一文看懂电动机控制与变频调速原理

什么是变频调速

变频调速简单的说就是改变频率和电压进行调速。将交流电通过整流变成直流，将直流通过晶闸管的频繁关断，使之形成的矩形波近似成交流正弦波。晶闸管的频繁关断的频率决定了输出交流电的频率。通过改变频率进而控制速度变化，这就是交直交变频。

变频调速的优缺点

优点

1、无级调速

2、启动电流小、起动转矩大

3、调速精度高

4、容易实现自动化控制

5、效率高

6、节能型调速

缺点

1、成本高

2、产生谐波污染电网

3、输出的PWM波，会造成电机、电缆的额外发热、

4、共模电压的产生有可能会降低电机轴的寿命。

变频调速的原理

变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的。常用三相交流异步电动机的结构为图1所示。定子由铁心及绕组构成，转子绕组做成笼型（见图2），俗称鼠笼型电动机。当在定子绕组上接入三相交流电时，在定子与转子之间的空气隙内产生一个旋转磁场，它与转子绕组产生相对运动，使转子绕组产生感应电势，出现感应电流，此电流与旋转磁场相互作用，产生电磁转矩，使电动机转动起来。电机磁场的转速称为同步转速，用n1表示

n1=60f/p（r/min）（1）

式中：f——三相交流电源频率，一般为50Hz。

p——磁极对数。当p=1时，n1=3000r/min；p=2时，n1=1500r/min。可见磁极对数p越多，转速n1越慢。

转子的实际转速n比磁场的同步转速n1要慢一点，所以称为异步电机，这个差别用转差率s表示：

s=［n1－n）/n1］×100％（2）

当加上电源转子尚未转动瞬间，n=0，这时s=1；起动后的极端情况n=n1，则s=0，即s在0～1之间变化。一般异步电机在额定负载下的s=（1～6）％。

综合式（1）和式（2）可以得出

n=60f（1－s）/p（3）

图1三相异步电动机结构示意图 图2笼型电动机的转 子绕组1—铜环；2—铜条

1—机座；2—定子铁心；

3—定子绕组；4—转子铁心；

5—转子绕组

由式（3）可以看出，对于成品电机，其磁极对数p已经确定，转差率s变化不大，则电机的转速n与电源频率f成正比，因此改变输入电源的频率就可以改变电机的同步转速，进而达到异步电机调速的目的。

但是，为了保持在调速时电机的最大转矩不变，必须维持电机的磁通量恒定，因此定子的供电电压也要作相应调节。变频器就是在调整频率（VariableFrequency）的同时还要调整电压（VariableVoltage），故简称VVVF（装置）。通过电工理论分析可知，转矩与磁通量（最大值）成正比，在转子参数值一定时，转矩与电源电压的平方成正比。

变频调速技术的应用

纵观我国变频调速技术的应用，总的说来走的是一个由试验到实用，由零星到大范围，由辅助系统到生产装置，由单纯考虑节能到全面改善工艺水平，由手动控制到自动控制，由低压中小容量到高压大容量，一句话，由低级到高级的过程。

多年来，国家经贸委一直会同国家有关部门致力于变频调速技术的开发及推广应用，在技术开发、技术改造方面给予了重点扶持，组织了变频调速技术的评测推荐工作，并把推广应用变频调速技术作为风机、水泵节能技改专项的重点投资方向，同时鼓励单位开展统贷统还方式，抓开发、抓示范工程、抓推广应用。国家成立了风机水泵节能中心，开展信息咨询。1995~1997年3年间我国风机水泵变频调速技术改造投人资金3.5亿元，改造总容量达100万kw，可年节电7亿kw·h，平均投资回收期约2年。

变频调速技术的应用范围已发展到新阶段。石油、石化、机械、冶金等行业都经过了单系统试用、大量使用和整套装置系统使用3个发展阶段。如广东茂名石化公司和九江石油化工厂现已发展到应用常减压和催裂化变频装置，取得了节能、增产的显著效果；长春第一汽车厂18个专业厂的输送机械、空压机等设备应用了162台变频器，保证了新车的制造迅速达到了生产指标；新疆克拉玛依油田在炼油、化工、供水、天然气处理等系统中广泛采用了变频器，低压变频调速的普及率已达70%；梅林水厂、太原钢厂、邯郸钢厂等单位在水泵、风机机组上采用中压变频技术，保证了生产，节约了能源等。

什么是电动机控制

电机控制是指，对电机的启动、加速、运转、减速及停止进行的控制。根据不同电机的类型及电机的使用场合有不同的要求及目的。对于电动机，通过电机控制，达到电机快速启动、快速响应、高效率、高转矩输出及高过载能力的目的。

电动机控制的原理（一）

电动机顺序控制电路

说明：

1、本电路起动顺序是先M1电动机，后M2电动机；停止顺序则相反。

2、PLC（三菱FX0N、FX1N），编程器连接及通电操作。

3、清零操作；程序写入操作；根据梯形图写出指令表。

4、 主机上用导线连接电动机顺序控制。

电动机顺序控制电路工作原理：合上电源开关QS，按下起动按钮SB1，接触器KM1得电吸合并自保，M1电动机起动运转。KM1的另一动合触点闭合，为接触器KM2得电作准备。按下起动按钮SB2，接触器KM2得电吸合并自保，M2电动机起动运转。起动顺序是先KM1吸合，M1电动机起动运转；后KM2吸合，M2电动机起动运转。停车顺序是：只有先按下按钮SB4，使接触器KM2断电释放，KM2的动合触点断开，M2电动机停转后再按SB3，M1电动机才能停止运转。热继电器FR1、FR2常闭触点，是在电动机过负载或缺相过热时将控制电路自动断开，保护了电动机。

电动机控制的原理（二）

异步电动机可逆控制电路（范例）

可逆控制电路（范例）电路工作原理：

（图A）按下SB2，KM1得电吸合，电动机起动正转。按下SB1，KM1断电释放，电动机停转。按下SB3，KM2得电吸合，电动机起动反转。按下SB1，KM2断电释放，电动机停转。缺点：不能同时按下SB2 、SB3按钮，否则电源将短路，电动机无法工作。原因：主电路接触器KM1、KM2连接到电动机M的是两种相序的电源，若同时吸合，在接触器连接点上电源被短路。

（图B）原理同图A。在KM1线圈电路中串接了KM2的一个动断触点：同样，在KM2线圈电路中串接了KM1的一个动断触点。这两个动断触点称互锁触点，这种互锁称电气互锁。保证了任何时候只有一只接触器吸合，避免了电源短路。缺点：必须先按停止按钮SB1，电动机停转后，才能起动电动机的另一旋转方向。

（图C）在上图基础上增加了由起动按钮的动断触点构成的机械互锁。如：按下SB2，串接在KM2线圈电路中SB2动断触点断开了KM2线路。保证了两个接触器不能同时吸合，又能不按停止按钮直接起动电动机另一旋转方向。