【正文】 獻(xiàn) ................................................................................................................55 6 極變頻電動機(jī) 設(shè)計(jì) I 6 極變頻 電動機(jī) 設(shè)計(jì) 摘要 ： 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，最新技術(shù)正不斷地被運(yùn)用到電機(jī)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，數(shù)字化，信息化，網(wǎng)絡(luò)化正日益影響我們的生活 ,也影響到電機(jī)技術(shù)的設(shè)計(jì)與變革。 本文主要介紹變頻調(diào)速系統(tǒng)的概況和發(fā)展趨勢，變頻電機(jī)的調(diào)速原理及其應(yīng)用；變頻器的簡介；變頻器供電交流電機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)；然后以 Y180L— 6電機(jī)為例進(jìn)行電磁設(shè)計(jì)；最后進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。 Brief introduction of the frequency converter。 Then take Y180L6 electrical machinery as an example to design electromagically。它不僅安全可靠 ,而且還達(dá)到了提高工作效率 ,提高產(chǎn)品質(zhì)量 ,節(jié)約電能 30%以上的綜合經(jīng)濟(jì)效益。 縱觀電力傳動的發(fā)展過程 ,交、直流兩種傳動方式共存于各個(gè)生產(chǎn)領(lǐng)域 ,隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展 ,它們相互競爭 ,相互促進(jìn)。但由于直流電動機(jī)具有機(jī)械整流器和電刷 ,因而 存在著維護(hù)保養(yǎng)工作量大、電動機(jī)安裝環(huán)境受到限制和難以向大容量、高轉(zhuǎn)速及高電壓方向發(fā)展等缺點(diǎn)。又由于交流電動機(jī)本身具有結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固耐用、運(yùn)行可靠和慣性小等優(yōu)點(diǎn) ,還適用于直流調(diào)速無法比擬的場合 ,如化纖紡絲機(jī)等高精度、高速化的生產(chǎn)機(jī)械 ,泵、空壓機(jī)和電梯等無齒輪化的生 產(chǎn)機(jī)械以及冶金等大容量的生產(chǎn)機(jī)械。 目前 ,交流調(diào)速技術(shù)在節(jié)能方面已獲得了廣泛的應(yīng)用 ,把一些原有的恒速交流電力傳動系統(tǒng)改造成為轉(zhuǎn)速可調(diào)的交流調(diào)速系統(tǒng) ,可以取得明顯的節(jié)電效果。當(dāng)前 ,國際上應(yīng)用電力電子技術(shù)的交流調(diào)速已經(jīng)成熟 (上世紀(jì) 70 年代基本普及 ),由于它比直流調(diào)速有著較大的優(yōu)越性 ,目前正普及至工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域 ,大功率的有如日本安川 38MW、富士 ～ 20MW、美國 EMERSOM∶ AS510047～973kW、羅斯希爾 (ROSSHILL)～ 、德國 AEG 公司 CC/CSI6MW、西門子公司 ～ 16MW。同時(shí)國內(nèi)也研制了各類型交流調(diào)速裝置。在其它各企業(yè)中還有許多不同型式、容量的交流調(diào)速設(shè)備投入運(yùn)行。變頻調(diào)速器滿足了社會以下要求 : 1)節(jié)能。 3)提高生產(chǎn)效率。 5)安全保養(yǎng)設(shè)備。尤其是用于風(fēng)機(jī)和水泵 ,節(jié)電率在 40%左右。 國務(wù)院對這項(xiàng)節(jié)能、高效率、大幅度改善工藝性能新技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用及推廣極為重視。制定了以開發(fā)變頻器為主的交流調(diào)速發(fā)展規(guī)劃。電子工業(yè)部在電子工業(yè)“九五”規(guī)劃 (草案 )發(fā)展重點(diǎn)中明確提出“以變頻調(diào)速裝置為代表的節(jié)能電子”。交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展趨勢正如該學(xué)術(shù)組負(fù)責(zé)人所說 :“從世界傳動局勢看 ,交流調(diào)速會取代直流調(diào)速。同步電機(jī)調(diào)速 ,在發(fā)達(dá)國家也仍處于發(fā)展階段 ,實(shí)用比例最大的在上萬千瓦。國內(nèi)外用量最大的還是 交流異步電機(jī)調(diào)速用變頻器”。隨著工業(yè)自動化程度的不斷提高和能源全球性短缺 ,變頻器越來越廣泛地應(yīng)用在機(jī)械、紡織、化工、造紙、冶金、食品等各個(gè)行業(yè)以及風(fēng)機(jī)、水泵等節(jié)能場合 ,并取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益。近年來高電壓、大電流的ＳＣＲ、ＧＴＯ、ＩＧＢＴ、ＩＧＣＴ等器件的生產(chǎn)以及并聯(lián)、串聯(lián)技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用 ,使高電壓、大功率變頻器產(chǎn)品的生產(chǎn)及應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)。矢量控制 、磁通控制、轉(zhuǎn)矩控制、模糊控制等新的控制理論為高性能的變頻器提供了理論基礎(chǔ) 。 4) 基礎(chǔ)工業(yè)和各種制造業(yè)的高速發(fā)展 ,變頻器相關(guān)配套器件社會化、專業(yè)化生產(chǎn)。 交流調(diào)速未來的發(fā)展方向 交流變頻調(diào)速技術(shù)是強(qiáng)弱電混合、機(jī)電一體的綜合性技術(shù) ,既要處理巨大電能的轉(zhuǎn)換 (整流、逆變 ),又要處理信息的收集、變換 和傳輸 ,因此它的共性技術(shù)必定分成功率和控制兩大部分。 實(shí)現(xiàn)高水平的控制。基于現(xiàn)代理論的控制策略 ,有滑模變結(jié)構(gòu)技術(shù)、模型參考自適應(yīng)技術(shù)、采用微分幾何理論的非線性解耦、魯棒觀察器 ,在某種指標(biāo)意義下的最優(yōu)控制技術(shù)和逆奈奎斯特陣列設(shè)計(jì)方法等 。 開發(fā)清潔電能的變頻器。對中小容量變頻器 ,提高開關(guān)頻率的ＰＷＭ控制是有效的。 裝置體積小巧。功率器件冷卻方式的改變 (如水冷、蒸發(fā)冷卻、空冷 )對縮小裝置的尺寸也很有效。以 32位高速微處理器為基礎(chǔ)的數(shù)字控制模板有足夠的能力實(shí)現(xiàn)各種控制算法 ,Ｗｉｎｄｏｗｓ操作系統(tǒng)的引入使得可自由設(shè)計(jì) ,圖形編程的技術(shù)也有很大發(fā)展。保證變頻器的連續(xù)可靠運(yùn)行 ,特別是對于石油、化工、水廠、電廠的重要負(fù)荷 ,有一定的冗余設(shè)計(jì)是必要的 ,在設(shè)計(jì)中充分考慮用戶的實(shí)際情況及設(shè)備連續(xù)運(yùn)行的要求 ,硬件設(shè)計(jì)中留有較大的余地 ,運(yùn)行中 ,當(dāng)每相有一、二個(gè)組件出現(xiàn)故障時(shí) ,不影響 正常運(yùn)行 ,在方便時(shí)再停下來檢修 ,當(dāng)某一組組件出現(xiàn)問題時(shí)該組不產(chǎn)生輸出 ,但不影響本相的正常輸出。 由式 (1)可知，轉(zhuǎn)速 n與頻率 f成正比，只要改變頻率 f 即可改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)頻率 f在 0～ 50Hz 的范圍內(nèi)變化時(shí)，電動機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬。 與傳統(tǒng)的交流施動系統(tǒng)相比，利用變頻器對交流電動機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制的交流施動系統(tǒng)有許多優(yōu)點(diǎn)，如節(jié)能，容易實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)有電動機(jī)的調(diào)速控制，可以實(shí)現(xiàn)大范圍內(nèi)的高效連續(xù)調(diào)速控制，容易實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)切換，可以進(jìn)行高額度的起停運(yùn)轉(zhuǎn)，可以進(jìn)行電氣制動，可以對電動機(jī)進(jìn)行高速驅(qū)動，可以適應(yīng)各種工作環(huán)境可以用一臺變顛器對多臺電動機(jī)進(jìn)行調(diào)速控 制，電源功率固數(shù)大，所需電源容量小，可以組成高性能的控制系統(tǒng)等等。變頻器不僅調(diào)速平滑，范圍大，效率高，啟動 電流小，運(yùn)行平穩(wěn)，而且節(jié)能效果明顯。一般分為整流電路、平波電路、控制6 極變頻電動機(jī) 設(shè)計(jì) 6 電路、逆變電路等幾大部分。變頻器的主電路大體上可分為兩類：電壓型是將電壓源的直流變換為交流的變頻器，直流回路的濾波是電容；電流型是將電流源的直流變換為交流的變頻器，其直流回路濾波電感。 PAM 是英文 Pulse Amplitude Modulation (脈沖幅度調(diào)制 ) 縮寫，是按一定規(guī)律改變脈沖列的脈沖幅度，以調(diào)節(jié)輸出量值和波形的一種調(diào)制方式 .低壓通用變頻輸出電壓為 380～ 650V，輸出功率為 ～ 400kW，工作頻率為 0～ 400Hz，它的主電路都采用交 — 直 — 交電路。 逆變器 負(fù)載側(cè)的變流器 2為逆變器。有規(guī)律地控制逆變器中主開關(guān)器件的通與斷，可以得到任意頻率的三相交流輸出。無論電動機(jī)處于電動或發(fā)電制動狀態(tài)，其功率因數(shù)總不會為 ，在中間直流環(huán)節(jié)和電動機(jī)之間總會有無功功率的交換。所以有常稱中間直流環(huán)節(jié)為中間直流儲能環(huán)節(jié)。其主要任務(wù)是完成對逆變器的開關(guān)控制、對整流器的電壓控制以及完成各種保護(hù)佛那個(gè)能等，控制方法可以采用模擬控制或數(shù)字控制。由于軟件的靈活性，數(shù)值控制方式靠可以完成模擬控制方式難以完成的功能。它是將交流電整流為可控直流電壓 ,然后由逆變器將直流電逆變成 交流電。為了提高功率因數(shù) ,可以不采用可控整流獲得直流電壓 ,而采用不可控整流再經(jīng)斬波器或脈寬調(diào)制逆變器來調(diào)壓。 在 SPWM 型逆變器中必須添加強(qiáng)迫換相電路。在此電路中由 VTl～ VT6 和 VDl～ VD6 組成逆變器， VT7~VTl0和 L， C 構(gòu)成換相電路， VTll， VTl2 和 Cp 及只 R1， R2等組成過載斷路開 關(guān)電路。我們現(xiàn)在來說明一下此電路的工作過程，圖 2— 4 表示出此逆變器的工作過程，圖中表示出 6只主晶閘管的控制脈沖以及換相晶閘管的工作方式。以晶閘管 VTl 強(qiáng)迫關(guān)斷為例來說明換相過程：當(dāng) VTl 導(dǎo)通時(shí)，設(shè)換相電容器已經(jīng)充好電，極性為左正右負(fù)，觸發(fā) VT7， VT8 換相晶閘管，使之導(dǎo)通，電容 C 上的電壓通過 VT7， VT8 及 VD4加到主晶閘管 VTl 上，使 VTl 受反壓 而關(guān)斷。晶閘管 VTl， VT3， VT5 強(qiáng)迫關(guān)斷過程相同，而晶閘管 VT4， VT6， VT2 強(qiáng)迫關(guān)斷過程相同。 VD7， VD8 為續(xù)流二極管，防止逆變管兩端出現(xiàn)過高電壓。一旦發(fā)生過電流，觸發(fā)導(dǎo)通 VTl2， Cp經(jīng) r1，只：放電，給 VTll 加反壓而使之關(guān)斷，從而切斷主電路，實(shí)現(xiàn)過電流保護(hù)。這里只討論交 直 交 (AcDcAc)變頻器。 1 環(huán)控制的通用變頻器三相異步電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng) [5] 控制框圖如圖 1所示。但是，由于是開環(huán)控制方式，其調(diào)速精度和動態(tài)響應(yīng)特性并不是十分理想。異步電動機(jī)存在轉(zhuǎn)差率，轉(zhuǎn)速隨負(fù)荷力矩變化而變動，即使目前有些變頻器具有轉(zhuǎn)差補(bǔ)償功能及轉(zhuǎn)矩提升功能，也難以達(dá)到 %的精度，所以采用這種 V/F 控制的通用變頻器異步機(jī)開環(huán)變頻調(diào)速適用于一般要求不高的場合，例如風(fēng)機(jī)、水泵等機(jī)械。 圖 25 矢量控制變頻器的異步電機(jī)變頻變頻調(diào)速 VVVF 矢量變頻器 對比圖 1 和圖 2控制框圖，兩者的差別僅在使用的變頻器不同。雖說它是開環(huán)控制系統(tǒng)，但是大大提升了靜態(tài)精度和動態(tài)品質(zhì)。如果生產(chǎn)要求不是十分高的情形下，采用矢量變頻器無傳感器開環(huán)異步電機(jī)變頻調(diào)速是非常合適的，可以達(dá)到控制 結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高的實(shí) 效 。 它有許多優(yōu)點(diǎn)： （ 1）可以從零轉(zhuǎn)速起進(jìn)行速度控制，即甚低速亦能運(yùn)行，因此調(diào)速范圍很寬廣，可達(dá) 100:1 或 1000:1； （ 2）可以對轉(zhuǎn)矩實(shí)行精確控制； 6 極變頻電動機(jī) 設(shè)計(jì) 10 （ 3）系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度甚快； （ 4）電動機(jī)的加速度特性很好等優(yōu)點(diǎn)。況且，在某些情況下，由于電動機(jī)本身或環(huán)境的因素?zé)o法安裝速度傳感器。 因此，如若非采用不可的情況下，對于調(diào)速范圍、轉(zhuǎn)速精度和動態(tài)品質(zhì)要求不是特別高的條件場合，往往采用無速度傳感器矢量變 頻器開環(huán)控制異步機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)。 圖 26 永磁同步電動機(jī)開環(huán)控頻調(diào)速 SM同步電動機(jī) （ PM. SM） 制變永磁式 假如將圖 1中異步電動機(jī) (IM)換成永磁同步電動機(jī) ()，就是第四種變頻調(diào)速控制方案。至于調(diào)速性能如何呢？ 由于是同步電動機(jī)，它轉(zhuǎn)速始終等于同步轉(zhuǎn)速 N0=60F/P，只取決于電動機(jī)供電頻率 F，而與負(fù)載大小無關(guān)（除非負(fù)載力矩大于或等于失步轉(zhuǎn)矩，同步電動機(jī)會失步，轉(zhuǎn)速迅速停止），其機(jī)械特性曲線為一根平行橫軸直線，絕對硬特性。因?yàn)橥诫妱訖C(jī)轉(zhuǎn)速精度與變頻器頻率精度相一致（在開環(huán)控制方式時(shí)），所以特別適合多電機(jī)同步傳動，靜態(tài)轉(zhuǎn)速精度要求甚高 (～ %)的化纖紡絲機(jī)，是最理想最簡單的首選方案。 3) 交流電動機(jī)變頻調(diào)速控制方案的選擇 在對四種常用控制方案分析的基礎(chǔ)上，列表進(jìn)行對比，可以根據(jù)實(shí)際需求作出正確選擇。 由于在調(diào)速系統(tǒng)中，異步電動機(jī) —— 變頻電源 —— 控制單元是密切相關(guān)的，構(gòu)成一個(gè)相對獨(dú)立的整體。尤其是在電動機(jī)參數(shù)的選取時(shí)，不再是僅僅在電動機(jī)內(nèi)部綜合考慮，而應(yīng)就整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)通盤考慮。因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)變頻 器和電動機(jī)兩者的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的合理性綜合分析，從總體的最佳要求來確定。變頻調(diào)速電動機(jī)既然由專用的逆變電源供電，這就避免了以往直接由工頻電網(wǎng)供電的各種限制，因此其參數(shù)配置和性能要求在許多方面也就不再受工頻運(yùn)行的制約。系統(tǒng)起動時(shí)總是采用降頻降壓的軟起動方式，這樣不必考慮工頻起動特性。因此，可盡量減少轉(zhuǎn)子電阻，必要時(shí)還可增大定、轉(zhuǎn)子漏抗。 應(yīng)用交流變頻調(diào)速技術(shù)的主要目的，一是節(jié)能；二是高精度的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速控制；三是現(xiàn)高速驅(qū)動。由于以上特點(diǎn) ，因而帶來以下一系列問題： (1)損耗增加，效率降低 由于變頻電源的輸出中含有大量的高次諧波，這些諧波會產(chǎn)生相應(yīng)的銅損耗和鐵損耗，降低運(yùn)行效率。而高次諧波不僅沒有降低，反而大大增加了。 (2)產(chǎn)生電磁振動和噪聲 由于一系列高次 諧波的存在，還會產(chǎn)生電磁振動和噪聲。而對于由變頻電源供電的電動機(jī)來講，由于電源的非正弦性，就使問題變得更為復(fù)雜和棘手。 (4)出現(xiàn)浪涌電壓和電暈現(xiàn)象，損害電動機(jī)絕緣 電動機(jī)運(yùn)行時(shí)，外加電壓經(jīng)常與變頻裝置中元器件換流時(shí)產(chǎn)生的浪涌電流相迭加，有時(shí)浪涌 電壓較高，致使線圈受到反復(fù)電沖擊，絕緣加速老化。 (5)產(chǎn)生軸電壓和軸電流，縮短軸承壽命 軸電壓的產(chǎn)生主要是由于磁路不平衡和靜電感應(yīng)現(xiàn)象的存在，這在普通電動機(jī)中并不嚴(yán)重，但在變頻電源供電的電動機(jī)中則較為突出。 (6)低速運(yùn)行時(shí)散熱效果降低 由于變頻調(diào)速電動機(jī)調(diào)速范圍大，常常在低頻率下低速運(yùn)行。 (7)容易產(chǎn)生共振干擾 一般來說，任何機(jī)械裝置都會產(chǎn)生共振現(xiàn)象。而變頻調(diào)速運(yùn)行時(shí)的電動機(jī)運(yùn)行頻率變化范圍廣，加之各個(gè)部件都有各自的固有頻率，這就極易使它在某一頻率下發(fā)生共振， 綜上所述，異步電動機(jī)在由變頻電源供電運(yùn)行時(shí)將會面臨諸多的特殊問題。 6 極變頻電動機(jī) 設(shè)計(jì) 13 由于變頻電機(jī)是有變頻器供電的，而變頻器輸出的電 壓或電流中含有比工頻電網(wǎng)多的多的諧波，所以再設(shè)計(jì)時(shí)必須給予考慮，下面是對諧波的一些相關(guān)分析。正常使用時(shí)每一組線圈若流入一個(gè)正弦電流，這個(gè)電流將產(chǎn)生一個(gè)脈動的磁勢。由于相繞組通常是在鐵心表面均勻分布的，所以磁勢在空間的分布是非正弦的?，F(xiàn)在只考慮基波分量，電動機(jī)的氣隙中有三個(gè)正弦分布的磁 勢波，它們在空間相差 ?120 。 用 F1表示繞組 1 在某一時(shí)刻磁動勢波的幅值，則空間磁勢的分布可用下式表示。 幅值 F1的瞬時(shí)值為