設(shè)計與研究 | 變頻調(diào)速系統(tǒng)的特點和應(yīng)用

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 本文主要講述變頻調(diào)速系統(tǒng)的原理，特點和節(jié)能優(yōu)勢。重點對變頻調(diào)速系統(tǒng)和電機在設(shè)計、使用方面的特性進(jìn)行闡述。

0. 引言

隨著電力電子技術(shù)及新型半導(dǎo)體器件的迅速發(fā)展，交流調(diào)速技術(shù)得到不斷完善和提高，逐步完善的變頻器以其良好的輸出波形、優(yōu)異的性能價格比在交流電機上得到廣泛應(yīng)用。        

交流變頻調(diào)速系統(tǒng)比直流調(diào)速系統(tǒng)具有顯著的優(yōu)點：

1）調(diào)速容易，節(jié)能降耗。

2）交流電機結(jié)構(gòu)簡單、體積小、慣量小、造價低、維修容易、耐用。

3）可以擴大容量，實現(xiàn)高轉(zhuǎn)速和高電壓運行。

4）可以實現(xiàn)軟啟動和快速制動。

5）無火花、防爆、環(huán)境適應(yīng)能力強。近年來，交流變頻調(diào)速傳動裝置以每年13%～16%的增長率發(fā)展，有逐步取代大部分直流調(diào)速傳動裝置的趨勢。由于以恒頻、恒壓電源進(jìn)行工作的普通異步電機應(yīng)用于變頻調(diào)速系統(tǒng)時，存在局限性，為此，根據(jù)使用場合和使用要求設(shè)計出專用變頻交流電動機，與變頻器一起構(gòu)成交流變頻調(diào)速系統(tǒng)。

1. 變頻器與變頻電機的工作原理

變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。21世紀(jì)初期，使用的變頻器主要采用交—直—交方式（VVVF變頻或矢量控制變頻），先把工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機。

變頻器的電路一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制4個部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為IGBT三相橋式逆變器，且輸出為PWM波形，中間直流環(huán)節(jié)為濾波、直流儲能和緩沖無功功率。異步電動機的轉(zhuǎn)速當(dāng)轉(zhuǎn)差率變化不大時，轉(zhuǎn)速正比于頻率，改變電源頻率能改變異步電動機的轉(zhuǎn)速，變頻電機通過改變輸入電機電源的頻率來改變轉(zhuǎn)速。

變頻調(diào)速時，如果主磁通大于正常運行時的磁通，則磁路過飽和，勵磁電流增大，功率因數(shù)降低；若主磁通小于正常運行時的磁通，電流減小，電機轉(zhuǎn)矩下降。

2. 變頻電機主要特點

變頻專用電動機具有如下特點：

1）B級溫升設(shè)計，F(xiàn)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特殊的絕緣結(jié)構(gòu)，使電氣繞組絕緣耐壓及機械強度有很大提高，勝任電機高速運轉(zhuǎn)及抵抗變頻器高頻電流沖擊以及電壓對絕緣的破壞。

2）平衡質(zhì)量高，震動等級為R級，機械零部件加工精度高，并采用專用高精度軸承，可以高速運轉(zhuǎn)。

3）強制通風(fēng)散熱系統(tǒng)，全部采用進(jìn)口軸流風(fēng)機超靜音、高壽命，強勁風(fēng)力。保障電機在任何轉(zhuǎn)速下，得到有效散熱，可實現(xiàn)高速或低速長期運行。

4）與傳統(tǒng)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(jìn)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)。

5）具有寬范圍恒轉(zhuǎn)矩與功率調(diào)速特性，調(diào)速平穩(wěn)，無轉(zhuǎn)矩脈動。與各類變頻器配套使用，均具有良好的參數(shù)匹配，配合矢量控制，可實現(xiàn)零轉(zhuǎn)速、全轉(zhuǎn)矩、低頻大力矩與高精度轉(zhuǎn)速控制、位置控制及快速動態(tài)響應(yīng)控制。

6）變頻專用電機可配制剎車器，編碼器，獲得精準(zhǔn)停車，通過轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制實現(xiàn)高精度速度控制。采用“減速機+變頻專用電機+編碼器+變頻器”實現(xiàn)超低速無級調(diào)速的精準(zhǔn)控制，其控制原理圖如圖1所示。

7）變頻電機通用性好，安裝尺寸符合IEC標(biāo)準(zhǔn)，與一般標(biāo)準(zhǔn)型電機具備互換性。

變頻專用電動機效率高，符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB18163-2020《電動機能效限定值及能效等級》中小型三相異步電動機能效限定值。雙頻寬電壓，電壓范圍220V~690V，適用50Hz和60Hz電源。噪聲低，通過優(yōu)化電磁設(shè)計、通風(fēng)狀況、結(jié)構(gòu)尺寸等技術(shù)。軸承負(fù)載能力高，電動機選用深溝球軸承，壽命長，80-132中心高電動機為密封軸承，160-355為開式軸承，軸承系統(tǒng)設(shè)有加油裝置。電動機為全封閉風(fēng)冷結(jié)構(gòu)，防護(hù)等級IP55，材料及工藝符合環(huán)境要求。

機械強度高，堅固耐用，防銹防腐性強。繞組可靠性好，采用F級絕緣結(jié)構(gòu)，B級考核。并可根據(jù)用戶需要增加PTC熱敏電阻或熱敏開關(guān)。變頻專用三相異步電動機功率從0.25KW-315KW，機座中心高從71mm-355mm。可廣泛應(yīng)用于輕工，紡織，化工，冶金，機床等需要調(diào)速的行業(yè)，是一種理想的調(diào)速動力源。

3. 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用

交流變頻調(diào)速系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)的無級變速傳動。隨著變頻器在工業(yè)控制領(lǐng)域內(nèi)日益廣泛的應(yīng)用，變頻調(diào)速電機在變頻控制方面較普通電機具有明顯的優(yōu)越性，主要有節(jié)能，節(jié)約資源，減少環(huán)境污染。消除電動機的啟動沖擊以及對電網(wǎng)的沖擊，降低電動機和設(shè)備故障率。

提高控制精度和自動化程度。變頻調(diào)速的經(jīng)濟(jì)效益非常顯著，對于泵和風(fēng)機，流體流量與轉(zhuǎn)速一次方成正比，轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的二次方成正比，而功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，轉(zhuǎn)速降低，電機功耗以三次方下降，因此變頻調(diào)速的節(jié)電效果非常顯著。如果流量降低，則轉(zhuǎn)速降低，電流降低，而電機的功耗降低，理論上節(jié)能。

如果原本采用風(fēng)門、閥門調(diào)節(jié)，流量降低、壓頭增加，電機功率減少，這樣，變頻調(diào)速比風(fēng)門、閥門類調(diào)節(jié)節(jié)能。除了節(jié)能增效外，對于不同負(fù)載，還有一些間接的經(jīng)濟(jì)效益，主要有功率因數(shù)得以提高，實現(xiàn)軟啟動，減小啟動力矩對電機的電氣機械損傷，控制平滑、穩(wěn)定、精度高。

4. 變頻電機和普通電機的區(qū)別與不同速度的控制方式

變頻電機對于需要頻繁啟動、頻繁調(diào)速、頻繁制動的場合，要優(yōu)于普通電動機。在變頻驅(qū)動下，變頻電機的效率會提高10%左右，而溫升會小20%左右，尤其是在矢量控制或者直接轉(zhuǎn)矩控制的低頻區(qū)域。在電磁噪聲和振動方面，變頻電機在變頻驅(qū)動時較普通電動機有更低的噪音和更小的電磁振動。由于變頻電機專為變頻器驅(qū)動設(shè)計，所以能承受較大的du/dt，變頻電動機的絕緣強度要高，尤其是在DTC控制模式下，對電動機的絕緣強度提出更高的要求。

一般情況下，變頻電機以100%額定負(fù)載在10%~100%額定速度范圍內(nèi)連續(xù)運行，溫升不會超過電機標(biāo)定容許值。變頻電機主要解決普通電機在低速和高速運行的一些問題，普通電機在低速運行時，存在電機散熱問題和高速運行時的電機軸承強度問題。

普通電機大多是空氣自冷式，靠后端風(fēng)扇散熱，當(dāng)電機的轉(zhuǎn)速較低時，電機散熱容易出現(xiàn)問題。相對于普通電機，變頻電機優(yōu)勢明顯。變頻電機采用“專用變頻感應(yīng)電動機+變頻器”的交流調(diào)速方式，使機械自動化程度和生產(chǎn)效率提高，設(shè)備小型化、增加舒適性。

超過3000r/min時，應(yīng)采用耐高溫的特殊潤滑脂，以補償軸承的溫度升高。二次轉(zhuǎn)矩負(fù)載，在轉(zhuǎn)速降低時，轉(zhuǎn)矩也降低，發(fā)熱量也降低，適合選用普通電機用于變頻，在實際轉(zhuǎn)速不低于40%同步轉(zhuǎn)速的情況下使用。其他負(fù)載，在60%同步速及以上運行時，可選用普通的電機。

在25%—60%同步轉(zhuǎn)速運行時，選用外部強制冷卻的變頻專用電機。當(dāng)轉(zhuǎn)速低于25%同步速時，選用完全強制冷卻電動機。即矢量專用電動機。不同的變頻控制方式控制速度不一樣，采用U/F控制方式控制速度的范圍是150—1470r/min；采用無速度傳感器的矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制，控制速度的范圍是60—1500r/min；采用速度傳感器的矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制，控制速度的范圍是5—1500r/min。

5. 結(jié)論

采用變頻調(diào)速系統(tǒng)，電動機可以在很低的頻率和電壓下以無沖擊電流的方式啟動，并可利用變頻器所供的各種制動方式進(jìn)行快速制動，實現(xiàn)頻繁啟動和制動，因電動機的機械系統(tǒng)和電磁系統(tǒng)處于循環(huán)交變力的作用下，造成機械結(jié)構(gòu)和絕緣結(jié)構(gòu)加速疲勞和老化。變頻調(diào)速系統(tǒng)對電機的要求主要在三個方面：絕緣等級，強制冷卻和轉(zhuǎn)子軸承，如果在基頻以上調(diào)速，還要考慮電機結(jié)構(gòu)的機械強度。

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