變頻調速技術

三相非同步電動機轉速公式為：從上式可見，改變供電頻率f、電動機的極對數p及轉差率s均可達到改變轉速的目的。從調速的本質來看，不同的調速方式無非是改變交流電動機的同步轉速或不改變同步轉速兩種。在生產機械中廣泛使用不改變同步轉速的調速方法有繞線式電動機的轉子串電阻調速、斬波調速、串級調速以及應用電磁轉差離合器、液力偶合器、油膜離合器等調速。改變同步轉速的有改變定子極對數的多速電動機，改變定子電壓、頻率的變頻調速有能無換向電動機調速等。從調速時的能耗觀點來看，有高效調速方法與低效調速方法兩種：高效調速指時轉差率不變，因此無轉差損耗，如多速電動機、變頻調速以及能將轉差損耗回收的調速方法（如串級調速等）。有轉差損耗的調速方法屬低效調速，如轉子串電阻調速方法，能量就損耗在轉子迴路中；電磁離合器的調速方法，能量損耗在離合器線圈中；液力偶合器調速，能量損耗在液力偶合器的油中。一般來說轉差損耗隨調速範圍擴大而增加，如果調速範圍不大，能量損耗是很小的。

變頻器輸出為基波頻率變化的PWM波，其測量方法與傳統的工頻正弦波測量有較大的區別。

1、通常我們說的變頻器輸出380V、50Hz，是指其基波（正弦波）為380V、50Hz。變頻器實際輸出波形為PWM波，除了基波外，還包含載波信號。載波信號頻率要比基波高得多，且是方波信號，包含大量的高次諧波。

2、普通萬用表一般只能測量45~66Hz或45~440Hz的交流正弦波。部分真有效值萬用表的測量頻率範圍要寬得多，許多人認為可以用於變頻測量、測試。其實不然，因為這種表測量結果把基波和載波都包含進去了。比如上述變頻器，380V輸出時，測量結果一般在400V以上。

3、用於變頻測試的儀錶應具備在各種PWM波形中分解出其基波的能力，嚴格測量需採用數字信號處理的方式，也就是高速採樣得到樣本序列，再對樣本序列進行離散傅里葉變換，得到基波有幅值、相位及各次諧波的幅值和相位。

4、也有一種思路認為校準平均值（MEAN）可以替代變頻器輸出PWM信號中的基波成分的有效值。校準平均值在理論上等於正弦波的真有效值，等於正弦調製PWM波形的基波有效值，且實現簡單；因此，MEAN值在許多儀器儀錶中用於替代正諧波的有效值（RMS）或PWM的基波有效值的測量。但是，變頻調速技術日新月異，非正弦調製PWM的應用越來越多，而且，一般變頻器使用者通常並不了解自己的變頻器採用何種調製模式，MEAN值在PWM測量中局限性越來越大。

因此，變頻調速系統的電參數測試應採用具備合適帶寬的變頻電量變送器（包括變頻電壓感測器、變頻電流感測器和電壓電流組合式的變頻功率感測器）及寬頻功率分析儀（也稱變頻功率分析儀），寬頻功率分析儀對信號進行高速交流採樣後進行頻譜分析，可以實時運算電壓、電流的基波有效值及基波功率，還可計算電壓、電流的真有效值、有功功率及相關諧波參數。

變極對數調速方法

這種調速方法是用改變定子繞組的接線方式來改變籠型電動機定子極對數達到調速目的，特點如下：具有較硬的機械特性，穩定性良好；無轉差損耗，效率高；接線簡單、控制方便、價格低；有級調速，級差較大，不能獲得平滑調速；可以與調壓調速、電磁轉差離合器配合使用，獲得較高效率的平滑調速特性。本方法適用於不需要無級調速的生產機械，如金屬切削機床、升降機、起重設備、風機、水泵等。二、方法 變頻調速是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。變頻調速系統主要設備是提供變頻電源的變頻器，變頻器可分成交流－直流－交流變頻器和交流－交流變頻器兩大類，目前國內大都使用交－直－交變頻器。其特點：效率高，調速過程中沒有附加損耗；應用範圍廣，可用於籠型非同步電動機；調速範圍大，特性硬，精度高；技術複雜，造價高，維護檢修困難。本方法適用於要求精度高、調速性能較好場合。變頻調速分為基頻以下調速和基頻以上調速，基頻以下調速屬於恆轉矩調速方式，基頻以上調速屬於恆功率調速方式。

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，其特點為：可將調速過程中的轉差損耗回饋到電網或生產機械上，效率較高；裝置容量與調速範圍成正比，投資省，適用於調速範圍在額定轉速70%－90%的生產機械上；調速裝置故障時可以切換至全速運行，避免停產；晶閘管串級調速功率因數偏低，諧波影響較大。本方法適合於風機、水泵及軋鋼機、礦井提升機、擠壓機上使用。

繞線式電動機轉子串電阻調速方法

繞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。

定子調壓調速方法

當改變電動機的定子電壓時，可以得到一組不同的機械特性曲線，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。為了擴大穩定運行範圍，當調速在2：1以上的場合應採用反饋控制以達到自動調節轉速目的。調壓調速的主要裝置是一個能提供電壓變化的電源，常用的調壓方式有串聯飽和電抗器、自耦變壓器以及晶閘管調壓等幾種。晶閘管調壓方式為最佳。調壓調速的特點：調壓調速線路簡單，易實現自動控制；調壓過程中轉差功率以發熱形式消耗在轉子電阻中，效率較低。調壓調速一般適用於100KW以下的生產機械。

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（控制器）三部分組成。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。電磁轉差離合器由電樞、磁極和勵磁繞組三部分組成。電樞和後者沒有機械聯繫，都能自由轉動。電樞與電動機轉子同軸聯接稱主動部分，由電動機帶動；磁極用聯軸節與負載軸對接稱從動部分。當電樞與磁極均為靜止時，如勵磁繞組通以直流，則沿氣隙圓周表面將形成若干對N、S極性交替的磁極，其磁通經過電樞。當電樞隨拖動電動機旋轉時，由於電樞與磁極間相對運動，因而使電樞感應產生渦流，此渦流與磁通相互作用產生轉矩，帶動有磁極的轉子按同一方向旋轉，但其轉速恆低於電樞的轉速N1，這是一種轉差調速方式，變動轉差離合器的直流勵磁電流，便可改變離合器的輸出轉矩和轉速。電磁調速電動機的調速特點：裝置結構及控制線路簡單、運行可靠、維修方便；調速平滑、無級調速；對電網無諧影響；速度失大、效率低。本方法適用於中、小功率，要求平滑動、短時低速運行的生產機械。

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，它們統稱工作輪，放在密封殼體中。殼中充入一定量的工作液體，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。液力耦合器的動力轉輸能力與殼內相對充液量的大小是一致的。在工作過程中，改變充液率就可以改變耦合器的渦輪轉速，作到無級調速，其特點為：功率適應範圍大，可滿足從幾十千瓦至數千千瓦不同功率的需要；結構簡單，工作可靠，使用及維修方便，且造價低；尺寸小，能容大；控制調節方便，容易實現自動控制。本方法適用於風機、水泵的調速。

變頻調速器（frequency changer / frequency converter）是一種用來改變交流電頻率的電氣設備。此外，它還具有改變交流電電壓的輔助功能。它是把工頻電源(50Hz或60Hz)變換成各種頻率的交流電源，以實現電機的變速運行的設備，其中控制電路完成對主電路的控制，整流電路將交流電變換成直流電，直流中間電路對整流電路的輸出進行平滑濾波，逆變電路將直流電再逆成交流電。

按照主電路工作方式分類，可以分為電壓型變頻器和電流型變頻器；按照開關方式分類，可以分為PAM控制變頻器、PWM控制變頻器和高載頻PWM控制變頻器；按照工作原理分類，可以分為V/f控制變頻器、轉差頻率控制變頻器和矢量控制變頻器等；按照用途分類，可以分為通用變頻器、高性能專用變頻器、高頻變頻器、單相變頻器和三相變頻器等。

縱觀我國變頻調速技術的應用，總的說來走的是一個由試驗到實用，由零星到大範圍，由輔助系統到生產裝置，由單純考慮節能到全面改善工藝水平，由手動控制到自動控制，由低壓中小容量到高壓大容量，一句話，由低級到高級的過程。

多年來，國家經貿委一直會同國家有關部門致力於變頻調速技術的開發及推廣應用，在技術開發、技術改造方面給予了重點扶持，組織了變頻調速技術的評測推薦工作，並把推廣應用變頻調速技術作為風機、水泵節能技改專項的重點投資方向，同時鼓勵單位開展統貸統還方式，抓開發、抓示範工程、抓推廣應用。國家成立了風機水泵節能中心，開展信息諮詢。1995~1997年3年間我國風機水泵變頻調速技術改造投人資金3.5億元，改造總容量達100萬kw，可年節電7億kw·h，平均投資回收期約2年。

變頻調速技術的應用範圍已發展到新階段。石油、石化、機械、冶金等行業都經過了單系統試用、大量使用和整套裝置系統使用3個發展階段。如廣東茂名石化公司和九江石油化工廠現已發展到應用常減壓和催裂化變頻裝置，取得了節能、增產的顯著效果；長春第一汽車廠18個專業廠的輸送機械、空壓機等設備應用了162台變頻器，保證了新車的製造迅速達到了生產指標；新疆克拉瑪依油田在煉油、化工、供水、天然氣處理等系統中廣泛採用了變頻器，低壓變頻調速的普及率已達70%；梅林水廠、太原鋼廠、邯鄲鋼廠等單位在水泵、風機機組上採用中壓變頻技術，保證了生產，節約了能源等。

變頻調速技術已深入我們生活的每個角落，變頻調速系統的控制方式包括V/F、矢量控制(VC)、直接轉矩控制(DTC)等。V/F控制主要應用在低成本、性能要求較低的場合;而矢量控制的引入，則開始了變頻調速系統在高性能場合的應用。近年來隨著半導體技術的發展及數字控制的普及，矢量控制的應用已經從高性能領域擴展至通用驅動及專用驅動場合，乃至變頻空調、冰箱、洗衣機等家用電器。交流驅動器已在工業機器人、自動化出版設備、加工工具、傳輸設備、電梯、壓縮機、軋鋼、風機泵類、電動汽車、起重設備及其它領域中得到廣泛應用。隨著半導體技術的飛速發展，MCU的處理能力愈加強大，處理速度不斷提升，變頻調速系統完全有能力處理複雜的任務，實現複雜的觀測、控制演演算法，傳動性能也因此達到前所未有的高度。而變頻驅動主要使用PWM合成驅動方式，這要求其控制器有很強的PWM生成能力。