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 本文主要講述變頻調速系統的原理，特點和節能優勢。重點對變頻調速系統和電機在設計、使用方面的特性進行闡述。

0. 引言

隨著電力電子技術及新型半導體器件的迅速發展，交流調速技術得到不斷完善和提高，逐步完善的變頻器以其良好的輸出波形、優異的性能價格比在交流電機上得到廣泛應用。        

交流變頻調速系統比直流調速系統具有顯著的優點：

1）調速容易，節能降耗。

2）交流電機結構簡單、體積小、慣量小、造價低、維修容易、耐用。

3）可以擴大容量，實現高轉速和高電壓運行。

4）可以實現軟啟動和快速制動。

5）無火花、防爆、環境適應能力強。近年來，交流變頻調速傳動裝置以每年13%～16%的增長率發展，有逐步取代大部分直流調速傳動裝置的趨勢。由于以恒頻、恒壓電源進行工作的普通異步電機應用于變頻調速系統時，存在局限性，為此，根據使用場合和使用要求設計出專用變頻交流電動機，與變頻器一起構成交流變頻調速系統。

1. 變頻器與變頻電機的工作原理

變頻器是利用電力半導體器件的通斷將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。21世紀初期，使用的變頻器主要采用交—直—交方式（VVVF變頻或矢量控制變頻），先把工頻交流電源通過整流器轉換成直流電源，然后再把直流電源轉換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機。

變頻器的電路一般由整流、中間直流環節、逆變和控制4個部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為IGBT三相橋式逆變器，且輸出為PWM波形，中間直流環節為濾波、直流儲能和緩沖無功功率。異步電動機的轉速當轉差率變化不大時，轉速正比于頻率，改變電源頻率能改變異步電動機的轉速，變頻電機通過改變輸入電機電源的頻率來改變轉速。

變頻調速時，如果主磁通大于正常運行時的磁通，則磁路過飽和，勵磁電流增大，功率因數降低；若主磁通小于正常運行時的磁通，電流減小，電機轉矩下降。

2. 變頻電機主要特點

變頻專用電動機具有如下特點：

1）B級溫升設計，F級絕緣制造。采用高分子絕緣材料及真空壓力浸漆制造工藝以及特殊的絕緣結構，使電氣繞組絕緣耐壓及機械強度有很大提高，勝任電機高速運轉及抵抗變頻器高頻電流沖擊以及電壓對絕緣的破壞。

2）平衡質量高，震動等級為R級，機械零部件加工精度高，并采用專用高精度軸承，可以高速運轉。

3）強制通風散熱系統，全部采用進口軸流風機超靜音、高壽命，強勁風力。保障電機在任何轉速下，得到有效散熱，可實現高速或低速長期運行。

4）與傳統電機相比較，具備更寬廣的調速范圍和更高的設計質量，經特殊的磁場設計，進一步抑制高次諧波磁場，以滿足寬頻、節能和低噪音的設計指標。

5）具有寬范圍恒轉矩與功率調速特性，調速平穩，無轉矩脈動。與各類變頻器配套使用，均具有良好的參數匹配，配合矢量控制，可實現零轉速、全轉矩、低頻大力矩與高精度轉速控制、位置控制及快速動態響應控制。

6）變頻專用電機可配制剎車器，編碼器，獲得精準停車，通過轉速閉環控制實現高精度速度控制。采用“減速機+變頻專用電機+編碼器+變頻器”實現超低速無級調速的精準控制，其控制原理圖如圖1所示。

7）變頻電機通用性好，安裝尺寸符合IEC標準，與一般標準型電機具備互換性。

變頻專用電動機效率高，符合國家標準GB18163-2020《電動機能效限定值及能效等級》中小型三相異步電動機能效限定值。雙頻寬電壓，電壓范圍220V~690V，適用50Hz和60Hz電源。噪聲低，通過優化電磁設計、通風狀況、結構尺寸等技術。軸承負載能力高，電動機選用深溝球軸承，壽命長，80-132中心高電動機為密封軸承，160-355為開式軸承，軸承系統設有加油裝置。電動機為全封閉風冷結構，防護等級IP55，材料及工藝符合環境要求。

機械強度高，堅固耐用，防銹防腐性強。繞組可靠性好，采用F級絕緣結構，B級考核。并可根據用戶需要增加PTC熱敏電阻或熱敏開關。變頻專用三相異步電動機功率從0.25KW-315KW，機座中心高從71mm-355mm。可廣泛應用于輕工，紡織，化工，冶金，機床等需要調速的行業，是一種理想的調速動力源。

3. 交流變頻調速系統的應用

交流變頻調速系統可廣泛應用于各行各業的無級變速傳動。隨著變頻器在工業控制領域內日益廣泛的應用，變頻調速電機在變頻控制方面較普通電機具有明顯的優越性，主要有節能，節約資源，減少環境污染。消除電動機的啟動沖擊以及對電網的沖擊，降低電動機和設備故障率。

提高控制精度和自動化程度。變頻調速的經濟效益非常顯著，對于泵和風機，流體流量與轉速一次方成正比，轉矩與轉速的二次方成正比，而功率與轉速的三次方成正比，轉速降低，電機功耗以三次方下降，因此變頻調速的節電效果非常顯著。如果流量降低，則轉速降低，電流降低，而電機的功耗降低，理論上節能。

如果原本采用風門、閥門調節，流量降低、壓頭增加，電機功率減少，這樣，變頻調速比風門、閥門類調節節能。除了節能增效外，對于不同負載，還有一些間接的經濟效益，主要有功率因數得以提高，實現軟啟動，減小啟動力矩對電機的電氣機械損傷，控制平滑、穩定、精度高。

4. 變頻電機和普通電機的區別與不同速度的控制方式

變頻電機對于需要頻繁啟動、頻繁調速、頻繁制動的場合，要優于普通電動機。在變頻驅動下，變頻電機的效率會提高10%左右，而溫升會小20%左右，尤其是在矢量控制或者直接轉矩控制的低頻區域。在電磁噪聲和振動方面，變頻電機在變頻驅動時較普通電動機有更低的噪音和更小的電磁振動。由于變頻電機專為變頻器驅動設計，所以能承受較大的du/dt，變頻電動機的絕緣強度要高，尤其是在DTC控制模式下，對電動機的絕緣強度提出更高的要求。

一般情況下，變頻電機以100%額定負載在10%~100%額定速度范圍內連續運行，溫升不會超過電機標定容許值。變頻電機主要解決普通電機在低速和高速運行的一些問題，普通電機在低速運行時，存在電機散熱問題和高速運行時的電機軸承強度問題。

普通電機大多是空氣自冷式，靠后端風扇散熱，當電機的轉速較低時，電機散熱容易出現問題。相對于普通電機，變頻電機優勢明顯。變頻電機采用“專用變頻感應電動機+變頻器”的交流調速方式，使機械自動化程度和生產效率提高，設備小型化、增加舒適性。

超過3000r/min時，應采用耐高溫的特殊潤滑脂，以補償軸承的溫度升高。二次轉矩負載，在轉速降低時，轉矩也降低，發熱量也降低，適合選用普通電機用于變頻，在實際轉速不低于40%同步轉速的情況下使用。其他負載，在60%同步速及以上運行時，可選用普通的電機。

在25%—60%同步轉速運行時，選用外部強制冷卻的變頻專用電機。當轉速低于25%同步速時，選用完全強制冷卻電動機。即矢量專用電動機。不同的變頻控制方式控制速度不一樣，采用U/F控制方式控制速度的范圍是150—1470r/min；采用無速度傳感器的矢量控制和直接轉矩控制，控制速度的范圍是60—1500r/min；采用速度傳感器的矢量控制和直接轉矩控制，控制速度的范圍是5—1500r/min。

5. 結論

采用變頻調速系統，電動機可以在很低的頻率和電壓下以無沖擊電流的方式啟動，并可利用變頻器所供的各種制動方式進行快速制動，實現頻繁啟動和制動，因電動機的機械系統和電磁系統處于循環交變力的作用下，造成機械結構和絕緣結構加速疲勞和老化。變頻調速系統對電機的要求主要在三個方面：絕緣等級，強制冷卻和轉子軸承，如果在基頻以上調速，還要考慮電機結構的機械強度。

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