班長帶你學變頻器：交流調速的基本原理

「交流電機」是用於實現機械能和交流電能相互轉換的機械。由於交流電力系統的巨大發展，交流電機已成為最常用的電機。交流電機與直流電機相比，由於沒有換向器（見直流電機的換向），因此結構簡單，製造方便，比較牢固，容易做成高轉速、高電壓、大電流、大容量的電機。交流電機功率的覆蓋範圍很大，從幾瓦到幾十萬千瓦、甚至上百萬千瓦。20世紀80年代初，最大的汽輪發電機已達150萬千瓦。交流電機是由美籍塞爾維亞裔科學家尼古拉·特斯拉發明的。

交流非同步電動機的調速方式有多種，諸如調壓調速、變級調速、串級調速、滑差調速等，而變頻調速優於上述任何一種調速方式，是當今國際上廣泛採用的效益高、性能好、應用廣的新技術。它採用微機控制、電力電子技術及電機傳動技術取得工業交流非同步電機的無級調速功能。目前在國內外已廣泛應用，是自動化電力傳動的發展方向。

　　交流變頻調速技術已經成熟。高壓大功率變頻器（幾千V，數千kW）已在大容量風機、高壓水泵等電機上應用。低壓小功率（幾百V，幾個kW）變頻器在鼓風機、壓縮機、離心機、攪拌機、水泵、機床，甚至在空調、洗衣機等方面被廣泛採用。在紡織工業方面，用於織布機、毛紡機等，本文以地毯背塗機為例敘述在地毯製造業上的應用。

一、變頻調速基本原理及特點

　　變頻調速是通過改變電機定子繞組供電的頻率來達到調速的目的。常用三相交流非同步電動機的結構為圖1所示。定子由鐵心及繞組構成，轉子繞組做成籠型（見圖2），俗稱鼠籠型電動機。當在定子繞組上接入三相交流電時，在定子與轉子之間的空氣隙內產生一個旋轉磁場，它與轉子繞組產生相對運動，使轉子繞組產生感應電勢，出現感應電流，此電流與旋轉磁場相互作用，產生電磁轉矩，使電動機轉動起來。電機磁場的轉速稱為同步轉速，用n1表示

　 　n1=60f/p(r/min)(1)

式中：f——三相交流電源頻率，一般為50Hz。

　 　p——磁極對數。當p=1時，n1=3000r/min；p=2時，n1=1500r/min。可見磁極對數p越多，轉速n1越慢。

　　轉子的實際轉速n比磁場的同步轉速n1要慢一點，所以稱為非同步電機，這個差別用轉差率s表示：

　 　s=[n1－n）/n1]×100％（2）

　　當加上電源轉子尚未轉動瞬間，n=0，這時s=1；起動後的極端情況n=n1，則s=0，即s在0～1之間變化。一般非同步電機在額定負載下的s=（1～6）％。

綜合式（1）和式（2）可以得出

n=60f（1－s）/p（3）

　　由式（3）可以看出，對於成品電機，其磁極對數p已經確定，轉差率s變化不大，則電機的轉速n與電源頻率f成正比，因此改變輸入電源的頻率就可以改變電機的同步轉速，進而達到非同步電機調速的目的。

　　但是，為了保持在調速時電機的最大轉矩不變，必須維持電機的磁通量恆定，因此定子的供電電壓也要作相應調節。變頻器就是在調整頻率（VariableFrequency）的同時還要調整電壓（VariableVoltage），故簡稱VVVF（裝置）。通過電工理論分析可知，轉矩與磁通量（最大值）成正比，在轉子參數值一定時，轉矩與電源電壓的平方成正比。

變頻器的工作原理是把市電（380V、50Hz）通過整流器變成平滑直流，然後利用半導體器件（GTO、GTR或IGBT）組成的三相逆變器，將直流電變成可變電壓和可變頻率的交流電，由於採用微處理器編程的正弦脈寬調製（SPWM）方法，使輸出波形近似正弦波，用於驅動非同步電機，實現無級調速。上述的兩次變換可簡化為AC－DC－AC（交－直－交）變頻方式。

利用變頻器改變電源頻率調速，調速範圍大，穩定性平滑性較好，機械特性較硬。就是加上額定負載轉速下降得少。屬於無級調速。適用於大部分三相鼠籠非同步電動機。

二、其他調速方式及原理

1、電磁調速電動機調速方法 ：

電磁調速電動機由籠型電動機、電磁轉差離合器和直流勵磁電源。直流勵磁電源功率較小，通常由單相半波或全波晶閘管整流器組成，改變晶閘管的導通角，可以改變勵磁電流的大小。

2、液力耦合器調速方法 ：

液力耦合器是一種液力傳動裝置，一般由泵輪和渦輪組成，當泵輪在原動機帶動下旋轉時，處於其中的液體受葉片推動而旋轉，在離心力作用下沿著泵輪外環進入渦輪時，就在同一轉向上給渦輪葉片以推力，使其帶動生產機械運轉。通過不同的液力（潤滑油和渦輪）達到調速。

3、串級調速方法 ：

串級調速是指繞線式電動機轉子迴路中串入可調節的附加電勢來改變電動機的轉差，達到調速的目的。大部分轉差功率被串入的附加電勢所吸收，再利用產生附加的裝置，把吸收的轉差功率返回電網或轉換能量加以利用。根據轉差功率吸收利用方式，串級調速可分為電機串級調速、機械串級調速及晶閘管串級調速形式，多採用晶閘管串級調速。

4、繞線式電動機轉子串電阻調速方法：

線式非同步電動機轉子串入附加電阻，使電動機的轉差率加大，電動機在較低的轉速下運行。串入的電阻越大，電動機的轉速越低。此方法設備簡單，控制方便，但轉差功率以發熱的形式消耗在電阻上。屬有級調速，機械特性較軟。

5、定子調壓調速方法 ：

改變電動機的定子電壓時，從而獲得不同轉速。由於電動機的轉矩與電壓平方成正比，因此最大轉矩下降很多，其調速範圍較小，使一般籠型電動機難以應用。為了擴大調速範圍，調壓調速應採用轉子電阻值大的籠型電動機，如專供調壓調速用的力矩電動機，或者在繞線式電動機上串聯頻敏電阻。

6、變極對數調速方法 ：

改變定子繞組的接紅方式來改變籠型電動機定子極對數達到調速。

7、變頻調速方法 ：

使用變頻器改變電動機定子電源的頻率，從而改變其同步轉速的調速方法。

8、電磁調速

只用於滑差電機。通過改變勵磁線圈的電流無極平滑調速，機構簡單，但控制功率較小。不宜長期低速運行。