低壓變頻調(diào)速電機(jī)的特點(diǎn)和變頻調(diào)速節(jié)能控制應(yīng)用

低壓變頻調(diào)速電機(jī)的特點(diǎn)和變頻調(diào)速節(jié)雌制應(yīng)用張紅枝;陳金剛【摘要】重點(diǎn)闡述低壓變頻專用三相異步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和節(jié)能優(yōu)勢(shì)，論述根據(jù)負(fù)載的機(jī)械特性和電機(jī)參數(shù)設(shè)定變頻器的基準(zhǔn)電壓和基準(zhǔn)頻率的方法，說明變頻器的基準(zhǔn)電壓、基準(zhǔn)頻率的設(shè)定，是充分利用變頻器，以滿足負(fù)載對(duì)變頻器要求的基礎(chǔ).正確設(shè)定變頻器的壓頻比，是使用變頻電機(jī)和變頻器的關(guān)鍵.同時(shí)闡明低壓變頻電機(jī)節(jié)能需綜合運(yùn)用各種控制技術(shù)，全面考慮才能達(dá)到最大限度的節(jié)約能源，提高效率.【期刊名稱】《防爆電機(jī)》【年(卷)，期】2018(053)001【總頁數(shù)】3頁(P31-33)【關(guān)鍵詞】變頻專用三相異步電動(dòng)機(jī);變頻調(diào)速;恒轉(zhuǎn)矩;恒功率;變頻器【作者】張紅枝;陳金剛【作者單位】德州恒力電機(jī)有限責(zé)任公司,山東德州253000;德州恒力電機(jī)有限責(zé)任公司,山東德州253000【正文語種】中文【中圖分類】TM344.60引言隨著變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，通過變頻器進(jìn)行調(diào)速已成為交流電機(jī)調(diào)速的主流方式，廣泛應(yīng)用于一般農(nóng)業(yè)和工礦企業(yè)，如水泵、鼓風(fēng)機(jī)、運(yùn)輸機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械。變頻專用電機(jī)通過變頻器變頻調(diào)速控制，在使用過程中具有變速和節(jié)能雙重優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣。1變頻專用電機(jī)設(shè)計(jì)特點(diǎn)和節(jié)能優(yōu)勢(shì)變頻專用三相異步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)需考慮的主要因素：（1）變頻調(diào)速電機(jī)運(yùn)行在一個(gè)區(qū)間，不僅考慮在額定狀態(tài)下具有較佳的性能，重點(diǎn)考慮在整個(gè)運(yùn)行區(qū)間都具有較好的運(yùn)行性能。（2）變頻調(diào)速系統(tǒng)中，功率因數(shù)的高低對(duì)系統(tǒng)，尤其對(duì)變頻器的工作狀態(tài)影響大。低功率因數(shù)時(shí)，需要更大容量的變頻器，同時(shí)，大容量變頻器的使用會(huì)造成系統(tǒng)效率降低，諧波分量增加。（3）由于變頻器的開關(guān)作用，使得電壓，電流時(shí)間諧波增加，電機(jī)內(nèi)部電磁諧波隨之增加，定轉(zhuǎn)子齒槽分布產(chǎn)生的齒諧波，在一定條件下可與電流時(shí)間諧波相互抵消，因此，定轉(zhuǎn)子槽數(shù)，槽形及其尺寸設(shè)計(jì)應(yīng)考慮減小磁場諧波分量。（4）變頻電機(jī)可通過變頻變壓控制，滿足對(duì)啟動(dòng)性能的要求，設(shè)計(jì)中，轉(zhuǎn)子槽形只需考慮滿足穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的最優(yōu)性能來優(yōu)化設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)子的電阻和漏抗應(yīng)盡量小。變頻專用三相異步電動(dòng)機(jī)較普通三相異步電動(dòng)機(jī)在出力不變的條件下，其體積減少25%~30%，或電機(jī)功率密度增加25%~30%，同時(shí)，在調(diào)速范圍內(nèi)平均運(yùn)行效率提高3%，平均功率因數(shù)提高4%，從而使變頻專用三相異步電動(dòng)機(jī)應(yīng)用范圍大大擴(kuò)展，在風(fēng)機(jī)水泵調(diào)速節(jié)能中得到廣泛應(yīng)用。2變頻專用三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性和不同負(fù)載的控制對(duì)于變頻專用三相異步電動(dòng)機(jī)，由于調(diào)頻調(diào)壓很方便，其機(jī)械特性可以有條件的平移，如圖1所示。圖1變頻調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性電源頻率降低，電機(jī)機(jī)械特性曲線在坐標(biāo)系中左移?？赏ㄟ^變頻調(diào)節(jié)直接將最大轉(zhuǎn)矩用做啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，從而在提高穩(wěn)定運(yùn)行性能的目標(biāo)上，優(yōu)化設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子槽。通過變頻變壓，可將變頻電機(jī)調(diào)節(jié)在最佳運(yùn)行點(diǎn)上，即最小滑差，最大效率和高功率因數(shù)代替額定效率和額定功率因數(shù)，進(jìn)而減小電機(jī)尺寸及重量，降低成本。根據(jù)不同的使用情況，變頻電機(jī)所帶負(fù)載基本上可分為：恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載、恒功率負(fù)載和平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載三類。恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載其所需轉(zhuǎn)矩基本不受速度變化的影響，變頻器的整個(gè)工作區(qū)最好運(yùn)行在基頻以下，采用恒磁通調(diào)壓調(diào)速，這時(shí)變頻器的輸出特性能夠滿足負(fù)載的要求。恒功率負(fù)載在轉(zhuǎn)速越高時(shí)，所輸出轉(zhuǎn)矩越小，電機(jī)的工作頻率若運(yùn)行在基頻以上，多采用恒壓調(diào)速，其所要求的機(jī)械特性將與變頻器的輸出特性相吻合。平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，所要求的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比，電機(jī)運(yùn)行在基頻以下較為合理。需要注意的是：平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載的工作頻率絕不能超過工頻，以免變頻器與變頻電機(jī)過載。3變頻控制的恒磁通和恒壓調(diào)速特點(diǎn)電動(dòng)機(jī)變頻器調(diào)速時(shí)有兩種情況：基頻（基準(zhǔn)頻率）以下（3Hz或5Hz~50Hz）調(diào)速和基頻以上（50Hz~100Hz）調(diào)速，其負(fù)載特性如圖2所示。圖2變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)負(fù)載特性圖兩種情況下都要盡量保持電機(jī)主磁通為額定值不變。如果磁通過弱（電壓過低），電機(jī)鐵心不能得到充分利用，電磁轉(zhuǎn)矩變小，負(fù)載能力下降。如果磁通過強(qiáng)（電壓過高），電機(jī)處于過勵(lì)磁狀態(tài)，電機(jī)因勵(lì)磁電流過大而嚴(yán)重發(fā)熱。根據(jù)電機(jī)原理可知，三相異步電機(jī)定子每相電動(dòng)勢(shì)的有效值E1=4.44f1Niem式中，E1—定子每相由氣隙磁通感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)有效值；fl一定子頻率；N1—定子每相繞組有效匝數(shù)；em—每極磁通量。由上式可知，①m的值由E1/f1決定，但由于E1難以直接控制，所以在電動(dòng)勢(shì)較高時(shí)，可忽略定子漏阻抗壓降，而用定子相電壓U1代替。要保證em不變，就要使U1/f1始終為一定值，這是基頻以下調(diào)速的基本情況，為恒壓頻比(恒磁通)控制方式，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速?；鶞?zhǔn)頻率為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速區(qū)的最高頻率，基準(zhǔn)頻率所對(duì)應(yīng)的電壓即為基準(zhǔn)電壓，是恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速區(qū)的最高電壓，在基頻以下調(diào)速時(shí)，電壓會(huì)隨頻率而變化，但兩者的比值不變。在基頻以上調(diào)速時(shí)，頻率從基頻向上可以調(diào)至上限頻率值，但由于電機(jī)定子不能超過電機(jī)額定電壓，因此電壓不再隨頻率變化，而保持基準(zhǔn)電壓值不變，這時(shí)電機(jī)主磁通必須隨頻率升高而減弱，轉(zhuǎn)矩相應(yīng)減小，功率基本保持不變，屬于恒功率調(diào)速區(qū)。基準(zhǔn)頻率為恒功率調(diào)速區(qū)的最低頻率，是恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速區(qū)與恒功率調(diào)速區(qū)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，而基準(zhǔn)電壓值在整個(gè)恒功率調(diào)速區(qū)內(nèi)不再隨頻率變化而改變。4變頻電機(jī)的啟動(dòng)和變頻器的V/f控制采用變頻器控制的變頻電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)一般在低頻起動(dòng)，隨著電源頻率和電壓的提高，電機(jī)逐漸加速，平滑起動(dòng)(起動(dòng)時(shí)間變長)。圖3為變頻電機(jī)啟動(dòng)，恒轉(zhuǎn)矩和恒功率運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性圖。一般變頻電機(jī)起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)電流為額定電流的1.2~1.5倍，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為70%~120%額定轉(zhuǎn)矩，可滿載起動(dòng)。根據(jù)變頻器類型不同，變頻電機(jī)的起動(dòng)電流限制在額定電流的125%~200%以下。預(yù)置啟動(dòng)模式可以充分利用電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩，以滿足啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和加減速的要求。圖3變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩特性圖由圖3分析可見：最低轉(zhuǎn)速時(shí)轉(zhuǎn)矩值受電機(jī)允許溫度和電壓可提升限值的限制；恒轉(zhuǎn)矩最低轉(zhuǎn)速受電機(jī)允許溫度的限制；⑶基準(zhǔn)定額點(diǎn)位于恒轉(zhuǎn)矩的高速端；(4)恒功率最大工作轉(zhuǎn)速受最大允許轉(zhuǎn)速的限制。變頻器的壓頻比由變頻器的基準(zhǔn)電壓與基準(zhǔn)頻率兩項(xiàng)功能參數(shù)的比值決定，其比值為電機(jī)的額定電壓與額定頻率之比，即基準(zhǔn)電壓(V/基準(zhǔn)頻率(f)=壓頻比。通用變頻器一般采用V/f控制，即變壓變頻(VVVF)方式調(diào)速，因此在使用前正確設(shè)定變頻壓頻比，對(duì)保證變頻器的正常工作至關(guān)重要?；鶞?zhǔn)電壓與基準(zhǔn)頻率參數(shù)的設(shè)定，不僅與電動(dòng)機(jī)的額定電壓與額定頻率有關(guān)，而且還必須考慮負(fù)載的機(jī)械特性。對(duì)于專用普通變頻三相異步電動(dòng)機(jī)，調(diào)速應(yīng)用時(shí)，其基準(zhǔn)電壓與基準(zhǔn)頻率按出廠值設(shè)定(基準(zhǔn)電壓380V，基準(zhǔn)頻率50Hz)，滿足使用要求。對(duì)于某些行業(yè)使用的特殊電機(jī)，必須根據(jù)實(shí)際情況重新設(shè)定基準(zhǔn)電壓與基準(zhǔn)頻率的參數(shù)。V與f的比例關(guān)系是考慮到電機(jī)特性而預(yù)先決定的，通常在控制器的存儲(chǔ)裝置(ROM)中存有幾種特性，用開關(guān)或標(biāo)度盤進(jìn)行選擇。頻率下降時(shí)完全成比例地降低電壓，由于交流阻抗變小而直流電阻不變，將造成在低速時(shí)轉(zhuǎn)矩減小的傾向。因此在低頻時(shí)給定V/f，要使輸出電壓提高一些，以便獲得一定起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。增強(qiáng)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，可以采用各種方法實(shí)現(xiàn)，有自動(dòng)進(jìn)行、選擇V/f模式或調(diào)整電位器等方法?；l以上恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載增速時(shí)，要求變頻電機(jī)的電流和功率增加，需要增大變頻器和變頻電機(jī)容量。像輸送帶的恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，設(shè)基準(zhǔn)速度為50Hz，50Hz以上為恒功率輸出特性，如果保持恒轉(zhuǎn)矩增速為80Hz時(shí)，變頻器和變頻電機(jī)容量需要增大為80/502.6倍。頻率下降(低速)時(shí)，電壓降低，如果輸出相同的功率，則電流增加，為避免電機(jī)過熱，此時(shí)也需增加變頻器和變頻電機(jī)容量，其容量與頻率的降低成反比。5結(jié)語變頻專用異步電動(dòng)機(jī)利用變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行控制，可改善風(fēng)機(jī)、泵類電機(jī)系統(tǒng)調(diào)節(jié)方式，消除“大馬拉小車”現(xiàn)象，通過合理匹配電機(jī)運(yùn)行控制系統(tǒng)，做到電機(jī)運(yùn)行控制系統(tǒng)的集成化、智能化、信息化。集成化是指提供電機(jī)與控制器集成化的產(chǎn)品給客戶，即電力電子、電機(jī)與控制系統(tǒng)高度集成化，使三者從設(shè)計(jì)、制造到運(yùn)行、維護(hù)都緊密地融為一體。通過不斷加快技術(shù)創(chuàng)新、努力提高