為什么變頻電機能吊打普通電機?
發(fā)布時(shí)間:2021-03-20
電動(dòng)機的調速與控制,是工農業(yè)各類(lèi)機械及辦公、民生電器設備的基礎技術(shù)之一。隨著(zhù)電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)的驚人發(fā)展,采用“變頻感應電動(dòng)機+變頻器”的交流調速方式,正在以其的性能和經(jīng)濟性,在調速領(lǐng)域,引導了一場(chǎng)取代傳統調速方式的更新?lián)Q代的變革。它給各行各業(yè)帶來(lái)的福音在于:使機械自動(dòng)化程度和生產(chǎn)效率大為提高、節約能源、提高產(chǎn)品合格率及產(chǎn)品質(zhì)量、電源系統容量相應提高、設備小型化、增加舒適性,目前正以很快的速度取代傳統的機械調速和直流調速方案。
由于變頻電源的性,以及系統對高速或低速運轉、轉速動(dòng)態(tài)響應等需求,對作為動(dòng)力主體的電動(dòng)機,提出了苛刻的要求,給電動(dòng)機帶來(lái)了在電磁、結構、絕緣各方面新的課題。
變頻調速目前已經(jīng)成為主流的調速方案,可廣泛應用于各行各業(yè)無(wú)級變速傳動(dòng)。
特別是隨著(zhù)變頻器在工業(yè)控制領(lǐng)域內日益廣泛的應用,變頻電機的使用也日益廣泛起來(lái),可以這樣說(shuō)由于變頻電機在變頻控制方面較普通電機的優(yōu)越性,凡是用到變頻器的地方我們都不難看到變頻電機的身影。
普通電機與變頻電機的差異
一、普通異步電動(dòng)機都是按恒頻恒壓設計的,不可能適應變頻調速的要求
以下為變頻器對電機的影響:
1 電動(dòng)機的效率和溫升的問(wèn)題
不論那種形式的變頻器,在運行中均產(chǎn)生不同程度的諧波電壓和電流,使電動(dòng)機在非正弦電壓、電流下運行。據資料介紹,以目前普遍使用的正弦波PWM型變頻器為例,其低次諧波基本為零,剩下的比載波頻率大一倍左右的高次諧波分量為:2u+1(u為調制比)。
高次諧波會(huì )引起電動(dòng)機定子銅耗、轉子銅(鋁)耗、鐵耗及附加損耗的增加,為顯著(zhù)的是轉子銅(鋁)耗。因為異步電動(dòng)機是以接近于基波頻率所對應的同步轉速旋轉的,因此,高次諧波電壓以較大的轉差切割轉子導條后,便會(huì )產(chǎn)生很大的轉子損耗。除此之外,還需考慮因集膚效應所產(chǎn)生的附加銅耗。這些損耗都會(huì )使電動(dòng)機額外發(fā)熱,效率降低,輸出功率減小,如將普通三相異步電動(dòng)機運行于變頻器輸出的非正弦電源條件下,其溫升一般要增加10%--20%。
2 電動(dòng)機絕緣強度問(wèn)題
目前中小型變頻器,不少是采用PWM的控制方式。他的載波頻率約為幾千到十幾千赫,這就使得電動(dòng)機定子繞組要承受很高的電壓上升率,相當于對電動(dòng)機施加陡度很大的沖擊電壓,使電動(dòng)機的匝間絕緣承受較為嚴酷的考驗。另外,由PWM變頻器產(chǎn)生的矩形斬波沖擊電壓疊加在電動(dòng)機運行電壓上,會(huì )對電動(dòng)機對地絕緣構成威脅,對地絕緣在高壓的反復沖擊下會(huì )加速老化。
3 諧波電磁噪聲與震動(dòng)
普通異步電動(dòng)機采用變頻器供電時(shí),會(huì )使由電磁、機械、通風(fēng)等因素所引起的震動(dòng)和噪聲變的更加復雜。變頻電源中含有的各次時(shí)間諧波與電動(dòng)機電磁部分的固有空間諧波相互干涉,形成各種電磁激振力。當電磁力波的頻率和電動(dòng)機機體的固有振動(dòng)頻率一致或接近時(shí),將產(chǎn)生共振現象,從而加大噪聲。由于電動(dòng)機工作頻率范圍寬,轉速變化范圍大,各種電磁力波的頻率很難避開(kāi)電動(dòng)機的各構件的固有震動(dòng)頻率。
4 電動(dòng)機對頻繁啟動(dòng)、制動(dòng)的適應能力
由于采用變頻器供電后,電動(dòng)機可以在很低的頻率和電壓下以無(wú)沖擊電流的方式啟動(dòng),并可利用變頻器所供的各種制動(dòng)方式進(jìn)行快速制動(dòng),為實(shí)現頻繁啟動(dòng)和制動(dòng)創(chuàng )造了條件,因而電動(dòng)機的機械系統和電磁系統處于循環(huán)交變力的作用下,給機械結構和絕緣結構帶來(lái)疲勞和加速老化問(wèn)題。
5 低轉速時(shí)的冷卻問(wèn)題
首先,異步電動(dòng)機的阻抗不盡理想,當電源頻率較低時(shí),電源中高次諧波所引起的損耗較大。其次,普通異步電動(dòng)機再轉速降低時(shí),冷卻風(fēng)量與轉速的三次方成比例減小,致使電動(dòng)機的低速冷卻狀況變壞,溫升急劇增加,難以實(shí)現恒轉矩輸出。
二、變頻電動(dòng)機的特點(diǎn)
1 電磁設計
對普通異步電動(dòng)機來(lái)說(shuō),在設計時(shí)主要考慮的性能參數是過(guò)載能力、啟動(dòng)性能、效率和功率因數。而變頻電動(dòng)機,由于臨界轉差率反比于電源頻率,可以在臨界轉差率接近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)題是如何電動(dòng)機對非正弦波電源的適應能力。方式一般如下:
1) 盡可能的減小定子和轉子電阻。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,需適當增加電動(dòng)機的電感。但轉子槽漏抗較大其集膚效應也大,高次諧波銅耗也增大。因此,電動(dòng)機漏抗的大小要兼顧到整個(gè)調速范圍內阻抗匹配的合理性。
3)變頻電動(dòng)機的主磁路一般設計成不飽和狀態(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),為了提高輸出轉矩而適當提高變頻器的輸出電壓。
2 結構設計
在結構設計時(shí),主要也是考慮非正弦電源特性對變頻電機的絕緣結構、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,一般為F級或更高,加強對地絕緣和線(xiàn)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(dòng)、噪聲問(wèn)題,要充分考慮電動(dòng)機構件及整體的剛性,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動(dòng)。
4)防止軸電流措施,對容量超過(guò)160KW電動(dòng)機應采用軸承絕緣措施。主要是易產(chǎn)生磁路不對稱(chēng),也會(huì )產(chǎn)生軸電流,當其他高頻分量所產(chǎn)生的電流結合一起作用時(shí),軸電流將大為增加,從而導致軸承損壞,所以一般要采取絕緣措施。
5)對恒功率變頻電動(dòng)機,當轉速超過(guò)3000/min時(shí),應采用耐高溫的潤滑脂,以補償軸承的溫度升高。
同步電動(dòng)機
1 特點(diǎn)
1) 功率因數超前,一般額定功率因數為0.9,有利于電網(wǎng)的功率因數,增加電網(wǎng)容量。
2) 運行穩定性高,當電網(wǎng)電壓突然下降到額定值的80%時(shí),其勵磁系統一般能自動(dòng)調節實(shí)行強行勵磁,保證電動(dòng)機的運行穩定。
3)過(guò)載能力比相應的異步電動(dòng)機大。
4)運行效率高,尤其是低速異步電動(dòng)機。
2 啟動(dòng)方式
1) 異步啟動(dòng)法,同步電動(dòng)機多數在轉子上裝有類(lèi)似與異步電機籠式繞組的啟動(dòng)繞組。在勵磁回路串接約為勵磁繞組電阻值10倍的附加電阻來(lái)構成閉合電路,把同步電動(dòng)機的定子直接接入電網(wǎng),使之按異步電動(dòng)機啟動(dòng),當轉速達到亞同步轉速(95%)時(shí),再切除附加電阻。
2) 變頻啟動(dòng),用變頻器啟動(dòng),不在贅述。
3 應用
做過(guò)油田節電的師傅都知道,油田的抽油機電機,由于要求的啟動(dòng)轉矩大,工程師設計時(shí)一般將電機設計的很大,這就出現“大馬拉小車(chē)”現象,如:55KW的抽油機電機,在平衡塊基本調好后,其實(shí)際有功一般在十幾個(gè)KW,有時(shí)還小。我曾做過(guò)這樣的改造,將抽油機55KW異步電動(dòng)機改為22KW同步電機,后用變頻器控制,當然也可以根據排液量或別的信號進(jìn)行自動(dòng)控制。節電率可達40%。
因此,異步電動(dòng)機,同步電動(dòng)機,變頻電動(dòng)機三者各有特點(diǎn),主要看您所控制的工況環(huán)境,當然還要根據工程成本,能用異步電機盡量用異步電動(dòng)機。
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