变频器与电动机的效率问题

邹德金/大连公路工程集团有限公司金州分公司

变频器与电动机的效率问题

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从机电一体化的观点和变频调速系统的总体性能出发，使得异步电动机和变频器达到最佳匹配，是电动机和变频器组成的交流调速系统亟需解决的关键问题。

电动机;变频器；效率

1.电动机的相关信息及设计

1.1电动机结构及各部分的作用

电动机种类的选择,主要根据生产机械工艺对电力拖动系统提出的要求,着重是对调速指标的要求。目前,直流电动机调速的技术指标较好,设备投资较高,对调速指标要求不太高的场所,可有限考虑采用交流电动机。一般电动机主要由两部分组成:固定部分称为定子,旋转部分称为转子,还有端盖、风扇、罩壳、机座、接线盒等。定子的作用是用来产生磁场和作电动机的机械支撑,电动机的定子由定子铁心、定子绕组和机座三部分组成,定子绕组镶嵌在定子铁心中,通过电流时产生感应电动势,实现电能量转换,机座的作用主要是固定和支撑定子铁心。电动机运行时,内部损耗而发生的热量通过铁心传给机座,再由机座表面散发到周围空气中。为了增加散热面积,一般电动机在机座外表面设计为散热片状,电动机的转子由转子铁心、转子绕组和转轴组成。转子铁心也是作为电动机磁路的一部分,转子绕组的作用是感应电动势,通过电流而产生电磁转矩,转轴是支撑转子的重量,传递转矩,输出机械功率的主要部件。

1.2电动机的原理

电动机的工作原理是建立在电磁感应定律、全电流定律、电路定律和电磁力定律等基础上。当磁极沿顺时针方向旋转,磁极的磁力线切割转子导条,导条中就感应出电动势,电动势的方向由右手定则来确定。运动是相对的,假如磁极不动,转子导条沿逆时针方向旋转,则导条中同样也能感应出电动势来。在电动势的作用下,闭合的导条中就产生电流。该电流与旋转磁极的磁场相互作用,使转子导条受到电磁力F,电磁力的方向可用左手定则确定。由电磁力进而产生电磁转矩,转子就转动起来。

1.3电动机设计问题

（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,导致轴承损坏,一般要采取绝缘措施。

（5）对恒功率变频电动机,当转速超过3000/min时,应采用耐高温的特殊润滑脂。

1.4相异步电动机功率以及转速的计算和选择

根据异步电动机的转速表达式:

n=n1(1-S)=60f1(1-S)/P

电机的额定功率是750W,采用星形接法,接在三相380伏的电源上,用变频器监测电流是1.1A;我又用钳形电流表进行测量,测得每相电流为1.1A,这就说明变频器和钳形电流表测得的电流是一致的。电机是星形接法,线电压是相电压的1.732倍,线电流等于相电流,电机实际消耗的功率:380×1.1×1.732=724 W,这样电机实际消耗的功率就接近于电机的额定功率。如果电机是三角形接法,线电压等于相电压,线电流是相电流的1.732倍,电机实际消耗功率的计算是一样的。

2.变频器调速时电动机特性及电动机噪声的控制方法

2.1变频调速时电动机的机械特性

用变频调速的方法可以得到很大的调速范围,很好的平稳性和有足够的硬度的机械特性。交流电动机不论是三相同步还是异步在定子内供给频率为f的电压时,将产生旋转磁场,并以每分钟n的转速旋转,它们的转速公式都是如下公式:

n=60 f/p(7-1)

n=(7-2)

p—极对数f---为频率S---转差率(0---3％或0---6％)

式中p为定子极对数。很显然只要改变供电频率f则转速可以改变。机械曲线将沿坐标轴上下移动,从而达到调速的目的采用改变供电电源频率f1的调速方法,可以得到很大的调速范围,很好地调速平滑性和足够硬度的机械特性。变频调速时,异步电动机的监界转矩的变化情况,其表达式为:

式中:U1—定子相电压

P—定子绕组的极对数

f1—定子供电频率。

当频率f1较低时,定、转子的漏抗随之下降,由于x1+x2较小,r1的影响不能忽略。此时Tm的数值大为降低。异步电机的监界转矩:Tmix

随着定子供电频率f1的降低,异步电机的最大转矩也相应减小,甚至会出现带不起负载的现象。这时的机械性曲线n=f(M)是一簇向下的平行曲线。其中f11>f12>f14>f15>f16,当f1较低,如f1s及f16时,Tm尢为降低。为了保持电机在低速时有足够大的Tm,可在低速时,U1比f1降低的比例小一些,使U1f1的比值随f1的降低而增加。

根据计算,当定子供电频率减小10倍时,最大转矩降低7.8倍。灾是因为随着f1的下降,定子电压U1也成比例地降低,即所谓变频调速的协调控制。U1较小时,定子电阻r1上的压降在U1中占比重较大。

U1=I1r1+E,使得产生气隙磁通的感应电势E减小,造成气隙磁通(φ)的减弱,因而电磁转矩T=KφIcosθ下降。使电机的利用率恶化。许多场合要求在调频的同时改变定子电压V,以维持磁通(φ)接近不变;维持Tm。无法维持Tm;被称为“低速线”。适用于速度范围不太大或转矩随转速下降而减小的负载(如风机、泵)。风机和水泵低速时的阻转矩极小,即命名不补偿,电动机的转矩仍有余量,为了节能,可进一步降低电压(即减小值)。

f1由小到达额定值fe,其中f2、f3、f4所对应的最大转矩,用上述方法选用容量132KVA变频器与容量90KW异步电动机驱动风机配套使用。由此可以得出一个很重要的结论:带有低频提升转矩功功能的变频装置,在电坳机起动的全过程中,能以最大转矩拖动机起动的全过程中,能以最大转矩拖动机械起动

2.2电动机噪声的控制方法

电动机噪声的控制方法主要有两点:其一是合理设计电机结构。电机设计人员对电磁设计,机械设计做了很大的改进,又对风扇叶片的形状及尺寸,通风口的形状和大小,风道的形状进行了合理的设计,这些方法从噪声源上降低噪声,是非常有效可行的。降低机械噪声主要是提高轴承的质量,装配,公差等。电机放置要水平(破坏平衡),防护罩及盖板的安装(共振);其二是加装消声器。消声器的基本要求是:具有良好的降噪效果,把电机的噪声控制在容许的范围内;消声器的空气阻力要小;安装消声器后不影响电机的冷却散热,电机的温升要控制在允许范围之内;消声器要体积小,重量轻,便于安装与拆卸,维修要方便。

3.结束语

通过理论分析，证明变频器输出谐波对电动机的运行产生很多不利影响，以机电一体化的角度，从优化变频器与电动机组成的变频装置的整体效率出发对交流调速系统进行匹配设计，使其整体性能最佳有着重要的意义。

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