您的位置:首页> 维修指南>内容正文
电力电子与变频调速的姻缘
[正文]:内容提要：本文介绍了人们为了保持异步电动机在结构方面的优点，而开发的各种调速方法。
阐明了变频调速技术迟迟不能实现的关键所在，叙述了变频调速技术的发展过程。
关键词：异步电动机 无级调速 直流调速系统 开关器件 晶闸管 双极晶体管 绝缘栅晶体管 正弦脉宽调制 矢量控制abstract: this paper introduced many speed regulating method of the non-synchronous motor. interpreted why the inverter is realized so late. and introduced the developmental process of inverter. key words: non-synchronous motor step-less speed regulation dc speed regulating system switching equipment thyristor(scr) bipolar junction transistor(bjt) insulated-gate bipolar transistor(igbt) sine pulse width regulator vector control一．盼望变频近百年1.1拖动系统中骄子的烦恼1．结构优越成骄子在所有电动机中，三相交流异步电动机的结构在简单、坚固方面是首屈一指的。
它的转子绕组由两侧端部互相短接的铜条或铝条（俗称鼠笼条）构成，和外电路之间没有任何电的联系，可以自成一体，象个“鼠笼”，如图1所示。
这带来了使用寿命长、易于维修、以及价格低廉等极为突出的优点。
尽管它比直流电动机晚“出生”了五十年，却很快地在整个电力拖动领域独占鳌头。
在二十世纪八十年代以前，约占工农业生产机械中电动机总量的85％以上，成为了拖动系统的骄子。
2．工业进步受到挑战然而，随着工业生产的不断进步，调速问题越来越成为电力拖动系统所追求的重要指标之一。
拿龙门刨床的刨台拖动系统来说，早期的刨台拖动系统采用g－m（发电机－电动机组）调速系统，如图2所示。
图中，直接拖动刨台的是直流电动机dm，dm由直流发电机g1提供电源，g1又由交流电动机am来带动，am在带动g1的同时，还带动一台励磁发电机g2。
g2发出的电，一方面为dm和g1提供励磁电流，同时也为控制电路提供电源。
除此以外，为了改善dm在低速时的机械特性，还采用了一台结构复杂而昂贵的交磁放大机dma。
上述例子充分说明了：生产机械对电动机进行无级调速的要求是多么地迫切！为了实现无级调速，简直到了不惜工本的地步！如果异步电动机不能很好地解决调速问题，其“霸主”地位必将受到严重的挑战。
1.2曾经进行过的尝试人们实在是太喜欢异步电动机了，总希望异步电动机能够在调速方面有所突破。
指导思想是：既保持异步电动机的基本框架，又能够较好地进行调速。
而主要依据便是异步电动机的转速公式： nm＝
点击查看大图片
（1－s）＝n0（1－s） （1）式中，nm─电动机的转速，ｒ∕ｍｉｎ；f─电流频率，ｈｚ；p─磁极对数；s─转差率；n0─同步转速，即旋转磁场的转速，r∕min。
曾经提出过的主要方案有：１．改变磁极对数的调速改变磁极对数p实际上就是改变定子旋转磁场的转速。
所以，磁极对数的改变是通过改变定子绕组的接法来实现的，如图3a）和b）所示。
这种调速方法的缺点是显而易见的：（1）一套绕组只能变换两种磁极对数，一台电动机只能放两套绕组。
所以，调速是有级的，最多也只有4档转速。
（2）不管在哪种接法下运行，都不可能得到最佳的运行效果，就是说，其工作效率将下降。
（3）在机械特性方面，不同磁极对数下机械特性的“临界转矩”是不一样的，如图ｃ）所示，故带负载能力也不一致。
（4）调速时须改变绕组接法，故控制电路比较复杂。
2．改变转子回路电阻的调速改变转差率是通过在转子电路中串联电阻来实现的。
所以，这种方法只适用于绕线转子异步电动机，如图4a）所示。
这种调速方法虽然在一部分机械中得到了较为普遍的应用，但其缺点也是十分明显的：（1）因为调速电阻是在外部的，为了使转子电路和调速电阻之间建立电的联系，绕线转子异步电动机在结构上加入了电刷和滑环等薄弱环节，提高了故障率。
（2）调速电阻内将白白地消耗掉许多电能。
（3）因为电阻的容量和体积都较大，所以，只能是有级的，转速的档次也不可能很多。
（4）调速后机械特性的临界转矩的大小不变，但临界转差增大，故特性较“软”，如图b）所示。
显然，这样的调速特性也是不理想的。
3．调节电压的调速即利用双向晶闸管来调节异步电动机的输入电压，可以在一定范围内实现无级调速，如图5a）所示。
异步电动机在降低电压的情况下，机械特性的临界转差将保持不变，但临界转矩则减小，如图5b）所示。
这种方法虽然能够实现无级调速，但不足之处也十分明显：（1）电压下降后，电动机的过载能力下降较多；（2）调速范围窄。
为了扩大调节范围，转子绕组常利用高电阻材料制成，力矩电动机就是按此原理制作成的。
但这样一来，又增加了转子绕组的功率损失，降低了电动机的效率。
4．串级调速所谓串级调速，就是向转子绕组里加入与转子电流频率相同的电动势，来影响转子电流。
这种方法也只能应用于绕线转子异步电动机，如图6a）所示。
和转子串联电阻的方法相比，具有如下优点：（1）减小了串联电阻所消耗的功率；（2）能够实现无级调速。
但它仍存在明显的不足：（1）只能应用于绕线转子异步电动机，具有滑环和电刷等容易产生故障的薄弱环节；（2）其机械特性如图6b）所示，也不够理想。
5．电磁调速电动机电磁调速电动机的基本结构如图7ａ）所示，它相当于两级异步电动机：第一级即为普通的异步电动机，同步转速为n01，转子的转速为n1；第二级的旋转磁场由第一级的转子带动直流磁场形成，转速为n1，第二级的转子转速即为负载所需转速n2。
电磁调速电动机可以通过调节直流磁场和转速反馈来实现无级调速。
这种调速方法在塑料机械和纺织机械中曾经得到过广泛的应用。
它的缺点是：（1）其功耗与绕线转子异步电动机几乎是相同的，故效率较低；（2）机械特性也还不够理想，如图；（3）调速范围不很宽。
其实，变频可以调速，而且可以无级调速这件事，是从十九世纪八十年代异步电动机诞生之日就知道了的。
这是一目了然的：改变了频率，就改变了同步转速，也就改变了转子转速，如式（1）所示的那样。
然而，一直到二十世纪的八十年代，变频调速的梦想才得以实现，人们盼望了将近一个世纪！1.3解决变频调速的关键正如直流电动机调压调速的关键是有一个输出电压可以十分方便地进行调节的“调压源”一样，解决变频调速的关键在于需要有一个能够方便地进行调节的“调频源”。
困难在哪里呢？目前应用得最为广泛的是 交－直－交变频器，其基本结构如图8所示：先将电源的三相(或单相)交流电经整流桥全波整流成直流电，又经逆变桥把直流电“逆变”成频率任意可调的三相交流电。
其中，全波整流是大家都熟悉的，这里不再赘述。
核心部分是“逆变电路”，其工作原理介绍如下：1．单相逆变桥单相逆变桥的构成如图9a）所示。
图中，a、b两端是直流电压ud ，v1、v2、v3、v4均为开关器件，zl是负载；负载两端所得到的电压用uab表示。
（1）前半周期 令v1、v2导通；v3、v4截止。
则负载zl上所得电压uab为a“＋”、b“－”，假设这时的电压为“＋”，电压的振幅值um等于直流电压ud：um＝ud（2）后半周期 令v1、v4截止；v3、v4导通，则负载zl上所得电压为a“－”、b“＋”。
显然，这时的电压与前半周期相反，为“－”值，振幅值um也等于直流电压ud。
上述两种状态如能不断地反复交替进行，则负载zl上所得到的便是交变电压了，其电压波形如图9b）所示。
这就是由直流变为交流的“逆变”过程。
2．三相逆变桥三相逆变桥由6个开关器件构成，如图10a）所示。
其工作过程与单相逆变桥相同，只要注意三相之间互隔t∕3（t是周期）就可以了，三相输出电压的波形如图10b）所示。
3．逆变的关键是开关器件 由上述，逆变桥是实现变频的关键部分，它由六个开关器件构成。
这些开关器件必须满足以下要求：（1）能承受足够大的电压和电流；（2）允许长时间频繁地接通和关断；（3）接通和关断的控制必须十分方便。
显然，手动的刀开关和机械式的接触器都无法满足上述条件。
二．电力电子为变频调速奠定了基础直至二十世纪七十年代，由于半导体技术的飞速发展，开始出现能够承受较高电压和较大电流的半导体开关器件，并逐渐地发展成一门新的学科──电力电子学。
人们梦昧以求的变频调速技术这才开始出现，在二十世纪八十年代不断地完善成能够实用的产品，并迅速地普及开来，得到了广泛的应用。
1．起步始于scr 首先把容量做大的半导体开关器件是大功率晶闸管（scr），变频调速技术于是开始得到了实施，出现了希望。
晶闸管在直流电路内是不能关断的，为了能关断晶闸管，必须接入耐压较高的电容器c，如图11a）所示。
故：（1）主电路与控制电路都较复杂，工作可靠性较差；（2）逆变后的电压波形和电流波形如图11b）和c）所示，故电动机的运行性能不够完善。
所以，晶闸管变频器未能达到推广普及的阶段。
2．普及归功bjt（gtr） 二十世纪七十年代，bjt（双极晶体管）与gto（可关断晶闸管）相继问世，把变频调速推向了实用阶段，于八十年代初开始逐渐推广。
bjt是大功率的复合晶体管（达林顿管），如图12a）的虚线框中所示，其工作特点大致与普通晶体管相同。
故控制方便，大大简化了控制电路，也提高了工作可靠性。
与此同时，正弦脉宽调制技术与矢量控制技术也日臻完善，非但使电动机绕组内的电流波形接近于正弦波，如图12 c）所示，并且变频后电动机的机械特性也较理想，从而使变频调速技术达到了能够普及的阶段。
但由于bjt的开关频率较低（≤2khz），使变频器具有以下弱点：（1）电流波形较差，电动机的转矩略小；（2）电动机内的电磁噪声较大；（3）故障率较高。
3．提高全靠igbt 二十世纪八十年代末，igbt（绝缘栅晶体管）的开发成功，使变频器在许多方面提高了一大步。
igbt的主体部分与gtr类似，但控制部分却与场效应管类似，如图13a）的虚线框中所示。
控制功率大为减小，开关频率也提高了一个数量级（≤20 khz），其电压波形如图13b）所示，从而使变频器具有以下优点：（1）电流波形大为改善，如图13c）所示，电动机的转矩增大；（2）电磁噪声极小；（3）增强了对常见故障（过电流、过电压、瞬间断电等）的自处理能力，故障率大为减少；（4）变频器自身的损耗也大为减少。
可以说，igbt为变频调速的迅速普及和进一步提高奠定了良好的基础。
三．变频调速促进了电力电子的发展变频调速技术的迅速普及与推广，反过来又促进了电力电子技术的不断发展。
这可以从两个方面来说明：1．变频调速促进了电力电子器件的生产由于变频器的应用量大面广，一旦普及应用起来，对电力电子器件的需求量是很大的。
不言而喻，这必然极大地促进了电力电子器件的生产。
2．变频调速推动了电力电子的不断进步由于电动机对调速特性的要求较高，为了满足变频调速系统的各种要求，又促使人们在开发新品种方面倾注了很大的精力，使电力电子技术取得了飞速的进步。
例如：（1）为了减小电动机的电磁噪音和提高输出转矩，促进了电力电子器件的开关频率不断提高；（2）为了减小变频器的体积，促进了电力电子器件的模块化；（3）为了降低故障率，促进了电力电子器件的智能化，等等。
所以说，变频调速与电力电子这两门学科之间，存在着一种相辅相成的关系。
网站首页 培训课程 维修指南
技术文章 家电专栏 供应信息
求购信息 培训资讯 展会信息
电脑专栏 教程下载 资料下载
常用软件 PLC教程 PLC资料
变频伺服 低压电器 维修资料
人机界面 自控仪表 工控机类
文章标题:
中国工控资源网手机版 2012
电话：010-67577139 13811659603
培训咨询QQ：657167934 471895637 销售咨询QQ：623769457
联系邮箱：zggkzyw@163.com
京ICP备11002135号
报时(2026-04-02 23:46:38)