第1章　快速打開變頻器交流調速應用技術的大門

1.1　概述

在電力拖動的發展歷史中，交流與直流拖動兩種方式始終并存于工業領域中。伴隨著科學發展的進程，它們相互競爭，互相促進，推動著歷史的發展。

在19世紀80年代以前，利用蓄電池的直流拖動系統占據統治地位。80年代后，隨著三相交流電的傳輸方式的應用產生了籠式交流電動機，并很快在工業生產及人民生活的各個領域獲得了廣泛的應用，并占據主要地位。之后，隨著科學技術的發展，對拖動系統提出了更高的要求，特別是在精密機械、冶金、國防工業等方面，要求調速精度高、調速范圍寬、動態性能好，啟、制動靈活等。交流拖動則難以滿足以上要求。因此，過去很長一段時期，在高性能的電力拖動系統中，一直是直流拖動占主要地位。然而交流電動機與直流電動機相比也具有很多明顯的優點。

①交流電動機不存在換向器的轉動速度的限制，也不存在電樞元件的電抗電勢的限制，其轉速可以設計得比相同功率的直流電動機的轉速更高。

②直流電動機的電樞電流和電壓的值受換向器的限制，交流電動機則無此限制，它的單機功率可以比直流電動機更大。

③直流電動機的換向器制作工藝復雜，成本較高，相比之，交流電動機則成本低廉。

④直流電動機在高速范圍內運行時，由于受電抗電勢的限制，一般最高速時（額定轉速以上），輸出功率僅能達到額定功率的80％，交流電動機則不受限制，它可以在高速時以額定功率運行。

⑤交流電動機無換向器之類需要經常保養維護的部分。維護方便，經久耐用。在某些惡劣的環境下，例如，易燃易爆場合，也能可靠地工作。

⑥直流拖動系統的控制設備復雜，機構龐大，造價高。而某些簡單的交流調速系統（特別是現在大量使用的變頻器的調速系統）則具有設備簡單、造價低、維護方便的優點。

⑦現在大量使用的變頻器的調速系統在節能方面有明顯的優點（特別是在風機、泵類方面的應用中）。

由于交流拖動具有以上優點，過去在一些性能要求不高的場合，仍有人愿意采用交流電動機調速，以求得體積小、系統簡單、維護方便的優點。近年來，隨著電子計算機的發展及新型電力電子器件的出現，交流變頻調速方式獲得了廣泛的應用，許多過去采用直流電動機的精密設備、大型設備，現在改用交流拖動的例子不勝枚舉，目前已有逐漸取代直流拖動的趨勢。

1.1.1　交流調速的基本原理

（1）交流電動機的機械特性

由電動機學可知，異步電動機有以下公式：

①轉差率S：

　　 （1-1） 　　

式中，n₁為同步轉速；n為電動機轉速。

②電動機角速度Ω：

　　 （1-2） 　　

③同步角速度Ω₁與速度n₁：

　　 （1-3） 　　

式中，f₁為定子頻率；p為定子極對數。

④傳給轉子的功率（又稱電磁功率）P_M與機械功率P_MX、轉子銅耗P_M2之間有如下關系式：

P_MX=P_M-P_M2=（1-S）P_M　　（1-4）

⑤電動機的平均轉矩M_CP：

　　 （1-5） 　　

⑥電磁功率與轉差率S的關系式：

　　 （1-6） 　　

式中，m₁為定子相數；U₁為輸入電壓；r₁為定子電阻；為折算后的轉子電阻；X₁為定子漏感抗；為折算后的轉子漏感抗；c₁為系數。

⑦異步電動機的每相等值電路如圖1-1所示。

圖中，Z₁=r₁+jX₁為定子繞組阻抗；r₁為定子繞組電阻；X₁為定子漏感抗；r_m為勵磁電阻；I₀為勵磁電流；U₁為定子繞組每相端電壓（為U₁的復數形式，）；為主磁通在定子繞組產生的電勢。

由以上各公式可解出：

　　 （1-7） 　　

此公式即是異步電動機的M-S（轉矩-轉差率）關系式。它的M-S曲線如圖1-2所示。

由于S=1-n/n₁，因此，圖上曲線只要將S軸的刻度改變即可獲得異步電動機的機械特性曲線，其中：S=0的點對應同步轉速n₁。圖上曲線中S=0～1的這一段稱為電動狀態曲線，曲線峰值M_m稱最大轉矩，對應的點S_K稱為臨界轉差率。S>1的這一段曲線稱制動狀態曲線。S<0的這一段曲線稱發電狀態曲線，電動機轉速高于同步轉速運行時，處于發電狀態。

最大轉矩M_m，由解出：

　　 （1-8） 　　

因，近似得：

　　 （1-9） 　　

（2）生產機械的轉矩特性

實際的生產機械是多種多樣的，一般可將其分成三大類：恒轉矩負載、恒功率負載和風機水泵類負載。

①恒轉矩負載　它的負載轉矩是一個恒值，不隨轉速n而改變。它又可以分為兩類：

a.摩擦類負載　它的特性曲線如圖1-3（a）所示，位于1、3象限。例如，傳送帶、攪拌機、擠壓機、采煤機、運輸機和機床的進給機構等。

b.位能恒轉矩負載　它的特性曲線如圖1-3（b）所示，位于1、4象限。例如，提升機、起重機和電梯等。它的負載轉矩是由重物重力產生的。

②恒功率負載　這類負載的轉矩M與轉速n成反比。它的特性曲線如圖1-3（c）所示。例如車床的切削負載、軋鋼、造紙機和塑料薄膜生產線的卷取機等即是這類負載。

③風機水泵類負載　這類負載的轉矩隨轉速的增大而改變，可表示為M=kn²。例如風機、水泵和油泵等。它的特性曲線如圖1-3（d）所示。

（3）常用的交流調速方式及性能比較

由式（1-1）得：n=n₁（1-S），由式（1-3）有：n₁=60f₁/p，由上面的兩式解出異步電動機轉速的表達式：

　　 （1-10） 　　

式中，f₁為供電電源頻率；p為定子繞組極對數；S為轉差率。

從上式可看出，對異步電動機的調速有三個途徑。即：改變定子繞組極對數p；改變轉差率S；改變電源頻率f₁。對于同步電動機，轉差率S=0，它只具有兩種調速方式。實際應用的交流調速方式有多種，現僅介紹如下幾種常用的方式。

①變極調速　這種調速方式只適用于專門生產的變極多速異步電動機。通過繞組不同的組合連接方式，可獲得二、三、四極三種速度，這種調速方式的速度變化是有級的，只適用于一些特殊應用的場合，只能達到大范圍粗調的目的。

②轉子串電阻調速　這種調速方式只適用于繞線式轉子異步電動機，它通過改變串聯于轉子電路中電阻阻值的方式，來改變電動機的轉差率，進而達到調速的目的。由于外部串聯電阻的阻值可以多級改變，故可實現多種速度的調速（原理上，也可實現無級調速）。但由于串聯電阻消耗功率，效率較低，同時這種調速方式機械特性較軟，只適合于調速性能要求不高的場合。

③串級調速　這種調速方式也只適用于繞線式異步電動機，它是通過一定的電子設備將轉差功率反饋到電網中加以利用的方法。在風機水泵類等傳動系統上廣泛采用。這種調速方法常用以下幾種結構方案。

a.電氣串級方式　結構見圖1-4（a）。MA的轉子電流經UR整流后供給直流電動機M，由M傳動的交流發電機G將轉差功率反饋給交流電源。調節直流電動機M的勵磁電源即可改變MA的轉速。這種方式具有恒轉矩特性。

b.電動機串級方式　結構如圖1-4（b）所示。它是由MA的轉子電流經UR整流，供給與MA同軸連接的直流電動機M，經M變為機械能施加到主異步電動機軸上的一種調速方式。調節M的勵磁電流即可進行調速。這種方式具有恒功率特性。

c.低同步串級調速方式　如圖1-5（a）所示。它是在圖1-4（a）中接入逆變器和變壓器，代替原來的直流電動機M和交流發電動機G，將轉子電源變為與電源同頻率的交流電，使轉子側的轉差功率反饋給電源的一種調速方式。調節有源逆變器晶閘管的控制角即可進行調速。

d.超同步串級調速　如圖1-5（b）所示。它是在圖1-4（b）中接入一個交-交變頻器（或交-直-交變頻器），代替原來的不控整流器和逆變器。通過控制交-交變頻器（或交-直-交變頻器）的工作狀態，可以使電動機在同步速度上下進行調速。與低同步串級調速相比，其變流裝置小、調速范圍大、能夠產生制動轉矩。

④調壓調速　如圖1-6所示。它將晶閘管反并聯連接，構成交流調速電路，通過調整晶閘管的觸發角，改變異步電動機的端電壓進行調速。這種方式也改變轉差率S，轉差功率消耗在轉子回路中，效率較低，較適用于特殊轉子電動機（例如，深槽電動機等高轉差率電動機）中。通常，這種調速方法只有構成轉速或電壓閉環才能實際應用。

⑤電磁調速異步電動機　這種系統是在異步電動機與負載之間通過電磁耦合來傳遞機械功率，調節電磁離合器的勵磁，可調整轉差率S的大小，從而達到調速的目的。該調速系統結構簡單、價格便宜，適用于簡單的調速系統中。但它的轉差功率消耗在離合器上，效率低。

⑥變頻調速　改變供電頻率，可使異步電動機獲得不同的同步轉速。采用變頻機對異步電動機供電的調速方法已很少使用。目前大量使用的是采用半導體器件構成的靜止變頻器電源。目前這類調速方式已成為交流調速發展的主流。

各種調速方式性能的比較如表1-1所示。

（4）交流電動機的啟動

由圖1-7所示的交流電動機的機械特性曲線可知，電動機的啟動力矩必須大于電動機靜止時的負載轉矩，即M₀>M_n，否則電動機無法進入正常運轉工作區。

交流電動機的啟動電流一般為額定電流的4～6倍，直接啟動時，過大的啟動電流會使電源電壓在啟動時下降過大，影響電網其他設備的正常運行，另外一方面還會造成線路及電動機中產生損耗引起發熱。

啟動時一般要考慮以下幾個問題：

①應有足夠大的啟動力矩和適當的機械特性曲線。

②盡可能小的啟動電流。

③啟動的操作應盡可能簡單、經濟。

④啟動過程中的功率損耗應盡可能小。

普通交流電動機在啟動過程中為了限制啟動電流，常用的啟動方法有三種。即：串聯電抗器啟動、自耦變壓器降壓啟動、星形-三角形換接啟動。

目前，采用電子器件構成的“交流電動機軟啟動系統”以其良好的性能和平穩的啟動過程而獲得了迅速的發展和應用。

對于較高級的調速系統可采用矢量控制方式的電流、速度雙閉環系統，能獲得令人滿意的動、靜態性能。

（5）交流電動機的制動

具有良好制動性能的交流電動機可使電動機迅速停止，準確停車，提高控制性能。

交流電動機的制動方式有：機械制動，它采用機械抱閘裝置；電磁力制動，采用磁鐵抱閘或電磁摩擦片等裝置；電力制動，它主要由電氣系統的控制裝置使電動機本身產生制動力，這種制動無機械磨損問題，減小了維修工作量，因此獲得了廣泛的應用，它可分為回饋制動、反接制動和能耗制動三類。

①回饋制動　由圖1-2所示的機械特性曲線可知，當電動機的轉速n>n₁時，電動機處于發電工作狀態。此時電動機不消耗電能，而將能量反饋到供電系統中來，因此稱為回饋制動，又稱再生發電制動。

然而，異步電動機電動狀態運行時，轉子轉速n永遠小于同步轉速n₁，以轉差率0<S<1旋轉。這是電動工作狀態的正常情況。怎樣才能做到n>n₁呢？由公式（1-3）可知n₁=60f₁/p，如改變供電頻率f₁可獲得不同的機械特性曲線。

下面以供電頻率減小為其1/2的情況說明制動過程：由公式（1-7）和（1-8）可知，當f₁減小為原來的1/2時（供電電壓不變），同步轉速為n₂，M-S曲線在M軸方向放大2倍，分別畫出同步轉速為n₁、n₂（n₁=2n₂）的M-S曲線如圖1-8（a）、（b）所示，利用公式（1-1）變換為M-n曲線后，將兩條曲線疊加在一起，如圖1-8（c）所示。

如原來電動機以電源頻率f₁運行，電動機處于曲線的A點（負載為M_Z），此時如果將電源頻率改為f₂，因機械慣性原因，轉速不能突變。此時運行狀態將轉至第二象限的B點，曲線處于S<0的發電工作狀態。于是電動機處于回饋制動狀態，電磁轉矩為負值，與轉動方向相反為制動轉矩。之后轉速迅速下降，由B點運行至C點，達到同步轉速n₂，電動機轉為電動狀態。在負載轉矩M_Z的作用下繼續減速到D點穩定運行。于是，整個制動過程結束。

以上是利用降低電源頻率的方法獲得回饋制動。同理，利用改變電動機極對數的方法也可以獲得回饋制動，制動的機理與上類同。

②反接制動　眾所周知，如將三相交流電動機的三相交流電任意調換兩個接線（改變相序，即換相），即可使電動機反轉。這是因為換相后產生了反向旋轉磁場。也就是說，將正在旋轉的電動機的輸入電源線任意調換兩個接線后，即可產生與旋轉方向相反的制動力矩，這就是所謂的反接制動。

如圖1-9（a）所示，電動機正轉時的機械特性為1、4象限的曲線，反轉時的機械特性曲線為2、3象限的曲線，正轉和反轉時的曲線是以原點對稱的。

原來電動機正轉時穩定在A點運行，當改變輸入電源的相序后，電動機換為第2象限的B點運行。反向電磁力矩M_B與負載轉矩M_Z共同作用于電動機產生制動力，使電動機迅速降速，沿曲線移動，由B降至C點，電動機轉速n=0。由于此時電動機的電磁轉矩｜-M_C｜（絕對值）大于負載轉矩｜-M_Z｜（絕對值），因此電動機不會停止，沿曲線繼續反向加速到D點后穩定運行。如在BC段運行期間，設法加大負載使其大于｜-M_C｜，那么電動機會停止在n=0處，不再反轉（這種方法很少使用）。如在C點及時斷開電源，電動機也會停止，常常使用速度繼電器來作為C點速度的檢測裝置控制停車時間。

如果異步電動機是繞線轉子式，在轉子回路串入電阻后，得到的反轉時的機械特性曲線是2、3象限的另一條曲線?？稍诜崔D的同時，再在轉子回路串入電阻，則電動機由A點轉至B′點制動運行。當達到C′點時，由于｜-M_Z｜大于電磁轉矩（絕對值），因此電動機不再反向啟動。這是反接制動的另一種停車方法。

③能耗制動　能耗制動的電路如圖1-9（b）所示。當斷開1KM，電動機脫離交流電源，同時閉合2KM，將直流電源通入定子繞組時，電動機內部立即建立了一個靜止的固定磁場。而電動機仍以原來的速度n轉動，轉子導體切割固定磁場的磁力線?？梢耘袛喑龃藭r產生的電磁轉矩方向與原來電動機轉動方向是相反的，產生制動力矩，這即是所謂的能耗制動狀態。

由電動機學原理可知，參照圖1-1的等效電路，經化簡后得到能耗制動的等效電路如圖1-10所示。

圖中，稱為直流勵磁電流的等效交流電流；為折合到定子側的轉子漏抗；為折合到定子側的轉子電阻；X_m為電動機勵磁電抗；為產生氣隙磁通勢的勵磁電流；為折合的轉子感應電勢。

此時電動機能耗制動時的電磁轉矩表達式為：

　　 （1-11） 　　

由可求出最大電磁轉矩為：

　　 （1-12） 　　

式（1-11）與電動狀態時的公式（1-7）相比，二者具有相同的形式，由于電動狀態時S=（n₁-n）/n₁，而能耗制動時S=n/n₁，所以能耗制動時的機械特性曲線如圖1-11所示。曲線的最大轉矩取決于制動電流I₁，圖中曲線2的電流大于曲線1的電流，對于轉子繞線式電動機，當增大轉子電阻r₂時，曲線也可以改變形狀。圖中曲線3的轉子電阻大于曲線1的電阻。對于曲線1的能耗制動過程，按A→B→O的方向運行。

1.1.2　開環調速與閉環調速

由式（1-7）可知，當只改變轉子電阻r₂時，獲得的曲線如圖1-12所示。其中：。此時對某一固定的負載M₁，可獲得較寬范圍的調速狀態。此原理即是前面介紹的繞線式異步電動機串電阻調速工作方式的基本原理。具體線路如圖1-13所示。同時改變3個電位器的動臂可改變轉子電阻，而獲得不同的轉速。此種工作方式的機械特性很軟，當負載增大時，電動機轉速會迅速降低。

這種只靠輸入量對輸出量進行控制的工作方式稱開環控制。開環控制在某些特定的工作狀態下是可以良好工作的。比如串電阻調速方式如能保證負載的變化不大，完全可以正常使用。在某些機械設備上，比如線材生產線的卷取部分，利用其較軟的機械特性會具有良好的保護特性。

要想獲得優良的動、靜態工作特性，必須采用閉環控制。如在上述開環系統電動機軸上增加一直流測速發電機，它發出的直流電壓與電動機的轉速成正比，再增加一個控制器及相應電路，即可組成圖1-14所示的速度閉環控制系統。輸入量R（t）為設定轉速，C（t）為測量出的實際電動機轉速，二者偏差e（t）為控制量。當系統穩定時，反饋的轉速C（t）基本與給定轉速相等。偏差e（t）很小或為0（這與采用控制器的結構有關）。當電動機的負載增大造成轉速降低時，C（t）減小使e（t）增加，控制器調整電位器阻值減小，使轉速上升，直到C（t）基本與R（t）相等，構成新的平衡狀態。調速結果是基本維持電動機的轉速不變。這種閉環調速系統，可以使系統的機構特性變硬，獲得良好的調速性能。

一般來講，具有無級調速功能的系統，都可用測速元件構成閉環系統。但偏差e（t）與控制輸出間一般要加入調節器，才能獲得比較理想的動、靜態性能。常用的調節器有PID調節器等，對于高級調節器的設計，需要扎實的控制理論知識及工業自動化專業的知識才能完成。

除了上面用測速元件構成的速度閉環系統外，采用位置檢測元件，也可構成位置閉環系統。例如，跟蹤天線的角位移控制，軋鋼設備的“活套裝置”的位置控制及水塔的水位控制等。

1.1.3　交流調速的應用及發展

（1）交流電動機調速的應用

由于交流電動機具有便于使用和維護方便、易于實現自動控制等特點。在節能、減少維修、提高質量、保證質量等方面具有明顯的經濟效益，尤其是交流變頻技術已日趨完善，使交流電動機的應用領域不斷擴大，在拖動系統中占有明顯的優勢。目前交流調速在國防、鋼鐵、造紙、卷煙、高層建筑供水、建材及機械行業的軍事裝置、機床/金屬加工機械、輸送與搬運機械、風機與泵類設備、食品加工機械、水泵設備、包裝機械、化學機械、冶金機械設備中都得到了廣泛的應用。

可以說，交流調速應用不勝枚舉，它滲透到了國民經濟的各個領域。

（2）近代交流調速的發展

近代交流調速技術正在不斷地豐富發展，下面僅舉幾個方面。

①脈寬調制（PWM）控制　脈寬調制型變頻器具有輸入功率因數高和輸出波形好的特點，近年來發展很快。已發展的調節方法有多種，如SPWM、準SPWM、Delta調制PWM、失量角PWM、最佳開關角PWM、電位跟蹤PWM等。從原理上講，有面積法、圖解法、計算法、采樣法、優化法、斬波法、角度法、跟蹤和次諧波法等。電流型變頻器也逐漸開始采用PWM技術了。

②矢量變換控制　矢量變換控制是一種新的控制理論和控制技術。其控制思想是設法模擬直流機的特點對交流電動機進行控制。為使交流電動機控制有和直流機一樣的控制特點，必須通過電動機的統一理論和坐標變換理論，把交流電動機的定子電流I₁分解成磁場定向坐標的磁場電流分量I_1m和與之垂直的坐標轉矩電流分量I_1T，經過控制量的解耦后，交流電動機便等同于直流機進行控制了。它分有磁場定向式矢量控制和轉差頻率式矢量控制等，這類系統屬高性能交流調速系統。

③磁場控制　這種方法是完全從磁場的觀點控制電動機，僅介紹以下幾種。

a.磁場軌跡法　一般交流電動機產生圓形旋轉磁場。開關型逆變器只能獲得步進磁場，180°和120°導通型只能獲得六角型旋轉磁場。如以這些已有的電壓矢量為基礎，組成主矢量、輔矢量，分別以不同的導通時間進行PWM調制求矢量和，則可獲得許多中間電壓矢量使之形成逼近圓形旋轉磁場。改變旋轉磁場的速度即可調節電動機的轉速。

b.異步電動機的磁場加速法　磁場加速法是防止勵磁電路發生電磁暫態現象對電動機定子電流進行控制的一種方法。由于消除了暫態現象，因此可提高電動機的響應速度。首先計算出保持勵磁電流無暫態過程的定子電流控制條件，利用這一條件來控制電動機。

④微機控制　近年來交流調速領域已基本形成以微機控制為核心的新一代控制系統。并從以往的部分采用微機的模擬數字混合控制向著全面采用微機的全數字化方向發展，除具有控制功能外，還具有多種輔助功能。如監視、顯示保護、故障診斷、通信等功能。采用微機的性能也在不斷提高，已由8位機向16位、32位方向發展。

⑤現代控制理論的應用　現代控制理論在交流調速中的應用發展得很快。

a.自適應控制　磁通自適應、斷續電流自適應等模型參考自適應控制。

b.狀態觀測器　磁通觀測器、轉矩觀測器。

c.二次型目標函數優化控制、變結構控制、模糊控制等。

⑥直接轉矩控制　其特點是不需要坐標變換，將檢測來的定子電壓和電流信號進行磁通和轉矩運算，實現分別的自調整控制。它可以構成轉矩與磁通分別獨立跟蹤自調整的一種高動態的PWM控制系統。

⑦多變量解耦控制　利用現代控制理論中的多變量解耦理論將電動機中的多變量、強耦合非線性系統解耦成兩個單變量系統，再用古典控制理論進行調節器的設計。

交流調速的技術發展方興未艾，各種新型控制技術的發展正在深入的研究之中。交流調速的發展分支也有多個方向，比如：變頻調速、串級調速、雙饋電動機、無換向器電動機、交流步進拖動系統、交流伺服系統、高頻化技術、無功補償和諧波抑制、節能技術等。