【文章內(nèi)容簡介】 兩大調(diào)速系統(tǒng)一直并存于各個工業(yè)領(lǐng)域，雖然由于各個時期科學(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)展而在相互競爭。在過去很長一段時期，由于直流電動機的優(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)。然而由于直流電動機其有機械式換向器這一致命的弱點，致使直流電動機制造成本高、價格昂貴、維護麻煩、使用環(huán)境受到限制，其自身結(jié)構(gòu)也約束了單臺電機的轉(zhuǎn)速，功率上限，從而給直流傳動的應(yīng)用帶來了一系列的限制。相對于直流電動機來說，交流電動機特別是鼠籠式異步電動機具有結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，堅固耐用，運行可靠，維護方便，慣性小，動態(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。因此，近幾十年以來，不少國家都在致力于交流調(diào)速系統(tǒng)的研究，用沒有換向器的交流電動機實現(xiàn)調(diào)速來取代直流電動機，突破它的限制。 隨著電力電子器件，大規(guī)模集成電路和計算機控制技術(shù)的迅速發(fā)展，以及現(xiàn)代控制理論向交流電氣傳動領(lǐng)域的滲透，為交流調(diào)速系統(tǒng)的開發(fā)研究進一步創(chuàng)造了有利的條件。諸如交流電動機的串級調(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、快速的動態(tài)響應(yīng)以及在四象限作可逆運行等良好的技術(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系統(tǒng)，從一般要求的小范圍調(diào)速傳動到高精度、快響應(yīng)、大范圍的調(diào)速傳動，從單機傳動到多機協(xié)調(diào)運轉(zhuǎn)，已幾乎都可采用交流調(diào)速傳動。交流調(diào)速傳動的客觀發(fā)展趨勢已表明，它完全可以和直流傳動相媲美、相抗衡，并有取代的趨勢。 交流調(diào)速常用的調(diào)速方案及其性能比較 11 由電機學(xué)知，交流異步電動機的轉(zhuǎn)速公式如下： n= 60?1 (1s) pn (11) 式中 Pn—— 電動機定子繞阻的磁極對數(shù) ； f1—— 電動機定子電壓供電頻率； s —— 電動機的轉(zhuǎn)差率。 從式（ 11）中可以看出，調(diào)節(jié)交流異步電動機的轉(zhuǎn)速有三大類方案。 （ 1）改變電動機的磁極對數(shù) 由異步電動機的同步轉(zhuǎn)速 no= 60?1 pn 可知，在供電電源頻率 f1 不變的條件下，通過改接定子繞組的連接方式來改變異步電動機定子繞組的磁極對數(shù) Pn，即可改變異步電動機的同步轉(zhuǎn)速 n0，從而達到調(diào)速的目的。這種控制方式比較簡單，只要求電動機定子繞組有多個抽頭，然后通過觸點的通斷來改變電動機的磁極對 數(shù)。采用這種控制方式，電動機轉(zhuǎn)速的變化是有級的，不是連續(xù)的，一般最多只有三檔，適用于自動化程度不高，且只須有級調(diào)速的場合。 （ 2）變頻調(diào)速 從式（ 1— 1）中可以看出，當(dāng)異步電動機的磁極對數(shù) Pn 一定，轉(zhuǎn)差率 s—定時，改變定子繞組的供電頻率 f1 可以達到調(diào)速目的，電動機轉(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，無級地調(diào)節(jié)異步電動機的轉(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，與直流電動機的降壓和弱磁 調(diào)速十分相似。且采用變頻起動更能顯著改善交流電動機的起動性能，大幅度降低電機的起動電流，增加起動轉(zhuǎn)矩。所以變頻調(diào)速是交流電動機的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：異步電動機定子調(diào)壓調(diào)速，電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速和繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速，串級調(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機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與重復(fù)短時作深調(diào)速運行的負(fù)載。為了能得到好的調(diào)速精度與能穩(wěn)定運行，一般采用帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的 控制方式。所使用的電動機可以是繞線式異電動機或是有高轉(zhuǎn)差率的鼠籠式異步電動機。 電磁轉(zhuǎn)差離臺器調(diào)速系統(tǒng)，是由鼠籠式異步電動機、電磁轉(zhuǎn)差離合器以及控制裝置組合而成。鼠籠式電動機作為原動機以恒速帶動電磁離合器的電樞轉(zhuǎn)動，通過對電磁離合器勵磁電流的控制實現(xiàn)對其磁極的速度調(diào)節(jié)。這種系統(tǒng)一般也采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。 繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速就是通過改變轉(zhuǎn)子回路所串電阻來進行調(diào)速，這種調(diào)速方法簡單，但調(diào)速是有級的，串入較大附加電阻后，電動機的機械特性很軟，低速運行損耗大，穩(wěn)定性差。 繞線式異步電動機串 級調(diào)速系統(tǒng)就是在電動機的轉(zhuǎn)子回路中引入與轉(zhuǎn)子電勢同頻率的反向電勢 Ef，只要改變這個附加的，同電動機轉(zhuǎn)子電壓同頻率的反向電勢 Ef，就可以對繞線式異步電動機進行平滑調(diào)速。 Ef 越大，電動機轉(zhuǎn)速越低。 上述這些調(diào)速的共同特點是調(diào)速過程中沒有改變電動機的同步轉(zhuǎn)速 n0，所以低速時，轉(zhuǎn)差率 s較大。 在交流異步電動機中，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，交流異步電動機調(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)差功率的消耗來換取轉(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機轉(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。繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子串級調(diào)速即屬于這一類，它將轉(zhuǎn)差功率通過整流和逆變作用，經(jīng)變壓器回饋到交流電網(wǎng)，但沒有以發(fā)熱形式消耗能量，即使在低速時，串級調(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。如變極對數(shù)調(diào)速，變頻調(diào)速即屬于這一類，由于在調(diào)速過程中改變同步轉(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 第四章變頻電動機的特點 電磁設(shè)計 對普通異步電動機來說，再設(shè)計時主要考慮的性能參數(shù)是過載能力、啟動性能、效率和功率因數(shù)。而變頻電動機，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時直接啟動，因此，過載能力和啟動性能不在需要過多考慮，而要解決的關(guān)鍵問題是如何改善電動機對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)增加電動機的電感。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，電動機漏抗的大小要兼顧到整個調(diào)速范圍內(nèi)阻抗匹配的合理性。 3）變頻電動機的主磁路一般設(shè)計成不飽和狀態(tài)，一是考慮高次諧波會加深磁路飽和，二是考慮在低頻時，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 再結(jié)構(gòu)設(shè)計時，主要也是考慮非正弦電源特性對變頻電機的絕緣結(jié)構(gòu)、振動、噪聲冷卻方式等方面的影響，一般注意以下問題： 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(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：一般采用強迫通風(fēng)冷卻，即主電機散熱風(fēng)扇采用獨立的電機驅(qū)動。 4）防止軸電流措施，對容量超過 160KW 電動機應(yīng)采用軸承絕緣措施。主要是易產(chǎn)生磁路不對稱，也會產(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，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 變頻電機主要特點 和變頻電機的構(gòu)造原理 變頻專用電動機具有如下特點： B級溫升設(shè)計， F級絕緣制造。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械強度有很大提高，足以勝任馬達之高速運轉(zhuǎn)及抵抗變頻器高頻電流沖擊以及電壓對絕緣之破壞。平衡質(zhì)量高，震動等級為 R級（降振級）機械零部件加工精度高，并采用專用高精度進口軸承，可以高速運轉(zhuǎn)。強制通風(fēng)散熱系統(tǒng)，全部采用進口軸流風(fēng)機超靜音、高壽命，強勁風(fēng)力。保障馬達在任何轉(zhuǎn)速下，得到有效散熱，可實現(xiàn)高速或低速長期運行。經(jīng) AMCAD 軟件設(shè)計的 YP系列電機，與傳統(tǒng)變頻電機相比較，具備更寬廣的調(diào)速范圍和更高 的設(shè)計質(zhì)量，經(jīng)特殊的磁場設(shè)計，進一步抑制高次諧波磁場，以滿足寬頻、節(jié)能和低噪音的設(shè)計指標(biāo)。具有寬范圍恒轉(zhuǎn)矩與功率調(diào)速特性，