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变频电机的设计如何适应现代交流调速系统的要求

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变频电机的设计如何适应现代交流调速系统的要求

发布日期:2017-08-14 作者: 点击:

1.前言
    电机作为实现机电能量转换的重要部件,从19世纪初开始,其设计和制造技术已逐步走向成熟,推出了如电机转矩与其体积成正比.电机的磁通密度应该设计在电机磁化曲线的膝点位置等具有指导意义的公式和原则,但在整个20世纪,电机的设计与制造技术基本上没有发生根本性变革,尤其是交流电机的设计,基本上是在假定输入三相交流电压的幅值和频率恒定的条件下进行的。这时直流电机、交流异步电机、交流同步电机从设计、制造到运行基本上都是各自独立的,直到本世纪70年代,矢量控制理论的提出.将各种电机的能鼍转换原理从理论上统一了起来,到80年代末,电力电子学的发展和微电子技术的进步,使矢量控制从理论走向实践,最终在90年代使基于矢量控制理论的现代交流调速系统遍地开花,并在大容量调速领域向直流电动机展开了挑战,大有取而代之的趋势。理论的发展必将引起现实的变革,现代交流调速系统的兴起.使传统交流电机设计的一些前提条件不复存在,因此我们必须对传统的基于恒压恒频的交流电机设计公式进行审核,并根据现代交流调速系统的要求做出必要的革命性变革。
2.根据电机设计的基本理论和现代交流调速系统的运行实践具体分析:
    (1)站在交流电机的角度上.现代交流调速系统使交流电机输入电压的幅值和频率不再为恒定值(如工频50HZ)。这使得电机的转速与其极对数不再有必然的联系。如两极电机的转速约3000转,分,电机的转速低.必然要做得极数多已不再是电机设计的必然结论,使得在电机设计时,可以根据具体情况(如电机的结构尺寸或要求的转动惯量),对电机的极对数进行优化选择,如极数较多(>12极)制造困难的交流电机和极数较少(<6极。绕组端部大,效率较低的交流电机都将不再采用.从而大大放宽了交流电机设计的选择余地,为电机设计结构的优化创造了条件,可以预计,将来的交流电机将大多是结构和力能指标都较优的6—10极电机(当然这种合理的结构依赖于变频器低频性能的提高)。
    (2)由于现代交流调速系统大多采用矢量控制,以保持气隙磁链恒定,控制转矩电流分量来控制电机的电磁转矩,并进而达到控制电机转速的目的.因此在这种闭环控制策略下,没有电机稳态输入电压高的危险.也就不会出线因气隙磁通过高使磁路过饱和的问题,这使得电机的磁路设计条件更为宽松.磁路的额定工作点甚至可以在膝点以上,从而提高了电机中导磁材料的利用率和电机单位体积的转矩.而且这种选择方法对于矢量控制中磁通调节器的设计也是有利的。
    (3)变频技术(无论是交一交还是交一直一交)都使得电机的输入电流中含有谐波分量(尽管通过各种脉宽调制技术,已经正弦波).从而造成脉振转矩(这也可以从变频调速电机稳态时的三相输入瞬时功率不恒定来理解),这对于同步电动机的影响尤其突出(因为脉振转矩主要是由谐波电流与基波磁通相互作用产生的,在同步电动机中谐波电流基本上由定子绕组的漏电抗抑制.转子绕组对输入谐波电流的阻尼作用较小).对于异步电动机的影响相对较小(因为定子绕组中的谐波电流会因转子绕组的电磁阻尼作用而大大减少,从而减少了脉振转矩)。脉振转矩的存在使得机电系统容易发生扭振,这也是困扰现代交流凋速系统的一个棘手问题.尤其对于传动轴较长,扭振刚度较差的轴系传动更易发生轴系扭振,这无疑对现代交流调速系统中电机的设计提出了更高的要求,如何合理分布绕组、选择气隙,以及选择电机绕组漏感和互感的合适比例,成为抑制谐波电流和脉振转矩的关键因素。
    (4)对于现在普遍采用的通用型交一直一交电压型变频器,由于采用PWM技术对电机输入电压的脉宽进行调制,使得电机中绝缘材料的电应力增加,即因PWM的调制作用,使得绝缘介质中的各种电偶极子频繁地转动.从而造成介质损耗的增大,电机的绝缘强度因热疲劳而过早地降低(尤其是当电机受潮时会造成绝缘的局部热疲劳).作为一种极端情况来看,若PWM的调制频率达几百千赫兹。电机中的绝缘材料就会如微波炉中的有机食品一样被加热,这也足现代交流凋速系统对电机的绝缘技术所提出的挑战。另外,如果PWM的调制频率过高,还会使电压在电机定子绕组的输入端产生电磁波的反射(行波效应),造成电机输入端的电压升高,电压上升率d“dt过大,使电机定子绕组输入端的局部匝问电压升高(如同变压器绕组遭雷击后的匝问电压分布情况相仿),这使得电机绝缘的外部环境更为恶劣,很容易导致匝间短路或电机绕组内部局部放电,这两个变频电机绝缘所面临的恶劣条件,造成了与普通电机相比较,变频电机的使用寿命普遍较短,一般只有l一2年,短的甚至几个月,这些都需要在设计变频调速电机时进行考虑。
    (5)采用变频电源供电的变频电机,由于采用PWM凋制,在电机绕组输入端接人的高频调制电压的电容效应.会对电机造成显著的轴电压,轴承与机座的绝缘没计需要重新考虑,以抑制轴电流;而且与恒速传动相比,常规电机的自带风叶冷却设计已不能满足电机低速运转时的冷却鼙要求,电机的冷却方式需要重新设计。
    (6)如果常规设计的电机采用变频电源供电,往律在夺载运行频率在20~30Hz时出现电机的周期性振荡.其主要原因是因电机负载、电压和频率的波动.使电机的转差率在零附近抖动.从而使异步电动机交替运行在电动和发电状态。采用高转差率的异步电动机或在变频器中采用速度、电流闭环控制可缓解这一现象,另外常规按照工频50HZ设计的电机,在设计电机漏抗和主电抗时,没有兼顾电机在低频条件下的运行。这样的电机当运行在8-10HZ以下时,电机的出力会明显下降,这些问题都应在变频电机的设计中加一考虑。
    (7)现代交流调速系统中的交流电动机普遍地采用了以磁通、转矩的解耦为目标的矢弩控制。但要实现在动态过程中磁通、转矩的完全解耦.还需要在电机设计中合理设计各种电磁参数,以减轻交流电机矢量控制的负担,如对矢量控制中同步电动机阻尼绕组的设计就要满足如直流电动机中补偿绕组那样快速抵消定子绕组中转矩电流分量的电枢反应.并配合磁通调节器保证气隙磁链的恒定,这与传统的同步电动机设计中。用阻尼绕组产生的动态转矩来抑制同步电动机的振荡是不同的。
    (8)随着现代交流调速系统中控制技术的不断完善,对电机中各类状态变量的检测也提出了新的要求,如矢量控制技术本身要求最好能从交流电机中直接用传感元件检测到磁通的大小和角位置,对于异步电动机,若有方法直接获得转芳频率,ifI『不再利用受温度和转差频率影响较大的转子绕组电感和电阻来间接计算.将是对异步电动机矢量控制技术的较大完善,这砦又对电机的检测技术提出了更离的要求。
3.结论
    综上所述.现代交流调速系统的发展,不但从理论上将各类电机统一了起来。也对电机的没计带来r深层次的变革,因此面对新技术的挑战,工程技术人员应当及时审核一些传统技术观点的正确性,以适应新技术发展的需要.

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