戴 谦 九
(太原市热力公司，山西 太原 030001)
变频调速的原理与控制方法
戴 谦 九
(太原市热力公司，山西 太原 030001)
介绍了变频调速技术的发展现状，分析了变频调速的工作原理，从恒压频比、恒磁通量以及恒功率三方面，阐述了实现变频调控的方法，为变频调速技术的应用提供了参考。
变频调速，电源，电机，电压
0 引言
之前较长的时期内，交流调速技术仅仅用在异步电机变极以及传子回路电阻等一些相对简易的方面，其不能和拥有相对优良启动、制动以及调速功效的直流调速技术相比较。但是，在近十几年间，电子电力技术不断的革新与发展，集成电路自动控制和多种变频设备等也得到了迅猛的发展和进步，也让交流调速技术在更加宽广的调速范围中能被应用，同时也拥有相对稳定的运行状态、极高的精度，拥有非常迅速的动态响应能力，并且能用于四象限的调速设备中，让其性能和直流调速相媲美。另一方面，采取变频调速设备，会降低设备的占地面积，并减少后期的维护成本投入。尤其是用在大容量系统中，其更加的具有优越性。所以，交流调速逐渐的受到人们重视，并被大量的应用在实际中，其不断的代替直流调速系统。对于城市集中供热采暖来说，热力站所接受的热水来自于城市的热源厂，两者是依靠主管道进行热水的传输，通过热力站的热交换设备而完成热能的交换，然后再经由循环水泵将热量传输至用户。而在这一过程中，主管网以及用户稳压是通过定压补水的手段来进行控制的。而由于城市供热采暖所涉及的范围持续的扩张，采取一般的定压补水根本无法达到相对繁杂的系统定压要求。而在变频控制技术逐步发展与革新的过程中，其也被逐渐地应用在了城市的供热采暖系统中，同时取得了良好的应用效果。
1 变频调速的工作原理
对于变频调速的分析可依照异步电机转速计算式:n=60f(1-s)/p来进行。
式中：n——异步电机所拥有的转速；f——异步电机所拥有的频率；s——异步电机所拥有的转差率；p——异步电机所拥有的极对数。
通过上式可得，如果异步电机所拥有的磁极对数保持恒定，均匀的变化电源所提供的电压频率值，那么就能够不间断地改变电机所拥有的转速，以实现对电机转速的无级平滑控制。采用这种原理工作的调速方法，我们将之称为变频调速。变频调速其本质是改变电机所对应电源的电压频率来完成控制异步电机的同步转速，从而完成对电机的调速操作。采用变频调速技术，可以让整个过程更具有稳定性以及平滑性。所能用于的调速范围也非常的宽泛，并且也可使系统更加的节能。尤其是使用变频装置来调控笼型电机时，可以达到操作便捷、运行稳定、能源节约量大的效果。因此，变频调速在实际中已被应用到了工业中全部的领域内，同时也被广泛地应用在空调、冰箱等家电中。另外，变频装置的组成中也包含了相应的自控元件，能够按照对外界相关参数的测量结果，和变频装置中自控组件所设定的标准数据值完成对比和计算，然后实时地调控系统运行需用的电压频率。所以，采用变频装置能够达到下列效果：
1)当水泵电机开启时，会在电机转数不断增加的过程中，而使电压的大小以及频率平滑地提升，从而达到对水泵电机软启动的目标。
2)对外界参数的测量与计算，并将相应的信号输入至变频装置的自控组件中，从而达到对电机无级平滑变速控制的目的。
2 变频装置的控制方法
在不考虑定子压降的因素条件下，水泵电机定子电压的表示为：
U1=E1=4.44×f1×N1×Фm×K×W1。
通过上式可得，如果U1值保持恒定，那么当频率值f1出现增大时，电机的磁通量Фm会随之降低，从而使得电机转矩也不断地变小，导致电机超载性能减弱。如果U1值保持恒定，那么当频率值f1出现减小时，电机的磁通量Фm会随之变大，而使磁路出现饱和现象，并使励磁电流也随之增加，从而使得电机铁损不断变大，会导致电机工作效率不断减小，相应的功率因数也随之降低。所以，如果让电机保持相对优良的工作性能，应当对电机进行变频的调控，并且结合对电机定子电压的调控，来保证磁通量不出现波动。依照电压U1以及频率f1所具有的差异性控制规律，能采取多种方法来调控水泵电机。
2.1 恒压频比的变频控制方法
通过调整电压和频率的比值来调控水泵电机，其是对变频装置的输出频率进行调整，也同时调整电压幅值，从而达到使电机磁通量处于相对不变的状态，这样可以使电机能够在相对宽的运转速率值内运行，并保证其工作效率以及功率因素均不出现减小。现阶段，多数的变频装置均是通过此种方法来完成对电机的调控。异步电机运转时，铁心磁通量处于几乎饱和的条件下，这样让铁心能被更加完全的利用。而当变频调控时，如果电源频率出现波动，会使其阻抗发生改变，进一步的导致励磁电流出现波动，这会导致电机发生励磁缺乏抑或超量的问题。当励磁缺乏时，会使电机转矩不断减小，相应的磁通容量无法被完全的利用。当励磁超量时，将导致铁心磁通量达到饱和，电机内部将出现非常强的励磁电流，使得铁损不断增加，同时也会让电机的工作效率及功率因素有所减小，也易发生电机过热的问题。所以，通过调控频率来对电机调速，电压要按照负荷的属性差异而进行恰当的调节。同时，通过一定的方法来确保磁通量处于一定的恒定状态。
2.2 恒磁通量的变频控制方法
当采取恒压频比值的方法对电机进行调控时，因为异步电机处于转速较小时，其感应电势相对也不高，所以此时定子压降的因素就无法被忽略不计。也就是说，在相对小的频率状态下，定子阻抗所产生的降压效果，对于电机的定子电压会有较大的影响，此时就不能确保电机的最大转矩。所以，可以用在电机调速范围相对小或者电机转矩在转速减小时同样不断减少的情况。例如，用于风机调速或者水泵调速中。而一些需进行相对大的速率调整，并且电机转矩为定值时，我们也希望在对电机调速时可以维持最大的转矩，同时也要确保电机磁通量不发生变化。所以，此时就能够通过恒磁通量的变频调控方法加以实现。要确保异步电机在工作状态时具有可靠度。我们通常要求在对电机调速过程中，其过载性能维持恒定，即确保电机的最大转矩恒定。如果采取恒压频比值的方法来调控电机，异步电机所具有的最大转矩将会受到频率增加的影响而不断的变大，同时也会受到频率减小的影响而不断的变小。如果电机最大转矩降低至一定程度，那么会使调速装置的负载性能降低。而要想对低频率下电机转速进行改进，应当通过补强电压的手段。也就是说，当处于相对低的频率时，通过增加电压用以抵消定子阻抗所引起的压降数值，从而确保电机转速相对小时依然可以拥有相对大的输出转矩，并使电机的负载性能得到改善。
2.3 恒功率变频控制方法
异步电机处于额定运行时，要使电机的运行速率增加，定子电源频率可以超过额定值而不断的增大，不过电源电压值却会受到额定值的束缚而无法再增大。而这种情况下，在频率不断增加的同时，电机运转速率不断增加，铁心的磁通量不断变小，使得电机的输出转矩也不断减小，不过电机所允许的输出功率却基本恒定，这种调速方式为恒功率变频调速方式。
3 结语
通过上述分析我们能认识到，通常当电机处于额定频率范围内运行，可采用变频调控。如果要求同转矩负载保持不变，则应当通过恒压频比的变频调控方法来对电机进行变频调控。而对于低频段加以电源电压补偿时，应当采取恒磁通量的变频调控方式对电机进行变频调控。如果是高于额定频率，那就应当通过恒功率的变频调控方法来实现。
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[2] 于 良.对变频器工作技术原理及运用的研究[J].电子制作,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
戴谦九(1983- )，男，工程师
TM921.51
A
