变频器的基本原理及特点

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N表示 N=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，N=3000r/min；p=2时，N=1500r/min。可见磁极对数p越多，转速N越慢。 转子的实际转速n比磁场的同步转速N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=N，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 1—机座；2—定子铁心；3—定子绕组；4—转子铁心；5—转子绕组 图2笼型电动机的转子绕组 1—铜环；2—铜条 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。变频器的工作原理是把市电（380V、50Hz）通过整流器变成平滑直流，然后利用半导体器件（GTO、GTR或IGBT）组成的三相逆变器，将直流电变成可变电压和可变频率的交流电，由于采用微处理器编程的正弦脉宽调制（SPWM）方法，使输出波形近似正弦波，用于驱动异步电机，实现无级调速。上述的两次变换可简化为AC－DC－AC（交－直－交）变频方式。图3 图3给出国产（深圳华为）变频器的原理图。图中各组成部分名称已经标出，DSP是微机编程器。 利用变频器可以根据电机负载的变化实现自动、平滑的增速或减速，基本保持异步电机固有特性转差率小的特点，具有效率高、范围宽、精度高且能无级变速的优点，这对于水泵，风机等设备是很适用的。