變頻器與電動(dòng)機(jī)的效率問題

鄒德金

[摘要]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。

[關(guān)鍵詞]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)械工藝對電力拖動(dòng)系統(tǒng)提出的要求，著重是對調(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，對調(diào)速指標(biāo)要求不太高的場所，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，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，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，電動(dòng)勢的方向由右手定則來確定。運(yùn)動(dòng)是相對的，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)勢來。在電動(dòng)勢的作用下，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，一般為F級或更高，加強(qiáng)對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=nl（1-S）=60fl（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)測電流是1.1A；我又用鉗形電流表進(jìn)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(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=724w，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，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=60f/p（7-1）

p-極對數(shù)f-為頻率s-轉(zhuǎn)差率（0-3%或0-6%）

式中p為定子極對數(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n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：U1一定子相電壓

P定子繞組的極對數(shù)

f1一定子供電頻率。

當(dāng)頻率f1較低時(shí)，定、轉(zhuǎn)子的漏抗隨之下降，由于xl+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fl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=11r1+E，使得產(chǎn)生氣隙磁通的感應(yīng)電勢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，在電動(dòng)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)人員對電磁設(shè)計(jì)，機(jī)械設(shè)計(jì)做了很大的改進(jìn)，又對風(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??；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。