變頻調速的原理與控制方法

戴 謙 九

(太原市熱力公司，山西 太原 030001)

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變頻調速的原理與控制方法

戴 謙 九

(太原市熱力公司，山西 太原 030001)

介紹了變頻調速技術的發展現狀，分析了變頻調速的工作原理，從恒壓頻比、恒磁通量以及恒功率三方面，闡述了實現變頻調控的方法，為變頻調速技術的應用提供了參考。

變頻調速，電源，電機，電壓

0 引言

之前較長的時期內，交流調速技術僅僅用在異步電機變極以及傳子回路電阻等一些相對簡易的方面，其不能和擁有相對優良啟動、制動以及調速功效的直流調速技術相比較。但是，在近十幾年間，電子電力技術不斷的革新與發展，集成電路自動控制和多種變頻設備等也得到了迅猛的發展和進步，也讓交流調速技術在更加寬廣的調速范圍中能被應用，同時也擁有相對穩定的運行狀態、極高的精度，擁有非常迅速的動態響應能力，并且能用于四象限的調速設備中，讓其性能和直流調速相媲美。另一方面，采取變頻調速設備，會降低設備的占地面積，并減少后期的維護成本投入。尤其是用在大容量系統中，其更加的具有優越性。所以，交流調速逐漸的受到人們重視，并被大量的應用在實際中，其不斷的代替直流調速系統。對于城市集中供熱采暖來說，熱力站所接受的熱水來自于城市的熱源廠，兩者是依靠主管道進行熱水的傳輸，通過熱力站的熱交換設備而完成熱能的交換，然后再經由循環水泵將熱量傳輸至用戶。而在這一過程中，主管網以及用戶穩壓是通過定壓補水的手段來進行控制的。而由于城市供熱采暖所涉及的范圍持續的擴張，采取一般的定壓補水根本無法達到相對繁雜的系統定壓要求。而在變頻控制技術逐步發展與革新的過程中，其也被逐漸地應用在了城市的供熱采暖系統中，同時取得了良好的應用效果。

1 變頻調速的工作原理

對于變頻調速的分析可依照異步電機轉速計算式:n=60f(1-s)/p來進行。

式中：n——異步電機所擁有的轉速；f——異步電機所擁有的頻率；s——異步電機所擁有的轉差率；p——異步電機所擁有的極對數。

通過上式可得，如果異步電機所擁有的磁極對數保持恒定，均勻的變化電源所提供的電壓頻率值，那么就能夠不間斷地改變電機所擁有的轉速，以實現對電機轉速的無級平滑控制。采用這種原理工作的調速方法，我們將之稱為變頻調速。變頻調速其本質是改變電機所對應電源的電壓頻率來完成控制異步電機的同步轉速，從而完成對電機的調速操作。采用變頻調速技術，可以讓整個過程更具有穩定性以及平滑性。所能用于的調速范圍也非常的寬泛，并且也可使系統更加的節能。尤其是使用變頻裝置來調控籠型電機時，可以達到操作便捷、運行穩定、能源節約量大的效果。因此，變頻調速在實際中已被應用到了工業中全部的領域內，同時也被廣泛地應用在空調、冰箱等家電中。另外，變頻裝置的組成中也包含了相應的自控元件，能夠按照對外界相關參數的測量結果，和變頻裝置中自控組件所設定的標準數據值完成對比和計算，然后實時地調控系統運行需用的電壓頻率。所以，采用變頻裝置能夠達到下列效果：

1)當水泵電機開啟時，會在電機轉數不斷增加的過程中，而使電壓的大小以及頻率平滑地提升，從而達到對水泵電機軟啟動的目標。

2)對外界參數的測量與計算，并將相應的信號輸入至變頻裝置的自控組件中，從而達到對電機無級平滑變速控制的目的。

2 變頻裝置的控制方法

在不考慮定子壓降的因素條件下，水泵電機定子電壓的表示為：

U1=E1=4.44×f1×N1×Фm×K×W1。

通過上式可得，如果U1值保持恒定，那么當頻率值f1出現增大時，電機的磁通量Фm會隨之降低，從而使得電機轉矩也不斷地變小，導致電機超載性能減弱。如果U1值保持恒定，那么當頻率值f1出現減小時，電機的磁通量Фm會隨之變大，而使磁路出現飽和現象，并使勵磁電流也隨之增加，從而使得電機鐵損不斷變大，會導致電機工作效率不斷減小，相應的功率因數也隨之降低。所以，如果讓電機保持相對優良的工作性能，應當對電機進行變頻的調控，并且結合對電機定子電壓的調控，來保證磁通量不出現波動。依照電壓U1以及頻率f1所具有的差異性控制規律，能采取多種方法來調控水泵電機。

2.1 恒壓頻比的變頻控制方法

通過調整電壓和頻率的比值來調控水泵電機，其是對變頻裝置的輸出頻率進行調整，也同時調整電壓幅值，從而達到使電機磁通量處于相對不變的狀態，這樣可以使電機能夠在相對寬的運轉速率值內運行，并保證其工作效率以及功率因素均不出現減小。現階段，多數的變頻裝置均是通過此種方法來完成對電機的調控。異步電機運轉時，鐵心磁通量處于幾乎飽和的條件下，這樣讓鐵心能被更加完全的利用。而當變頻調控時，如果電源頻率出現波動，會使其阻抗發生改變，進一步的導致勵磁電流出現波動，這會導致電機發生勵磁缺乏抑或超量的問題。當勵磁缺乏時，會使電機轉矩不斷減小，相應的磁通容量無法被完全的利用。當勵磁超量時，將導致鐵心磁通量達到飽和，電機內部將出現非常強的勵磁電流，使得鐵損不斷增加，同時也會讓電機的工作效率及功率因素有所減小，也易發生電機過熱的問題。所以，通過調控頻率來對電機調速，電壓要按照負荷的屬性差異而進行恰當的調節。同時，通過一定的方法來確保磁通量處于一定的恒定狀態。

2.2 恒磁通量的變頻控制方法

當采取恒壓頻比值的方法對電機進行調控時，因為異步電機處于轉速較小時，其感應電勢相對也不高，所以此時定子壓降的因素就無法被忽略不計。也就是說，在相對小的頻率狀態下，定子阻抗所產生的降壓效果，對于電機的定子電壓會有較大的影響，此時就不能確保電機的最大轉矩。所以，可以用在電機調速范圍相對小或者電機轉矩在轉速減小時同樣不斷減少的情況。例如，用于風機調速或者水泵調速中。而一些需進行相對大的速率調整，并且電機轉矩為定值時，我們也希望在對電機調速時可以維持最大的轉矩，同時也要確保電機磁通量不發生變化。所以，此時就能夠通過恒磁通量的變頻調控方法加以實現。要確保異步電機在工作狀態時具有可靠度。我們通常要求在對電機調速過程中，其過載性能維持恒定，即確保電機的最大轉矩恒定。如果采取恒壓頻比值的方法來調控電機，異步電機所具有的最大轉矩將會受到頻率增加的影響而不斷的變大，同時也會受到頻率減小的影響而不斷的變小。如果電機最大轉矩降低至一定程度，那么會使調速裝置的負載性能降低。而要想對低頻率下電機轉速進行改進，應當通過補強電壓的手段。也就是說，當處于相對低的頻率時，通過增加電壓用以抵消定子阻抗所引起的壓降數值，從而確保電機轉速相對小時依然可以擁有相對大的輸出轉矩，并使電機的負載性能得到改善。

2.3 恒功率變頻控制方法

異步電機處于額定運行時，要使電機的運行速率增加，定子電源頻率可以超過額定值而不斷的增大，不過電源電壓值卻會受到額定值的束縛而無法再增大。而這種情況下，在頻率不斷增加的同時，電機運轉速率不斷增加，鐵心的磁通量不斷變小，使得電機的輸出轉矩也不斷減小，不過電機所允許的輸出功率卻基本恒定，這種調速方式為恒功率變頻調速方式。

3 結語

通過上述分析我們能認識到，通常當電機處于額定頻率范圍內運行，可采用變頻調控。如果要求同轉矩負載保持不變，則應當通過恒壓頻比的變頻調控方法來對電機進行變頻調控。而對于低頻段加以電源電壓補償時，應當采取恒磁通量的變頻調控方式對電機進行變頻調控。如果是高于額定頻率，那就應當通過恒功率的變頻調控方法來實現。

[1] 曲高峰.淺談變頻器多段速控制原理[J].科技視界,2016(12)：50-51.

[2] 于 良.對變頻器工作技術原理及運用的研究[J].電子制作,2016(9):4-7.

Frequency conversion principles and control methods

Dai Qianjiu

(TaiyuanThermalPowerCorporation,Taiyuan030001,China)

The paper introduces the development status of frequency conversion technology, analyzes its working principles, and describes methods of realizing frequency conversion from three aspects of constant voltage frequency ratio, constant-flux voltage volume and constant power, which has provided some guidance for the application of frequency conversion technology.

frequency conversion, power source, electric machinery, voltage

1009-6825(2016)26-0145-02

2016-07-02

戴謙九(1983- )，男，工程師

TM921.51

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