【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 兩大調(diào)速系統(tǒng)一直并存于各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域，雖然由于各個(gè)時(shí)期科學(xué)技術(shù)的發(fā)展使得它們所處的地位有所不同，但它們始終是隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展 ，特別是隨著電力電子元器件的發(fā)展而在相互競(jìng)爭(zhēng)。在過(guò)去很長(zhǎng)一段時(shí)期，由于直流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)良調(diào)速性能，在可逆、可調(diào)速與高精度、寬調(diào)速范圍的電力拖動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域中，幾乎都是采用直流調(diào)速系統(tǒng)。然而由于直流電動(dòng)機(jī)其有機(jī)械式換向器這一致命的弱點(diǎn)，致使直流電動(dòng)機(jī)制造成本高、價(jià)格昂貴、維護(hù)麻煩、使用環(huán)境受到限制，其自身結(jié)構(gòu)也約束了單臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，功率上限，從而給直流傳動(dòng)的應(yīng)用帶來(lái)了一系列的限制。相對(duì)于直流電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，交流電動(dòng)機(jī)特別是鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低，堅(jiān)固耐用，運(yùn)行可靠，維護(hù)方便，慣性小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，以及易 于向高壓、高速和大功率方向發(fā)展等優(yōu)點(diǎn)。因此，近幾十年以來(lái)，不少國(guó)家都在致力于交流調(diào)速系統(tǒng)的研究，用沒(méi)有換向器的交流電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)調(diào)速來(lái)取代直流電動(dòng)機(jī)，突破它的限制。 隨著電力電子器件，大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，以及現(xiàn)代控制理論向交流電氣傳動(dòng)領(lǐng)域的滲透，為交流調(diào)速系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)研究進(jìn)一步創(chuàng)造了有利的條件。諸如交流電動(dòng)機(jī)的串級(jí)調(diào)速、各種類型的變頻調(diào)速，特別是矢量控制技術(shù)的應(yīng)用，使得交流調(diào)速系統(tǒng)逐步具備了寬的調(diào)速范圍、較高的穩(wěn)速精度、快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及在四象限作可逆運(yùn)行等良好的技術(shù)性能?，F(xiàn)在從數(shù)百瓦的 伺服系統(tǒng)到數(shù)百千瓦的特大功率高速傳動(dòng)系統(tǒng)，從一般要求的小范圍調(diào)速傳動(dòng)到高精度、快響應(yīng)、大范圍的調(diào)速傳動(dòng)，從單機(jī)傳動(dòng)到多機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)，已幾乎都可采用交流調(diào)速傳動(dòng)。交流調(diào)速傳動(dòng)的客觀發(fā)展趨勢(shì)已表明，它完全可以和直流傳動(dòng)相媲美、相抗衡，并有取代的趨勢(shì)。 交流調(diào)速常用的調(diào)速方案及其性能比較 11 由電機(jī)學(xué)知，交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式如下： n= 60?1 (1s) pn (11) 式中 Pn—— 電動(dòng)機(jī)定子繞阻的磁極對(duì)數(shù) ； f1—— 電動(dòng)機(jī)定子電壓供電頻率； s —— 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率。 從式（ 11）中可以看出，調(diào)節(jié)交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速有三大類方案。 （ 1）改變電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù) 由異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速 no= 60?1 pn 可知，在供電電源頻率 f1 不變的條件下，通過(guò)改接定子繞組的連接方式來(lái)改變異步電動(dòng)機(jī)定子繞組的磁極對(duì)數(shù) Pn，即可改變異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速 n0，從而達(dá)到調(diào)速的目的。這種控制方式比較簡(jiǎn)單，只要求電動(dòng)機(jī)定子繞組有多個(gè)抽頭，然后通過(guò)觸點(diǎn)的通斷來(lái)改變電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì) 數(shù)。采用這種控制方式，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化是有級(jí)的，不是連續(xù)的，一般最多只有三檔，適用于自動(dòng)化程度不高，且只須有級(jí)調(diào)速的場(chǎng)合。 （ 2）變頻調(diào)速 從式（ 1— 1）中可以看出，當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù) Pn 一定，轉(zhuǎn)差率 s—定時(shí)，改變定子繞組的供電頻率 f1 可以達(dá)到調(diào)速目的，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 n 基本上與電源的頻率 f1 成正比，因此，平滑地調(diào)節(jié)供電電源的頻率，就能平滑，無(wú)級(jí)地調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。變頻調(diào)速調(diào)速范圍大，低速特性較硬，基頻 f=50Hz 以下，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式，在基頻以上，屬于恒功率調(diào)速方式，與直流電動(dòng)機(jī)的降壓和弱磁 調(diào)速十分相似。且采用變頻起動(dòng)更能顯著改善交流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能，大幅度降低電機(jī)的起動(dòng)電流，增加起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。所以變頻調(diào)速是交流電動(dòng)機(jī)的12 理想調(diào)速方案。 （ 3）變轉(zhuǎn)差率調(diào)速 改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速的方法很多，常用的方案有：異步電動(dòng)機(jī)定子調(diào)壓調(diào)速，電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速和繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速，串級(jí)調(diào)速等。 定子調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)就是在恒定交流電源與交流電動(dòng)機(jī)之間接入晶閘管作為交流電壓控制器，這種調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)僅適用于一些屬短時(shí)與重復(fù)短時(shí)作深調(diào)速運(yùn)行的負(fù)載。為了能得到好的調(diào)速精度與能穩(wěn)定運(yùn)行，一般采用帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的 控制方式。所使用的電動(dòng)機(jī)可以是繞線式異電動(dòng)機(jī)或是有高轉(zhuǎn)差率的鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)。 電磁轉(zhuǎn)差離臺(tái)器調(diào)速系統(tǒng)，是由鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)、電磁轉(zhuǎn)差離合器以及控制裝置組合而成。鼠籠式電動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)機(jī)以恒速帶動(dòng)電磁離合器的電樞轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)對(duì)電磁離合器勵(lì)磁電流的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)其磁極的速度調(diào)節(jié)。這種系統(tǒng)一般也采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。 繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速就是通過(guò)改變轉(zhuǎn)子回路所串電阻來(lái)進(jìn)行調(diào)速，這種調(diào)速方法簡(jiǎn)單，但調(diào)速是有級(jí)的，串入較大附加電阻后，電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性很軟，低速運(yùn)行損耗大，穩(wěn)定性差。 繞線式異步電動(dòng)機(jī)串 級(jí)調(diào)速系統(tǒng)就是在電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子回路中引入與轉(zhuǎn)子電勢(shì)同頻率的反向電勢(shì) Ef，只要改變這個(gè)附加的，同電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電壓同頻率的反向電勢(shì) Ef，就可以對(duì)繞線式異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行平滑調(diào)速。 Ef 越大，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越低。 上述這些調(diào)速的共同特點(diǎn)是調(diào)速過(guò)程中沒(méi)有改變電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速 n0，所以低速時(shí)，轉(zhuǎn)差率 s較大。 在交流異步電動(dòng)機(jī)中，從定子傳入轉(zhuǎn)子的電磁功率 PM 可以分成兩部分：一部分 P2=（ 1— s） PM 是拖動(dòng)負(fù)載的有效功率，另一部分是轉(zhuǎn)差功率 PS=sPM，與轉(zhuǎn)差率 s 成正比，它的去向是調(diào)速系統(tǒng)效率高低的標(biāo)志。就轉(zhuǎn)差功率的去向而 言，交流異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)可以分為三種： 1）轉(zhuǎn)差功率消耗型 這種調(diào)速系統(tǒng)全部轉(zhuǎn)差功率都被消耗掉，用增加轉(zhuǎn)差功率的消耗來(lái)?yè)Q取轉(zhuǎn)速的降低，轉(zhuǎn)差率 s 增大，轉(zhuǎn)差功率 PS=sPM 增大，以發(fā)熱形式消耗在轉(zhuǎn)子電路13 里，使得系統(tǒng)效率也隨之降低。定子調(diào)壓調(diào)速、電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速及繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速這三種方法屬于這一類，這類調(diào)速系統(tǒng)存在著調(diào)速范圍愈寬，轉(zhuǎn)差功率 PS 愈大，系統(tǒng)效率愈低的問(wèn)題，故不值得提倡。 2）轉(zhuǎn)差功率回饋型 這種調(diào)速系統(tǒng)的大部分轉(zhuǎn)差功率通過(guò)變流裝置回饋給電網(wǎng)或者加以利用，轉(zhuǎn)速越低 回饋的功率越多，但是增設(shè)的裝置也要多消耗一部分功率。繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串級(jí)調(diào)速即屬于這一類，它將轉(zhuǎn)差功率通過(guò)整流和逆變作用，經(jīng)變壓器回饋到交流電網(wǎng)，但沒(méi)有以發(fā)熱形式消耗能量，即使在低速時(shí)，串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的效率也是很高的。 3）轉(zhuǎn)差功率不變型 這種調(diào)速系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)差功率仍舊消耗在轉(zhuǎn)子里，但不論轉(zhuǎn)速高低，轉(zhuǎn)差功率基本不變。如變極對(duì)數(shù)調(diào)速，變頻調(diào)速即屬于這一類，由于在調(diào)速過(guò)程中改變同步轉(zhuǎn)速 n0，轉(zhuǎn)差率 s 是一定的，故系統(tǒng)效率不會(huì)因調(diào)速而降低。在改變 n0的兩種調(diào)速方案中，又因變極對(duì)數(shù)調(diào)速為有極調(diào)速，且極數(shù)很有 限，調(diào)速范圍窄，所以，目前在交流調(diào)速方案中，變頻調(diào)速是最理想，最有前途的交流調(diào)速方案。 14 第四章變頻電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn) 電磁設(shè)計(jì) 對(duì)普通異步電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，再設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮的性能參數(shù)是過(guò)載能力、啟動(dòng)性能、效率和功率因數(shù)。而變頻電動(dòng)機(jī)，由于臨界轉(zhuǎn)差率反比于電源頻率，可以在臨界轉(zhuǎn)差率接近 1時(shí)直接啟動(dòng)，因此，過(guò)載能力和啟動(dòng)性能不在需要過(guò)多考慮，而要解決的關(guān)鍵問(wèn)題是如何改善電動(dòng)機(jī)對(duì)非正弦波電源的適應(yīng)能力。方式一般如下： 1） 盡可能的減小定子和轉(zhuǎn)子電阻。 減小定子電阻即可降低 基波銅耗，以彌補(bǔ)高次諧波引起的銅耗增 2）為抑制電流中的高次諧波，需適當(dāng)增加電動(dòng)機(jī)的電感。但轉(zhuǎn)子槽漏抗較大其集膚效應(yīng)也大，高次諧波銅耗也增大。因此，電動(dòng)機(jī)漏抗的大小要兼顧到整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)阻抗匹配的合理性。 3）變頻電動(dòng)機(jī)的主磁路一般設(shè)計(jì)成不飽和狀態(tài)，一是考慮高次諧波會(huì)加深磁路飽和，二是考慮在低頻時(shí)，為了提高輸出轉(zhuǎn)矩而適當(dāng)提高變頻器的輸出電壓。 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 再結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，主要也是考慮非正弦電源特性對(duì)變頻電機(jī)的絕緣結(jié)構(gòu)、振動(dòng)、噪聲冷卻方式等方面的影響，一般注意以下問(wèn)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(wèn)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(kāi)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(guò) 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，從而導(dǎo)致軸承損壞，所以一般要采取絕緣措施。 15 第五章 變頻電機(jī)主要特點(diǎn) 和變頻電機(jī)的構(gòu)造原理 變頻專用電動(dòng)機(jī)具有如下特點(diǎn)： B級(jí)溫升設(shè)計(jì)， F級(jí)絕緣制造。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)，使電氣繞組采用絕緣耐壓及機(jī)械強(qiáng)度有很大提高，足以勝任馬達(dá)之高速運(yùn)轉(zhuǎn)及抵抗變頻器高頻電流沖擊以及電壓對(duì)絕緣之破壞。平衡質(zhì)量高，震動(dòng)等級(jí)為 R級(jí)（降振級(jí)）機(jī)械零部件加工精度高，并采用專用高精度進(jìn)口軸承，可以高速運(yùn)轉(zhuǎn)。強(qiáng)制通風(fēng)散熱系統(tǒng)，全部采用進(jìn)口軸流風(fēng)機(jī)超靜音、高壽命，強(qiáng)勁風(fēng)力。保障馬達(dá)在任何轉(zhuǎn)速下，得到有效散熱，可實(shí)現(xiàn)高速或低速長(zhǎng)期運(yùn)行。經(jīng) AMCAD 軟件設(shè)計(jì)的 YP系列電機(jī)，與傳統(tǒng)變頻電機(jī)相比較，具備更寬廣的調(diào)速范圍和更高 的設(shè)計(jì)質(zhì)量，經(jīng)特殊的磁場(chǎng)設(shè)計(jì)，進(jìn)一步抑制高次諧波磁場(chǎng)，以滿足寬頻、節(jié)能和低噪音的設(shè)計(jì)指標(biāo)。具有寬范圍恒轉(zhuǎn)矩與功率調(diào)速特性，