变流技术在电机拖动系统中的应用

摘要：利用变流技术，通过晶闸管可控制整流和逆变电路，实现电机拖动系统中电机正/反转调速；利用变流技术，亦可将变频器作为三相异步电动机供电电源，实现电机变频调速，达到节能的目的。

关键词：变流技术 电动机 正/反转 变频调速

0 引言

变流技术是指利用电力电子器件对电能进行控制和转换的技术，电能的转换与控制包括整流、逆变、斩波、变频等方面的控制。变流技术是工业企业电气化与自动化中一门非常重要的应用技术。工业应用中常要求电动机能实现快速的可逆控制，既能正转或反转，又能作为电动机或发动机运行，利用变流技术并合理选用相应的电力电子器件，可以实现电机四象限运行，并拖动负载运行满足工业要求。自20世纪90年代中期以来，电力电子器件逐渐形成以绝缘栓双极型晶体管IGBT为主体的局面。到目前为止，IGBT管已发展到了第四代产品，兆瓦以下功率电力电子器件IGBT为首选器件。而在兆瓦以上大功率场合，门极可关断晶闸管GTO为首选器件，功率更大场合可使用光控晶闸管。

1 应用方案一

1.1 利用晶闸管桥路供电，控制电动机的正/反转

采用两组变流桥的可逆电路，两组晶闸管变流电路反并联组成可逆拖动系统，可以方便地实现电动机正/反向调速运行，并能够实现发电反馈制动，此时电动机的电磁转矩变成制动转矩，把电动机轴上的机械能变成电能送回电网。两组变流电路可用同一交流电源供电，采用反并联连接。电气控制原理图如图1：

1.2 直流拖动系统控制原理分析

当电动机磁场方向不变时，正转时由I组电桥供电。反转时由II组电桥供电，任何时候只允许一组桥路工作，另一组桥路阻断，这样不会产生环流。电机四象限运行情况如下，其中α为控制角、β为逆变角、Em为电机电动势、Ud为输出负载电压。

第一象限：电机正转，电机作电动运行，I组桥工作在整流状态，II组桥不工作，此时，第一象限中I组桥晶闸管控制角α1<90°，且Em

第二象限：电机正转，电机作发电运行，II组桥工作在逆变状态，I组桥不工作，此时，第二象限中II组桥逆变角βII<90，且Em>Udβ。

第三象限：电机反转，电机作电动运行，II组桥工作在整流状态，I组桥不工作，此时，第三象限中II组桥控制角αII<90，且Em

第四象限：电机反转， 电机作发电运行， I组桥工作在逆变状态，II组桥不工作，此时，第四象限中I组桥逆变角βI<90，且Em>Udα。

电机四象限运行图如图2：

由此可知，四象限的运行主要在于控制每组晶闸管的控制角α大小。利用单结晶体管触发电路或正弦波触发电路或锯齿波触发电路控制触发脉冲发出时刻，使α移相范围在0-90°间实现整流，在0-180°间实现逆变。若采用带晶闸管涡流制动器调速装置工作的交流绕线型应用电动机，改变晶闸管移相角而变换涡流缺点器的励磁电流，也可以控制电动机的正反转速度。

2 应用方案二

2.1 利用VVVF的调速装置，实现电机变压变频调速

VVVF调速装置适用于鼠笼型感觉电动机，通过改变感应电动机的定子电压、频率而控制电动机的转速。这种V/F控制在改变频率的同时控制变频器输出电压，使电机磁通保持一定，在较宽范围内，电动机的效率，功率因数不下降。将变频器作为各类生产设备内电机的供电电源，根据异步电动机的工作原理，实现变频调速。多用于通用变频器、风机、泵类机械的节能运转及生产流水线的工作台传动，空调等家用电器也采用V/F控制的变频器。三相异步电动机变频调速传动与直流电动机调速传动相比具有单机容量不受限制、体积小、重量轻、动态响应好、转动惯量小、维护简单、节约能源等优点，通过三相异步电动机变频调速传动能实现节能、实现高精度的速度转矩控制、实现高速传动。

2.2 变频器的构成框图及各部分的作用

变频器电路构成框图如图3：

各部分作用如下：

主回路：包括变流器部分，平滑回路，逆变部分。给异步电动机提供调压调频电力变换。变流器部分起整流作用，将工频50HZ交流电变成直流电，实现交-直变换。逆变器部分起逆变作用，将直流电再次变为可调频率的交流电，实现直-交变换。平滑回路部分当电机处于再生制动状态时，将再生到直流侧的能量消耗一部分，使直流电侧电压保持在许可范围内。

控制回路：包括运算回路，电压/电流检测回路，速度检测回路，驱动回路，保护回路。为变频器主回路提供通断信号。运算回路是将外部的速度、转矩等指令同检测回路的电流、电压信号比较运算，决定变频器的输出电压、频率。电压/电流检测回路的作用是与主回路电位隔离，检测电压、电流。

驱动回路：驱动主回路元件导通，关断。

速度检测回路：检测异步电动机的速度。

保护回路：检测主回路的电压、电流等，当发生过载或过流等异常时，为了防止变频器和异步电动机损坏，使变频器停止工作或抑制电压、电流。

2.3 控制原理分析

感应电机动的转速为n和电流频率为f，电动机极对数为p、转差率为s。已知电动机转速公式n=60f（1-s）/p，从上式可知，改变电机三相定子电流频率f，可改变电动机的输出转速n。只需要把变频器输出电压作为电机供电电压即可实现变频调速；另一方面，即使在低速时电动机的输出转矩也要保持在额定值以上，此时，V/F=恒定值。所以在控制电动机电源频率的同时，控制变频器输出电压。变频的同时也改变了三相笼型异步电机供电电压。若采用中频电子电力变频器作为中频交流供电电源，利用变流技术先将工频交流电通过可控整流变为直流，再通过逆变电路将直流信号变为频率可调的交流电，通过这种交流-直流-交能的电能变换，一般可节电30-50%，被广泛应用于通风机、空调器、泵的电机拖动系统内作为供电电源，利用变频器作为供电电源效率高达95%，长期工作效果更显著，并且变频变压使电机从小到大同步起动，起动电流限制在额定电流以内，升速平稳。停车时可作能耗制动，停车比发电机时间快。同时具有无噪音、无振动，消除了噪声与污染，控制方便的优点，是发电机无法比拟的。

3 结论

利用变流技术，合理选择控制角或逆变角，可实现电机正/反转控制。近年来更多地使用高效、节能的电气设备，同时需要提高电机的工作效率。利用变流技术，合理选择晶闸管，并且通过电机的变频调速可以满足用户要求。由晶闸管组成的变流装置具有功率放大倍数大，可达10000以上；快速响应好，为毫秒级；功耗低、效率高、节能效果显著；体积小，无噪音，无火花磨损，维护方便，可靠性高等优点。例如在各大钢铁行业上的主轧机，开卷机和卷取机中的主拖动电机，通常选用了变频调速电动机。国内外为节能，在调速及自动化方面已经普遍利用变流技术实现对电机变频调速。

参考文献：

[1]王兆京，黄俊.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社， 2008.

[2]韩安荣.通用变频器及其应用[M].北京：机械工业出版社， 2009.

[3]李宏，王崇武.现代电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2009.

[4]王兆安，刘进军.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社， 2012.

作者简介：

王玮（1977-），男，贵州贵阳人，研究方向：电力电子技术。

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