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交流變頻調速的原理及其應用 1 引言 交流異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， 而變頻調速優于上述任何一種調速方式，是當今上廣泛采用的效益高、性能好、應用廣 的新技術。

它采用微機控制、 電力電子技術及電機傳動技術取得工業交流異步電機的無級調 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采用。

在紡織工業方面，用于 織布機、毛紡機等，本文以地毯背涂機為例敘述在地毯制造業上的應用。

2 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。

常用三相交流異步電 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，所以稱為異步電機，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；起動后的情況 n=n1，則 s=0，即 s 在 0～1 之間變化。

一般異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） 圖 1 三相異步電動機結構示意圖 圖 2 籠型電動機的轉 子繞組 1—銅環； 2—銅條 1—機座；2—定子鐵心； 3—定子繞組；4—轉子鐵心； 5—轉子繞組 由式（3）可以看出，對于成品電機，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，

進而達到異步電機調速的目的。

但是，為了保持在調速時電機的轉矩不變，必須維持電機的磁通量恒定，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（ 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，然后利用半導 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，由于采用微處理器編程的正弦脈寬調制（SPWM）方法，使輸出波形近似正弦波，用于 驅動異步電機，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。

圖3 圖4 圖 3 給出國產（深圳華為）變頻器的原理圖。

圖中各組成部分名稱已經標出，DSP 是微機編 程器。

利用變頻器可以根據電機負載的變化實現自動、平滑的增速或減速，基本保持異步電 機固有特性轉差率小的特點，具有效率高、范圍寬、精度高且能無級變速的優點，這對于水 泵，風機等設備是很適用的。

我國應用的變頻器，國外產品以日本富士、三菱牌號較多，中國臺灣普傳產品也不少，國內有西

普（西安） 、艾倫（上海） 、華為（深圳） 、艾普斯（天津）等廠家的產品均在推廣應用。

變頻器究竟叫 CONVERTER 還是 INVERTER？ ？

但中文詞典的譯義 不太一樣，前者譯為轉爐(什么是轉爐？是能轉動的爐子嗎？還是能轉變物質特性的爐子？ 不清楚) ；后者除譯為轉爐外，還譯為 【電工】 變換器/變流器 (是變頻器嗎？沒說) 。

我 對 CONVERTOR(ER) 的翻譯是“轉換器” ，英文中一般在 CONVERTER 前面還有一個定義詞， 如 TEMPERATURE CONVERTER(將溫度轉換為其他物理量的器件)，MP3 CONVERTER(將其他音 樂文件格式轉換為 MP3 格式的軟件)，CURRENCY CONVERTER(將一種貨幣轉換為另一種貨幣 的計算器)，BIG5-GB CODE CONVERTER(將繁體字改為簡體字的轉碼器)，PDF CONVERTER (PDF 文件格式互換軟件) 等等。

英語系中不單獨將 CONVERTER 定義為變頻器，而是說 FREQUENCY CONVERTER (頻率轉換器) 。

因為 FREQUENCY CONVERTER (頻率轉換器) 不止一 種，所以對變頻器更正式的的英文稱呼是 VARIABLE FREQUENCY DRIVE (可變頻率驅動器) ， 簡稱即 VFD。

再說 INVERTER，英文的含義比較單一，指一種將直流電轉變為交流電的裝置。

中文詞典翻 譯為變極器/逆變器/反用換流器，基本符合愿意。

不象 CONVERTER 要連用，英語系中 INVERTER 單獨使用時， 就專指 DC-AC 變流器； 有時也連用， POWER INVERTER (大功率 DC-AC 如 變流器) ，LAPTOP BACKLIGHT INVERTER (筆記本電腦背燈 DC-AC 變流器) 等。

但是許多非英 語系將變頻器也叫做 INVERTER，這是因為變頻器的主要功率器件也是 DC-AC 變換，符 合 INVERTER 的工作原理。

因為用的人多了，INVERTER 代表變頻器逐漸被說英語的人群接 受了。

回到主題，變頻器應該叫做 VARIABLE FREQUENCY DRIVE，簡稱 VFD；或者叫做 FREQUENCY CONVERTER；也可叫做 INVERTER；但不能單叫做 CONVERTER。

YVP 變頻調速電動機的優點 YVP 系列變頻電機專為匹配變頻調速設計制造。

電機采用 F 級絕緣，也可按用戶要求制 成 H 級，外殼防護等級為 IP44，也可按用戶要求制成 IP54，冷卻方式有全封閉自扇冷卻 （I11）及全封閉單獨軸流風機冷卻（I16） ，視用戶需要而定。

還可加裝光電編碼器、 測速發電機等測速裝置和渦流制動器、電磁制動器等制動裝置，以適應不同的使用場合。

YVP 系列電動機額定電壓為 380V，頻率為 5-200Hz，也可根據用戶要求確定額定點的電 壓和頻率。

中心高 100 及以下 Y 接法，中心高 112 以上為Δ接法。

采用電磁計算方法，充分考慮目前 SPWM 技術和矢量控制變頻器的控制特點， 電機具有起動轉矩大，無須附加起動設備，低頻起動電流小，低頻轉矩特性無爬行，恒轉矩 調速范圍寬等優點。

采用繞組分布，有效抑制變頻電源高次諧波的影響，保證電機具有噪音低、振 動小、效率高、過載能力強、節能效果明顯等優點。

采用優質電磁線、的真空浸漆工藝和絕緣工藝，滿足變頻條件下*的絕緣要求。

優質軸承和的機械加工工藝以及高精度的轉子平衡工藝，保證在高速下可靠運轉。

采用單獨的軸流風機強迫通風，保證了電機低速時*恒轉矩運行的可靠性。

標準化程度高，便于兩者的互換使用。

變頻電機的主要優點在于可以通過改變電源的頻率來控制電機的速度！ ！ 從力學的角度來看是普通電機+變頻器切削力大, 但是從經濟學角度來是變頻電機切削力好 采用交流變頻調速電機比直流調速電機具有顯著的優點主要是： （1）調速容易、節能。

（2）交流電機結構簡單、體積小慣量小，造價低、容易維修、內用。

（3）可以擴大容量、實現高轉速和高電壓運行。

（4）可以實現軟啟動，實現快速制動。

（5）無火花、防暴、環境適應能力強。

無極調速又是自動調速。

無極調速又是自動調速。

速又是自動調速 實現無級調速，例如，對直流電機，用變頻器就不能調速。

無級調速一般情況下可以用機械和電氣兩個大類實現。

機械式無極調速，可通過液壓控制來實現。

電氣上首先要分對直流電機還是對交流電機調速（伺服電機、步進電機還是另類，先不算） ， 直流電機用直流調速器控制，如西門子的 6RA70 等，交流電機用變頻器控制，如西門子的 MM440 等。

還有一種方式是對什么電機都有效的，就是電磁調速器，加在電機和負載之間，靠丟轉來調 速。

還有一種機電類型的。

如液壓傳動無級調速，空氣動力無極調速，生物能無級調速. 直流電機調速和變頻器調速優缺點比較？ 直流電機調速和變頻器調速優缺點比較？直流電機調速是不是比變頻器調速穩 定而成本高些？ 定而成本高些？  變頻器控制的交流調速系統，電機的轉矩（電流）響應速度很快，應該是 30ms 以內吧（西 門子工程型變頻器給出的參數） ；而直流調速裝置呢，轉矩（電流）給出的響應時間是 50ms 以內吧（西門子直流調速器給出的參數）. 電機＋控制如果是工程型的，直流便宜，交流貴； 如果不是工程型的，是通用型的，那可能就差不多了。

從使用上，直流的系統干擾遠遠小于 交流系統，所以運行可靠；但直流電機需要維護，交流電機可以基本免維護。

，低速大轉矩的場合，比如幾百轉，幾十轉的時候輸出額定轉矩的場合，直流系統優勢 明顯；第二，直流和交流都可以滿足工藝要求，誰的成本便宜選擇誰。

當然，如果選擇直流 系統的話，一定要和用戶溝通并且確認。

現在的用戶往往不希望選擇直流系統。

所以，要經 過用戶確認。

第三，做了直流和交流系統，我個人喜歡直流系統，原因很簡單，控制穩定可 靠，且輕易不會對周圍的設備產生 EMC 的問題。

而交流系統卻是在此方面很有問題的。

需 要做 N 多工作。

有時非常棘手。

趨勢上是交流變頻傳動取代直流， 交流變頻傳動在低轉速輸出大轉矩的情況下可以加裝減 速機，實際上直流轉動在用于低轉速輸出大轉矩的情況下，通常也是裝有減速機的。

隨著變 頻器控制算法的完善，在這個問題上直流并不占有明顯優勢了。

除了 EMC 問題，在其余問 題上交流變頻傳動多是占優或可媲美直流的。

說是這么說， 但是為什么在鋼鐵企業交流系統還是不能*取代直流系統呢？可以算算成本 就知道了。

尤其是 100kW 以上的系統，交流系統的成本比直流系統的成本高得太多了。

在 兩種系統都能滿足使用要求的前提下，為什么要多花錢呢？ 同步與異步變頻調速電機的區別  同步變頻調速電機的轉子內鑲有永磁體，當電機瞬間起動完畢后，電機轉入正常運行，定子

旋轉磁場帶動鑲有永磁體的轉子進行同步運行， 此時電機的轉速根據電機的極數和電機輸入 轉速不受負載和其他因數影響。

同樣同步變頻調速電機也附 電源頻率形成嚴格的對應關系， 加了一個獨立式強迫冷卻風機， 以適應電機在低速運行時的高效散熱和降低電機在高速運行 時的風摩耗。

由于電機的轉速和電源頻率的嚴格對應關系， 使得電機的轉速精度主要就取決 于變頻器輸出電源頻率的精度， 控制系統簡單， 對一臺變頻器控制多臺電機實現多臺電機的 轉速一致，也不需要昂貴的光學編碼器進行閉環控制。

TYP 變頻調速永磁同步電機具有的三大優點： 1、高效節能:與異步變頻調速電機相比，高效節能。

同規格相比，該系列電機效率比異 步變頻電機效率高 3~10 個百分點。

以 1.5kW 為利，兩者效率差近 7 個百分點； 2、可調速:與異步變頻系統相比，無需編碼器即可進行準確的速度控制； 3、高功率因數:既可減少無功能量的消耗，又能降低變壓器的容量 異步變頻調速電機是由普通異步電機派生而來， 由于要適應變頻器輸出電源的特性， 電 機在轉子槽型，絕緣工藝，電磁設計校核等作了很大的改動，特別是電機的通風散熱，它在 一般情況下附加了一個獨立式強迫冷卻風機， 以適應電機在低速運行時的高效散熱和降低電 機在高速運行時的風摩耗。

變頻器的輸出一般顯示電源的輸出頻率， 轉速輸出顯示為電機的 極數和電源輸出頻率的計算值， 與異步電機的實際轉速有很大區別， 使用一般異步變頻電動 機時，由于異步電機的轉差率是由電機的制造工藝決定，故其離散性很大，并且負載的變化 當單機控 直接影響電機的轉速， 要控制電機的轉速只能采用光電編碼器進行閉環控制， 制時轉速的精度由編碼器的脈沖數決定，當多機控制時，多臺電機的轉速就無法嚴格同步。

這是異步電機先天所決定的。

直流電機調速器的工作原理 一、什么是直流調速器(DC speed regulator?)? 什么是直流調速器 直流調速器就是調節直流電動機速度的設備, 由于直流電動機具有低轉速大力矩的特點,是 交流電動機無法取代的, 因此調節直流電動機速度的設備—直流調速器,具有廣闊的應用天 地。

什么場合下要選擇使用直流調速器? 二、什么場合下要選擇使用直流調速器 下列場合需要使用直流調速器: 1．需要較寬的調速范圍。

2. 需要較快的動態響應過程。

3. 加、減速時需要自動平滑的過渡過程。

4. 需要低速運轉時力矩大。

5. 需要較好的挖土機特性，能將過載電流自動限止在設定電流上。

以上五點也是直流調速器的應用特點。

直流調速器應用: 三、直流調速器應用 直流調速器在數控機床、造紙印刷、紡織印染、光纜線纜設備、包裝機械、電工機械、食品 加工機械、橡膠機械、生物設備、印制電路板設備、實驗設備、焊接切割、輕工機械、物流 輸送設備、機車車輛、醫設備、通訊設備、雷達設備、衛星地面接受系統等行業廣泛應用。

直流調速器工作原理簡單介紹： 四、直流調速器工作原理簡單介紹： 直流調速器就是調節直流電動機速度的設備， 上端和交流電源連接， 下端和直流電動機連接， 直流調速器將交流電轉化成兩路輸出直流電源，一路輸入給直流電機礪磁（定子） ，一路輸 入給直流電機電樞（轉子） ，直流調速器通過控制電樞直流電壓來調節直流電動機轉速。

同

時直流電動機給調速器一個反饋電流， 調速器根據反饋電流來判斷直流電機的轉速情況， 必 要時修正電樞電壓輸出，以此來再次調節電機的轉速。

五、直流電機的調速方案 一般有下列 3 種方式：1、改變電樞電壓；2、改變激磁繞組電壓；3、改變電樞回路電阻。

常用的是調壓調速系統，即 1（改變電樞電壓）. 一種模塊式直流電機調速器 電機調速器，集電源、控制、驅動電路于一體，采用立體結構布局， 六、一種模塊式直流電機調速器 控制電路采用微功耗元件，用光電耦合器實現電流、電壓的隔離變換，電路的比例常數、積 分常數和微分常數用 PID 適配器調整。

該調速器體積小、重量輕，可單獨使用也可直接安裝 在直流電機上構成一體化直流調速電機，可具有調速器所應有的一切功能。