设计与研究 | 变频调速系统的特点和应用

 本文主要讲述变频调速系统的原理，特点和节能优势。重点对变频调速系统和电机在设计、使用方面的特性进行阐述。

0. 引言

随着电力电子技术及新型半导体器件的迅速发展，交流调速技术得到不断完善和提高，逐步完善的变频器以其良好的输出波形、优异的性能价格比在交流电机上得到广泛应用。        

交流变频调速系统比直流调速系统具有显著的优点：

1）调速容易，节能降耗。

2）交流电机结构简单、体积小、惯量小、造价低、维修容易、耐用。

3）可以扩大容量，实现高转速和高电压运行。

4）可以实现软启动和快速制动。

5）无火花、防爆、环境适应能力强。近年来，交流变频调速传动装置以每年13%～16%的增长率发展，有逐步取代大部分直流调速传动装置的趋势。由于以恒频、恒压电源进行工作的普通异步电机应用于变频调速系统时，存在局限性，为此，根据使用场合和使用要求设计出专用变频交流电动机，与变频器一起构成交流变频调速系统。

1. 变频器与变频电机的工作原理

变频器是利用电力半导体器件的通断将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。21世纪初期，使用的变频器主要采用交—直—交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。

变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。异步电动机的转速当转差率变化不大时，转速正比于频率，改变电源频率能改变异步电动机的转速，变频电机通过改变输入电机电源的频率来改变转速。

变频调速时，如果主磁通大于正常运行时的磁通，则磁路过饱和，励磁电流增大，功率因数降低；若主磁通小于正常运行时的磁通，电流减小，电机转矩下降。

2. 变频电机主要特点

变频专用电动机具有如下特点：

1）B级温升设计，F级绝缘制造。采用高分子绝缘材料及真空压力浸漆制造工艺以及特殊的绝缘结构，使电气绕组绝缘耐压及机械强度有很大提高，胜任电机高速运转及抵抗变频器高频电流冲击以及电压对绝缘的破坏。

2）平衡质量高，震动等级为R级，机械零部件加工精度高，并采用专用高精度轴承，可以高速运转。

3）强制通风散热系统，全部采用进口轴流风机超静音、高寿命，强劲风力。保障电机在任何转速下，得到有效散热，可实现高速或低速长期运行。

4）与传统电机相比较，具备更宽广的调速范围和更高的设计质量，经特殊的磁场设计，进一步抑制高次谐波磁场，以满足宽频、节能和低噪音的设计指标。

5）具有宽范围恒转矩与功率调速特性，调速平稳，无转矩脉动。与各类变频器配套使用，均具有良好的参数匹配，配合矢量控制，可实现零转速、全转矩、低频大力矩与高精度转速控制、位置控制及快速动态响应控制。

6）变频专用电机可配制刹车器，编码器，获得精准停车，通过转速闭环控制实现高精度速度控制。采用“减速机+变频专用电机+编码器+变频器”实现超低速无级调速的精准控制，其控制原理图如图1所示。

7）变频电机通用性好，安装尺寸符合IEC标准，与一般标准型电机具备互换性。

变频专用电动机效率高，符合国家标准GB18163-2020《电动机能效限定值及能效等级》中小型三相异步电动机能效限定值。双频宽电压，电压范围220V~690V，适用50Hz和60Hz电源。噪声低，通过优化电磁设计、通风状况、结构尺寸等技术。轴承负载能力高，电动机选用深沟球轴承，寿命长，80-132中心高电动机为密封轴承，160-355为开式轴承，轴承系统设有加油装置。电动机为全封闭风冷结构，防护等级IP55，材料及工艺符合环境要求。

机械强度高，坚固耐用，防锈防腐性强。绕组可靠性好，采用F级绝缘结构，B级考核。并可根据用户需要增加PTC热敏电阻或热敏开关。变频专用三相异步电动机功率从0.25KW-315KW，机座中心高从71mm-355mm。可广泛应用于轻工，纺织，化工，冶金，机床等需要调速的行业，是一种理想的调速动力源。

3. 交流变频调速系统的应用

交流变频调速系统可广泛应用于各行各业的无级变速传动。随着变频器在工业控制领域内日益广泛的应用，变频调速电机在变频控制方面较普通电机具有明显的优越性，主要有节能，节约资源，减少环境污染。消除电动机的启动冲击以及对电网的冲击，降低电动机和设备故障率。

提高控制精度和自动化程度。变频调速的经济效益非常显著，对于泵和风机，流体流量与转速一次方成正比，转矩与转速的二次方成正比，而功率与转速的三次方成正比，转速降低，电机功耗以三次方下降，因此变频调速的节电效果非常显著。如果流量降低，则转速降低，电流降低，而电机的功耗降低，理论上节能。

如果原本采用风门、阀门调节，流量降低、压头增加，电机功率减少，这样，变频调速比风门、阀门类调节节能。除了节能增效外，对于不同负载，还有一些间接的经济效益，主要有功率因数得以提高，实现软启动，减小启动力矩对电机的电气机械损伤，控制平滑、稳定、精度高。

4. 变频电机和普通电机的区别与不同速度的控制方式

变频电机对于需要频繁启动、频繁调速、频繁制动的场合，要优于普通电动机。在变频驱动下，变频电机的效率会提高10%左右，而温升会小20%左右，尤其是在矢量控制或者直接转矩控制的低频区域。在电磁噪声和振动方面，变频电机在变频驱动时较普通电动机有更低的噪音和更小的电磁振动。由于变频电机专为变频器驱动设计，所以能承受较大的du/dt，变频电动机的绝缘强度要高，尤其是在DTC控制模式下，对电动机的绝缘强度提出更高的要求。

一般情况下，变频电机以100%额定负载在10%~100%额定速度范围内连续运行，温升不会超过电机标定容许值。变频电机主要解决普通电机在低速和高速运行的一些问题，普通电机在低速运行时，存在电机散热问题和高速运行时的电机轴承强度问题。

普通电机大多是空气自冷式，靠后端风扇散热，当电机的转速较低时，电机散热容易出现问题。相对于普通电机，变频电机优势明显。变频电机采用“专用变频感应电动机+变频器”的交流调速方式，使机械自动化程度和生产效率提高，设备小型化、增加舒适性。

超过3000r/min时，应采用耐高温的特殊润滑脂，以补偿轴承的温度升高。二次转矩负载，在转速降低时，转矩也降低，发热量也降低，适合选用普通电机用于变频，在实际转速不低于40%同步转速的情况下使用。其他负载，在60%同步速及以上运行时，可选用普通的电机。

在25%—60%同步转速运行时，选用外部强制冷却的变频专用电机。当转速低于25%同步速时，选用完全强制冷却电动机。即矢量专用电动机。不同的变频控制方式控制速度不一样，采用U/F控制方式控制速度的范围是150—1470r/min；采用无速度传感器的矢量控制和直接转矩控制，控制速度的范围是60—1500r/min；采用速度传感器的矢量控制和直接转矩控制，控制速度的范围是5—1500r/min。

5. 结论

采用变频调速系统，电动机可以在很低的频率和电压下以无冲击电流的方式启动，并可利用变频器所供的各种制动方式进行快速制动，实现频繁启动和制动，因电动机的机械系统和电磁系统处于循环交变力的作用下，造成机械结构和绝缘结构加速疲劳和老化。变频调速系统对电机的要求主要在三个方面：绝缘等级，强制冷却和转子轴承，如果在基频以上调速，还要考虑电机结构的机械强度。

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