變頻電源供電變頻調(diào)速電動機(jī)

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(佳木斯電機(jī)股份有限公司，黑龍江佳木斯 154005)

0 引言

電力拖動系統(tǒng)的變頻調(diào)速廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。變頻電源給電動機(jī)供電與工頻電源給電動機(jī)供電相比有很多不同之處。起動過程、起動方法不同，穩(wěn)定運(yùn)行后加減速度的方法也不同，制動與停止的方法也不同。更主要的是變頻電源供電的電動機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)不同，需要加強(qiáng)耐絕緣介電應(yīng)力來承受不利因素的PDIV(局部放電起始電壓)或空氣中CIV(電暈起始電壓)的影響，在電動機(jī)設(shè)計(jì)上都應(yīng)充分考慮這點(diǎn)并采取措施。

1 機(jī)械特性曲線及電流-轉(zhuǎn)速曲線

工頻電源一般按我國電力標(biāo)準(zhǔn)額定頻率為50Hz(國外有60Hz的)。從機(jī)械特性(轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速)曲線和電流-轉(zhuǎn)速曲線看，變頻電源的額定頻率(基頻)理論上是任意的，根據(jù)負(fù)載類型和基本轉(zhuǎn)速來確定。電動機(jī)恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和恒功率區(qū)分界點(diǎn)的頻率為額定頻率。電動機(jī)在運(yùn)行過程中同步轉(zhuǎn)速根據(jù)需要是在變化的，同步轉(zhuǎn)速n1、頻率f、極對數(shù)p之間關(guān)系見式(1)。

(1)

(2)

式中，n2—轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。

n2=(1-s)n1

(3)

(4)

(5)

式中，ux、fx—任意電壓和頻率；uh、fh—額定電壓和額定頻率(基頻)。

電動機(jī)恒轉(zhuǎn)矩區(qū)kv=kf≤1，kv=kf=常數(shù)

電動機(jī)恒功率區(qū)kv為常數(shù)，kf≥1

工頻電源機(jī)械特性曲線及電流-轉(zhuǎn)速曲線見圖1。曲線1為機(jī)械特性曲線，曲線2為電流曲線。

B.起動電流點(diǎn)；C.起動轉(zhuǎn)矩點(diǎn)；D.最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn) E.額定轉(zhuǎn)矩點(diǎn)；F.同步轉(zhuǎn)速

每個頻率都對應(yīng)一個機(jī)械特性曲線和與之對應(yīng)的電流曲線，曲線形狀與圖1相似，這樣形成曲線族。將若干個頻率對應(yīng)的機(jī)械特性曲線上的最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)連成線或如圖2所示的形狀。

圖2 變頻電源電動機(jī)機(jī)械特性曲線

2 起動方法

2.1 工頻電源電動機(jī)的起動方法

(1)直接起動；

(2)降壓起動：自藕調(diào)壓器起動、Y-Δ變換起動、軟啟動。

2.2 變頻電源電動機(jī)的起動方法

(1)低頻起動，最低起動頻率選基頻時的轉(zhuǎn)差頻率為好，通常電動機(jī)轉(zhuǎn)差頻率為2～3Hz。如果起動轉(zhuǎn)矩不足，可以提高至5Hz,還可以采取低頻時電壓補(bǔ)償來提高起動轉(zhuǎn)矩，同時應(yīng)注意變頻器的過載能力(指電流)；

(2)加速過程頻率的設(shè)定從低頻至基頻之間可設(shè)若干個頻率點(diǎn)，連續(xù)從低頻對應(yīng)的機(jī)械特性曲線切換到較高頻率機(jī)械曲線上直至基頻，起動點(diǎn)選的越密起動電流越小，加速時間越長；起動點(diǎn)選的越疏，起動電流越大，加速時間短；

(4)起動的設(shè)置原則是有足夠的起動轉(zhuǎn)矩，盡量小的起動電流不超過變頻器的充許值。起動時間設(shè)置應(yīng)考慮負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量大小，慣量大的負(fù)載加速時間設(shè)置不能過短，否則電流可能超過變頻器允許值。

3 運(yùn)行中的調(diào)速

3.1 工頻電源的調(diào)速均屬有級調(diào)速

(1)借助機(jī)械設(shè)備調(diào)速；

(2)多速電機(jī)來改變速度；

(3)改變定子電壓調(diào)速如圖3所示。

圖3 電壓與轉(zhuǎn)速曲線

3.2 變頻電源的調(diào)速屬無級調(diào)速

(1)主要改變頻率調(diào)速；

(2)在調(diào)頻的同時，可以借助3.1中(1)和(2)款；

(3)矢量控制時，可以通過改變轉(zhuǎn)矩調(diào)速。

4 制動與停止

4.1 工頻電源

4.1.1 制動

(1)再生制動(發(fā)電制動);

(2)能耗制動;

(3)反接制動；

(4)機(jī)械設(shè)備制動。

4.1.2 停止采用斷電和機(jī)械制動器使電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

4.2 變頻電源

4.2.1 制動

矢量控制時“零制動”(即0Hz)具備制動功能使電動機(jī)停止轉(zhuǎn)動后，再使用機(jī)械抱閘。

4.2.2 停止

電動機(jī)的停機(jī)方式，在變頻調(diào)速系統(tǒng)中可選擇以下停機(jī)方式。

(1)減速停機(jī)，按預(yù)設(shè)的減速時間和方式停機(jī)；

(2)自由停機(jī)，變頻器逆變橋封鎖，停止輸出，切斷電源靠系統(tǒng)慣性停機(jī)；

(3)在低頻暫短運(yùn)行后停機(jī)，然后頻率降到0Hz。

5 變頻電源供電對電動機(jī)的影響

5.1 供電波形不是像工頻電源的正弦波諧波含量大，除由基波電壓和電流產(chǎn)生的損耗外，還會產(chǎn)生附加損耗。這取決于變頻器的類型、參數(shù)及電動機(jī)和濾波電路的設(shè)計(jì)。如果不采取措施將占電動機(jī)額定輸出的1%～2%，主要體現(xiàn)在額定電流增加，在冷卻效果相同情況下電機(jī)溫升有所提高。

5.2 軸電流

軸承兩端建立的電壓超出潤滑脂的絕緣能力時，軸承就會流過電流，將電蝕軸承造成損壞。軸電源包括循環(huán)電流、轉(zhuǎn)軸接地電流、電容性放電流、電機(jī)端子處高頻共模電壓產(chǎn)生的共模電流。

5.3 浪涌電壓，高脈沖電壓

電壓源變頻器產(chǎn)生不同寬度和頻率的固定振幅電壓矩形脈沖。電動機(jī)端子處電壓突增與變頻器輸出脈沖電壓上升時間、電流長度及電動機(jī)阻抗有關(guān)，在變頻器輸出端和電動機(jī)端子處產(chǎn)生浪涌電壓，當(dāng)變頻器沒有吸收裝置時，會產(chǎn)生高脈沖電壓。

5.4 峰值電壓、電壓變化(du/dt)

若變頻器中沒有最小脈沖時間控制，且兩脈沖之間與連接電纜的時間常數(shù)相匹配，電機(jī)端子處會出現(xiàn)大于兩倍的過電壓。

5.5 電動機(jī)絕緣介電應(yīng)力

變頻電源供電時，其絕緣結(jié)構(gòu)所承受的介電應(yīng)力高于工頻電源供電承受的介電應(yīng)力。除承受上述應(yīng)力能力外，還應(yīng)承受PDIV(局部放電起始電壓)或空氣中CIV(電暈起始電壓)的應(yīng)力。影響電動機(jī)PDIV和CIV因素有以下幾點(diǎn)。

(1)繞組型，散繞組或成型繞組；

(2)散繞組，電磁線絕緣結(jié)構(gòu)，大直徑導(dǎo)線具有高的PDIV;

(3)相間及對地絕緣選擇；

(4)浸漬種類和浸漬工藝；

(5)運(yùn)行溫度，導(dǎo)線溫度高PDIV低。

6 結(jié)語

在實(shí)際運(yùn)行中有的風(fēng)機(jī)是不能停止的，一旦變頻電源產(chǎn)生故障必須立刻切換到工頻電源，這就形成了工頻電源與變頻電源互相切換。但是當(dāng)風(fēng)機(jī)額定頻率運(yùn)行時，最好切換到工頻電源，這樣有利于節(jié)能。

采用變頻器做電源，變頻調(diào)速拖動系統(tǒng)與工頻電源的拖動系統(tǒng)有相同之處，更有不同之處。只有對整個拖動系統(tǒng)起動、運(yùn)行、調(diào)速、制動和停止有了全面的了解，拖動系統(tǒng)才能更完善地工作。

[1] 張燕賓.SPWM變頻調(diào)整應(yīng)用技術(shù).機(jī)械工業(yè)出版社，2006.1.

[2] GB/T 21209—2007/IEC/TS 6034—25:2004 變頻器供電籠型感應(yīng)電動機(jī)設(shè)計(jì)和性能導(dǎo)則.

[3] 蘇寶龍,紀(jì)繁祥.論變頻電源對小型變頻變壓異步電動機(jī)損耗的影響.防爆電機(jī)，2012.1.

[4] 于淑華,王君實(shí).變頻調(diào)速電動機(jī)繞組損壞原因分析.防爆電機(jī)，2013.2.

[5] 閆麗利,杜洪偉,王佳斐.變頻器供電異步電動機(jī)絕緣系統(tǒng)概述.防爆電機(jī)，2013.3.