低壓變頻調速電機的特點和變頻調速節能控制應用

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(德州恒力電機有限責任公司，山東德州 253000)

0 引言

隨著變頻調速技術的發展，通過變頻器進行調速已成為交流電機調速的主流方式，廣泛應用于一般農業和工礦企業，如水泵、鼓風機、運輸機械、農業機械。變頻專用電機通過變頻器變頻調速控制，在使用過程中具有變速和節能雙重優勢，應用領域越來越廣。

1 變頻專用電機設計特點和節能優勢

變頻專用三相異步電動機設計時需考慮的主要因素：(1)變頻調速電機運行在一個區間，不僅考慮在額定狀態下具有較佳的性能，重點考慮在整個運行區間都具有較好的運行性能。(2)變頻調速系統中，功率因數的高低對系統，尤其對變頻器的工作狀態影響大。低功率因數時，需要更大容量的變頻器，同時，大容量變頻器的使用會造成系統效率降低，諧波分量增加。(3)由于變頻器的開關作用，使得電壓，電流時間諧波增加，電機內部電磁諧波隨之增加，定轉子齒槽分布產生的齒諧波，在一定條件下可與電流時間諧波相互抵消，因此，定轉子槽數，槽形及其尺寸設計應考慮減小磁場諧波分量。(4)變頻電機可通過變頻變壓控制，滿足對啟動性能的要求，設計中，轉子槽形只需考慮滿足穩定運行時的最優性能來優化設計，轉子的電阻和漏抗應盡量小。

變頻專用三相異步電動機較普通三相異步電動機在出力不變的條件下，其體積減少25%～30%，或電機功率密度增加25%～30%，同時，在調速范圍內平均運行效率提高3%，平均功率因數提高4%，從而使變頻專用三相異步電動機應用范圍大大擴展，在風機水泵調速節能中得到廣泛應用。

2 變頻專用三相異步電動機的機械特性和不同負載的控制

對于變頻專用三相異步電動機，由于調頻調壓很方便，其機械特性可以有條件的平移，如圖1所示。

圖1變頻調速三相異步電動機的機械特性

電源頻率降低，電機機械特性曲線在坐標系中左移。可通過變頻調節直接將最大轉矩用做啟動轉矩，從而在提高穩定運行性能的目標上，優化設計轉子槽。通過變頻變壓，可將變頻電機調節在最佳運行點上，即最小滑差，最大效率和高功率因數代替額定效率和額定功率因數，進而減小電機尺寸及重量，降低成本。

根據不同的使用情況，變頻電機所帶負載基本上可分為：恒轉矩負載、恒功率負載和平方轉矩負載三類。恒轉矩負載其所需轉矩基本不受速度變化的影響，變頻器的整個工作區最好運行在基頻以下，采用恒磁通調壓調速，這時變頻器的輸出特性能夠滿足負載的要求。恒功率負載在轉速越高時，所輸出轉矩越小，電機的工作頻率若運行在基頻以上，多采用恒壓調速，其所要求的機械特性將與變頻器的輸出特性相吻合。平方轉矩負載，所要求的轉矩與轉速的平方成正比，電機運行在基頻以下較為合理。需要注意的是：平方轉矩負載的工作頻率絕不能超過工頻，以免變頻器與變頻電機過載。

3 變頻控制的恒磁通和恒壓調速特點

電動機變頻器調速時有兩種情況：基頻(基準頻率)以下(3Hz或5Hz～50Hz)調速和基頻以上(50Hz～100Hz)調速，其負載特性如圖2所示。

圖2變頻調速電動機負載特性圖

兩種情況下都要盡量保持電機主磁通為額定值不變。如果磁通過弱(電壓過低)，電機鐵心不能得到充分利用，電磁轉矩變小，負載能力下降。如果磁通過強(電壓過高)，電機處于過勵磁狀態，電機因勵磁電流過大而嚴重發熱。根據電機原理可知，三相異步電機定子每相電動勢的有效值

E1=4.44f1N1Φm

式中，E1—定子每相由氣隙磁通感應的電動勢有效值；f1—定子頻率；N1—定子每相繞組有效匝數；Φm—每極磁通量。由上式可知，Φm的值由E1/f1決定，但由于E1難以直接控制，所以在電動勢較高時，可忽略定子漏阻抗壓降，而用定子相電壓U1代替。要保證Φm不變，就要使U1/f1始終為一定值，這是基頻以下調速的基本情況，為恒壓頻比(恒磁通)控制方式，屬于恒轉矩調速。基準頻率為恒轉矩調速區的最高頻率，基準頻率所對應的電壓即為基準電壓，是恒轉矩調速區的最高電壓，在基頻以下調速時，電壓會隨頻率而變化，但兩者的比值不變。在基頻以上調速時，頻率從基頻向上可以調至上限頻率值，但由于電機定子不能超過電機額定電壓，因此電壓不再隨頻率變化，而保持基準電壓值不變，這時電機主磁通必須隨頻率升高而減弱，轉矩相應減小，功率基本保持不變，屬于恒功率調速區。基準頻率為恒功率調速區的最低頻率，是恒轉矩調速區與恒功率調速區的轉折點，而基準電壓值在整個恒功率調速區內不再隨頻率變化而改變。

4 變頻電機的啟動和變頻器的V/f控制

采用變頻器控制的變頻電機運轉時一般在低頻起動，隨著電源頻率和電壓的提高，電機逐漸加速，平滑起動(起動時間變長)。圖3為變頻電機啟動，恒轉矩和恒功率運行時的轉矩-轉速特性圖。一般變頻電機起動時，起動電流為額定電流的1.2～1.5倍，起動轉矩為70%～120%額定轉矩，可滿載起動。根據變頻器類型不同，變頻電機的起動電流限制在額定電流的125%～200%以下。預置啟動模式可以充分利用電機最大轉矩，以滿足啟動轉矩和加減速的要求。

圖3變頻調速電動機轉速-轉矩特性圖

由圖3分析可見：

(1)最低轉速時轉矩值受電機允許溫度和電壓可提升限值的限制；

(2)恒轉矩最低轉速受電機允許溫度的限制；

(3)基準定額點位于恒轉矩的高速端；

(4)恒功率最大工作轉速受最大允許轉速的限制。

變頻器的壓頻比由變頻器的基準電壓與基準頻率兩項功能參數的比值決定，其比值為電機的額定電壓與額定頻率之比，即基準電壓(V)/基準頻率(f)=壓頻比。通用變頻器一般采用V/f控制，即變壓變頻(VVVF)方式調速，因此在使用前正確設定變頻壓頻比，對保證變頻器的正常工作至關重要。基準電壓與基準頻率參數的設定，不僅與電動機的額定電壓與額定頻率有關，而且還必須考慮負載的機械特性。對于專用普通變頻三相異步電動機，調速應用時，其基準電壓與基準頻率按出廠值設定(基準電壓380V，基準頻率50Hz)，滿足使用要求。對于某些行業使用的特殊電機，必須根據實際情況重新設定基準電壓與基準頻率的參數。V與f的比例關系是考慮到電機特性而預先決定的，通常在控制器的存儲裝置(ROM)中存有幾種特性，用開關或標度盤進行選擇。頻率下降時完全成比例地降低電壓，由于交流阻抗變小而直流電阻不變，將造成在低速時轉矩減小的傾向。因此在低頻時給定V/f，要使輸出電壓提高一些，以便獲得一定起動轉矩。增強起動轉矩，可以采用各種方法實現，有自動進行、選擇V/f模式或調整電位器等方法。

基頻以上恒轉矩負載增速時，要求變頻電機的電流和功率增加，需要增大變頻器和變頻電機容量。像輸送帶的恒轉矩負載，設基準速度為50Hz，50Hz以上為恒功率輸出特性，如果保持恒轉矩增速為80Hz時，變頻器和變頻電機容量需要增大為80/50≈1.6倍。頻率下降(低速)時，電壓降低，如果輸出相同的功率，則電流增加，為避免電機過熱，此時也需增加變頻器和變頻電機容量，其容量與頻率的降低成反比。

5 結語

變頻專用異步電動機利用變頻調速系統進行控制，可改善風機、泵類電機系統調節方式，消除“大馬拉小車”現象，通過合理匹配電機運行控制系統，做到電機運行控制系統的集成化、智能化、信息化。集成化是指提供電機與控制器集成化的產品給客戶，即電力電子、電機與控制系統高度集成化，使三者從設計、制造到運行、維護都緊密地融為一體。通過不斷加快技術創新、努力提高電機系統能效水平、扎實推進相關配套措施的落實，使變頻電機系統節能成為最具潛力的節能方法。

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