變頻調速交流異步電動機以其結構簡單、價格便宜、適應各種工業條件等優點，被廣泛應用于工業生產各個領域。變頻器的出現，打破了異步電機無法進行無級調速的局面，改善了其使用效果。隨著電力電子技術的不斷發展，變頻調速技術越來越成熟，過去困擾人們的變頻調速的價格問題和技術難題已迎刃而解，變頻調速技術的應用越來越廣闊，廣泛應用于工業設備三相異步電動機的無級調速，并實現節能降耗。下面主要就特殊電動機的變頻調速問題進行分析，供大家參考。

      1 電磁制動電動機的變頻調速

      電磁制動電動機常規采用磨擦片來進行制動。在高速狀態下停機時，由磨擦片來強行制動，磨擦片容易磨損且故障率高。因為在高速情況下，制動器不論是從抱緊到松開，或由松開到抱緊的過程中，磨擦片之間都會有一個‘打滑’的過程，導致磨擦片容易磨損。下面就電磁制動電動機的變頻調速的實現進行討論。

      大多數電磁制動電動機里，電磁制動器的電路是已經接好的，如圖1(a)所示。電磁鐵的繞組MB是一個大電感，當電源電壓為正半周時，電源通過二極管VD1向線圈MB提供電流，當電源電壓為負半周時，電源不再提供電流，而是由線圈的自感電動勢使電流通過續流二極管VD2繼續流動。正常運行時，繞組MB得電，電磁制動器處于松開狀態。制動時，交流接觸器KM1失電，繞組MB的自感電動勢通過續流二極管VD2進行放電，通過短暫的續流后MB完全失電，電磁制動由于彈簧力的作用，抱緊電機停機。壓敏電阻RP1，是防止在續流二極管電路一旦發生接觸不良等故障時，進行線圈保護。
 

      由于通過續流二極管VD2進行續流，具有短暫的續流時間，僅適應于大多數要求并不很高的場合。但對于一些要求準確定位的場合，就希望能夠消除這一段續流時間。具體方法如圖1(b)所示，正常運行時，繞組MB得電，電磁制動器處于松開狀態。制動時，交流接觸器KM1失電，繞組MB完全失電，續流電路從3-4點處斷開。由于交流接觸器KM1失電時間不同，繞組MB的自感電動勢也可能不同，自感電動勢比較小、低于壓敏電阻的閥值時，壓敏電阻處于斷開狀態，繞組MB相當于斷開狀態，電磁制動裝置由于彈簧力的作用，抱緊電機停機；而當自感電動勢比較大、超過于壓敏電阻的閥值時，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的電磁力遠小于彈簧力，此時電磁制動裝置仍由于彈簧力的作用，抱緊電機停機。但同時需增加一個壓敏電阻RP2，以減輕續流時壓敏電阻RP1的負擔。

      采用變頻調速后，可以利用變頻調速的直流制動功能，使制動器的得電松開和失電抱緊的過程都在直流制動的狀態下進行。制動器在抱緊過程中，電動機已經停住，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，制動器在出廠時和電動機共電源的聯接線不能再用，必須通過單獨的接觸器KM2與電源相接，其變頻接線圖如圖2(a)所示。變頻器的輸入、輸出端子的功能預置如下：X1端子預置為正轉；X2端子預置為反轉。變頻器的正、反轉運行端子X1（KF）、X2（KR）要和制動器的接觸器KM2相配合，故正、反轉控制由繼電器KF和KR來執行。輸出端子Y1預置為頻率檢測，檢測的水平可預置得低一點，例如預置為6Hz或更低，用于在停機過程中控制KM2的失電。

      當正轉啟動時，繼電器KF得電，令接觸器KM2也得電，制動器開始放松；變頻器在得到啟動指令后，首先執行啟動前的直流制動。因制動器的松開時間一般在0.6s以內，故啟動前直流制動的時間可預置為1s。這樣，制動器的松開過程是在電動機尚未旋轉的過程中進行的，就不存在磨擦片的磨損問題了。當變頻器的輸出頻率上升到6Hz以上時，繼電器KA得電，KA的動合觸點將使KM2保持通電。
 

      停機時，KF斷開，變頻器的輸出頻率按預置的減速時間下降，當下降到直流制動的起始頻率（圖中設為15Hz）時，開始直流制動，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，制動器開始抱緊。因為電動機已提前直流制動了，制動器在抱緊過程中，電動機已經停住，也就不存在磨擦片的磨損了。

      2 齒輪電動機的變頻調速

      對于采用齒輪調速的齒輪電動機，在利用變頻調速改造成無級調速時，要注意以下問題：

      （1）關于上、下限頻率

      齒輪電動機在低速運行時，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行。

      齒輪電動機在高速運行時，會增加齒輪間的磨損，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）關于加速方式

      由于齒輪傳動屬于剛性聯接，在加速過程中容易發生振動，如用于運輸機械，則在加速過程中容易使裝載物散落，因此，啟動時應采用S形加速方式。有的變頻器從低頻運行（f1）升速到高頻運行（f2）時，也可以采用S形加速方式，如圖3(b)所示。

      （3）關于低頻脈動

      由于采用SPWM調制方式，所以在低頻運行時，電動機的輸出轉矩會有輕微的脈動，增大齒輪的噪音。因此，對于需要在較低頻運行的齒輪電動機，如果齒輪的噪音較大，可在變頻器與電動機之間串入電感器件，如將輸出線在高頻磁心上繞1、2圈等。

       （4）關于減緩齒輪的撞擊

      齒輪在停機時，因為主動輪先停，故嚙合點在圖4(a)中的B點。啟動時，主動輪將撞擊從動輪的A點。
 

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

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

      3 潛水泵的變頻調速

      潛水泵起動時的電流沖擊及調節壓力/流量的方式與鼓風機相似。潛水泵起動時的急扭和突然停機時的水錘現象往往容易造成管道松動或破裂，嚴重的可能造成電機的損壞，且電機起動/停止時需開啟/關閉閥門來減小水錘的影響，如此操作一方面工作強度大，且難以滿足工藝的需要。在潛水泵安裝變頻調速器以后，可以根據工藝的需要，使電機軟啟/軟停，從而使急扭及水錘現象得到解決。而且在流量不大的情況下，可以降低泵的轉速，一方面可以避免水泵長期工作在滿負荷狀態，造成電機過早的老化，而且變頻的軟啟動大大地減小水泵啟動時對機械的沖擊。并且具有明顯的節電效果。潛水泵是用來潛入水池底部向上抽水的，在實施變頻調速時，只需注意以下兩個問題。

    3.1 變頻器的選擇

      3.1.1 容量選擇

      水池的底部常常會有一些雜物堵住潛水泵底部防護網的網孔，從而加重水泵的負擔，使電動機短時間過載。所以，變頻器的容量應該加大一擋，如5.5kW的潛水泵采用7.5kW的變頻器。

      3.1.2 型號選擇

      潛水泵對機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
 

      由于潛水泵的電動機是和水泵做成一體，和導線一起潛入水中的，導線的長度較長，導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接線在高頻磁心上繞幾圈，如圖5所示，以減小導線分布電容對變頻器的影響。

      4 同步電動機的變頻調速

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

      當轉子帶上負載后，轉子磁極的軸線只是和定子旋轉磁場的軸線之間產生了一個夾角θ（稱為功率角），但仍被定子磁場牢牢地拉住，而不會減慢轉速，如圖6(b)所示。

      同步電動機電磁轉矩的大小，在一定范圍內，和θ角成正比。

      當θ＝時，電磁轉矩最大。實際運行時，θ＜，以留有余地。

      一旦由于負載的突然增加，使電動機帶不動負載，轉子的轉速慢了下來，同步電動機將‘失步’，轉子就會停下來。因此同步電機變頻調速時必須時刻控制這一夾角在允許的范圍內變動，這一點就是同步電機變頻和異步電機變頻的主要區別。

      同步電動機變頻后，具有特別‘硬’的機械特性，如圖7(b)所示。故可以用在需要同步運行和精密控制的場合，還可以用在伺服系統內。

      同步電動機在實現變頻調速時，有兩種方法：一種是自控式變頻調速，需要用專用的變頻器，對同步電動機實現矢量控制，這里不予深入討論。另一種是他控式變頻調速，就是采用普通的變頻器。這時，需要注意的問題有：

      （1）控制方式
      只能用V／F控制方式。
      （2）加速時間與方式
      為了使同步電動機在啟動過程中不失步，加速時間應預置得長一些，并采用S形加速方式。
 

    （3）同步電機啟動時的投勵過程的控制

      同步電機通常有“先投勵、后同步啟動”和“先異步啟動、后順極性投勵”兩種啟動方式。變頻啟動如果采用先投勵，后同步啟動的工作方式，常會出現轉子位置判斷不正確導致電機啟動失敗。因此，同步電機實現變頻調速時，建議采用異步啟動，順極性投勵方式，實現額定啟動力矩，將同步電機啟動到8~10Hz左右再進行順極性投勵，具體所投勵磁大小及投勵時頻率可以根據不同應用場合調試確定。至此，電動機轉子磁場和定子磁場間夾角經過小量有阻尼震蕩后，電機轉子磁極被定子磁極可靠吸引，同步電機進入同步運行狀態。變頻器按照預先設定的加速度，逐漸加速到給定頻率。此時，同步電機電樞電壓矢量與轉子磁極位置之間的夾角逐漸拉大到某一常值，電機轉子磁極在定子磁場的吸引下逐漸加速至期望轉速，同步電機起動過程完成。針對要求重載啟動的工況，為了達到更大啟動力矩，可以適當提高變頻裝置輸出電壓和同步電機的勵磁電流。

      （4）同步電機穩態調速和勵磁調節過程

      同步電機采用變頻調速時，為了解決變頻裝置和同步電機間的配合問題，電機速度改變同時變頻裝置也會協同調節當前勵磁電流大小和改變輸出電壓對應值（不是簡單的恒v/f控制）。在某一設定頻率點以上范圍運行，變頻器采集同步電機功率因素，通過內置PID調節器實時控制同步電動機的勵磁電流，實現恒功率因數調節，功率因數0.90（超前），變頻器通過發4～20mA指令給同步電機的勵磁調節器調節勵磁電流；在此頻率以下范圍運行時，勵磁電流由變頻器根據當前運行工況，輸出4～20mA信號給勵磁調節器去調節，采用變頻變勵磁電流調節。調節方式切換由變頻器自動完成，而且調節方式的切換點頻率可以通過參數設置。

      （5）同步電機正常停機和故障滅磁過程

      在正常停機時，變頻器驅動同步電動機轉速至停機，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以上運行，勵磁電流根據恒功率因素來調節，在頻率點以下范圍運行，采用變頻變勵磁電流方式運行。此過程不需要進行滅磁。

      在運行期間出現故障，若變頻器外系統出故障，需緊急停機，可以直接跳開高壓側輸入開關和變頻器輸出開關，同時跳開同步電機勵磁裝置。若變頻器系統出故障要緊急停機時，變頻器立刻停止輸出，通知同步電機勵磁裝置進行可控硅逆變滅磁，再通過故障信號跳開高壓側輸入開關和變頻器輸出開關。

參考文獻：
[1] 張燕賓. 變頻調速的應用與實踐[M].
[2] 項立崢, 梁安江, 張海燕. 交流同步電機高壓變頻調速裝置成功投運及技術淺析[J].

黃志輝（1970-）
男，湖南南縣人，學士，工程師，主要研究方向為自動控制及應用。
張燕賓
男，變頻器應用專家，原宜昌市自動化研究所副所長