变频调速技术及其应用

变频调速技术及其应用

 

　　现代工业生产过程中，各种设备的传动部件大都离不开电动机，且电动机的传动在许多场合要求能够调速。电动机的调速运行方式很多，以电动机类型分大致可分为直流调速与交流调速两种，而交流调速方式又可分为串级调速、变极调速、滑差电机调速、调压调速以及变频调速等几种方式。

　　自从1958年世界上第一个晶闸管（ＳＣＲ）的面市，晶闸管就以其在功率放大倍数、快速响应性、小功耗、高效率等方面的优越性迅速取代了机组和水银整流器。直流调速系统在60～70年代迅速发展起来，但其造价高，且换相环节有不足。80年代中期随着第三代电力半导体器件如门极可关断晶闸管ＧＴＯ、绝缘栅双极晶体管ＩＧＢＴ的相继出现，交流变频调速技术得到了飞速发展。日、美、德、英等国家在结合现代微处理器控制技术、电力电子技术、电极传动技术的基础上，相继推出了一系列的变频器，且不断进行更新换代。这些高精度、多功能、智能化的变频器将调速效率和精度提高到了前所未有的水平。

 

１　变频调速的基本原理

 

　　交流异步电动机的转子转速ｎ可用下式表示：

　　　ｎ＝60f/p ×(1-s)　　　　(１)

式中：ｆ——定子供电电源的频率；

　　　ｐ——电动机的极对数；

　　　ｓ——电动机的转差率。

　　由此可见，当平滑地改变ｆ时，即可改变ｎ。由此可知，变频调速技术的关键是如何调制出可变频率的正弦波电源。

　　变频技术大致可分为直－交变频与交－交变频两种。我们通常所见的变频器大多采用的为直－交变频技术。

１．１　直－交变频器的原理

　　直－交变频器亦称逆变器。逆变器原理见图1。当两组开关K1和K2轮流切换时，负载Ｒ上便得到一交变电压ＵＲ。该负载电压ＵＲ的频率取决于开关K1，K2的切换频率。由于半导体电力电子器件ＳＣＲ、ＧＴＯ、ＬＧＢＴ等都是理想的无触点开关，因此我们可以用这些器件来替代图１中的开关K1和K2。以使用ＳＣＲ为例，见图2。

　　当一组晶闸管KP1、KP4导通时，另一组晶闸管KP2、KP3关断；当KP2、KP3导通时，KP1、KP4关断。这两组晶闸管不断地轮流切换，从而实现了由直流电源供电，而在负载Ｒ上得到一频率可控的交流电压即实现了从直流到交流的逆变。

１．２　逆变器换流

　　从图2可见，由于供电电源是一直流电源，晶闸管承受了正向电压，只要在其中任一组晶闸管的门极上加上触发脉冲，便可使其触发导通。但普通晶闸管导通以后，其门极便已失控，在直流电源供电的情况下，要关断晶闸管是比较困难的。因此在逆变器中，如何保证其安全、可靠、快速的换流是一个比较关键的问题。

　　在使用晶闸管ＳＣＲ作为功率逆变器的情况下，逆变器的换流通常采用负载谐振式换流和强迫换流两种方式。负载谐振换流是在负载电路中引入电感、电容等补偿元件，利用负载回路中所形成的Ｒ、Ｌ、Ｃ振荡特性，控制负载电流超前电压的时间大于晶闸管的关断时间，使晶闸管关断。强迫换流是将换流回路和负载分开，在换流时，利用换流回路产生的脉冲，强迫原来导通的晶闸管的电流下降为零，并在其上施加一反向偏置电压，当其持续时间大于晶闸管的关断时间时，使晶闸管关断。

　　但不论是负载谐振式换流还是强迫换流，都需附加庞大的换流环节。正是由于可关断晶闸管GTO等第三代半导体电力电子器件的问世，由这些可关断晶闸管或大功率晶体管组成的逆变器，使得逆变器的换流变得非常容易。在省去了附加的换流环节的同时，使逆变器(变频器)在向低价格、小型化的方向上迈出了成功的一步。

１．３　逆变器的电压控制

　　在交流电动机的调速系统中，常常要求电动机不管在高速时运行还是在低速时运行，都要维持电动机的磁通密度为一恒定值。因此当逆变器的输出频率变化时，要求逆变器的输出电压也要随之变化。这就是V/f控制方式。V/f控制通常采用脉冲宽度调制法又称ＰＷＭ法。ＰＷＭ法可分为单ＰＷＭ调制法、多ＰＷＭ调制法、正弦波ＰＷＭ调制法及叠加法等多种方法。这里以正弦波ＰＷＭ调制法进行讨论。

　　如图２线路，晶闸管KP1、KP4反复地导通和关断，表现在基波频率的上半周重复Ｎ次，同样KP2、KP3在基波频率的下半周也重复Ｎ次，见图3。当我们控制每一组晶闸管的导通时间间隔的函数为正弦函数时，负载电压也为正弦函数。

　　由此，我们可以得到一频率和幅值可变的正弦交流电压。当把这个正弦交流电压加在异步交流电动机的定子绕组上时，在电动机的转子输出轴上，即可得到变化的转速。当改变这个正弦交流电压的频率时，转子输出轴的转速也随之变化。

２　变频调速技术及其特点

　　由(１)式可见，当转差率Ｓ变化不大时电动机的转速ｎ基本上正比于定子供电频率ｆ。故改变ｆ就可得到极大的调速范围，很好的调节平滑性以及足够硬度的机械特性。

　　对于恒转矩调速，只要将Ｖ／ｆ控制在基本恒定的情况下，就可保证在调速过程中电动机具有基本相同的过载能力；同时可满足磁通量基本不变的要求。对于恒功率调速，只要将Ｖ／ｆ控制在基本恒定的情况下，调速过程中，电动机的过载能力基本不变就可实现。因此在变频时通过控制Ｖ与ｆ的不同规律的变化即可实现恒转矩或恒功率调速，以适应不同负载的要求。

　　变频调速是目前异步电动机理想的调速方法。它具有效率高、调速范围宽、精度高、平滑性好等优点，但目前变频器的价格还比较高。

　　目前随着计算机技术和电力电子技术的不断发展，通用变频器的功能越来越强大，性能越来越好。如日本ＳＡＮＫＥＮ公司生产的ＳＡＭＣＯ－ｉ系列变频器，功率规格为1.5kW～315kW，功率逆变器采用ＩＧＢ的智能模块ＩＰＭ，控制方式采用Ｖ／ｆ或无速度传感器控制，调制方法采用正弦波ＰＷＭ。其特点是：调速范围大，最大调速范围可达2400左右；低速性能好，在频率为1Hz时，即可满载驱动电机；精度高，它的控制核心为高速32位精简指令集并行处理器ＲＩＳＣ，数字设定时频率分辨率为0.01Hz；输入输出功能全，备有串行通信ＲＳ－232Ｃ和ＲＳ485接口、标准模拟信号的输出输入口、数学信号的输入口、继电器输出口等；体积小，便于安装，其面板操作和外控操作都很方便。至今在我们使用过的近百台该型号的变频器中，效果十分理想。

３　变频调速的应用实例

　　调速皮带秤是一种用于测量和控制皮带输送机的速度和物料流量的实时连续计量装置，广泛应用散装固态原料的计量控制和输送。

　　如图４所示，当电机驱动时，物料随着皮带的运动输出，经荷重传感器Ｗ检测并将其转换成电信号，送入控制器中；同时速度传感器也将检测的电动机转速信号送入控制器中。速度信号和荷重信号经控制器进行变换和处理，计算出物料的瞬时流量和累计流量等，并与设定值进行比较后，通过ＰＩＤ等方式调节输出控制信号，以控制电动机转速，使物料的流量稳定在设定值上。

　　由于皮带秤是一个集控制、计量与输送为一体的设备，采用变频调速可以确保其在工业环境下的稳定、可靠的工作。

　　实践证明，在工业环境比较恶劣的情况下，采用滑差电机调速时，由于滑差离合器密封性不好，离合器容易被灰尘或异物堵死而造成飞车(失控)现象。滑差调速电动机的低速性能很差，当皮带秤在低速运行时，皮带机的速度往往处于一种不稳定状态，严重时会影响到皮带秤的正常工作和计量精度。另外，当要求皮带秤的设定值变化范围较大时，滑差调速电动机的调速范围就显得不够。

　　采用变频调速除了能很好的解决上述问题外，还可以利用变频调速时机械特性很硬、转差率小的特点。通过对皮带秤的荷重信号检测，采用预置控制与ＰＩＤ控制相结合的控制方法，大大提高系统的响应时间。这对于皮带秤上物料忽然变化很大时，确保皮带秤的控制和计量精度是非常重要的。

　　应用变频调速技术在节能方面应用效果亦十分显著。它在水泵和风机上的应用，与传统的阀门、档板相比可节电约40>。以１个100kW的风机为例，按年工作时间8000h计算，一年可节省32万kWh。