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变频电机
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变频电机简介
 
变频电机是指在标准环境条件下,以100%额定负载在10%~100%额定速度范围内连续运行,温升不会超过该电机标定容许值的电机。
 
随着电力电子技术及新型半导体器件的迅速发展 ,交流调速技术得到不断的完善和提高 ,逐步完善的变频器以其良好的输出波形、优异的性能价格比在交流电机上得到广泛应用。 例如: 钢厂用于轧钢的大型电动机和中、小型辊道电动机、铁路及城市轨道交通用牵引电机、电梯电机、集装箱起吊设备用起重电机、水泵和风机用电机、压缩机、家用电器用电机等都相继使用交流变频调速电机 ,并取得了良好效果。采用交流变频调速电机比直流调速电机具有显著的优点:
 
( 1)调速容易 ,而且节能。
 
( 2)交流电机结构简单、体积小、惯量小、造价低、维修容易、耐用。
 
( 3)可以扩大容量 ,实现高转速和高电压运行。
 
( 4)可以实现软启动和快速制动。
 
( 5)无火花、防爆、环境适应能力强。
 
近年来 ,国际上变频调速传动装置以每年 13 %~ 16% 的增长率发展 ,并有逐步取代大部分直流调速传动装置的趋势。 由于以恒频、恒压电源进行工作的普通异步电机应用于变频调速系统时 ,存在着很大的局限性 ,国外发展了根据使用场合和使用要求而设计的专用的变频交流电动机。例如 ,有低噪音、低振动用的电机 ,有提高低速转矩特性的电机 ,有高速电机,有带测速发电机的电机以及矢量控制电机等。
 
变频电机构造原理
 
异步电动机的转速当转差率变化不大时,转速正比于频率,可见改变电源频率就能改变异步电动机的转速。在变频调速时,总希望主磁通保持不变。若主磁通大于正常运行时的磁通,则磁路过饱和而使励磁电流增大,功率因数降低;若主磁通小于正常运行时的磁通,则电机转矩下降。
 
变频电机主要特点
 
变频专用电动机具有如下特点:
 
B级温升设计,F级绝缘制造。采用高分子绝缘材料及真空压力浸漆制造工艺以及采用特殊的绝缘结构,使电气绕组采用绝缘耐压及机械强度有很大提高,足以胜任马达之高速运转及抵抗变频器高频电流冲击以及电压对绝缘之破坏。
 
平衡质量高,震动等级为R级(降振级)机械零部件加工精度高,并采用专用高精度轴承,可以高速运转。
 
强制通风散热系统,全部采用进口轴流风机超静音、高寿命,强劲风力。保障马达在任何转速下,得到有效散热,可实现高速或低速长期运行。
 
经AMCAD软件设计的YP系列电机,与传统变频电机相比较,具备更宽广的调速范围和更高的设计质量,经特殊的磁场设计,进一步抑制高次谐波磁场,以满足宽频、节能和低噪音的设计指标。具有宽范围恒转矩与功率调速特性,调速平稳,无转矩脉动。
与各类变频器均具有良好的参数匹配,配合矢量控制,可实现零转速全转矩、低频大力矩与高精度转速控制、位置控制及快速动态响应控制。YP系列变频专用电机可配制刹车器,编码器供货,这样即可获得精准停车,和通过转速闭环控制实现高精度速度控制。
 
采用“减速机+变频专用电机+编码器+变频器”实现超低速无级调速的精准控制。YP系列变频专用电机通用性好,其安装尺寸符合IEC标准,与一般标准型电机具备可互换性。
 
变频电机绝缘损坏
 
在交流变频电动机的推广应用过程中 ,曾出现大批交流变频调速电动机绝缘早期损坏的情况。许多交流变频电机运行的寿命只有 1~ 2年 ,有的只有几个星期 ,甚至在试运行中电机绝缘就出现损坏 ,而且通常发生在匝间绝缘 ,这给电机绝缘技术提出了新的课题。 实践证明 ,过去几十年研究发展起来的工频正弦波电压下的电机绝缘设计理论不能适用于交流变频调速电机。 需要研究变频电机绝缘的损坏机理 ,建立交流变频电机绝缘设计的基本理论 ,制定交流变频电机的工业标准。
 
1、电磁线的损坏
 
1. 1 局部放电和空间电荷
 
目前 ,变频调速交流电机均采用 IGB T( 绝缘栅二极管 )技术PWM ( Pulse width m odulatio n- 脉宽调制 )变频器控制。其功率范围约是 0. 75~ 500kW。 IGBT技术可以提供上升时间极短的电流 ,其上升时间在 20~100μs,所产生的电脉冲有极高的开关频率 ,达到20kHz。 当一个快速上升沿电压从变频器到电机端时 ,由于电机和电缆的阻抗不匹配 ,产生一个反射电压波。 这个反射波返回变频器 ,并再感应出另一个由于电缆和变频器阻抗不匹配而产生的反射波加在原始电压波上 ,从而在电压波前沿产生一个尖峰电压。尖峰电压的大小取决于脉冲电压的上升时间和电缆的长度。
 
通常电线长度增加时 ,电线二端都产生过电压 ,电机端的过电压幅值随电缆长度增加而增加 ,并趋于饱和 ,而电源端的过电压比电机端的过电压小 ,并且几乎与电缆长度无关。 试验表明 ,过电压产生于电压上升沿和下降沿处 ,并发生衰减振荡 ,其衰减服从指数规律 ,振荡周期随电缆长度而增加。对 PWM 驱动脉冲波形有二种频率 ,其一是开关频率。尖峰电压的重复频率与开关频率成正比。另一是基本频率 ,直接控制电机的转速。 在每一个基本频率开始时 ,脉冲极性从正到负或从负到正 ,在这一时刻 ,电机绝缘承受着一个二倍于尖峰电压值的全幅电压。另外 ,在一个散嵌绕组的三相电机中 ,不同相的相邻二匝之间的电压极性可能会不同 ,全幅电压的跃变也有可能达到二倍于一个尖峰电压值。 据测试 ,PWM 变频器输出的电压波形 ,在 380 /480V 交流系统中 ,在电机端测得的尖峰电压值为 1. 2~ 1. 5kV,而在 576 /600V的交流系统中 ,测得的尖峰电压值达到 1. 6~ 1. 8kV。 非常明显 ,在此全幅电压作用下 ,绕组匝间产生表面局部放电。 由于电离作用 ,在气隙中又会产生空间电荷 ,从而形成一个与外加电场反向的感应电场。 当电压极性改变时 ,这个反向电场与外加电场方向一致。这样 ,一个更高的电场产生 ,它会导致局部放电的数量增加 ,最终引起击穿。测试表明 ,作用于这些匝间绝缘的电冲击大小取决于导线特定的性能和 PWM 驱动电流的上升时间。 若上升时间小于0.1μs,则将有 80% 的电势加在绕组的前二匝上 ,即上升时间越短 ,电冲击就越大 ,匝间绝缘的寿命就越短。
 
1. 2 介质损耗发热
 
当 E超过绝缘体临界值时 ,其介质损耗迅速增加。当频率增加时 ,局部放电随之增加 ,结果产生热量 ,这些热量则引起更大的漏电流 ,从而使 Ni上升更快 ,即电机温升上升 ,绝缘加速老化。总之 ,在变频电机中正是由于上述局部放电、电介质加热、空间电荷感应等因素的共同作用引起电磁线的过早损坏。
 
2 主绝缘、相绝缘和绝缘漆的损坏
 
如前所述 ,采用 PWM 变频电源 ,使变频电机的端子处出现振荡电压幅值增加。因而 ,电机的主绝缘、相绝缘和绝缘漆承受更高的电场强度。据测试 ,由于变频器输出端电压上升时间、电缆长度和开关频率等因素的综合影响 ,上述端电压峰值可超过 3kV。 另外 ,当电机绕组匝间发生局部放电时 ,会使绝缘中分布电容所储存的电能变为热、幅射、机械和化学能 ,从而使整个绝缘系统劣化 ,绝缘的击穿电压降低 ,最终导致绝缘系统被击穿。
 
3 循环交变应力造成的绝缘加速老化
 
采用 PWM 变频电源供电 ,使变频电机可以在很低的频率、较低的电压下以及无冲击电流情况下起动 ,并可以利用变频器所提供的各种方式进行快速制动。 由于变频电机可实现频繁的起动制动 ,使电机绝缘频繁地处于循环交变应力作用下 ,使电机绝缘加速老化。
 
普通异步电机中存在的由于电磁激振力、机械传动等引起的振动等问题在变频电机中变得更为复杂。变频电源中含有的各种时间谐波与电磁部分固有的空间谐波相互干涉 ,形成各种电磁激振力。同时 ,由于电机工作频率范围宽 ,转速变化大 ,当其与机械部分的固有频率相一致时 ,出现共振。 在电磁激振力和机械振动影响下 ,电机绝缘受到更加频繁的循环交变应力作用 ,加速了电机绝缘的老化。
 
变频电机·电机试验台
 
设备介绍
 
变频电机试验一般需要采用变频器供电,由于变频器输出频率具有较宽的变化范围,且输出的PWM波含有丰富的谐波,传统的互感器及功率计已经不能满足试验的测量需要,应该采用变频功率分析仪及变频功率变送器等。
 
标准化电机试验台是响应节能减排,针对电机能效提升计划而推出的新型试验系统。标准化电机试验台将复杂系统标准化、仪器化,提高了系统可靠性,简化了安装调试过程,降低了系统成本。
 
工作原理
 
标准化电机试验台由试验电源、电参数测试系统、试验测控系统、电机试验测控报表软件等构成。
 
试验台由两台试验电源分别驱动对拖的两台电机,一台作电动机运行,一台作发电机运行;试验电源采用静止变频电源,两台试验电源共用整流单元,发电机发出的电能经过试验电源反向整流为直流电后供电动机试验电源的逆变单元使用,电网只需补充两台电机的损耗,相比电力测功机等直接消耗方案,可节约用电70%~90%。
 
电参数测试系统采用由变频功率传感器和变频功率分析仪构成的变频功率测试系统。因此,既能满足工频电机的低频堵转、超速等试验测试需要,也能满足变频电机试验测试需要,还可对试验电源的谐波等参数进行测试分析。
 
试验测控系统采用分布式测控系统,主要用于测量扭矩、转速、温度等非电量参数和试验过程中需要监视的电参量。
 
试验过程由电机试验测控报表软件控制,试验结束自动出具试验报告和电机合格判定。
 
构成特点
 
1、试验电源
 
满足试验标准对电机试验电源的要求,受程序控制进行相应操作。
 
2、变频功率分析仪
 
满足性能设计要求,变频功率传感器对试验过程中主要电参量进行测量,通过光纤传输到试验台变频功率分析仪。
 
3、开关量测控
 
采用分布式测控系统完成对包括电源柜、测量开关柜等系统中所有开关的控制和测试。
 
4、非电量测试
 
采用分布式测控系统完成对8路温度和1路扭矩及转速进行测试,通过光纤传输到试验台变频功率分析仪。
 
5、自动化试验台
 
通过各接口完成对设备的通信控制、获得试验过程的电量和非电量测量数据;
 
根据试验项目完成对试验电源的配置,对开关状态进行控制,通过软件设计实现试验项目的过程控制,完成试验过程,并获取相应的试验数据;
 
根据标准对试验过程获得的数据进行处理,获得试验结果,形成试验报告;
 
试验报告存储、打印。 
 
变频电机变频节能
 
我们使用的变频器主要采用交—直—交方式(VVVF变频或矢量控制变频),先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源,然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器,逆变部分为IGBT三相桥式逆变器,且输出为PWM波形,中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。
 
变频电机特殊设计
 
电磁设计
 
对普通异步电动机来说,在设计时主要考虑的性能参数是过载能力、启动性能、效率和功率因数。而变频电动机(variable-frequency Motor),由于临界转差率反比于电源频率,可以在临界转差率接近1时直接启动,因此,过载能力和启动性能不在需要过多考虑,而要解决的关键问题是如何改善电动机对非正弦波电源的适应能力。方式一般如下:
 
1) 尽可能的减小定子和转子电阻。
 
减小定子电阻即可降低基波铜耗,以弥补高次谐波引起的铜耗。
 
2)为抑制电流中的高次谐波,需适当增加电动机的电感。但转子槽漏抗较大其集肤效应也大,高次谐波铜耗也增大。因此,电动机漏抗的大小要兼顾到整个调速范围内阻抗匹配的合理性。
 
3)变频电动机的主磁路一般设计成不饱和状态,一是考虑高次谐波会加深磁路饱和,二是考虑在低频时,为了提高输出转矩而适当提高变频器的输出电压。
 
结构设计
 
在结构设计时,主要也是考虑非正弦电源特性对变频电机的绝缘结构、振动、噪声冷却方式等方面的影响,一般注意以下问题:
1)绝缘等级,一般为F级或更高,加强对地绝缘和线匝绝缘强度,特别要考虑绝缘耐冲击电压的能力。
 
2)对电机的振动、噪声问题,要充分考虑电动机构件及整体的刚性,尽力提高其固有频率,以避开与各次力波产生共振现象。
3)冷却方式:一般采用强迫通风冷却,即主电机散热风扇采用独立的电机驱动。
 
4)防止轴电流措施,对容量超过160KW电动机应采用轴承绝缘措施。主要是易产生磁路不对称,也会产生轴电流,当其他高频分量所产生的电流结合一起作用时,轴电流将大为增加,从而导致轴承损坏,所以一般要采取绝缘措施。
 
5)对恒功率变频电动机,当转速超过3000r/min时,应采用耐高温的特殊润滑脂,以补偿轴承的温度升高。
 
变频电机应用
 
变频调速已经成为主流的调速方案,可广泛应用于各行各业无级变速传动。
 
特别是随着变频器在工业控制领域内日益广泛的应用,变频电机的使用也日益广泛起来,可以这样说由于变频电机在变频控制方面较普通电机的优越性,凡是用到变频器的地方我们都不难看到变频电机的身影。
 
国产化高压变频装置的社会效益显著,主要有节能,从而节约资源,减少环境污染。消除电动机的启动冲击以及对电网的冲击,降低电动机和设备故障率。提高控制精度和自动化程度。变频调速的经济效益也非常显著,对于泵和风机,流体流量与转速一次方成正比,转矩与转速的二次方成正比,而功率与转速的三次方成正比,转速降低,电机功耗以三次方下降,因此变频调速的节电效果非常显著。如果流量由降到,则转速降到,则转速降到,压头降到,而电机的功耗降到,理论上节能。
 
如果原本采用风门、阀门调节,流量降低、压头增加,电机功率减少,这样,变频调速比风门、阀门类调节节能。除了节能增效外,对于不同的负载,还有一些间接的经济效益,主要有功率因数得以提高实现软启动减小启动力矩对电机的电气机械损伤控制平滑、稳定、精度高。
 
变频电机发展过程
 
现在的电机变频系统大都是采用的恒V/F 控制系统,这个变频控制系统的特点是结构简单、制作便宜。这个系统被广泛应用在风机等大型的并且对于变频系统的动态性能要求不是很高的地方。
 
这个系统是一种典型的开环控制系统,这个系统能够满足大多数电机的平滑的变速要求,但是对于动态和静态的调节性能都是有限的,不能应用在对动态和静态性能要求比较严格的地方。为了实现动态和静态调节的高性能,我们只能采用闭环控制系统来实现。
 
所以有的科研人员提出了控制闭环转差频率的电机调速方式,这种调速方式能够在静态动态调速中达到很高的性能,但是这种系统只能在转速比较慢的电机中得到应用,应为在电机的转速较高的时候,这种系统不仅不会达到节约电能的目的,还会使电机产生极大的瞬态电流,使得电机的转矩在瞬间发生变化。
 
所以说为了实现在较高的转速中实现较高的动态和静态性能,只有先解决电机产生瞬态电流的问题,只有将这个问题合理的解决我们才能更好的发展电机变频节能控制技术。
 

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