1应用变频电源的交流异步电机(10.03.22)

1应用变频电源的交流异步电机1.1交流异步感应电机及应用发展演变1.1.1交流异步感应电机电机是一种将电源能量转换成机械能量的电气负载装置，交流异步感应电机是一种在日常应用最普遍、最广泛的常见电机。根据中级电气点检教材的介绍，我们知道，交流异步感应电机它是由定子、机座及转子、端盖等部件所组成，其中机座压装着由表面涂布有绝缘漆的硅钢片叠压成整体的定子铁芯，定子铁芯槽内按照三相电源的相数、电机的极数均布了由绝缘电磁漆包线绕制的定子绕组。而转子是由转轴上套装了由表面涂有绝缘漆的硅钢片所叠装成的转子铁芯，转子铁芯槽内铸有铜质或铝质导条所构成的转子绕组，导条两端被短路端环所短接。图1-1-1交流异步感应电机结构及外观交流异步感应电机的工作原理：简单的说就是定子绕组通入三相交流电源后，产生与电源同频率的三相旋转磁场，该磁场的磁力线在空间旋转的过程中切割了与定子绕组同心安装的转子绕组的导条，根据电磁感应原理，导条内必然产生感应电势，由于导条被短路，因此，在转子绕组内产生感应电流，该电流将转子铁芯励磁形成转子磁场，定子磁场与转子磁场的相互作用使电机转子输出转矩，完成电源能量向机械旋转能转换的过程。图1-1-2交流三相异步电机工作原理1.1.2交流异步感应电机的应用演变交流异步感应电机，结构简洁、制造工艺相对简单、相同容量情况下，体积小、重量轻、转动惯量小，相应的造价低、使用中保养简便容易维护，一般经久耐用，具有较高的性价比；同时，运行中无火花、适用于防爆场合，对使用环境的适应性强，这些独特的优点，决定了交流异步感应电机在一般工农业生产现场以及居家生活中被得到广泛的应用，在冶金企业内也被大量采用，如辊道电机、风机电机、水泵、油泵电机等。但是，工业现场的许多工艺装备，要求对驱动电机的转速能够根据工艺条件的需要方便地得到调节，速度能够随时被改变，特别是当前倡导节能减排的时代背景下，为了节能往往需要电机的转速能够随需要而变化。我们知道交流异步感应电机的转速公式为：ne=60f/p(1-s)（1-1）式中：ne——电机额定转速转/分钟f——电源供电频率Hz/秒p——电机磁极极对数s——电机转子转差率从式中不难看到，要改变交流异步感应电机的转速，主要有以下几种方式：a.改变电机的磁极极对数、改变供电电源的频率和转子转差率。对于已经制造完成的交流异步感应电机而言，改变磁极的极对数是比较麻烦的，而且它所能改变的转速也是成比例的速度变化，不仅制造接线麻烦，控制线路复杂，而且速度的调节范围也并不理想。b.改变转差率尽管能够改变电机的转速，但是也非理想的方案。c.改变电源的供电频率，理论上可以实现电机转速的无级调节，但是在上个世纪七十年代之前由于电子技术的落后，尚没有比较简便的方法，实现对电源频率的改变。在宝钢一期引进的钢管厂，德方当时在钢管输送的成组辊道的驱动上，采用了变频控制技术，但是它的电源是采用中频发电机提供的相对固定的频率，因此当时总体上变频调速方案的设想也仅停留在理论研究实验室阶段。而直流电机由于它的速度调节公式为：ne=U-Ia.Ra/Ce.Φ（1-2）式中：ne——直流电机的额定转速；转数/分钟U——直流电机电枢供电电压；伏Ia——直流电机电枢电流；安培Ra——直流电机电枢电阻；欧姆Ce——直流电机电动常数；Φ——直流电机磁通从上述公式中我们看到，对于一般直流电机的转速调节而言，可以通过对直流电机电枢电压的调节或改变电枢电阻，就可以方便地对电枢电流进行灵活的控制，达到平滑地连续改变电机转速的要求。经典的传动控制系统，能够实现良好的调速性能，和极高的动态响应特性，获得非常理想的传动调速系统的控制品质。在工业现场很长一段时间里，在需要进行速度调节的工艺装备上，往往采用了直流电机作为驱动电机，带动机械设备，以满足设备对旋转速度需要随时变化的工艺要求。例如：冶金企业的大型轧钢设备、轧线的辊道、剪切、卷取设备等等。图1-1-3TBS系列直流传动装置然而，多少年来人们在使用实践中深深地感到，直流电机由于它的构造决定了它存在着很大的使用局限，其中换向器的结构使它的应用前景受到了越来越大的挑战，可以讲直流电机的绝大部分的故障，以及日常主要的保养维护工作量是针对了直流电机的换向器。换向器结构的复杂及故障的多发，使它的应用场合越来越多地被压缩，被替代。上世纪七十年代初，随着大规模集成电路和计算机控制技术的飞速发展，以及现代控制理论的应用，特别是发明了矢量控制技术、通过坐标变换，把交流电机的定子电流分解成转矩分量和励磁分量，用以分别控制交流电机的转矩和磁通，使交流传动也能具备宽泛的调速范围，高的调速性能，快的响应性能及在Ⅳ象限运行的良好技术性能，因此同样也可以获得与传统直流传动系统相仿的系统高动态性能，使交流传动技术取得了突破性的发展。近年来，国际上变频调速传动装置以每年13%～16%的增长速度在递增，在宝钢现场各主要生产单元的主传动装置，也经历了一场由一期的模拟直流传动控制系统为主，逐步改造成直流数字系统，到二期、三期的全交流传动的演变过程，并且现场的绝大部分直流传动装置都将面临逐步被交流调速传动装置所替代的趋势。然而事情的发展总是一分为二的，在变频控制技术迅猛发展的同时，随之而来的新的问题，也逐渐引起了人们的重视。对于这个问题的认识，国外要比我们更早些，必须承认我们在这些方面是存在着差距的。在大量采用变频控制技术，对普通交流异步感应电机进行速度调节控制的过程中，出现了电机绝缘早期损坏的现象，许多电机运行寿命往往只有短短的1～2年，严重的有的只有几个星期，在宝钢2050热轧层流辊道上所使用的交流异步感应电机就遇到过，当变频装置进行技术改造采用新的变频控制装置驱动后，电机随即发生大量损坏的情况，而且通常这些电机绝大部分都是由于绕组绝缘损坏而引起烧损的故障。大量的现场实践告诉我们，过去研究发展的采用工频正弦波供电条件下的电机设计理论，已经不能适应于采用变频控制电源进行驱动的交流异步感应电机的设计、制造和电机的选型了。1.2应用变频电源的交流异步电机面临的问题1.2.1变压变频装置为了了解应用变频电源供电的交流异步感应电机，与使用传统工频电源供电的交流异步感应电机在使用中所存在的差异，有必要对变频电源的结构有所了解。从整体线路结构上看，静止式电力电子变压变频器（VVVF装置）可以将它们分为交—交和交—直—交两大类。其中交—交变压变频器主要应用于大功率交流调速系统，由于它在线路中省去了中间直流环节，只采用一次变流技术，因此变流效率比较高，可以方便地实现Ⅳ象限的工作，低频时装置输出的波形接近正弦波，但是这种变频装置的接线复杂，所使用的功率器件数量多，总体讲设备相当庞大。而且装置的功率因数低，线路谐波电流含量大，输出波形频谱复杂，因此必须额外配置滤波和无功补偿设备。这样的装置还受到电网频率和装置变流电路脉动数的限制，一般它所输出的电源频率较低，其最高输出频率一般不超过供电电网频率的1/3～1/2，所以只能用于低转速的交流调速系统，这是制约它使用场合的主要因素。图1-2-1交—交变频系统原理图在交—直—交变压变频器中，从线路中间直流环节直流电源性质的不同，这种逆变器又分为电压源型（VSIVoltageSourceInverters）和电流源型（CSIcourrentSourceInverters）两种基本形式。图1-2-2交—直-交变频系统原理图电压源型逆变器属于恒压源，电压控制响应慢，不容易波动，适合做多台电动机同步运行时的公共供电电源使用。而采用电流源型逆变器的系统则与之相反，它不适合使用于多电动机传动系统，但是它可以满足快速起制动和可逆运行的场合。电压源型逆变器输出电压波为矩形或阶梯波，输出的电流波形则决定于电压波与感应电动机的感应电动势之差，它的幅值和相位取决于电机负载。而电流源型逆变器输出的电流波形为矩形波，输出的电压波形则由电机的感应电动势波形决定，而它的幅值和相位随负载的情况而变化。一般在交流异步感应电机调速系统中，由于电流源型逆变器输出电流的不良品质，因此往往较少采用电流源型逆变装置。1.2.2变压变频电源对交流异步感应电机的影响学习过变频装置逆变器的基本线路构成及工作原理后，不难理解不论是电压源型逆变器还是电流源型逆变器，它们所输出的基本波形的基波内都不可避免地含有频谱非常丰富的各种高次谐波成份，这些高次谐波对外表现为非正弦性，而且一般频率都高于工频，属于高频部分，那么相对于主要设计时以工频电源为基本频率的交流异步感应电机而言它们的影响是非常严重的。图1-2-320%速度时的变频器输出电压波形（1）电机电路分析揭示的变频电源对普通交流异步电机的影响首先我们回顾一下交流异步感应电机的一些电路分析所揭示的电机内在的一些电路参数的计算公式。我们知道对于交流异步感应电机的工作原理它主要建立在电机转子感应磁场与定子旋转磁场的转差率S上，也就是说，交流异步感应电机的转子转速与定子空间旋转磁场的转速始终存在差异，只有这样转子绕组才可能被定子旋转磁场的磁力线所切割，才可能感应产生感应电动势和感应电流，从而使电机转子能输出转矩。而转差率是分析异步电机运行状态的重要参数之一。它直接关系到转子的感应电势的频率、感应电动势的幅值及转子电路的功率因数等。而转差率S与电机转子绕组的漏抗X2和阻抗Z2的关系也是致关重要的，在一般工频电源供电的运行条件下这些漏抗和阻抗的数值对于电机运行状态的影响，在电机设计时已经加以充分考虑了，主要是考虑电机在额定条件下的参数值，因此相对比较简单一般都能满足。但是当供电电源换成含有大量高次谐波成份的变频电源，而且工况条件又是多变的不同参数后，根据计算公式我们不难理解它将造成的影响。我们知道异步感应电机转子的感抗X2与电机的供电电源的频率存在下面的关系，当采用变频电源供电后电源基波内所包含的高次谐波的影响必然引起电机转子电路中X2的变化。X2=2π.S.f1.L2（1-3）式中：S——异步电机转差率f1——异步电机供电电源的频率；（这里还应该考虑电源基波所包含的高次谐波成分的频率值）L2——异步电机转子回路的电感；而电机输出的转矩是与电机的转子电流I2以及转子电路的功率因数COSφ2相关的。M=CT.Φ.I2.COSφ2（1-4）式中：M——异步电机的电磁转矩；CT——异步电机转矩常数，由电机的结构参数来决定；Φ——电机定转子气隙中合成旋转磁场的每极的磁通量，Wb;那么，I2.和COSφ2又分别为：I2.=S.E2/√r22+（sX2）2.COSφ2（1-5）上述公式告诉我们当电机供电电源变成基波成份含有大量高次谐波的变频电源后它必然会对异步电机的基本电路技术参数带来影响。这些非正弦的高次谐波对电机的影响，主要体现在电机磁路中将伴随产生谐波磁势和电路中的谐波电流，不同幅值和频率的谐波电流及磁通的谐波必将引起电动机定、转子绕组铜耗、铁芯铁耗的增加变化，这些损耗都会使异步电机的效率和功率因数降低。同时，这些损耗绝大部分的能量都是转变成热能，引起电机的附加发热，导致普通异步电机工作温升的增加。据有关资料介绍，如果使用一般普通的交流异步感应电机，采取变频电源供电的话，其温升一般要增加10%～20%。另外，我们知道在电机运行的过程中，电机结构内部在不断地进行着电磁、磁电的能量转换，当电源基波内参杂着大量高次谐波后这些谐波成分也必然要参与到这些磁电或电磁能量的转换中去，在频繁的转换过程中它们必然会产生影响。谐波磁动势和转子谐波电流合成产生的恒定谐波电磁转矩和随谐波脉动的谐波电磁转矩将会带来电机磁场的脉动，这些脉动是引起电机转矩振动的电磁因素，造成电机转速的振荡，转速不稳定，（主要发生在低速段，使设备在低速段运转不稳定）。它一方面会造成设备运转的不稳定，甚至影响到设备生产的产品质量。同时它对电机的自身结构也具有一定的破坏作用，其中尤其对轴承的非正常损坏的影响更是不容忽视。这种非正弦的谐波一旦与电机机械、通风等其他因素引起的振动或噪声相互干涉，形成各种激振力，当这些振动力的频率与电机部件的机械固有振动频率一致或相接近时将会产生谐振，从而加大振动幅值和噪声音量。由