浅谈变频调速三相异步电动机的原理与设计

浅谈变频调速三相异步电动机的原理与设计

摘要：随着电力电子技术的发展，交通变频调速技术也得到了不断的完善和提高，尽管新问世的各类变频器在市场过程中都声称能达用于一般普通的异步电动机，目前国内也有不少科研单位和电机厂已研制并开发了变频专用异步电动机，根据国际有关人士预测，传统的调速方式将有90％被变频变压调速方式所取代，这些变频专用异步电动机，根据使用场合和使用要求的不同，在设计上和构造上有所不同，有低速情况下高转矩特性的专用电机，有适用于高速的专用电机，有带测速发电机和矢量控制等专用电机。

关键词：起重机 变频调速 三相异步电动机 设计

一、三相异步电机变频调速的工作原理

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，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。

（一）变频器选型

变频器选型时要确定以下几点：采用变频的目的；恒压控制或恒流控制等。变频器的负载类型；如叶片泵或容积泵等，特别注意负载的性能曲线，性能曲线决定了应用时的方式方法。变频器与负载的匹配问题；在使用变频器驱动高速电机时，由于高速电机的电抗小，高次谐波增加导致输出电流值增大。因此用于高速电机的变频器的选型，其容量要稍大于普通电机的选型。变频器如果要长电缆运行时，此时要采取措施抑制长电缆对地耦合电容的影响，避免变频器出力不足，所以在这样情况下，变频器容量要放大一档或者在变频器的输出端安装输出电抗器。

（二）变频器控制原理图设计：

1、首先确认变频器的安装环境；

工作温度。变频器内部是大功率的电子元件，极易受到工作温度的影响，产品一般要求为0～55℃，但为了保证工作安全、可靠，使用时应考虑留有余地，最好控制在40℃以下。在控制箱中，变频器一般应安装在箱体上部，并严格遵守产品说明书中的安装要求，绝对不允许把发热元件或易发热的元件紧靠变频器的底部安装。

环境温度。温度太高且温度变化较大时，变频器内部易出现结露现象，其绝缘性能就会大大降低，甚至可能引发短路事故。必要时，必须在箱中增加干燥剂和加热器。在水处理间，一般水汽都比较重，如果温度变化大的话，这个问题会比较突出。

腐蚀性气体。使用环境如果腐蚀性气体浓度大，不仅会腐蚀元器件的引线、印刷电路板等，而且还会加速塑料器件的老化，降低绝缘性能。

2、变频器和电机的距离确定电缆和布线方法；

变频器和电机的距离应该尽量的短。这样减小了电缆的对地电容，减少干扰的发射源。

控制电缆选用屏蔽电缆，动力电缆选用屏蔽电缆或者从变频器到电机全部用穿线管屏蔽。

与变频器有关的模拟信号线最好选用屏蔽双绞线，动力电缆选用屏蔽的三芯电缆或遵从变频器的用户手册。

3、变频器控制原理图；

主回路：电抗器的作用是防止变频器产生的高次谐波通过电源的输入回路返回到电网从而影响其他的受电设备，需要根据变频器的容量大小来决定是否需要加电抗器；滤波器是安装在变频器的输出端，减少变频器输出的高次谐波，当变频器到电机的距离较远时，应该安装滤波器。虽然变频器本身有各种保护功能，但缺相保护却并不完美，断路器在主回路中起到过载，缺相等保护，选型时可按照变频器的容量进行选择。可以用变频器本身的过载保护代替热继电器。

控制回路：具有工频变频的手动切换，以便在变频出现故障时可以手动切工频运行，因输出端不能加电压，固工频和变频要有互锁。

4、变频器的接地；

变频器正确接地是提高系统稳定性，抑制噪声能力的重要手段。变频器的接地端子的接地电阻越小越好，接地导线的截面不小于4mm，长度不超过5m。变频器的接地应和动力设备的接地点分开，不能共地。信号线的屏蔽层一端接到变频器的接地端，另一端浮空。变频器与控制柜之间电气相通。

二、三相异步电动机变频调速系统设计

（一）总体方案设计

1、系统方案论证

三相异步电动机的调速方式很多，常用的有变极对数调速、串级调速、定子调压调速、变频调速等。此系统采用当今比较流行的变频调速。变频调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。调压调速是异步电动机调速系统中比较简单的一种。由电机原理可知，当转差率s基本不变时，电动机的电磁转矩与定子电压的平方成正比，因此，改变定子电压就可以得到不同的人为机械特性，从而达到调节电机转速的目的。

异步电动机采用调压调速时，由于同步转速不变和机械特性较硬，因此对普通异步电动机来说其调速范围很有限，无实用价值，而对力矩电机或绕线式异步电动机在转子中串入适当电阻后使机械特性变软其调速范围有所扩大，当电机低速运行时，负载或电压稍有波动，就会引起转速很大的变化，运行不稳定。除此之外，在负载或电网电压波动情况下，其转速波动也比较严重，为了提高系统的稳定性，采用双闭环调速系统，以提高调压调速特性的硬度。变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器。电力电子功率变换器与控制器及电量检测器集中于一体，称为变频器。变频器可分成交流－直流－交流变频器和交流－交流变频器两大类，本系统采用交－直－交变频器。其特点：效率高，调速过程中没有附加损耗；应用范围广，可用于笼型异步电动机；调速范围大，特性硬，精度高；技术复杂，造价高，维护检修困难。

（二） 交-直-交变频主电路设计

1、电路构成

变频器由主电路和控制电路两大部分组成.主电路包括二极管整流模块、滤波器(电容器)、制动器以及IBGT(绝缘栅双极晶体管)逆变器等.控制电路包括单片机系统、驱动保护电路、故障信号检测电路以及操作与显示电路.

2、 变频器的工作原理 先将固定的交流电整流成直流电,再将直流电逆变成频率连续可调的交流电,这就是变频器的工作原理：交-直部分是整流电路：整流是把交流电变为直流电的过程，利用二极管的单向导电性可实现这一过程。单相桥式整流电路输出直流电压平均值为UO≈0.9U2。滤波电路可以平滑整流后的脉动电压波形，减小其纹波成份。滤波电路主要有电容型滤波和电感型滤波。桥式整流电容滤波电路输出电压一般为UO＝1.2U2，而桥式整流电感滤波其输出直流电压一般取U0＝0.9U2。电容型滤波的特点是输出电压平均值高，但对二极管的冲击电流峰值较高，适用于负载电流不大的场合。而电感型滤波输出电压平均值不高，通过二极管电流较平滑，一般适用于负载电流较大的场合。整流电路由D2~D5组成不可控整流桥，它们将电源交流全波整流成直流。整流电路因变频器输出功率大小不同而异，因此系统输出功率只有0.75KW，故输入电源采用单相220V，整流电路为单相全波整流。滤波电路：由R13、R13、C13和C14组成.整流电路输出的电压是脉动的直流电压，必须加以滤波。滤波电容的作用是：滤除整流后的电压纹波，而且还在整流电路与逆变器之间起去耦作用，以消除相互干扰，这就给作为感性负载的电动机提供必要的无功功率。因而，中间直流电路的电容量必须较大，起到储能作用，所以中间直流电路的电容器又称储能电容器。电源指示LP：LP除了表示电源是否接通以外，还有一个十分重要的功能，即在变频器切断电源以后，显示滤波电容器上的电荷是否已经释放完毕。由于C13、C14的容量较大，而切断电源又必须在逆变电路停止工作的状态下进行，所以C13C14没有快速放电的回路，其放电时间往往长达数分钟。又由于C13、C14上的电压较高，如电荷不放完，在维修变频器时，将对人身安全构成威胁。所以，LP完全熄灭后才能接触变频器内部的导电部分。

参考文献：

1.《建设机械技术与管理》1999年 第4期

2.王立飞;基于ARM的三相交流异步电动机调速系统研究[D];华中农业大学;2010年

3.李飞;基于矢量控制的交流电机控制器的设计[D];合肥工业大学;2010年