷電釋放，電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。缺點(diǎn)：不能同時(shí)按下SB2 、SB3按鈕，否則電源將短路，電動(dòng)機(jī)無(wú)法工作。原因：主電路接觸器KM1、KM2連接到電動(dòng)機(jī)M的是兩種相序的電源，若同時(shí)吸合，在接觸器連接點(diǎn)上電源被短路。

（圖B）原理同圖A。在KM1線圈電路中串接了KM2的一個(gè)動(dòng)斷觸點(diǎn)：同樣，在KM2線圈電路中串接了KM1的一個(gè)動(dòng)斷觸點(diǎn)。這兩個(gè)動(dòng)斷觸點(diǎn)稱(chēng)互鎖觸點(diǎn)，這種互鎖稱(chēng)電氣互鎖。保證了任何時(shí)候只有一只接觸器吸合，避免了電源短路。缺點(diǎn)：必須先按停止按鈕SB1，電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)后，才能起動(dòng)電動(dòng)機(jī)的另一旋轉(zhuǎn)方向。

（圖C）在上圖基礎(chǔ)上增加了由起動(dòng)按鈕的動(dòng)斷觸點(diǎn)構(gòu)成的機(jī)械互鎖。如：按下SB2，串接在KM2線圈電路中SB2動(dòng)斷觸點(diǎn)斷開(kāi)了KM2線路。保證了兩個(gè)接觸器不能同時(shí)吸合，又能不按停止按鈕直接起動(dòng)電動(dòng)機(jī)另一旋轉(zhuǎn)方向。