變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)的特性及應(yīng)用探討

楊明浩

摘要：文章主要介紹了變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)的工作特性，通過控制異步電動(dòng)機(jī)電源的電壓和頻率來達(dá)到控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、功率等各重要性能指標(biāo)的目的，并結(jié)合隔爆型異步電動(dòng)機(jī)來說明變頻調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速；異步電動(dòng)機(jī)；恒功范圍；恒轉(zhuǎn)矩范圍；隔爆電動(dòng)機(jī) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TP319 文章編號(hào)：1009-2374（2016）03-0055-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.03.028

近年來，變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)在工業(yè)、家用電器、服務(wù)業(yè)、交通等各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，并得到了用戶的肯定。變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有的特色和性能的匹配效果非常明顯，同時(shí)完全可以滿足其對(duì)高品質(zhì)系統(tǒng)的要求。在煤礦等工程機(jī)械領(lǐng)域，已經(jīng)大面積取代機(jī)械調(diào)速、串級(jí)調(diào)速等調(diào)速方式。變頻調(diào)速技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、價(jià)格便宜、運(yùn)行可靠、效率高、控制精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、調(diào)節(jié)平滑等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)，避免對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊等諸多優(yōu)勢(shì)，是目前最理想的調(diào)速方法。

1 變頻異步電動(dòng)機(jī)的特性

1.1 變頻器供電對(duì)電動(dòng)機(jī)的影響

異步電動(dòng)機(jī)在變頻器驅(qū)動(dòng)下的運(yùn)行性能有很大的變化，主要表現(xiàn)在：通常標(biāo)準(zhǔn)正弦供電，因?yàn)樗碾妷汉皖l率保持不變，所以電動(dòng)機(jī)是恒磁通的運(yùn)轉(zhuǎn)情況。異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械性能便可看作是一條恒定的曲線。然而就變頻器供電的異步電動(dòng)機(jī)而言，由于電壓和頻率是都發(fā)生變化的，因此，變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特定以曲線的形式保持著與E1和F1的鏈接。在變頻器電壓和電頻的調(diào)節(jié)下，便可以獲取不一樣的轉(zhuǎn)矩。同時(shí)主磁通也隨之改變，這樣電動(dòng)機(jī)的效率、功率因數(shù)、鐵耗、銅耗、熱負(fù)荷等性能參數(shù)也會(huì)隨之變化。除此之外，由于變頻器輸出中包含大批高次諧波。當(dāng)然諧波的分量也會(huì)使電動(dòng)機(jī)的損耗加大，效率變低。主要區(qū)別：總而言之，異步電動(dòng)機(jī)由變頻供電運(yùn)行過程中，不光基波會(huì)產(chǎn)生一定損耗，同時(shí)也會(huì)形成另外的損耗，進(jìn)而對(duì)電動(dòng)機(jī)的工作效率產(chǎn)生影響。高次諧波是否影響成為變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)和定頻電動(dòng)機(jī)的最大區(qū)別。

1.2 變頻電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的特性

三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速公式為：

式中：改變電動(dòng)機(jī)定子繞組的極對(duì)數(shù)p和改變定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速ns，即變極調(diào)速。改變電動(dòng)機(jī)的供電頻率f和改變定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速ns，即變頻調(diào)速。同時(shí)改變轉(zhuǎn)差率s都可以達(dá)到改變轉(zhuǎn)速的目的。在輸入電源頻率f發(fā)生變化時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n和頻率f是正比例關(guān)系，同時(shí)轉(zhuǎn)速n會(huì)做出相應(yīng)變化。所以電源頻率的改變能夠平穩(wěn)地改變異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。三相異步電動(dòng)機(jī)定子每相電動(dòng)勢(shì)的有效值公式如下：

式中：N1代表定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)，kN1是基波繞組系數(shù)Φm為每極氣隙磁通；f1為定子電源頻率。因此有：

當(dāng)變頻調(diào)速的時(shí)候，理想情況下氣隙磁通Φm是定額且恒定不變，原因是一旦Φm太大，就會(huì)引起磁路太過飽和，從而造成勵(lì)磁電流增大。增大損耗，降低功率因數(shù)；如果Φm太小，則電動(dòng)機(jī)容量不能得到充分利用。因此在改變電源頻率f1的同時(shí)，必須按比例改變感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Eg，才能充分利用鐵心。

1.2.1 恒轉(zhuǎn)矩階段。根據(jù)變頻異步電動(dòng)機(jī)輸入電源頻率的變化，從低頻率到達(dá)額定頻率之前，磁通處于恒定狀態(tài)，即v/f=恒定，也就是電勢(shì)E隨頻率f成正比變化，可以保證Φ不變，這個(gè)階段電動(dòng)機(jī)所輸出的轉(zhuǎn)矩為恒定。

由上式可以看出電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與定子頻率f1、轉(zhuǎn)差頻率f2有關(guān)系。

1.2.2 恒功率階段。隨著電源頻率不斷增加一直到額定頻率，此時(shí)電壓為額定電壓時(shí)出現(xiàn)額定功率。當(dāng)頻率進(jìn)一步增大，但是變頻器的原因電動(dòng)勢(shì)E不能繼續(xù)滿足這個(gè)正比關(guān)系，但是匝數(shù)N是不變的，4.44常數(shù)也不會(huì)變，那么能變的只有磁通Φ，為了維持等式，E不變，與Φ同側(cè)的f增大，Φ就只能減小了，而且與頻率成反比，所以轉(zhuǎn)矩正比于f減小。功率=轉(zhuǎn)矩×轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速正比于f，現(xiàn)在轉(zhuǎn)矩反比于f，功率不變，所以轉(zhuǎn)矩下降。其中有時(shí)為了滿足用戶將電動(dòng)機(jī)應(yīng)用到起重機(jī)或高負(fù)載的工況下，此時(shí)需要電動(dòng)機(jī)具有啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、過載能力強(qiáng)的特性，而且還要保證一定的恒功調(diào)速范圍的要求，在電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)需要按照升壓恒功進(jìn)行，在比較低的低頻率和轉(zhuǎn)速時(shí)使電動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大轉(zhuǎn)矩及過載倍數(shù)，這樣在比較高的頻率和轉(zhuǎn)速時(shí)才能保證電動(dòng)機(jī)有足夠的轉(zhuǎn)矩余量和過載倍數(shù)。通過上面的分析可以看到，變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)的工作特性是恒轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)，恒功率運(yùn)行。恒功率運(yùn)行時(shí)又分為恒壓恒功和升壓恒功兩種模式，具體表示如圖1：

AB為啟動(dòng)區(qū)；BC為升壓恒功區(qū)；CD為恒壓恒功區(qū)；DE為自然特性區(qū)；A點(diǎn)為啟動(dòng)點(diǎn)；B為進(jìn)入升壓恒功點(diǎn)；C為進(jìn)入恒壓恒功點(diǎn)；D為恒功最高轉(zhuǎn)速點(diǎn)；E為最高轉(zhuǎn)速點(diǎn)。

2 變頻技術(shù)在隔爆電動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用

防爆電動(dòng)機(jī)用途廣泛，主要是煤礦、石油天然氣、石油化工以及化學(xué)工業(yè)。與此同時(shí)，紡織、冶金、城市煤氣、交通、糧油加工、造紙、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也得到大量推廣使用。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，存在爆炸危險(xiǎn)的場(chǎng)所也不斷增加，目前變頻電動(dòng)機(jī)在礦用防爆電動(dòng)機(jī)方面已經(jīng)大面積應(yīng)用到采煤機(jī)牽引電動(dòng)機(jī)、皮帶輸送機(jī)電動(dòng)機(jī)及風(fēng)機(jī)等工況，而且隨著國(guó)家升級(jí)轉(zhuǎn)型的大戰(zhàn)略背景下，應(yīng)用范圍將更加廣闊。

2.1 隔爆型變頻電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)

礦用隔爆型電動(dòng)機(jī)也可稱為YB系列的隔爆型三相異步電動(dòng)機(jī)，其是Y系列（IP44）三相異步電動(dòng)機(jī)的衍生品，設(shè)計(jì)時(shí)需要具備防爆性能。隔爆型電氣設(shè)備的防爆原理是：引用一類準(zhǔn)許投入進(jìn)爆炸性氣體混合物的外殼，氣體在外殼內(nèi)發(fā)生燃燒爆炸，然而卻不準(zhǔn)許在外殼內(nèi)部爆炸生成品通過外殼，滲入外殼外部，進(jìn)而引發(fā)附近的爆炸性氣體混合物爆炸。電動(dòng)機(jī)設(shè)備就具備此種外殼，在外部表面最高溫度不高于相要求的溫度組別的溫度值時(shí)，那么它便不可以點(diǎn)燃周圍爆炸性氣體混合物。

但是由于變頻器供電的電壓中含有高次諧波會(huì)引起銅耗、鐵耗等損耗的增加，集膚效應(yīng)引起的附加銅耗等，使電動(dòng)機(jī)的損耗增加，這樣就會(huì)增加電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱量，一般溫升增加約10%～12%，所以隔爆型變頻電動(dòng)機(jī)的散熱問題很關(guān)鍵，一般絕緣等級(jí)一般都選H級(jí)或C級(jí)。

隔爆型電氣設(shè)備的隔爆外殼一般含有殼體和殼蓋。“法蘭”將殼體和殼蓋連接在一起。這在防爆電氣專業(yè)里叫做“隔爆接合面”。隔爆外殼的隔爆高性能就是取決于隔爆結(jié)合面的應(yīng)用效果。一旦隔爆外殼內(nèi)引發(fā)爆炸，爆炸產(chǎn)生物體便會(huì)透過外殼的隔爆接合面的縫隙進(jìn)入外殼，進(jìn)而引燃外殼附近的爆炸性氣體合成物。可是，接合面的縫隙會(huì)給爆炸火焰形成障礙，減弱了爆炸生成物的能量。簡(jiǎn)而言之就是靠零部件之間合適的間隙和長(zhǎng)度來熄滅電動(dòng)機(jī)內(nèi)部可能產(chǎn)生的電弧，達(dá)到隔爆的目的。根據(jù)危險(xiǎn)區(qū)域中可燃?xì)怏w的溫度組別選擇電氣設(shè)備的溫度組別。

2.2 隔爆型變頻電動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)

變頻電動(dòng)機(jī)在煤礦環(huán)境等有特殊限制的區(qū)域下工作有很多優(yōu)勢(shì)：（1）應(yīng)用到輸送機(jī)組來驅(qū)動(dòng)導(dǎo)鏈時(shí)，可以通過變頻器實(shí)現(xiàn)變頻變壓軟啟動(dòng)，具有良好的啟動(dòng)性能；（2）變頻電動(dòng)機(jī)在改變頻率和電壓的情況下，每個(gè)運(yùn)行點(diǎn)都會(huì)產(chǎn)生各種各樣的運(yùn)作方式來與轉(zhuǎn)差頻率相對(duì)應(yīng)，最終便能找出最合適的轉(zhuǎn)差頻率，目的是保證電動(dòng)機(jī)處于不同的頻率段，也可以產(chǎn)生最佳的效率和功率因數(shù)；（3）變頻電動(dòng)機(jī)的效率和功率因數(shù)可以調(diào)整得更高，根據(jù)數(shù)據(jù)展示，異步電動(dòng)機(jī)由變頻器驅(qū)動(dòng)效率比普通電動(dòng)機(jī)高2%～3%，功率因數(shù)增加10%～20%；（4）最大效能地去發(fā)掘變頻電動(dòng)機(jī)的控制精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好的潛能，特別是在上坡或顛簸等比較復(fù)雜的工況下，變頻電動(dòng)機(jī)有著明顯的優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié)語

由于變頻器供電的特殊性，在設(shè)計(jì)中首先考慮的是電動(dòng)機(jī)能與變頻器很好地進(jìn)行匹配，并且在較寬的頻率范圍內(nèi)有良好的運(yùn)行性能。因此，決定了變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)要比普通三相異步電動(dòng)機(jī)用更多的電磁線和硅鋼片等材料，因此其價(jià)格也比較高。但變頻調(diào)速具有節(jié)省能耗、降低噪聲沒有沖擊電流、機(jī)械設(shè)備損耗小、設(shè)定速度靈活等諸多優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)逐步取代其他調(diào)速方法，特別是應(yīng)用到煤礦環(huán)境等特殊環(huán)境下的優(yōu)勢(shì)比較明顯。

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（責(zé)任編輯：陳 潔）