變頻器對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)性能影響的探討

摘 要：文章結(jié)合三相異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的工作原理，研究分析了變頻器對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)性能的影響，并介紹了幾種有效的解決方法，以期為有效增強(qiáng)異步電動(dòng)機(jī)各方面的工作性能提供重要的研究依據(jù)。

關(guān)鍵詞：變頻器；三相異步電動(dòng)機(jī)；性能影響；解決方法

1 工作原理

通過改變電動(dòng)機(jī)的定子繞組工作頻率以達(dá)到調(diào)速的目的，這就是變頻調(diào)速。當(dāng)把三相交流電接在定子繞組上時(shí)，定子與轉(zhuǎn)子之間的空氣間隙中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子繞組之間會(huì)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使內(nèi)部磁場(chǎng)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流，此電流與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩可以帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。變頻器和三相異步電動(dòng)機(jī)連接，就會(huì)形成變頻調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)，這種電動(dòng)機(jī)可以改變電動(dòng)機(jī)的工作頻率轉(zhuǎn)差頻率，恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速就是當(dāng)工作頻率降低時(shí)，三相異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載率不變；恒功率調(diào)速是工作頻率增大時(shí)，工作電壓增加，電磁轉(zhuǎn)矩會(huì)變小，電機(jī)功率P保持恒定不變。

變頻調(diào)速的原理可用公式表示為：

n=60f（1-s）/p

其中，n表示的是三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，f表示三相異步電動(dòng)的頻率，p為電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)，s表示電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率。由公式可知，當(dāng)電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)p和電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率一定的前提下，轉(zhuǎn)速n與頻率f成線性關(guān)系，頻率f發(fā)生變化時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速也會(huì)相應(yīng)的發(fā)生變化，但同時(shí)也會(huì)使氣隙磁通量發(fā)生變化，從而影響電動(dòng)機(jī)的工作性能。一般來說頻率的變化范圍為0-50Hz，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化范圍也是非常廣的，連續(xù)改變頻率f，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速就可以連續(xù)變化。因此對(duì)于三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)的重點(diǎn)研究對(duì)象就是變頻調(diào)速，如何使電動(dòng)機(jī)頻率、電壓發(fā)生變化而不影響電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能，是現(xiàn)代科技有待解決的研究問題。

2 三相異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了使三相異步電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)控制各種不同的狀態(tài)，需要設(shè)計(jì)一個(gè)能夠各種運(yùn)轉(zhuǎn)方向、速度等狀態(tài)均適用的控制系統(tǒng)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)該考慮到三相異步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的抗干擾能力，從而增強(qiáng)三相異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)各方面的穩(wěn)定性。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示：

其中，變頻器可以改變?cè)撓到y(tǒng)的電壓和頻率，是此控制系統(tǒng)的變頻調(diào)速控制單元。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)是根據(jù)不同參數(shù)的改變調(diào)整電動(dòng)機(jī)的頻率來實(shí)現(xiàn)的。變頻調(diào)速部分主要包括兩部分電路：主電路和控制電路，其中逆變器、整流器和中間直流環(huán)節(jié)三部分是主電路的重要組成部分。

3 變頻器對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)性能影響與對(duì)策

3.1 分析性能影響

由于輸出電壓、電流中高次諧波的存在，在使用變頻器對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行供電時(shí)，三相異步電動(dòng)機(jī)增加了電能損耗，溫度上升，產(chǎn)生振動(dòng)，噪聲增大。

3.1.1 三相電動(dòng)機(jī)發(fā)熱異常

在采用變頻器對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速時(shí)，一般會(huì)出現(xiàn)三相異步電動(dòng)機(jī)發(fā)熱得現(xiàn)象，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因大致有以下幾點(diǎn)：

（1）槽形設(shè)計(jì)問題。在三相異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速過程中，轉(zhuǎn)子消耗的電能在電動(dòng)機(jī)全部功耗中占較大的比例，因此功耗過大從而導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生較為嚴(yán)重的發(fā)熱現(xiàn)象。

（2）電動(dòng)機(jī)的定子與轉(zhuǎn)子繞阻之間的距離設(shè)計(jì)有待完善，這樣會(huì)有過多的鐵損耗產(chǎn)生，造成電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱現(xiàn)象。

（3）電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，由于設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致系統(tǒng)的散熱性不好。

3.1.2 產(chǎn)生電磁噪聲與振動(dòng)

變頻器在三相異步電動(dòng)機(jī)中進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)解時(shí)，一些諧波干擾會(huì)對(duì)電動(dòng)機(jī)的工作造成一定的影響，發(fā)生電磁諧振。當(dāng)這些諧振頻率和物體本身的固有頻率相等時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象，從而擴(kuò)大電磁噪聲，加大振動(dòng)幅度，降低電動(dòng)機(jī)正常的工作性能。

3.1.3 產(chǎn)生諧波損耗

通過變頻器實(shí)現(xiàn)三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速功能，存在較多的諧波損耗，其中包括銅耗、鐵耗和雜散損耗等。這些損耗會(huì)在一定程度上降低電動(dòng)機(jī)的工作效率，電動(dòng)機(jī)工作時(shí)，功耗增加，會(huì)產(chǎn)生較多的熱量，此時(shí)若得不到及時(shí)的散熱，必然會(huì)影響到三相異步電動(dòng)機(jī)的正常性能。

3.2 提出解決方法

3.2.1 削弱諧波

通過研究可以了解到，變頻器工作時(shí)，由于輸出電壓和電流大量諧波的存在，三相異步電動(dòng)機(jī)會(huì)產(chǎn)生多余的諧波損耗。理論分析表明，通過變頻器對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速時(shí)，工作效率在一定程度上會(huì)降低。因此，削弱變頻器輸出電壓和電流中的諧波，有助于提高電動(dòng)機(jī)的工作性能。系統(tǒng)為了更加有效地過濾諧波，可以在設(shè)備上添加正弦濾波器和濾波電抗器。正弦濾波器可以更好地減少高次諧波的通過，這樣可以使輸入電動(dòng)機(jī)的電壓和電流接近正弦量；輸出濾波電抗器一方面可以彌補(bǔ)在導(dǎo)線較長(zhǎng)時(shí)傳輸過程的電壓電流損失，另一方面還可以增加系統(tǒng)的濾波效果。

3.2.2 改善電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì)

通過一些技術(shù)手段減小電動(dòng)機(jī)定子和轉(zhuǎn)子的電阻，不斷降低基波中的銅損耗，增加高次諧波中的銅損耗，同時(shí)電動(dòng)機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的電阻減小，提升三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩。另外，提高變頻器中的輸出電壓也可以有效增加電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的整體性能。

3.2.3 創(chuàng)新變頻電動(dòng)機(jī)技術(shù)

現(xiàn)在的變頻調(diào)速技術(shù)中，僅僅依靠改變現(xiàn)有系統(tǒng)的本身結(jié)構(gòu)很難改變?nèi)喈惒诫妱?dòng)機(jī)變頻調(diào)速的弊端，無法減少一些高次諧波的影響。研究新型的變頻電動(dòng)機(jī)應(yīng)該脫離常規(guī)設(shè)計(jì)，從新技術(shù)和新材料方面出發(fā)，創(chuàng)造出新型的三相異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)。

4 結(jié)束語

為了更好地使用變頻調(diào)速技術(shù)，我們應(yīng)該多方面學(xué)習(xí)研究變頻器對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)的不利影響因素，真正做到趨利避害。通過使用新技術(shù)和選用新材料等方法，能夠有效提高三相異步電動(dòng)機(jī)的工作效率和能源利用率，使三相異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)更多更廣地應(yīng)用在日常生活、工業(yè)生產(chǎn)的多個(gè)領(lǐng)域，以便創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益。

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