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(德州恒力電機有限責任公司，山東德州253005)

0 引言

籠型調(diào)速電動機目前主要有兩種調(diào)速方式：變極調(diào)速和變頻調(diào)速。變極調(diào)速電機通過改變電機接法來改變極對數(shù)，達到調(diào)速的目的，為有級調(diào)速，主要有YD及其派生系列，YZ-H，JZ2-H及其派生系列的雙速和三速起重電機；變頻調(diào)速電機是利用變頻器，通過改變電源頻率來達到調(diào)速目的，為無級調(diào)速，主要是YVF及其派生系列電機。隨著變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，通過變頻器進行調(diào)速已成為交流電機調(diào)速的主流，變頻專用電機通過變頻器變頻調(diào)速控制，在使用過程中具有調(diào)速和節(jié)能雙重優(yōu)勢，應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣。

1 變極調(diào)速電機的接線特點

在電源頻率恒定的情況下，一套定子繞組通過改變繞組的接線方法，來改變定子繞組的極對數(shù)，改變旋轉(zhuǎn)磁場和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，從而得到兩個不同的同步轉(zhuǎn)速。改變定子極數(shù)時，轉(zhuǎn)子極數(shù)也同時改變，因為籠型轉(zhuǎn)子本身沒有固定的極數(shù)，它的極數(shù)隨定子極數(shù)而定。因此，變極對數(shù)調(diào)速方法僅適用于籠型異步電動機。一臺變極調(diào)速電機定子繞組可以安放一套或兩套繞組，做成雙速、三速或四速電機。變極調(diào)速分為反向變極和換相變極兩種變極方法。反向法變極由于僅在每相繞組內(nèi)部改變所屬線圈的連接方法來改變部分線圈中的電流方向，其電機的出線數(shù)較少，雙速電機出6根線，三速電機出9根線，四速電機出12根線，從而簡化變極開關(guān)設(shè)計，但變極后可能分布系數(shù)低，使電動機性能受到一定影響。換相法變極不僅改變部分線圈電流方向，而且改變部分槽內(nèi)線圈的相屬。用換相法獲得的單繞組多速電動機方案，不同極數(shù)的分布系數(shù)可保持較高，但出線頭較多，接線復(fù)雜，使用和控制不如反向法方便，一般場合很少使用。

2 單繞組變極雙速電動機不同接法的運行特性

單繞組變極調(diào)速是變極調(diào)速中應(yīng)用最廣的方法。設(shè)計時通過對現(xiàn)有單速電機進行繞組改繞設(shè)計，根據(jù)槽電流表和磁動勢圖，定性分析電機的諧波磁場對電機運行性能的影響，計算電機磁路各部分磁通密度數(shù)值，由此確定電機所選槽配合。通過將定子繞組分成兩個“半相繞組”，利用改變接法，使其中一個“半相繞組”中的電流反向，極對數(shù)成倍改變時，須同時改變出線端的相序，使電機雙速相序一致。單繞組雙速電機的典型線路有恒功率△-YY和恒轉(zhuǎn)矩Y-YY兩種接法。單繞組雙速電機低速和高速按△-YY接時，考慮到效率和功率因數(shù)的影響，低速功率為高速功率的0.75倍，高速轉(zhuǎn)矩約為低速的0.5倍，電機為恒功率調(diào)速；低速和高速按Y-YY接時，考慮到效率和功率因數(shù)的影響，低速功率約為高速功率的0.35倍，高速轉(zhuǎn)矩高速與低速基本相同，電機為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。

單繞組雙速電機的繞組大多具有不規(guī)則的繞組排列，從而產(chǎn)生比普通單速繞組更多的諧波，影響電機的起動、振動、噪音、溫升等性能。為消除偶次諧波和增加電機多極數(shù)時的繞組分布系數(shù)，多采用多極數(shù)為全節(jié)距或接近全節(jié)距的繞組，同時為消弱諧波磁動勢和選擇合適的節(jié)距，一般選用雙層疊繞組。繞組設(shè)計時要兼顧各轉(zhuǎn)速下的性能，并根據(jù)電機實際工作狀態(tài)，選擇恒功率或恒轉(zhuǎn)矩來決定電機繞組的型式、接法、節(jié)距、氣隙磁密和匝數(shù)。

3 變頻調(diào)速電機的設(shè)計特點和節(jié)能優(yōu)勢

變頻調(diào)速電機的設(shè)計主要在適應(yīng)變頻電源調(diào)速運行和提高電機本身效率兩方面考慮。由于所用變頻電源的特殊性，以及系統(tǒng)對高速或低速運轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速動態(tài)響應(yīng)等需求，對作為系統(tǒng)能源轉(zhuǎn)換主體的變頻調(diào)速電機，在電磁、結(jié)構(gòu)、絕緣各方面提出了更高的要求。(1)由于電機的臨界轉(zhuǎn)差率反比于電源頻率，變頻電機可以在臨界轉(zhuǎn)差率接近1時直接啟動，因此過載能力和啟動性能不再需要過多考慮，而把設(shè)計重點集中在改善本身對非正弦波電源的適應(yīng)能力，提高電機不同負載率下的效率上。(2)電磁設(shè)計時盡可能的減小定子，轉(zhuǎn)子電阻。為抑制電機低速運轉(zhuǎn)時電流中的高次諧波，適當增加電動機的電感。選用耐電暈性能好的電磁線，以滿足電機耐高頻脈沖和局部放電的要求。一般使用聚酯亞胺/聚酰胺酰亞胺復(fù)合層漆包線，耐電暈、抗電暈電磁線。變頻電動機的磁路一般設(shè)計成不飽和狀態(tài)，一是因為低速運轉(zhuǎn)時高次諧波會加深磁路飽和，二是因為電機在低頻時，為提高輸出轉(zhuǎn)矩可以適當提高變頻器的輸出電壓。(3)結(jié)構(gòu)設(shè)計時，主要考慮非正弦電源特性對變頻電機的絕緣結(jié)構(gòu)、振動、噪聲及冷卻方式等方面的影響。為滿足電機的高速運轉(zhuǎn)及抵抗變頻器高頻電流沖擊對絕緣的破壞，采用高分子絕緣材料及真空壓力浸漆制造工藝，以及采用特殊的絕緣結(jié)構(gòu)，使電機繞組匝間絕緣介電強度及機械性能強度提高。(4)為避開與各次力波產(chǎn)生的共振現(xiàn)象，充分考慮電動機構(gòu)件及整體的剛性，盡力提高其固有頻率、提高平衡質(zhì)量、振動等級要求為R級(降振級)，提高機械零部件加工精度，對需要高速運轉(zhuǎn)的變頻電機，采用專用高精度進口軸承。

變頻電機較普通電機存在以下優(yōu)點：(1)在0.1Hz～130Hz范圍長期運行，適用于設(shè)備的各種調(diào)速場合，適應(yīng)不同工況條件下的頻繁變速。普通電機可長期運行的頻率范圍較窄，根據(jù)極數(shù)不同可長期運行的頻率范圍見表1。(2)具備有自啟動功能，采用電磁設(shè)計，減少了定子和轉(zhuǎn)子的阻值，提高了電機效率。(3)采用獨立風(fēng)機對電機進行冷卻，在各種轉(zhuǎn)速下，均能良好的散熱。(4)在出力不變的條件下，較普通三相異步電動機，其體積減少25%～30%，或電機功率密度增加25%～30%，同時在調(diào)速范圍內(nèi)平均運行效率提高3%，平均功率因數(shù)提高4%。基于上述特點，變頻專用三相異步電動機應(yīng)用范圍大大擴展，在風(fēng)機、水泵調(diào)速節(jié)能中得到廣泛應(yīng)用。

表1 不同極數(shù)普通電機可長期運行的頻率范圍

4 變頻控制的恒磁通和恒壓調(diào)速特點

電動機變頻器調(diào)速時有兩種情況：基頻(基準頻率)以下(3Hz或5Hz～50Hz)調(diào)速和基頻以上(50Hz～100Hz)調(diào)速，其負載特性如圖1所示。

圖1 變頻調(diào)速電機負載特性圖

兩種情況下都要盡量保持電機主磁通為額定值不變。如果磁通過弱(電壓過低)，電機鐵心不能得到充分利用，會導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩變小，負載能力下降。如果磁通過強(電壓過高)，會導(dǎo)致電機處于過勵磁狀態(tài)，電機因勵磁電流過大而嚴重發(fā)熱。根據(jù)電機原理可知，三相異步電機定子每相電動勢的有效值

E1=4.44f1N1φm

式中,E1—定子每相由氣隙磁通感應(yīng)的電動勢有效值；f1—定子頻率；N1—定子每相繞組有效匝數(shù)；φm—每極磁通量。

由上式可知，φm的值由E1/f1決定，但由于E1難以直接控制，所以在電動勢較高時，可忽略定子漏阻抗壓降，而用定子相電壓U1代替。要保證φm不變，就要使U1/f1始終為一定值，這是基頻以下調(diào)速的基本情況，為恒壓頻比(恒磁通)控制方式，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速?；鶞暑l率為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速區(qū)的最高頻率，基準頻率所對應(yīng)的電壓即為基準電壓，是恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速區(qū)的最高電壓，在基頻以下調(diào)速時，電壓會隨頻率而變化，但兩者的比值不變。在基頻以上調(diào)速時，頻率從基頻向上可以調(diào)至上限頻率值，但由于電機定子不能超過電機額定電壓，因此電壓不再隨頻率變化，而保持基準電壓值不變，這時電機主磁通必須隨頻率升高而減弱，轉(zhuǎn)矩相應(yīng)減小，功率基本保持不變，屬于恒功率調(diào)速區(qū)?；鶞暑l率為恒功率調(diào)速區(qū)的最低頻率，是恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速區(qū)與恒功率調(diào)速區(qū)的轉(zhuǎn)折點，而基準電壓值在整個恒功率調(diào)速區(qū)內(nèi)不再隨頻率變化而改變。

5 結(jié)語

變極調(diào)速電機的尺寸一般比同容量變頻感應(yīng)電機略大，運行性能略差，電機出線端較多，在僅需等級調(diào)速的場合使用，是一種較經(jīng)濟的方法。變頻調(diào)速電機的調(diào)速范圍廣，為無級調(diào)速，調(diào)速前后電動機的主要性能和節(jié)能效果都比較優(yōu)越，但需要專門的變頻電源，近年來，由于變頻技術(shù)的發(fā)展，變頻裝置的價格不斷降低，性能逐步提高。隨著變頻技術(shù)的推廣變頻調(diào)速電機得到越來越廣泛的應(yīng)用。