1 變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性
根據(jù)電機(jī)原理和三相異步電動(dòng)機(jī)的T型等值電路，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩M與轉(zhuǎn)差率S的關(guān)系為：
式中 m1——相數(shù)；
P1——極對(duì)數(shù)；
Em——感應(yīng)電勢(shì)，Em=4.44f1Kdp1W1∮；
f1——電源頻率；
r2′、L2′——T型等值電路中算到定子邊的轉(zhuǎn)子電阻和電感；
f1′——T型等值電路中的頻率；
Kdp1——定子繞組的繞組系數(shù)；
W1——定子繞組的每極匝數(shù)；
∮——磁通量。
最大轉(zhuǎn)矩Mm與產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩時(shí)的轉(zhuǎn)差率（即臨時(shí)轉(zhuǎn)差）Sm分別為：
由此可見，變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性，應(yīng)是Em/f1與轉(zhuǎn)子電流頻率Sf1的函數(shù)，只要保持Em/f1不變，即保持氣隙磁通不變，轉(zhuǎn)矩就成為轉(zhuǎn)差頻率(即轉(zhuǎn)子電流頻率)Sm的函數(shù)。而最大轉(zhuǎn)矩則直接與Em/f1相關(guān)。如能保持Em/f1為常數(shù)，那么最大轉(zhuǎn)矩就可保持恒定。而且，由于臨界轉(zhuǎn)差率Sm是電源頻率的函數(shù)，因此，當(dāng)電源頻率改變時(shí)，Sm也隨之改變。這樣，就為異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)創(chuàng)造了良好的條件。如果能保持Em/f1不變，并選擇適當(dāng)?shù)钠饎?dòng)頻率，使Sm接近于1，電機(jī)就有可能在較低的起動(dòng)頻率和相應(yīng)電壓下以最大轉(zhuǎn)速起動(dòng)，不會(huì)像恒頻恒壓供電時(shí)那樣由于全壓起動(dòng)，而給電網(wǎng)帶來數(shù)倍于電機(jī)額定電流的啟動(dòng)電流的沖擊。
在變頻器中，若用U1/f1代替Em/f1進(jìn)行恒轉(zhuǎn)矩控制，當(dāng)電壓U1隨f1成比例地減小時(shí)，由于定子阻抗壓降的存在，將使Em/f1磁通減小，轉(zhuǎn)矩降低。為了補(bǔ)償這一變化，一般變頻器都采用了在低速范圍內(nèi)適當(dāng)提高U1/f1的控制方式。但是，必須注意，U1/f1值太大會(huì)造成輕載時(shí)的過激勵(lì)，使電路飽和，勵(lì)磁電流增加。
以上用恒定磁通實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速的分析，僅限于額定功率以下的情況。當(dāng)速度調(diào)節(jié)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，電壓已經(jīng)達(dá)到額定值，不能再隨著頻率的升高而增加。因此，在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，當(dāng)頻率從額定值往上調(diào)時(shí)，電壓需保持穩(wěn)定。故磁通及轉(zhuǎn)矩將隨著頻率的升高而減小，即對(duì)電機(jī)進(jìn)行“弱磁控制”，傳動(dòng)系統(tǒng)將處于恒功率狀態(tài)下運(yùn)行。
2 變頻調(diào)速對(duì)電機(jī)的影響?yīng)?/P>
目前,普通異步電動(dòng)機(jī)都是按恒壓設(shè)計(jì)的,它不完全適應(yīng)變頻調(diào)速的要求,具體反映在以下方面。
2.1 電動(dòng)機(jī)的效率和升溫問題
不論何種型式的變頻器，在工作中均會(huì)產(chǎn)生不同程度的諧波電壓和諧波電流，使異步電動(dòng)機(jī)在非正弦電流下運(yùn)動(dòng)。以目前比較普遍使用的正弦波PWM變頻器為例，其低次諧波基本上為零，剩下的是比載波頻率(晶體管開關(guān)頻率)高1倍左右的高次諧波分量2μ+1(μ為調(diào)制比)。
高次諧波會(huì)引起定子銅耗、轉(zhuǎn)子鋁耗、鐵耗及附加損耗的增加，其中最為顯著的是轉(zhuǎn)子損耗。因?yàn)楫惒诫妱?dòng)機(jī)是以接近于基波頻率所對(duì)應(yīng)的同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的，因而高次諧波電壓以較大的轉(zhuǎn)差切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)條后便產(chǎn)生很大的轉(zhuǎn)子損耗。
除此以外，還必須考慮到因集膚效應(yīng)所產(chǎn)生的附加銅耗。若是異步電動(dòng)機(jī)為改善起動(dòng)性能而采用了深槽、刀形槽或瓶形槽等轉(zhuǎn)子槽形時(shí)，轉(zhuǎn)子鋁耗的增加將更大。這些損耗都會(huì)使電機(jī)額外發(fā)熱，效率降低，輸出下降，如將普通異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行于變頻器輸出的非正弦電源條件下，其升溫一般約增加10%～12%。
2.2 電動(dòng)機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)承受沖擊電壓的能力
目前中小容量變頻器絕大多數(shù)采用PWM控制方式。其載波頻率約為幾kHz到十幾kHz，這就使電動(dòng)機(jī)線圈需要承受很高的電壓上升率，即dU/dt值很高，相當(dāng)于電動(dòng)機(jī)線圈上反復(fù)施加電壓陡度極大的沖擊電壓，使電機(jī)匝間絕緣承受考驗(yàn)。
另外，由PWM變頻器產(chǎn)生的矩形斬波沖擊電壓疊加在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行電壓上，會(huì)對(duì)電機(jī)的對(duì)地絕緣形成威脅，在高電壓的反復(fù)沖擊下加速老化。
2.3 諧波電磁噪聲與震動(dòng)
當(dāng)采用變頻器供電時(shí)，普通異步電動(dòng)機(jī)上由電磁機(jī)械和通風(fēng)等原因所引起的震動(dòng)和噪音將變得更加復(fù)雜。變頻器電源中含有的各次諧波與電機(jī)電磁部分的固有諧波相互干擾，形成各種電磁激震力，當(dāng)電磁力波的頻率和結(jié)構(gòu)件的固有震動(dòng)頻率一致或接近時(shí)，將產(chǎn)生共振現(xiàn)象，加大噪聲。由于電機(jī)工作的頻率范圍寬，轉(zhuǎn)速變化的范圍大，各種電磁力波的頻率很難避開電機(jī)各種結(jié)構(gòu)件的固有頻率。普通異步電動(dòng)機(jī)用變頻器供電時(shí)的噪聲，比用電網(wǎng)供電時(shí)一般約增加1015dB左右。
2.4 電動(dòng)機(jī)對(duì)頻繁起制動(dòng)的適應(yīng)能力
采用變頻器供電后，電動(dòng)機(jī)可以在很低的頻率和電壓下以無沖擊電流的方式起動(dòng)，并可以利用變頻器所提供的各種制動(dòng)方式進(jìn)行快速制動(dòng)，為實(shí)現(xiàn)頻繁起制動(dòng)創(chuàng)造了良好的條件。例如：應(yīng)用在鋼廠輥道上及轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)上的變頻電動(dòng)機(jī)，起制動(dòng)或正反轉(zhuǎn)的次數(shù)可達(dá)到數(shù)百上千次，因而，電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和電磁系統(tǒng)處于循環(huán)交變的作用下，給電動(dòng)機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和絕緣結(jié)構(gòu)帶來疲勞和加速老化問題。
2.5 低速時(shí)的冷卻問題
在電源頻率較大時(shí)，因普通異步電動(dòng)機(jī)的阻抗不盡理想，使電源中高次諧波所引起的損耗較大；其次，自帶風(fēng)扇的普通異步電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速降低時(shí)，冷卻風(fēng)量將與轉(zhuǎn)速的3次方成比例減少，這必將使電動(dòng)機(jī)的低速溫升急劇增加，而難以實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩輸出。
3 變頻調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)的改進(jìn)
通過上面的分析可以看出，普通異步電動(dòng)機(jī)不適宜運(yùn)行在變頻調(diào)速系統(tǒng)下。為此，需研究和設(shè)計(jì)新的供變頻調(diào)速專用的異步電動(dòng)機(jī)系列。
3.1 電磁特性的改進(jìn)
對(duì)于恒頻恒電壓供電的普通異步電動(dòng)機(jī)，在電磁設(shè)計(jì)中，主要考慮的性能參數(shù)是過載能力、起動(dòng)特性、效率和功率因數(shù)。在變頻調(diào)速的異步電動(dòng)機(jī)中，由于臨界轉(zhuǎn)差與電源頻率成反比，因此只要選擇轉(zhuǎn)子參數(shù)r′2、L′2，就可降低頻率，在臨界轉(zhuǎn)差接近于1時(shí)直接起動(dòng)，從而提高電動(dòng)機(jī)對(duì)非正弦電源波形的適應(yīng)能力。為此，可以考慮：
(1)降低定子電阻，提高轉(zhuǎn)子電阻。降低定子電阻既可以減少基波銅耗，以彌補(bǔ)高次諧波引起的銅耗增加，又可減小低速時(shí)的定子電阻壓降，使最大轉(zhuǎn)矩有所上升。此外，變頻電機(jī)采用較大的轉(zhuǎn)子電阻不但可以減少由基波和高次諧波所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子鋁耗，還可以依靠L2/r2的加大，在一定程度上抑制低速時(shí)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。
(2)目前一般市售通用變頻器，以電壓型居多，為抑制電流中的高次諧波，需要適當(dāng)增加電機(jī)的電感量。但由于電機(jī)轉(zhuǎn)子槽有漏抗較大的槽形，集膚效應(yīng)也大，故高次諧波銅耗也增大。而且，從式(2)可知,具有較大轉(zhuǎn)子電感的電動(dòng)機(jī),在恒功率調(diào)速區(qū)域,最大轉(zhuǎn)矩將隨電源頻率的增加而降低,有可能使電機(jī)難以維持恒功率運(yùn)行。因此,電機(jī)漏電感的大小要兼顧到整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)阻抗匹配的合理性。
(3)變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)的主磁路設(shè)計(jì)一般均不十分飽和。這一方面是考慮到電源中的高次諧波會(huì)加深磁路飽和；另一方面也考慮到低頻時(shí)為了提高輸出轉(zhuǎn)矩而適當(dāng)提高變頻器的輸出電壓。
3.2 結(jié)構(gòu)改進(jìn)
由于電源的非正弦波特性對(duì)變頻電動(dòng)機(jī)的絕緣結(jié)構(gòu)、震動(dòng)、噪音、冷卻方式等多有影響，因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須考慮：
(1)在把電動(dòng)機(jī)耐熱等級(jí)提高的基礎(chǔ)上，還必須對(duì)地絕緣強(qiáng)度和導(dǎo)線匝間絕緣的耐沖擊電壓能力有充分的考慮。
(2)在震動(dòng)和噪聲的問題上，除了選擇合適的定、轉(zhuǎn)子槽配合之外，對(duì)定轉(zhuǎn)子部件的加工和裝配精度也應(yīng)有較高的要求，以提高氣隙均勻度、轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡精度和電磁對(duì)稱性，對(duì)結(jié)構(gòu)件要充分考慮剛性問題。
3.3 改進(jìn)效果
在1997～1998年間，濟(jì)南鋼鐵集團(tuán)總公司(簡(jiǎn)稱濟(jì)鋼)對(duì)部分電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了改造，最初是使用“變頻器+普通異步電動(dòng)機(jī)”進(jìn)行調(diào)速。但在電動(dòng)機(jī)頻繁正反轉(zhuǎn)、起制動(dòng)的場(chǎng)合，存在著如上所述的弊端,因此造成了電機(jī)絕緣降低、老化，以致于燒損。1999年之后，濟(jì)鋼在煉鋼氧槍升降、轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)、方坯連鑄以及風(fēng)機(jī)水泵上使用了“變頻器+變頻電動(dòng)機(jī)”的調(diào)速新工藝。使用后不僅大大降低了電機(jī)燒損率，同時(shí)也保證了生產(chǎn)的順利進(jìn)行。
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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