7、交流电动机调速及变频原理

交流电动机变频调速原理
交流电动机变频调速原理主要涉及到调整电源频率以改变电动机转速的技术。

它基于电动机的电压-频率特性，利用电力电
子器件对电源频率进行调节，从而控制电动机的转速。

在传统的交流电动机驱动系统中，电源频率是固定的，通常为50Hz或60Hz。

这种情况下，电动机的转速是由电源频率和电
动机的极数决定的。

而通过变频器对电源频率进行调节，可以使电源频率不再固定。

变频器一般由整流器、滤波器和逆变器三个部分组成。

整流器将交流电源转换为直流电源，滤波器用于平滑输出电流，逆变器将直流电源转换为可调的交流电源。

变频器能根据所需转速将直流电源转换为相应频率的交流电源供给电动机，并且能够根据实际负载情况实时调整输出频率。

通过改变电源频率，可以改变电动机的转速，实现调速功能。

变频调速具有以下优点：
1. 转速范围广：变频器可以实现广泛的转速调节，将电动机的转速从低速到高速进行连续调整。

2. 转速精度高：通过精确控制输出频率，可以实现对电动机转速的精准调控。

3. 节能高效：变频调速可以根据负载情况智能调整电源频率，减少能量损耗，提高能源利用效率。

4. 启停平稳：传统的交流电机启停频繁会对电机产生冲击，通过变频调速可以实现平稳启动和停止，减少冲击。

总之，交流电动机变频调速原理是通过变频器对电源频率进行调节，从而实现对电动机转速的精确控制。

它具有范围广、精度高、节能高效、启停平稳等优点，广泛应用于工业生产和能源节约领域。

交流电机简介“交流电机”是用于实现机械能和交流电能相互转换的机械。

由于交流电力系统的巨大发展，交流电机已成为最常用的电机。

交流电机与直流电机相比，由于没有换向器（见直流电机的换向），因此结构简单，制造方便，比较牢固，容易做成高转速、高电压、大电流、大容量的电机。

交流电机功率的覆盖范围很大，从几瓦到几十万千瓦、甚至上百万千瓦。

20世纪80年代初，最大的汽轮发电机已达150万千瓦。

交流电机是由美籍塞尔维亚裔科学家尼古拉·特斯拉发明的。

电机原理用单相电容式电机说明：单相电机有两个绕组，即起动绕组和运行绕组。

两个绕组在空间上相差90度。

在起动绕组上串联了一个容量较大的电容器，当运行绕组和起动绕组通过单相交流电时，由于电容器作用使起动绕组中的电流在时间上比运行绕组的电流超前90度角，先到达最大值。

在时间和空间上形成两个相同的脉冲磁场，使定子与转子之间的气隙中产生了一个旋转磁场，在旋转磁场的作用下，电机转子中产生感应电流，电流与旋转磁场互相作用产生电磁场转矩，使电机旋转起来。

调速原理额定转速n=60f/p（1-s）=同步转速N1（1-S）f电源频率p电机极对数s转差率1.利用变频器改变电源频率调速，调速范围大，稳定性平滑性较好，机械特性较硬。

就是加上额定负载转速下降得少。

属于无级调速。

适用于大部分三相鼠笼异步电动机。

2.改变磁极对数调速，属于有级调速，调速平滑度差，一般用于金属切削机床。

3.改变转差率调速。

（1）转子回路串电阻：用于交流绕线式异步电动机。

调速范围小，电阻要消耗功率，电机效率低。

一般用于起重机。

（2）改变电源电压调速，调速范围小，转矩随电压降大幅度下降，三相电机一般不用。

用于单相电机调速，如风扇。

（3）串级调速，实质就是就是转子引入附加电动势，改变它大小来调速。

也只用于绕线电动机，但效率得到提高。

交流电机调速方法一、变极对数调速方法：改变定子绕组的接红方式来改变笼型电动机定子极对数达到调速。

交流电动机变频调速技术的发展随着电力电子技术和控制理论的不断发展，交流电动机变频调速技术得到了广泛应用。

本文将介绍交流电动机变频调速技术的发展背景、基本原理、应用场景、案例分析以及交流讨论，以期读者能深入了解该技术的应用和发展前景。

交流电动机变频调速技术是一种通过改变电源频率来调节交流电动机转速的技术。

其基本原理基于交流电动机的转速与电源频率成正比关系，通过改变电源频率，可以实现对电动机转速的平滑调节。

目前，常见的交流电动机变频调速方法有直接电源变换型和间接电源变换型两种。

直接电源变换型是通过改变电源的频率和幅值来直接驱动电动机，而间接电源变换型则是通过先转换成直流，再通过逆变器转换成交流来驱动电动机。

两种方法各有优缺点，直接电源变换型具有高效率和快速响应特点，但需要使用昂贵的电力电子设备；而间接电源变换型虽然需要两级转换，但其控制精度高且成本较低。

交流电动机变频调速技术被广泛应用于各种领域。

在工业生产中，该技术用于驱动各种泵、风机、压缩机等设备，实现生产过程的自动化和节能；在交通运输业中，交流电动机变频调速技术用于驱动地铁、轻轨、动车等城市轨道交通车辆，提高运行效率和乘坐舒适度；在电力系统中，该技术用于调节负荷和功率因数，提高电网运行效率和稳定性；在环保领域，交流电动机变频调速技术用于驱动环保设备，如污水泵、除尘器等，实现环保工程的自动化和节能。

随着技术的不断发展，交流电动机变频调速技术的应用前景将更加广阔。

以地铁车辆为例，交流电动机变频调速技术被广泛应用于地铁电传动系统中。

通过使用该技术，地铁车辆能够根据运行需求自动调节速度和加速度，提高运行效率和乘坐舒适度。

同时，该技术还具有对电网的友好特性，能够实现能量的高效回馈，降低能源消耗。

在应用交流电动机变频调速技术时，有一些问题需要注意。

由于该技术的应用涉及到大量的电力电子设备，因此需要充分考虑其可靠性、稳定性和耐久性。

由于不同的应用场景对电动机的调速性能和节能效果有不同的要求，因此需要根据实际情况选择合适的变频器和控制系统。

交流电动机变频调速方法研究引言：随着现代工业的发展和对能源的节约要求，交流电动机的变频调速方法逐渐被广泛应用。

变频调速可以通过改变电动机的输入频率，调节转速和负载之间的匹配，实现低速大转矩或高速小转矩的工作要求。

本文将研究交流电动机变频调速的方法。

一、变频调速原理：1.原理概述：电动机电源频率=f，电源电压=V，电动机相数=φ输出转矩和转速之间的关系：T=k*M^n，其中k为系数，n为常数。

固定电源电压不变，改变电源频率f，可以调节转速M。

2.调速方案：a)正弦波PWM调制方案：根据输入的信号波形，生成与输入波形相同的输出波形，然后利用多级逆变器将输出电流波形进行滤波处理得到交流输出电压波形。

b)SPWM调制方案：通过多级逆变器将直流电压转换为交流电压，通过控制逆变器的开关管，实现输出电压的变化和频率的变化，从而改变电动机的转速。

c)SVPWM调制方案：通过控制多个开关管的占空比和触发时刻，可以产生更接近理想正弦波的输出波形，实现电动机的精确调节。

二、变频调速方法的优缺点：1.优点：a)可以实现宽范围内的调速，满足不同工况的要求。

b)调速精度高，可以实现恒定转矩和恒定功率控制，提高电动机的运行效率。

c)调速过程平稳，无冲击，减少机械零件磨损。

d)节能效果显著，可以节约电能消耗。

2.缺点：a)变频调速系统的成本较高，包括逆变器、滤波器、控制器等设备的成本较高。

b)变频设备对电网的污染较大，需要采取补偿措施。

c)变频设备的维护和保养要求高，需要定期检查和维修。

三、变频调速在实际应用中的问题及解决方案：1.变频调速系统的电磁干扰问题：变频调速设备会产生一定的高次谐波，对电网和其他设备产生干扰。

解决方案可以采用滤波器等装置来减少干扰。

2.变频调速系统的稳定性问题：变频调速系统存在潜在的震荡和共振问题，需要采取措施来保持系统的稳定。

3.变频调速系统的故障检测和维修问题：变频调速系统是复杂的电力系统，如果出现故障需要及时检测和维修。

第一节 交流异步电动机变频调速原理根据电机学原理，交流异步电动机的转速可表示为：)1(**60s pf n -= （2-1-1） 式中： n 一 电动机转速/分钟，单位：r/min ；p 一 电动机磁极对数；f 一 电源频率，单位：Hz ；s 一 转差率，10<<s 。

注：p 是磁极对数，不是磁极数。

由式（2-1-1）知，影响电动机转速的因素有：电动机的磁极对数 p ，转差率 s 和电源频率f 。

对于给定的电动机，磁极对数 p 一般是固定的；通常情况下，转差率 s 对于特定负载来说是基本不变的，并且其可以调节的范围较小，加之转差率 s 不易被直接测量，调节转差率来调速在工程上并未得到广泛应用。

如果电源频率可以改变，那么通过改变电源频率来实现交流异步电动机调速的方法应该是可行的，这就是所谓变频调速。

由电机学原理知，如忽略绕组间的互感、绕组的漏感及空间电磁谐波，交流异步电动机的相等效稳态电路如图 2-1-1。

图 2-1-1 交流异步电动机的相等效稳态电路由戴维南定理，图 2-1-1电压平衡方程式为：U = E + I * r （2-1-2）式中： U 一 相电压 ；E 一 定子绕组的感应电动势；I 一 定子绕组的相电流；r 一 定子绕组电阻与转子绕组电阻折算到定子侧的电阻之和。

交流异步电动机的定子绕组的感应电动势是定于绕组切割旋转磁场磁力线的结果， 其有效值计算如下：E = K * f * Φ （2-1-3） 式中：Ｋ 一 与电动机结构有关的常数；ｆ 一 电源频率；Φ 一 磁通量 。

由式（2-1-2）知，加在电机绕组端的电源电压Ｕ，一部分产生感应电动势Ｅ，另一部分消耗在电阻 r （ 定子绕组电阻与转子绕组电阻折算到定子侧的电阻之和 ）上 。

其中定子绕组的相电流 I 由两部分构成：21I I I += （2-1-4）电机的定子电流有一小部分1I 用于建立磁场的主磁通，其余大部分2I 用于产生拖动负载的电磁力。

沟通电动机调速的基本原理和调速方式 -电动机依据前述的学问，对于沟通电动机，有：其中，——旋转磁场转速——定子绕组沟通电源频率——三相异步电动机的极数——三相异步电动机转子转速——转差率由以上两式消去，可以得到：……………………………………………………………………（式7-5-1）依据上式，对异步电动机的调速有三个途径，即：①转变定子绕组极对数；②转变转差率；③转变电源频率。

对于同步电动机，其转差率，它只具有两种调速方式。

实际应用的沟通调速方式有多种，以下对几种常用的方法简洁介绍：1、变极调速这种调速方式只使用于特地生产的多级多速异步电动机。

通过绕组的不同组合连接方式，可以获得二、三、四极3种速度，这种调速方式速度变化是有级的，只适用于一些特殊应用的场合，只能达到大范围粗调的目的。

本课程第三章的学习单元八所介绍的正是双速电动机的变速把握，其它类似多级多速电动机的调速把握线路与之类似。

2、转子串电阻调速这种调速方式只适用于绕线式转子异步电动机，它是通过转变串联于转子电路中的电阻阻值的方式，来转变电动机的转差率，进而达到调速的目的。

由于外部串联电阻的阻值可以多级转变，故可实现多种速度的调速（原理上，也可实现无级调速）。

但由于串联电阻消耗功率，效率较低，同时这种调速方式机械特性较软，只适用于调速性能要求不高的场合。

3、串级调速这种调速方式只适用于绕线式异步电动机，它是通过肯定的电子设备将转差功率反馈到电网中加以利用的方法。

在风机、泵类传动系统中应用较广。

4、调压调速图1 调压调速示意图如图1是将晶闸管反并联连接，构成沟通调速电路，通过调整晶闸管的触发角，转变异步电动机的端电压进行调速。

这种方式也转变转差率，转差功率消耗在转子回路中，效率较低，较适用于特殊转子电动机（例如深槽电动机等高转差率电动机）中。

通常，这种调速方法应构成转速或电压闭环，才能实际应用。

5、电磁调速异步电动机这种系统是在异步电动机与负载之间通过电磁耦合传递机械功率，调整电磁耦合器的励磁，可调整转差率的大小，从而达到调速的目的。

、.~①我们‖打〈败〉了敌人。

②我们‖〔把敌人〕打〈败〉了。

一、调速：1．机械调速：在电动机轴上安装可调速的联轴节（如变间距皮带轮、液压联轴节、变速齿轮机构）2．变速电动机：交流变极电动机、直流发电机---直流电动机组二、交流电动机：同步速度n0=60f0/p转差率s=(n0-n)/n0n--转子转速p—极对数等值电路：U1:定子相电压I1、I2’:定、转子电流r1、r2’：定、转子电阻x1、x2’:定、转子电抗xm、rm:、励磁电抗和电阻E1、E2’:定、转子电动势I2’、E2’、r2’、x2’等转子参数是经过折算后得的值。

输入功率：P1=m1·U1·I1·COSΦ1定子铜耗：P Cu1=m1·I12·r1定子铁耗：P Fe1=m1·I m2·r m转子铜耗：P Cu2=m1·I2’2·r2’总机械功率：P i=m1·i2’2·r2’·(1-s/s)异步电动机功率流程示意图：P M=P1- P Cu1- P Fe1(P M为电磁功率，P1为电网输入的电功率)P i= P M- P Cu2（P i为总机械功率）P2=P i-P m(P m为机械损耗，P2为电机轴的输出功率)电机的转矩平衡方程式：P2/ω=P i/ω=P m/ω或 T2=T-T m（ω为电机转子的旋转角速度,ω=2πn/60;T2为负载转矩；T为电磁转矩）由此一系列关系式，还可得出异步电动机的转矩-转差率（转速）曲线，简称T-S曲线。

三、电力半导体器件：1．晶闸管（SCR）：A为阳极；K为阴极；G为门极。

2．门极可关断晶闸管（GTO）：可以利用G极的正、负极性来导通和关断电路。

3．功率晶闸管（BJT）：亦称巨型晶体管（GTR）,类似于NPN的三极管，要在基极提供一定的电流才可正常工作。

BJT主要工作于开关状态，即截止和饱合导通状态。

变频调速原理及概述异步电机调速系统的种类很多，但是效率最高、性能最好、应用最广的是变频调速，它可以构成高动态性能的交流调速系统来取代直流调速系统，是交流调速的主要发展方向。

变频调速是以变频器向交流电机供电，并构成开环或闭环系统，从而实现对交流电机的宽范围内无极调速。

变频器可把固定电压、固定频率的交流电压变换为可调电压、可调频率的交流电。

在变换过程中。

没有直流环节的称为交-交变频器，有中间直流环节的称为交-直-交变频器。

由直流电变为交流电的变换器称为逆变器。

目前应用最广的是交-直-交变频器，通常由整流器、中间直流储能电路和逆变器三部分组成。

人们所说的交流调速传动，主要是指采用电子式电力变换器对交流电动机的变频调速传动，除变频以外的另外一些简单的调速方案，例如变极调速、定子调压调速、转差离合器调速等，由于其性能较差，终将会被变频调速所取代。

交流调速传动控制技术之所以发展的如此迅速，和如下一些关键性技术的突破性进展有关，它们是电力电子器件（包括半控型和全控型器件）的制造技术、基于电力电子电路的电力变换技术、交流电动机的矢量变换控制技术、直接转矩控制技术、PWM（Pulse Width Modulation）技术以及以微型计算机和大规模集成电路为基础的全数字化控制技术等。

变频器的发展：近二十年来，以功率晶体管GTR为逆变器功率元件、8位微处理器为控制核心、按压频比U/f控制原理实现异步机调速的变频器，在性能和品种上出现了巨大的技术进步。

其一，是所用的电力电子器件GTR以基本上为绝缘栅双极晶体管IGBT所替代，进而广泛采用性能更为完善的智能功率模块IPM，使得变频器的容量和电压等级不断地扩大和提高。

其二，是8位微处理器基本上为16位微处理器所替代，进而有采用功能更强的32位微处理器或双CPU，使得变频器的功能从单一的变频调速功能发展为含有逻辑和智能控制的综合功能。

其三，是在改善压频比控制性能的同时，推出能实现矢量控制和转矩直接控制的变频器，使得变频器不仅能实现调速，还可进行伺服控制。