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三项异步电动机变频调速原理

2013-05-24 22:50阅读：

http://blog.sina.cn/dpool/blog/u/2469110713

这个学期一直在做三项异步电动机的变频调速控制实验。上来要先理解变频的原理，看了好多书本，也走了不少弯路，后来发现这个东西一旦学会，真的很简单。这里我先大体上讲一下控制原理。对于有些模块的具体实现，会在相关文章中具体介绍。
交流异步电动机因为结构简单、体积小、重量轻、价格便宜、维护方便的特点，在生产和生活中得到广泛的应用，例如纺织，医疗器械等。与其他种类电动机相比，交流异步电动机的市场占有量始终居第一位。
对于三相交流异步电机，需要三相独立的输入，每相均为正弦波且相位互相相差 120 °，在额定电压和频率允许的情况下，可以直接使用三相动力电源(380V50Hz)即可工作，但由于电源频率固定(50Hz) 无法简单地改变，所以电机的转速也只能基本固定。
交流异步电动机的调速方法有许多，大致有以下几种：变极调速，串电阻调速，降压调速，串级调速和变频调速。变频调速的思路是，如果能连续地改变电动机的电源频率，从而可以连线地改变其同步转速，电动机的转速则可以在一个较宽的范围内连线地改变。从实现原理上考虑，变频调速是一个简洁的方法。从调速特性上看，变频调速的任何一个速度段的硬度均接近自然机械特性，调速特性好；如果有一个可变频率的交流电源，则可以实现连续的调速，平滑性好；其调速方式是通过改变电动机的定子电源实现，可以适用于鼠笼电动机，因而应用范围广。比较几种调速方式可以看出，单就调速性能考虑，变频调速从运行的经济性、调速的平滑性、调速的机械特性这几个方面都具有明显的优势。但其实现需要一个具有一定控制方式的可变的交流电源，在大功率电子器件以及计算机广泛应用之前，这一实现需要极高的成本。目前，随着电力电子器件及DSP
的大规模应用，交流异步电动机变频调速已成为交流调速的首选方案。
我们导师经常给我们说，研究一个事物，首先要从它的物理特性出发，没有物理的支持，一切都是纸上谈兵。我们先从电路和电动机入手来讨论变频系统。根据电机学理论，电动机的转速可以用公式：n = 60f/(1-s),公式中，n是电动机转速，p是电动机极数，s是转差率，f是电源频率，其中s，p的数值跟电动机参数有关。从上式中我们可以看出，要想改变电动机的转速，改变电动的电源频率是最好的方法。好，在从电流角度来说变频。 三项异步电动机变频调速原理
图1.1
变频调速的实质是想电动机提供一个频率可控的电源。实现这个功能的装置就是变频器。变频器的主要电路有两部分：主要电流和控制电路。主要电路采用交-直-交方式，如上图所示，即先把交流电经过整流，滤波后，变成稳定的直流电，再将直流电变成频率可变的矩形波电流，这样的电路就是逆变电路。
分析上面的电路，220V的交流电经过整流桥之后，变成220*1.35 = 297V，极性电容Cr能够滤出高频分量，保持电压稳定，这个电容一般比较大，比如470uF的大电容。电阻Ra是限流电阻，在刚上电的瞬间，会有一个电流涌浪冲击电路，电阻可以起到保护电路的作用，这个电阻有的电路中使用的是热敏电阻，该电阻刚开始阻值比较大，温度稍微一高，就很小了。JK是一个继电器，在电动机启动的时候，将JK闭合，可以为电动机提供充足电压。LP是电压指示灯，当母线电压高于50V的时候，指示灯会亮起，Rb是限流电阻。所以当指示灯亮起的时候，一定不要碰到母线。这个指示灯还有一个作用，就是当220V交流电断开时，大电容Cr和指示灯(二极管)以及电阻组成放电回路，将电容的电量释放，当指示灯熄灭，说明电量已经释放完毕。后面的T1-T6是6个可控开关管子，组成逆变电路，PWM通过控制这个6个开关管，来产生不同的通电时间和不同的矩形波形。开关管可以选择IGBT，场效应管MOSFET。
简单说一下逆变桥的工作原理。
三项异步电动机变频调速原理
图1.2 图1.3
电动机的接线原理会在电动机的铭牌上标出来，我使用的电动机是星形接线方式，如图1.3所示。三相逆变桥各个管子的导通时间如图1.2所示，其实灰色部分表示导通，白色部分表示关断。可以看出，每一时刻，只有三个管子导通，另外三个关闭，并且T1和T4，T2和T5，T3和T6不能通知导通，同时导通就会短路，注意！
在t1 时间段，T1、T3、T5这3 只逆变管导通，电机电流方向是从 U 到V 和从W 到V(设从U 到V、从V 到W、从W 到U 为正方向，下同)，得到线电压为Uuv 和-Uvw。
在t2 时间段，T1、T5、T6这3 只逆变管导通，电机线圈电流的方向是从 U 到V 和从U到W，得到的线圈电压为Uuv 和-Uwu。
在t3 时间段，T1、T2、T6这3 只逆变管导通，电机线圈电流的方向是从 U 到W 和从V到W，得到的线圈电压为-Uwu 和Uvw 。
在t4 时间段，T2、T4、T6这3 只逆变管导通，电机线圈电流的方向是从 V 到U 和从V到W，得到的线圈电压为-Uuv和Uvw 。
在t5 时间段，T2、T3、T4这3 只逆变管导通，电机线圈电流的方向是从 V 到U 和从W到U，得到的线圈电压为-Uuv和Uwu 。
在t6 时间段，T3、T4、T5这3 只逆变管导通，电机线圈电流的方向是从 W 到U 和从W到V，得到的线圈电压为Uwu 和-Uvw。
线电压Uwv 、Uvw 、Uwu 的波形之间互差 120°，幅值为 U。
只要按照上面的控制规律来控制6个开关管的开和关，就能产生如图1.4所示的波形，将直流电逆变成矩形波交流电，并且改变控制周期，就可以改变矩形波电流频率。但是矩形波毕竟不是正弦波，可能导致电动机发热或者性能很好发挥，为了输出类似正弦波的电流，可以采用正弦脉宽调制波形，具体怎么实现，我会在另一篇文章中分析。
三项异步电动机变频调速原理

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