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    變頻調(diào)速交流異步電動(dòng)機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格便宜、適應(yīng)各種工業(yè)條件等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)各個(gè)領(lǐng)域。變頻器的出現(xiàn)，打破了異步電機(jī)無法進(jìn)行無級(jí)調(diào)速的局面，改善了其使用效果。隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)越來越成熟，過去困擾人們的變頻調(diào)速的價(jià)格問題和技術(shù)難題已迎刃而解，變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用越來越廣闊，廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備三相異步電動(dòng)機(jī)的無級(jí)調(diào)速，并實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。下面主要就特殊電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速問題進(jìn)行分析，供大家參考。

      1 電磁制動(dòng)電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速

      電磁制動(dòng)電動(dòng)機(jī)常規(guī)采用磨擦片來進(jìn)行制動(dòng)。在高速狀態(tài)下停機(jī)時(shí)，由磨擦片來強(qiáng)行制動(dòng)，磨擦片容易磨損且故障率高。因?yàn)樵诟咚偾闆r下，制動(dòng)器不論是從抱緊到松開，或由松開到抱緊的過程中，磨擦片之間都會(huì)有一個(gè)‘打滑’的過程，導(dǎo)致磨擦片容易磨損。下面就電磁制動(dòng)電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行討論。

      大多數(shù)電磁制動(dòng)電動(dòng)機(jī)里，電磁制動(dòng)器的電路是已經(jīng)接好的，如圖1(a)所示。電磁鐵的繞組MB是一個(gè)大電感，當(dāng)電源電壓為正半周時(shí)，電源通過二極管VD1向線圈MB提供電流，當(dāng)電源電壓為負(fù)半周時(shí)，電源不再提供電流，而是由線圈的自感電動(dòng)勢使電流通過續(xù)流二極管VD2繼續(xù)流動(dòng)。正常運(yùn)行時(shí)，繞組MB得電，電磁制動(dòng)器處于松開狀態(tài)。制動(dòng)時(shí)，交流接觸器KM1失電，繞組MB的自感電動(dòng)勢通過續(xù)流二極管VD2進(jìn)行放電，通過短暫的續(xù)流后MB完全失電，電磁制動(dòng)由于彈簧力的作用，抱緊電機(jī)停機(jī)。壓敏電阻RP1，是防止在續(xù)流二極管電路一旦發(fā)生接觸不良等故障時(shí)，進(jìn)行線圈保護(hù)。
 

      由于通過續(xù)流二極管VD2進(jìn)行續(xù)流，具有短暫的續(xù)流時(shí)間，僅適應(yīng)于大多數(shù)要求并不很高的場合。但對于一些要求準(zhǔn)確定位的場合，就希望能夠消除這一段續(xù)流時(shí)間。具體方法如圖1(b)所示，正常運(yùn)行時(shí)，繞組MB得電，電磁制動(dòng)器處于松開狀態(tài)。制動(dòng)時(shí)，交流接觸器KM1失電，繞組MB完全失電，續(xù)流電路從3-4點(diǎn)處斷開。由于交流接觸器KM1失電時(shí)間不同，繞組MB的自感電動(dòng)勢也可能不同，自感電動(dòng)勢比較小、低于壓敏電阻的閥值時(shí)，壓敏電阻處于斷開狀態(tài)，繞組MB相當(dāng)于斷開狀態(tài)，電磁制動(dòng)裝置由于彈簧力的作用，抱緊電機(jī)停機(jī)；而當(dāng)自感電動(dòng)勢比較大、超過于壓敏電阻的閥值時(shí)，壓敏電阻連通，與繞組MB形成放電回路，但由于壓敏電阻的阻值很大，繞組MB的電流很小，繞組MB的電磁力遠(yuǎn)小于彈簧力，此時(shí)電磁制動(dòng)裝置仍由于彈簧力的作用，抱緊電機(jī)停機(jī)。但同時(shí)需增加一個(gè)壓敏電阻RP2，以減輕續(xù)流時(shí)壓敏電阻RP1的負(fù)擔(dān)。

      采用變頻調(diào)速后，可以利用變頻調(diào)速的直流制動(dòng)功能，使制動(dòng)器的得電松開和失電抱緊的過程都在直流制動(dòng)的狀態(tài)下進(jìn)行。制動(dòng)器在抱緊過程中，電動(dòng)機(jī)已經(jīng)停住，也就不存在磨擦片的磨損。具體方法如圖2所示。

      首先要注意的是，制動(dòng)器在出廠時(shí)和電動(dòng)機(jī)共電源的聯(lián)接線不能再用，必須通過單獨(dú)的接觸器KM2與電源相接，其變頻接線圖如圖2(a)所示。變頻器的輸入、輸出端子的功能預(yù)置如下：X1端子預(yù)置為正轉(zhuǎn)；X2端子預(yù)置為反轉(zhuǎn)。變頻器的正、反轉(zhuǎn)運(yùn)行端子X1（KF）、X2（KR）要和制動(dòng)器的接觸器KM2相配合，故正、反轉(zhuǎn)控制由繼電器KF和KR來執(zhí)行。輸出端子Y1預(yù)置為頻率檢測，檢測的水平可預(yù)置得低一點(diǎn)，例如預(yù)置為6Hz或更低，用于在停機(jī)過程中控制KM2的失電。

      當(dāng)正轉(zhuǎn)啟動(dòng)時(shí)，繼電器KF得電，令接觸器KM2也得電，制動(dòng)器開始放松；變頻器在得到啟動(dòng)指令后，首先執(zhí)行啟動(dòng)前的直流制動(dòng)。因制動(dòng)器的松開時(shí)間一般在0.6s以內(nèi)，故啟動(dòng)前直流制動(dòng)的時(shí)間可預(yù)置為1s。這樣，制動(dòng)器的松開過程是在電動(dòng)機(jī)尚未旋轉(zhuǎn)的過程中進(jìn)行的，就不存在磨擦片的磨損問題了。當(dāng)變頻器的輸出頻率上升到6Hz以上時(shí)，繼電器KA得電，KA的動(dòng)合觸點(diǎn)將使KM2保持通電。
 

      停機(jī)時(shí)，KF斷開，變頻器的輸出頻率按預(yù)置的減速時(shí)間下降，當(dāng)下降到直流制動(dòng)的起始頻率（圖中設(shè)為15Hz）時(shí)，開始直流制動(dòng)，變頻器的輸出頻率降為0Hz，繼電器KA失電，使接觸器KM2也失電，制動(dòng)器開始抱緊。因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)已提前直流制動(dòng)了，制動(dòng)器在抱緊過程中，電動(dòng)機(jī)已經(jīng)停住，也就不存在磨擦片的磨損了。

      2 齒輪電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速

      對于采用齒輪調(diào)速的齒輪電動(dòng)機(jī)，在利用變頻調(diào)速改造成無級(jí)調(diào)速時(shí)，要注意以下問題：

      （1）關(guān)于上、下限頻率

      齒輪電動(dòng)機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)，潤滑油的潤滑效果變差。因此，下限頻率要受到限制。一般說來，如果使用的是潤滑油，則下限頻率不宜低于5Hz。如果使用的是潤滑脂，則可以在更低頻率下運(yùn)行。

      齒輪電動(dòng)機(jī)在高速運(yùn)行時(shí)，會(huì)增加齒輪間的磨損，故上限頻率也不宜太高，一般以不超過70Hz為宜，如圖3(a)所示。
 

      （2）關(guān)于加速方式

      由于齒輪傳動(dòng)屬于剛性聯(lián)接，在加速過程中容易發(fā)生振動(dòng)，如用于運(yùn)輸機(jī)械，則在加速過程中容易使裝載物散落，因此，啟動(dòng)時(shí)應(yīng)采用S形加速方式。有的變頻器從低頻運(yùn)行（f1）升速到高頻運(yùn)行（f2）時(shí)，也可以采用S形加速方式，如圖3(b)所示。

      （3）關(guān)于低頻脈動(dòng)

      由于采用SPWM調(diào)制方式，所以在低頻運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)有輕微的脈動(dòng)，增大齒輪的噪音。因此，對于需要在較低頻運(yùn)行的齒輪電動(dòng)機(jī)，如果齒輪的噪音較大，可在變頻器與電動(dòng)機(jī)之間串入電感器件，如將輸出線在高頻磁心上繞1、2圈等。

       （4）關(guān)于減緩齒輪的撞擊

      齒輪在停機(jī)時(shí)，因?yàn)橹鲃?dòng)輪先停，故嚙合點(diǎn)在圖4(a)中的B點(diǎn)。啟動(dòng)時(shí)，主動(dòng)輪將撞擊從動(dòng)輪的A點(diǎn)。
 

    在較高頻率運(yùn)行時(shí)，減速過程中，嚙合點(diǎn)在圖4(b)中的D點(diǎn)。減速時(shí)，從動(dòng)輪由于慣性，將撞擊主動(dòng)輪的C點(diǎn)。

      為了減緩這種撞擊，在啟動(dòng)時(shí)，應(yīng)在很低頻率Δf1時(shí)停留短時(shí)間Δt1，使主動(dòng)輪緩慢地靠上A點(diǎn)。而在減速時(shí)，先讓工作頻率下降一個(gè)微小的增量Δf2，并停留短時(shí)間Δt2，使從動(dòng)輪緩慢地靠上C點(diǎn)，從而減緩了齒輪間的撞擊，如圖4(c)所示。

      3 潛水泵的變頻調(diào)速

      潛水泵起動(dòng)時(shí)的電流沖擊及調(diào)節(jié)壓力/流量的方式與鼓風(fēng)機(jī)相似。潛水泵起動(dòng)時(shí)的急扭和突然停機(jī)時(shí)的水錘現(xiàn)象往往容易造成管道松動(dòng)或破裂，嚴(yán)重的可能造成電機(jī)的損壞，且電機(jī)起動(dòng)/停止時(shí)需開啟/關(guān)閉閥門來減小水錘的影響，如此操作一方面工作強(qiáng)度大，且難以滿足工藝的需要。在潛水泵安裝變頻調(diào)速器以后，可以根據(jù)工藝的需要，使電機(jī)軟啟/軟停，從而使急扭及水錘現(xiàn)象得到解決。而且在流量不大的情況下，可以降低泵的轉(zhuǎn)速，一方面可以避免水泵長期工作在滿負(fù)荷狀態(tài)，造成電機(jī)過早的老化，而且變頻的軟啟動(dòng)大大地減小水泵啟動(dòng)時(shí)對機(jī)械的沖擊。并且具有明顯的節(jié)電效果。潛水泵是用來潛入水池底部向上抽水的，在實(shí)施變頻調(diào)速時(shí)，只需注意以下兩個(gè)問題。

    3.1 變頻器的選擇

      3.1.1 容量選擇

      水池的底部常常會(huì)有一些雜物堵住潛水泵底部防護(hù)網(wǎng)的網(wǎng)孔，從而加重水泵的負(fù)擔(dān)，使電動(dòng)機(jī)短時(shí)間過載。所以，變頻器的容量應(yīng)該加大一擋，如5.5kW的潛水泵采用7.5kW的變頻器。

      3.1.2 型號(hào)選擇

      潛水泵對機(jī)械特性的硬度并無要求，不需要矢量控制，故只需選擇通用變頻器即可。

      3.2 變頻器的輸出線
 

      由于潛水泵的電動(dòng)機(jī)是和水泵做成一體，和導(dǎo)線一起潛入水中的，導(dǎo)線的長度較長，導(dǎo)線間的分布電容較大。所以，在變頻器的輸出端，最好接入輸出電抗器，或者把變頻器與潛水泵之間的聯(lián)接線在高頻磁心上繞幾圈，如圖5所示，以減小導(dǎo)線分布電容對變頻器的影響。

      4 同步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速

      同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子是極性固定的磁極，如圖6(a)所示。大容量電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子上有通入直流電流的勵(lì)磁繞組，小容量電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子則多用永久磁鐵。由于轉(zhuǎn)子的S極與定子旋轉(zhuǎn)磁場的N極牢牢吸住，轉(zhuǎn)子就跟著旋轉(zhuǎn)磁場一起旋轉(zhuǎn)起來，兩者的轉(zhuǎn)速完全一致，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速一定等于同步速，轉(zhuǎn)速n始終為n=60f/p不變（式中f為工作頻率，p為電機(jī)極對數(shù)）。由于不需要從電網(wǎng)吸收無功電流，轉(zhuǎn)子上既無銅耗又無鐵耗，所以同步電機(jī)在很寬的負(fù)載范圍內(nèi)能保持接近于1的功率因數(shù)。
 

      當(dāng)轉(zhuǎn)子帶上負(fù)載后，轉(zhuǎn)子磁極的軸線只是和定子旋轉(zhuǎn)磁場的軸線之間產(chǎn)生了一個(gè)夾角θ（稱為功率角），但仍被定子磁場牢牢地拉住，而不會(huì)減慢轉(zhuǎn)速，如圖6(b)所示。

      同步電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的大小，在一定范圍內(nèi)，和θ角成正比。

      當(dāng)θ＝時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩最大。實(shí)際運(yùn)行時(shí)，θ＜，以留有余地。

      一旦由于負(fù)載的突然增加，使電動(dòng)機(jī)帶不動(dòng)負(fù)載，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速慢了下來，同步電動(dòng)機(jī)將‘失步’，轉(zhuǎn)子就會(huì)停下來。因此同步電機(jī)變頻調(diào)速時(shí)必須時(shí)刻控制這一夾角在允許的范圍內(nèi)變動(dòng)，這一點(diǎn)就是同步電機(jī)變頻和異步電機(jī)變頻的主要區(qū)別。

      同步電動(dòng)機(jī)變頻后，具有特別‘硬’的機(jī)械特性，如圖7(b)所示。故可以用在需要同步運(yùn)行和精密控制的場合，還可以用在伺服系統(tǒng)內(nèi)。

      同步電動(dòng)機(jī)在實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速時(shí)，有兩種方法：一種是自控式變頻調(diào)速，需要用專用的變頻器，對同步電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)矢量控制，這里不予深入討論。另一種是他控式變頻調(diào)速，就是采用普通的變頻器。這時(shí)，需要注意的問題有：

      （1）控制方式
      只能用V／F控制方式。
      （2）加速時(shí)間與方式
      為了使同步電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)過程中不失步，加速時(shí)間應(yīng)預(yù)置得長一些，并采用S形加速方式。
 

    （3）同步電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的投勵(lì)過程的控制

      同步電機(jī)通常有“先投勵(lì)、后同步啟動(dòng)”和“先異步啟動(dòng)、后順極性投勵(lì)”兩種啟動(dòng)方式。變頻啟動(dòng)如果采用先投勵(lì)，后同步啟動(dòng)的工作方式，常會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置判斷不正確導(dǎo)致電機(jī)啟動(dòng)失敗。因此，同步電機(jī)實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速時(shí)，建議采用異步啟動(dòng)，順極性投勵(lì)方式，實(shí)現(xiàn)額定啟動(dòng)力矩，將同步電機(jī)啟動(dòng)到8~10Hz左右再進(jìn)行順極性投勵(lì)，具體所投勵(lì)磁大小及投勵(lì)時(shí)頻率可以根據(jù)不同應(yīng)用場合調(diào)試確定。至此，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁場和定子磁場間夾角經(jīng)過小量有阻尼震蕩后，電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極被定子磁極可靠吸引，同步電機(jī)進(jìn)入同步運(yùn)行狀態(tài)。變頻器按照預(yù)先設(shè)定的加速度，逐漸加速到給定頻率。此時(shí)，同步電機(jī)電樞電壓矢量與轉(zhuǎn)子磁極位置之間的夾角逐漸拉大到某一常值，電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極在定子磁場的吸引下逐漸加速至期望轉(zhuǎn)速，同步電機(jī)起動(dòng)過程完成。針對要求重載啟動(dòng)的工況，為了達(dá)到更大啟動(dòng)力矩，可以適當(dāng)提高變頻裝置輸出電壓和同步電機(jī)的勵(lì)磁電流。

      （4）同步電機(jī)穩(wěn)態(tài)調(diào)速和勵(lì)磁調(diào)節(jié)過程

      同步電機(jī)采用變頻調(diào)速時(shí)，為了解決變頻裝置和同步電機(jī)間的配合問題，電機(jī)速度改變同時(shí)變頻裝置也會(huì)協(xié)同調(diào)節(jié)當(dāng)前勵(lì)磁電流大小和改變輸出電壓對應(yīng)值（不是簡單的恒v/f控制）。在某一設(shè)定頻率點(diǎn)以上范圍運(yùn)行，變頻器采集同步電機(jī)功率因素，通過內(nèi)置PID調(diào)節(jié)器實(shí)時(shí)控制同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流，實(shí)現(xiàn)恒功率因數(shù)調(diào)節(jié)，功率因數(shù)0.90（超前），變頻器通過發(fā)4～20mA指令給同步電機(jī)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流；在此頻率以下范圍運(yùn)行時(shí)，勵(lì)磁電流由變頻器根據(jù)當(dāng)前運(yùn)行工況，輸出4～20mA信號(hào)給勵(lì)磁調(diào)節(jié)器去調(diào)節(jié)，采用變頻變勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)方式切換由變頻器自動(dòng)完成，而且調(diào)節(jié)方式的切換點(diǎn)頻率可以通過參數(shù)設(shè)置。

      （5）同步電機(jī)正常停機(jī)和故障滅磁過程

      在正常停機(jī)時(shí)，變頻器驅(qū)動(dòng)同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速至停機(jī)，然后停止變頻器輸出即可。減速過程中，在恒功率因素頻率點(diǎn)以上運(yùn)行，勵(lì)磁電流根據(jù)恒功率因素來調(diào)節(jié)，在頻率點(diǎn)以下范圍運(yùn)行，采用變頻變勵(lì)磁電流方式運(yùn)行。此過程不需要進(jìn)行滅磁。

      在運(yùn)行期間出現(xiàn)故障，若變頻器外系統(tǒng)出故障，需緊急停機(jī)，可以直接跳開高壓側(cè)輸入開關(guān)和變頻器輸出開關(guān)，同時(shí)跳開同步電機(jī)勵(lì)磁裝置。若變頻器系統(tǒng)出故障要緊急停機(jī)時(shí)，變頻器立刻停止輸出，通知同步電機(jī)勵(lì)磁裝置進(jìn)行可控硅逆變滅磁，再通過故障信號(hào)跳開高壓側(cè)輸入開關(guān)和變頻器輸出開關(guān)。

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黃志輝（1970-）
男，湖南南縣人，學(xué)士，工程師，主要研究方向?yàn)樽詣?dòng)控制及應(yīng)用。
張燕賓
男，變頻器應(yīng)用專家，原宜昌市自動(dòng)化研究所副所長