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1、异步电机变频调速概述柳旭摘要：本位介绍了沟通异步电机的进展及基本原理，并简洁介绍了基于SVPWM的沟通电机变 频调速系统和矢量掌握在异步电动机变频调速中的应用，结合变频调速的应用问题对变频调 速进行了整体概述。关键词:沟通电机变频调速SVPWM系统矢量掌握1.沟通电机的综述1. 1沟通电机的进展沟通电动机是电力拖动系统中重要的能量转换装置.，用来实现将电能转换为机械能。长 期以来人们始终在寻求对电动机转速进行调整和掌握的方法，起初由于直流调速系统的调速 性能优于沟通调速系统，直流调速系统在调速领域内长期占居主导地位。但是，随着电力电 子学，大规模集成电路以及计算机技术的飞速进展，各种大功率半导
2、体器件的消失。加之由 于直流电机具有电刷和换相器因而必需常常检查修理、换向火花使直流电机的应用环境受到 限制、以及换向力量限制了直流电机的容量和速度等缺点日益突出起来，沟通调速系统K越 进步，已经进入了与直流调速系统相媲美的时代，沟通拖动掌握系统已经成为当前电力拖动 掌握的主要进展方向。1 . 2沟通电机的调速方法简介从能量转换的角度上看，转差功率是否增大，是消耗掉还是得到回收，是评价调速系统 效率凹凸的标志。有如下公式：定子侧输入的电磁功率（带恒转矩负载乙）：(1-1)其中明为供电电源角频率，为电动机极对数。(1-2)(1-3)(1-3)其中为输出功率，6为转差功率。ps = sP,其中S为
3、转差率。% =（1T）&V（1-4）把异步电机的调速系统分成三类：转差功率消耗型调速系统，转差功率馈送型调速系统 ,转差功率不变型调速系统.转差功率消耗型调速系统的全部转差功率都转换成热能消耗在转了回路中，常见的为 降电压调速；转差离合器调速；转子串电阻调速。在三类异步电机调速系统中，这类 系统的效率最低，而且越到低速时效率越低，它是以增加转差功率的消耗来换取转速的降低 的（恒转矩负载时）。可是这类系统结构简洁，设施成本最低，所以还有肯定的应用价值。转差功率馈送型调速系统除转子铜损外，大部分转差功率在转子侧通过变流装置馈出 或馈入，转速越低，能馈送的功率越多，绕线电机串级调速或双馈电机调速方法
4、属于这一类。无论是馈出还是馈入的转差功率，扣除变流装置本身的损耗后，最终都转化成有用的功率, 因此这类系统的效率较高，但要增加一些设施。转差功率不变型调速系统，转差功率只有转子铜损，而且无论转速凹凸，转差功率基本 不变，因此效率更高，变极对数调速；变压变频调速属于此类。其中变极对数调速是有 级的，应用场合有限。只有变压变频调速应用最广，可以构成高动态性能的沟通调速系统, 取代直流调速；但在定子电路中须配备与电动机容量相当的变压变频器，相比之下，设施成 本最高。2 .变频调速的原理1异步电机的静态等效电路依据电机学原理，在下述三个假定条件下：忽视空间和时间谐波，忽视磁饱和，忽视铁 损，异步电机的
5、稳态等效电路示于图一。图一异步电机T形等效电路心、Rf r 定子每相电阻和折合到定子侧的转子每相电阻；Us. 7r 定子每相漏感和折合到定子侧的转子每相漏感；Zm一一定子每相绕组产生气隙主磁通的等效电感，即励磁电感；庆、定子相电压和供电角频率；s转差率。,U由图可以导出/r =- (2-1)J+说(除式中G =1+ + jL句+二(2-2)jgLm k3/令电磁功率(2-3)s则异步电机的机械特性:则异步电机的机械特性:(2-4)1匕二3%产R；=3对及Is% 例 r ( R ?, ,工3rs+：J +2. 2变频调速的基本原理沟通电动机的同步转速可以表示为：勺二四P沟通电动机的同步转速可以表
6、示为：勺二四P(2-5)式中沟通电动机的同步转速；1沟通电动机定子绕组的宫殿频率；p-沟通电动机定子绕组的磁极对数。依据异步电动机转差率的定义：(2-6)n. -ns =-%可知沟通异步电动机的转速为:n = -(-s)(2-7)P由(2-6) (2-7)可知，假如匀称的转变沟通电动机定子绕组的供电频率，电动机的同 步转速就可以平滑的转变，从而电动机的转速也可以平滑的转变，这样就实现了对电动机转 速的调整和掌握。变频调速被人们公认为具有高效率，高精度和款调速范围的调速性能，因 此是沟通电动机的一种比较抱负的调速方法。2. 3变频调速的掌握方式后且=4.44/应小m(2 - 8)式中：用一气隙磁
7、通在定子每相中感应电动势的有效值，单位为V； /!一定子频率，单位 为Hz；尼一定子每相绕组串联匝数；ANs一基波绕组系数；ni每极气隙磁通量，单位为 Wb。基频以下调速：绕组中的感应电动势是难以直接掌握的，当电动势值较高时，可以忽 视定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压压y Eg,则得今二常值，这就是恒压频 比的掌握方式。但是，在低频时任和饱都较小，定子阻抗压降所占的份量就比较显著， 不再能忽视。这时，需要人为地把电压心抬高一些，以便近似地补偿定子压降。带定子压 降补偿的恒压频比掌握特性示于图二中的b线，无补偿的掌握特性则为a线。图二恒压频比掌握特性图三异步电机变压变频调速的掌握特性基频
8、以上调速：频率从工n向上提升，受到电动机绝缘耐压和磁路饱和的限制，定子电压6不能随之提升，最多只能保持额定电压不变，这将导致磁通与频率成反比的降低, 使得异步电动机工作在弱磁状态。把基频以下和基频以上两种状况的掌握特性画在一起。如 图三。3.变频调速的方法举例1基于SVPWM的沟通电机变频调速系统的介绍在沟通调速领域中，随着高开关频率的功率器件(如IGBT, MOSFET等)消失，脉宽调制 (PWM)技术取代了老式相控技术，一跃占据了主导地位。在众多PWM技术中，电压空间矢量 PWM(也称为磁链跟踪PWM)调制具有比较显著的优点：电流谐波少,转矩脉动小,噪声低。SVPWM的基本原理：在沟通电机
9、变压变频调速系统中，三相电压型逆变器可等效成由图四所示的6个开关元 件组成，电机的相电压和线电压依靠于它所对应的逆变器桥臂上下6个功率开关的状态，依 据SA、SB、SC为0或1可以组合8个状态,这8种工作状态可相应表示为8个矢量称作基本 空间电压矢量，依据其相位分别命名为Uo,。60,520,。，。240 ,。300，皿，。川其中0。00, ”为零矢量。把他们映射到Park复平面下，就可以得到空间矢量图，如图五所图四逆变器-电动机等效电路图图五三相电压型逆变器的基本空间电压矢量SVPWM通常有硬件实现和软件实现两种方法,硬件实现是通过DSP内置的SVPWM状态机, 编程简洁，易于实现，但输出线
10、电压的谐波含量大。软件方法是通过常规的比较功能实现，输 出电压谐波含量小，是目前最为常用方法。目前最流行的是七段式空间电压矢量团慌波 形，它由3段零矢量和4段相邻的非零矢量组成,3段零矢量分别位于PWM波的开头、中间和 结尾。3.2矢量掌握在异步电动机变频调速中的应用介绍矢量掌握基本设想：依据一个三相沟通的磁场系统和一个旋转体上的直流磁场系统，以 两相系统作过渡，可以相互进行等效变换的原理，所以将变频器的给定信号变换成类似直流 电动机磁场系统的掌握信号，也就是说，假设有两个相互垂直的直流绕组同处于一个旋转体 上，两个绕组中分别独立地通入由给定信号分解而得的励磁电流信号加和转矩电流信号 , 并且
11、L和乙作为基本掌握信号，则通过等效变换，可以得到与基本掌握信号3等效的三相 沟通掌握信号、骁、心去掌握逆变电路。对于电动机在运行过程中的三相沟通系统的数 据，又可以等效变换成两个相互垂直的直流信号，反馈到给定掌握部分，用以修正基本掌握 信号和进行矢量掌握时，可以和直流电动机一样，使其中一个磁场电流信号3不变, 而掌握另一个磁场电流信号办,从而获得和直流电动机类似的掌握功能。基本框图如图六: 图六掌握反馈图给定掌握器将信号分解成两个相互垂直且独立的直流信号八和，然后通过直/交变换 将九和亏变换成两相直流电流信号il和 乂经过2/3变换，得到三相沟通掌握信号北、 、L，去掌握逆变桥。电流反馈用于反
12、映负载的状况，使直流信号的转矩重量L能随负 载而变，从而模拟出类似于直流电动机的工作状况。速度反馈用于反映拖动系统的实际转速 和给定值之间的差异，并使之以最快的速度进行校正，从而提高系统的动态特性。4.变频调速的应用问题目前，沟通拖动掌握系统的应用领域主要有下面三个方面：1） 一般性能调速和节能调 速；2）高性能的沟通调速系统和伺服系统；3）特大容量，极高转速的沟通调速。3. 1变频器运行时对一般异步电机的影响一般异步电动机在用变频器进行调速时，由于供电系统中电压除基波外不行避开含有高 次谐波重量，以及电动机运行速度范围的扩大，运行过程中，一般异步电动机存在以卜.问题：1、电动机的效率问题：使
13、用变频调速，虽然综合效率提高，但电机效率有所下降。不 论哪种形式的变频器，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，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。由于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转差切割转子导条后，便会产生很大的转子损耗。除此之 外，因集肤效应所产生的附加铜耗，这些损耗都使得电动机的功率因数和效率变差。2、电动机的温升问题：一般异步电动机因变频器产生的高次谐波，还会使电动机额外 发热。3、电动机绝缘强度问题：一般异步电动机用变频器调速时，变频
14、器载波频率约为几千 到十几千赫，这就使得电动机定子绕组要承受很高的电压提升率，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。4、电机轴承强度问题：变频宫殿式，产生的轴电压和轴电流会对电机轴承作用，缩短 轴承使用寿命；一般异步电动机高频率运转时电机轴承受力增大，需考虑轴承强度。5、谐波电磁噪声与震惊：6、电动机对频繁启动、制动的适应力量：采纳变频器供电后，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，并可采用变频器所供的各种制动方式进行快速制动。 4. 2一般电机在变频运行时的留意事项1、尽量采纳绝缘等级高的电机：绝缘等级越高，电机绝缘强度越高、允许的工
15、作温度 越高，因变频调速产生的温升、绝缘问题影响越小。2、尽量选用强度高、质量好的轴承，并选用专用润滑脂；增加轴承的电气绝缘或者将 电机轴通过电刷接地，或设法隔断轴电流的回路，如采纳陶瓷滚子轴承或实现轴承室绝缘, 减小轴电流对电机轴承的影响。3、一般电机在变频状态下工作，频率调整不要过于频繁，应依据电机极对数，在适当 的频率范围内对一般异步电动机进行频率调整：2极为2065Hz范围长期运行，4极为25 75Hz范围长期运行，6极为3085Hz范围长期运行，8极为35100Hz范围长期运行。 5.结论本文介绍了沟通变频调速的进展概述，基本原理，应用领域，详细方法举例，和应用留 意事项。随着电力电
16、子技术，掌握技术和计算机技术的进展，沟通调速系统已逐步普及，打 破了以往直流调速系统一统高性能调速天下的格局。参考文献陈伯时.电力拖动自动掌握系统一运动掌握系统国.4版.北京：机械工业出版社，2022.牛鸿.关于沟通电动机变频调速的一些研讨J.变频器世界，2022, (08).李晶.矢量掌握在异步电动机变频调速的应用J.价值工程，2022, (09).宫磊.异步电机在变频调速中的应用J.现代视听，2022, (07).李良仁.变频调速技术与应用M.北京：电子工业出版社，2022.吴志友.基于SVPWM的沟通电机变频调速系统的讨论J.通信电源技术，2022, (03).郑飞.基于DSP和FPGA的SVPWM算法及其在变频调速的应用J.电力自动化设施，2022, (H).