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變頻器與電動機的效率問題

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從機電一體化的觀點和變頻調速系統的總體性能出發(fā)，使得異步電動機和變頻器達到最佳匹配，是電動機和變頻器組成的交流調速系統亟需解決的關鍵問題。

電動機;變頻器；效率

1.電動機的相關信息及設計

1.1電動機結構及各部分的作用

電動機種類的選擇,主要根據生產機械工藝對電力拖動系統提出的要求,著重是對調速指標的要求。目前,直流電動機調速的技術指標較好,設備投資較高,對調速指標要求不太高的場所,可有限考慮采用交流電動機。一般電動機主要由兩部分組成:固定部分稱為定子,旋轉部分稱為轉子,還有端蓋、風扇、罩殼、機座、接線盒等。定子的作用是用來產生磁場和作電動機的機械支撐,電動機的定子由定子鐵心、定子繞組和機座三部分組成,定子繞組鑲嵌在定子鐵心中,通過電流時產生感應電動勢,實現電能量轉換,機座的作用主要是固定和支撐定子鐵心。電動機運行時,內部損耗而發(fā)生的熱量通過鐵心傳給機座,再由機座表面散發(fā)到周圍空氣中。為了增加散熱面積,一般電動機在機座外表面設計為散熱片狀,電動機的轉子由轉子鐵心、轉子繞組和轉軸組成。轉子鐵心也是作為電動機磁路的一部分,轉子繞組的作用是感應電動勢,通過電流而產生電磁轉矩,轉軸是支撐轉子的重量,傳遞轉矩,輸出機械功率的主要部件。

1.2電動機的原理

電動機的工作原理是建立在電磁感應定律、全電流定律、電路定律和電磁力定律等基礎上。當磁極沿順時針方向旋轉,磁極的磁力線切割轉子導條,導條中就感應出電動勢,電動勢的方向由右手定則來確定。運動是相對的,假如磁極不動,轉子導條沿逆時針方向旋轉,則導條中同樣也能感應出電動勢來。在電動勢的作用下,閉合的導條中就產生電流。該電流與旋轉磁極的磁場相互作用,使轉子導條受到電磁力F,電磁力的方向可用左手定則確定。由電磁力進而產生電磁轉矩,轉子就轉動起來。

1.3電動機設計問題

（1）絕緣等級,一般為F級或更高,加強對地絕緣和線匝絕緣強度,特別要考慮絕緣耐沖擊電壓的能力。

（2）對電機的振動、噪聲問題,要充分考慮電動機構件及整體的剛性,盡力提高其固有頻率,以避開與各次力波產生共振現象。

（3）冷卻方式:一般采用強迫通風冷卻,即主電機散熱風扇采用獨立的電機驅動。

（4）防止軸電流措施,對容量超過160KW電動機應采用軸承絕緣措施。主要是易產生磁路不對稱,也會產生軸電流,當其他高頻分量所產生的電流結合一起作用時,軸電流將大為增加,導致軸承損壞,一般要采取絕緣措施。

（5）對恒功率變頻電動機,當轉速超過3000/min時,應采用耐高溫的特殊潤滑脂。

1.4相異步電動機功率以及轉速的計算和選擇

根據異步電動機的轉速表達式:

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

電機的額定功率是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,電機實際消耗的功率:380×1.1×1.732=724 W,這樣電機實際消耗的功率就接近于電機的額定功率。如果電機是三角形接法,線電壓等于相電壓,線電流是相電流的1.732倍,電機實際消耗功率的計算是一樣的。

2.變頻器調速時電動機特性及電動機噪聲的控制方法

2.1變頻調速時電動機的機械特性

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

n=60 f/p(7-1)

n=(7-2)

p—極對數f---為頻率S---轉差率(0---3％或0---6％)

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

式中:U1—定子相電壓

P—定子繞組的極對數

f1—定子供電頻率。

當頻率f1較低時,定、轉子的漏抗隨之下降,由于x1+x2較小,r1的影響不能忽略。此時Tm的數值大為降低。異步電機的監(jiān)界轉矩:Tmix

隨著定子供電頻率f1的降低,異步電機的最大轉矩也相應減小,甚至會出現帶不起負載的現象。這時的機械性曲線n=f(M)是一簇向下的平行曲線。其中f11>f12>f14>f15>f16,當f1較低,如f1s及f16時,Tm尢為降低。為了保持電機在低速時有足夠大的Tm,可在低速時,U1比f1降低的比例小一些,使U1f1的比值隨f1的降低而增加。

根據計算,當定子供電頻率減小10倍時,最大轉矩降低7.8倍。災是因為隨著f1的下降,定子電壓U1也成比例地降低,即所謂變頻調速的協調控制。U1較小時,定子電阻r1上的壓降在U1中占比重較大。

U1=I1r1+E,使得產生氣隙磁通的感應電勢E減小,造成氣隙磁通(φ)的減弱,因而電磁轉矩T=KφIcosθ下降。使電機的利用率惡化。許多場合要求在調頻的同時改變定子電壓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矩隨轉速下降而減小的負載(如風機、泵)。風機和水泵低速時的阻轉矩極小,即命名不補償,電動機的轉矩仍有余量,為了節(jié)能,可進一步降低電壓(即減小值)。

f1由小到達額定值fe,其中f2、f3、f4所對應的最大轉矩,用上述方法選用容量132KVA變頻器與容量90KW異步電動機驅動風機配套使用。由此可以得出一個很重要的結論:帶有低頻提升轉矩功功能的變頻裝置,在電坳機起動的全過程中,能以最大轉矩拖動機起動的全過程中,能以最大轉矩拖動機械起動

2.2電動機噪聲的控制方法

電動機噪聲的控制方法主要有兩點:其一是合理設計電機結構。電機設計人員對電磁設計,機械設計做了很大的改進,又對風扇葉片的形狀及尺寸,通風口的形狀和大小,風道的形狀進行了合理的設計,這些方法從噪聲源上降低噪聲,是非常有效可行的。降低機械噪聲主要是提高軸承的質量,裝配,公差等。電機放置要水平(破壞平衡),防護罩及蓋板的安裝(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,把電機的噪聲控制在容許的范圍內;消聲器的空氣阻力要小;安裝消聲器后不影響電機的冷卻散熱,電機的溫升要控制在允許范圍之內;消聲器要體積小,重量輕,便于安裝與拆卸,維修要方便。

3.結束語

通過理論分析，證明變頻器輸出諧波對電動機的運行產生很多不利影響，以機電一體化的角度，從優(yōu)化變頻器與電動機組成的變頻裝置的整體效率出發(fā)對交流調速系統進行匹配設計，使其整體性能最佳有著重要的意義。

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