變頻器與電動機的效率問題

鄒德金

[摘要]從機電一體化的觀點和變頻調速系統的總體性能出發，使得異步電動機和變頻器達到最佳匹配，是電動機和變頻器組成的交流調速系統亟需解決的關鍵問題。

[關鍵詞]電動機；變頻器：效率

1.電動機的相關信息及設計

1.1電動機結構及各部分的作用

電動機種類的選擇，主要根據生產機械工藝對電力拖動系統提出的要求，著重是對調速指標的要求。目前，直流電動機調速的技術指標較好，設備投資較高，對調速指標要求不太高的場所，可有限考慮采用交流電動機。一般電動機主要由兩部分組成：固定部分稱為定子，旋轉部分稱為轉子，還有端蓋、風扇、罩殼、機座、接線盒等。定子的作用是用來產生磁場和作電動機的機械支撐，電動機的定子由定子鐵心、定子繞組和機座三部分組成，定子繞組鑲嵌在定子鐵心中，通過電流時產生感應電動勢，實現電能量轉換，機座的作用主要是固定和支撐定子鐵心。電動機運行時，內部損耗而發生的熱量通過鐵心傳給機座，再由機座表面散發到周圍空氣中。為了增加散熱面積，一般電動機在機座外表面設計為散熱片狀，電動機的轉子由轉子鐵心、轉子繞組和轉軸組成。轉子鐵心也是作為電動機磁路的一部分，轉子繞組的作用是感應電動勢，通過電流而產生電磁轉矩，轉軸是支撐轉子的重量，傳遞轉矩，輸出機械功率的主要部件。

1.2電動機的原理

電動機的工作原理是建立在電磁感應定律、全電流定律、電路定律和電磁力定律等基礎上。當磁極沿順時針方向旋轉，磁極的磁力線切割轉子導條，導條中就感應出電動勢，電動勢的方向由右手定則來確定。運動是相對的，假如磁極不動，轉子導條沿逆時針方向旋轉，則導條中同樣也能感應出電動勢來。在電動勢的作用下，閉合的導條中就產生電流。該電流與旋轉磁極的磁場相互作用，使轉子導條受到電磁力F，電磁力的方向可用左手定則確定。由電磁力進而產生電磁轉矩，轉子就轉動起來。

1.3電動機設計問題

（1）絕緣等級，一般為F級或更高，加強對地絕緣和線匝絕緣強度，特別要考慮絕緣耐沖擊電壓的能力。

（2）對電機的振動、噪聲問題，要充分考慮電動機構件及整體的剛性，盡力提高其固有頻率，以避開與各次力波產生共振現象。

（3）冷卻方式：一般采用強迫通風冷卻，即主電機散熱風扇采用獨立的電機驅動。

（4）防止軸電流措施，對容量超過160KW電動機應采用軸承絕緣措施。主要是易產生磁路不對稱，也會產生軸電流，當其他高頻分量所產生的電流結合一起作用時，軸電流將大為增加，導致軸承損壞，一般要采取絕緣措施。

（5）對恒功率變頻電動機，當轉速超過3000/min時，應采用耐高溫的特殊潤滑脂。

1.4相異步電動機功率以及轉速的計算和選擇

根據異步電動機的轉速表達式：

n=nl（1-S）=60fl（1-S）/P

電機的額定功率是750W，采用星形接法，接在三相380伏的電源上，用變頻器監測電流是1.1A；我又用鉗形電流表進行測量.測得每相電流為1.1A，這就說明變頻器和鉗形電流表測得的電流是一致的。電機是星形接法，線電壓是相電壓的1.732倍，線電流等于相電流，電機實際消耗的功率：380×1.1×1.732=724w，這樣電機實際消耗的功率就接近于電機的額定功率。如果電機是三角形接法，線電壓等于相電壓，線電流是相電流的1.732倍，電機實際消耗功率的計算是一樣的。

2.變頻器調速時電動機特性及電動機噪聲的控制方法

2.1變頻調速時電動機的機械特性

用變頻調速的方法可以得到很大的調速范圍，很好的平穩性和有足夠的硬度的機械特性。交流電動機不論是三相同步還是異步在定子內供給頻率為f的電壓時，將產生旋轉磁場，并以每分鐘n的轉速旋轉，它們的轉速公式都是如下公式：

n=60f/p（7-1）

p-極對數f-為頻率s-轉差率（0-3%或0-6%）

式中p為定子極對數。很顯然只要改變供電頻率f則轉速可以改變。機械曲線將沿坐標軸上下移動。從而達到調速的目的采用改變供電電源頻率n的調速方法，可以得到很大的調速范圍，很好地調速平滑性和足夠硬度的機械特性。變頻調速時，異步電動機的監界轉矩的變化情況，其表達式為：

式中：U1一定子相電壓

P定子繞組的極對數

f1一定子供電頻率。

當頻率f1較低時，定、轉子的漏抗隨之下降，由于xl+x2較小，r1的影響不能忽略。此時Tm的數值大為降低。異步電機的監界轉矩：Tmix

隨著定子供電頻率fl的降低，異步電機的最大轉矩也相應減小，甚至會出現帶不起負載的現象。這時的機械性曲線n=f（M）是一簇向下的平行曲線。其中f11>f12>f14>f15>f16，當f1較低，如f1s及f16時，Tm尢為降低。為了保持電機在低速時有足夠大的Tm，可在低速時，U1比f1降低的比例小一些，使U1f1的比值隨f1的降低而增加。

根據計算，當定子供電頻率減小10倍時，最大轉矩降低7.8倍。災是因為隨著f1的下降，定子電壓U1也成比例地降低，即所謂變頻調速的協調控制。U1較小時，定子電阻r1上的壓降在u1中占比重較大。

u1=11r1+E，使得產生氣隙磁通的感應電勢E減小，造成氣隙磁通（φ）的減弱，因而電磁轉矩T=KφIcosθ下降。使電機的利用率惡化。許多場合要求在調頻的同時改變定子電壓v，以維持磁通（φ）接近不變；維持Tm。無法維持Tm；被稱為“低速線”。適用于速度范圍不太大或轉矩隨轉速下降而減小的負載（如風機、泵）。風機和水泵低速時的阻轉矩極小，即命名不補償，電動機的轉矩仍有余量，為了節能，可進一步降低電壓（即減小值）。

f1由小到達額定值fe，其中f2、f3、f4所對應的最大轉矩，用上述方法選用容量132KVA變頻器與容量90KW異步電動機驅動風機配套使用。由此可以得出一個很重要的結論：帶有低頻提升轉矩功功能的變頻裝置，在電動機起動的全過程中，能以最大轉矩拖動機起動的全過程中，能以最大轉矩拖動機械起動

2.2電動機噪聲的控制方法

電動機噪聲的控制方法主要有兩點：其一是合理設計電機結構。電機設計人員對電磁設計，機械設計做了很大的改進，又對風扇葉片的形狀及尺寸，通風口的形狀和大小.風道的形狀進行了合理的設計，這些方法從噪聲源上降低噪聲，是非常有效可行的。降低機械噪聲主要是提高軸承的質量，裝配，公差等。電機放置要水平（破壞平衡），防護罩及蓋板的安裝（共振）；其二是加裝消聲器。消聲器的基本要求是：具有良好的降噪效果，把電機的噪聲控制在容許的范圍內；消聲器的空氣阻力要小；安裝消聲器后不影響電機的冷卻散熱，電機的溫升要控制在允許范圍之內；消聲器要體積小，重量輕，便于安裝與拆卸，維修要方便。

3結束語

通過理論分析，證明變頻器輸出諧波對電動機的運行產生很多不利影響，以機電一體化的角度，從優化變頻器與電動機組成的變頻裝置的整體效率出發對交流調速系統進行匹配設計，使其整體性能最佳有著重要的意義。