變頻器與電動(dòng)機(jī)的效率問題

鄒德金/大連公路工程集團(tuán)有限公司金州分公司

變頻器與電動(dòng)機(jī)的效率問題

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從機(jī)電一體化的觀點(diǎn)和變頻調(diào)速系統(tǒng)的總體性能出發(fā)，使得異步電動(dòng)機(jī)和變頻器達(dá)到最佳匹配，是電動(dòng)機(jī)和變頻器組成的交流調(diào)速系統(tǒng)亟需解決的關(guān)鍵問題。

電動(dòng)機(jī);變頻器；效率

1.電動(dòng)機(jī)的相關(guān)信息及設(shè)計(jì)

1.1電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及各部分的作用

電動(dòng)機(jī)種類的選擇,主要根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械工藝對(duì)電力拖動(dòng)系統(tǒng)提出的要求,著重是對(duì)調(diào)速指標(biāo)的要求。目前,直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速的技術(shù)指標(biāo)較好,設(shè)備投資較高,對(duì)調(diào)速指標(biāo)要求不太高的場(chǎng)所,可有限考慮采用交流電動(dòng)機(jī)。一般電動(dòng)機(jī)主要由兩部分組成:固定部分稱為定子,旋轉(zhuǎn)部分稱為轉(zhuǎn)子,還有端蓋、風(fēng)扇、罩殼、機(jī)座、接線盒等。定子的作用是用來產(chǎn)生磁場(chǎng)和作電動(dòng)機(jī)的機(jī)械支撐,電動(dòng)機(jī)的定子由定子鐵心、定子繞組和機(jī)座三部分組成,定子繞組鑲嵌在定子鐵心中,通過電流時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),實(shí)現(xiàn)電能量轉(zhuǎn)換,機(jī)座的作用主要是固定和支撐定子鐵心。電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí),內(nèi)部損耗而發(fā)生的熱量通過鐵心傳給機(jī)座,再由機(jī)座表面散發(fā)到周圍空氣中。為了增加散熱面積,一般電動(dòng)機(jī)在機(jī)座外表面設(shè)計(jì)為散熱片狀,電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組和轉(zhuǎn)軸組成。轉(zhuǎn)子鐵心也是作為電動(dòng)機(jī)磁路的一部分,轉(zhuǎn)子繞組的作用是感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),通過電流而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩,轉(zhuǎn)軸是支撐轉(zhuǎn)子的重量,傳遞轉(zhuǎn)矩,輸出機(jī)械功率的主要部件。

1.2電動(dòng)機(jī)的原理

電動(dòng)機(jī)的工作原理是建立在電磁感應(yīng)定律、全電流定律、電路定律和電磁力定律等基礎(chǔ)上。當(dāng)磁極沿順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn),磁極的磁力線切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)條,導(dǎo)條中就感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì),電動(dòng)勢(shì)的方向由右手定則來確定。運(yùn)動(dòng)是相對(duì)的,假如磁極不動(dòng),轉(zhuǎn)子導(dǎo)條沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn),則導(dǎo)條中同樣也能感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)來。在電動(dòng)勢(shì)的作用下,閉合的導(dǎo)條中就產(chǎn)生電流。該電流與旋轉(zhuǎn)磁極的磁場(chǎng)相互作用,使轉(zhuǎn)子導(dǎo)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(jìn)而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩,轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動(dòng)起來。

1.3電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)問題

（1）絕緣等級(jí),一般為F級(jí)或更高,加強(qiáng)對(duì)地絕緣和線匝絕緣強(qiáng)度,特別要考慮絕緣耐沖擊電壓的能力。

（2）對(duì)電機(jī)的振動(dòng)、噪聲問題,要充分考慮電動(dòng)機(jī)構(gòu)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(chǎn)生共振現(xiàn)象。

（3）冷卻方式:一般采用強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻,即主電機(jī)散熱風(fēng)扇采用獨(dú)立的電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

（4）防止軸電流措施,對(duì)容量超過160KW電動(dòng)機(jī)應(yīng)采用軸承絕緣措施。主要是易產(chǎn)生磁路不對(duì)稱,也會(huì)產(chǎn)生軸電流,當(dāng)其他高頻分量所產(chǎn)生的電流結(jié)合一起作用時(shí),軸電流將大為增加,導(dǎo)致軸承損壞,一般要采取絕緣措施。

（5）對(duì)恒功率變頻電動(dòng)機(jī),當(dāng)轉(zhuǎn)速超過3000/min時(shí),應(yīng)采用耐高溫的特殊潤滑脂。

1.4相異步電動(dòng)機(jī)功率以及轉(zhuǎn)速的計(jì)算和選擇

根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式:

n=n1(1-S)=60f1(1-S)/P

電機(jī)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(jiān)測(cè)電流是1.1A;我又用鉗形電流表進(jìn)行測(cè)量,測(cè)得每相電流為1.1A,這就說明變頻器和鉗形電流表測(cè)得的電流是一致的。電機(jī)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(jī)實(shí)際消耗的功率:380×1.1×1.732=724 W,這樣電機(jī)實(shí)際消耗的功率就接近于電機(jī)的額定功率。如果電機(jī)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(jī)實(shí)際消耗功率的計(jì)算是一樣的。

2.變頻器調(diào)速時(shí)電動(dòng)機(jī)特性及電動(dòng)機(jī)噪聲的控制方法

2.1變頻調(diào)速時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性

用變頻調(diào)速的方法可以得到很大的調(diào)速范圍,很好的平穩(wěn)性和有足夠的硬度的機(jī)械特性。交流電動(dòng)機(jī)不論是三相同步還是異步在定子內(nèi)供給頻率為f的電壓時(shí),將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),并以每分鐘n的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn),它們的轉(zhuǎn)速公式都是如下公式:

n=60 f/p(7-1)

n=(7-2)

p—極對(duì)數(shù)f---為頻率S---轉(zhuǎn)差率(0---3％或0---6％)

式中p為定子極對(duì)數(shù)。很顯然只要改變供電頻率f則轉(zhuǎn)速可以改變。機(jī)械曲線將沿坐標(biāo)軸上下移動(dòng),從而達(dá)到調(diào)速的目的采用改變供電電源頻率f1的調(diào)速方法,可以得到很大的調(diào)速范圍,很好地調(diào)速平滑性和足夠硬度的機(jī)械特性。變頻調(diào)速時(shí),異步電動(dòng)機(jī)的監(jiān)界轉(zhuǎn)矩的變化情況,其表達(dá)式為:

式中:U1—定子相電壓

P—定子繞組的極對(duì)數(shù)

f1—定子供電頻率。

當(dāng)頻率f1較低時(shí),定、轉(zhuǎn)子的漏抗隨之下降,由于x1+x2較小,r1的影響不能忽略。此時(shí)Tm的數(shù)值大為降低。異步電機(jī)的監(jiān)界轉(zhuǎn)矩:Tmix

隨著定子供電頻率f1的降低,異步電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)減小,甚至?xí)霈F(xiàn)帶不起負(fù)載的現(xiàn)象。這時(shí)的機(jī)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(dāng)f1較低,如f1s及f16時(shí),Tm尢為降低。為了保持電機(jī)在低速時(shí)有足夠大的Tm,可在低速時(shí),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(jù)計(jì)算,當(dāng)定子供電頻率減小10倍時(shí),最大轉(zhuǎn)矩降低7.8倍。災(zāi)是因?yàn)殡S著f1的下降,定子電壓U1也成比例地降低,即所謂變頻調(diào)速的協(xié)調(diào)控制。U1較小時(shí),定子電阻r1上的壓降在U1中占比重較大。

U1=I1r1+E,使得產(chǎn)生氣隙磁通的感應(yīng)電勢(shì)E減小,造成氣隙磁通(φ)的減弱,因而電磁轉(zhuǎn)矩T=KφIcosθ下降。使電機(jī)的利用率惡化。許多場(chǎng)合要求在調(diào)頻的同時(shí)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(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速下降而減小的負(fù)載(如風(fēng)機(jī)、泵)。風(fēng)機(jī)和水泵低速時(shí)的阻轉(zhuǎn)矩極小,即命名不補(bǔ)償,電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩仍有余量,為了節(jié)能,可進(jìn)一步降低電壓(即減小值)。

f1由小到達(dá)額定值fe,其中f2、f3、f4所對(duì)應(yīng)的最大轉(zhuǎn)矩,用上述方法選用容量132KVA變頻器與容量90KW異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)配套使用。由此可以得出一個(gè)很重要的結(jié)論:帶有低頻提升轉(zhuǎn)矩功功能的變頻裝置,在電坳機(jī)起動(dòng)的全過程中,能以最大轉(zhuǎn)矩拖動(dòng)機(jī)起動(dòng)的全過程中,能以最大轉(zhuǎn)矩拖動(dòng)機(jī)械起動(dòng)

2.2電動(dòng)機(jī)噪聲的控制方法

電動(dòng)機(jī)噪聲的控制方法主要有兩點(diǎn):其一是合理設(shè)計(jì)電機(jī)結(jié)構(gòu)。電機(jī)設(shè)計(jì)人員對(duì)電磁設(shè)計(jì),機(jī)械設(shè)計(jì)做了很大的改進(jìn),又對(duì)風(fēng)扇葉片的形狀及尺寸,通風(fēng)口的形狀和大小,風(fēng)道的形狀進(jìn)行了合理的設(shè)計(jì),這些方法從噪聲源上降低噪聲,是非常有效可行的。降低機(jī)械噪聲主要是提高軸承的質(zhì)量,裝配,公差等。電機(jī)放置要水平(破壞平衡),防護(hù)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(jī)的噪聲控制在容許的范圍內(nèi);消聲器的空氣阻力要小;安裝消聲器后不影響電機(jī)的冷卻散熱,電機(jī)的溫升要控制在允許范圍之內(nèi);消聲器要體積小,重量輕,便于安裝與拆卸,維修要方便。

3.結(jié)束語

通過理論分析，證明變頻器輸出諧波對(duì)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行產(chǎn)生很多不利影響，以機(jī)電一體化的角度，從優(yōu)化變頻器與電動(dòng)機(jī)組成的變頻裝置的整體效率出發(fā)對(duì)交流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)，使其整體性能最佳有著重要的意義。

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