交流异步电机变频调速的分析及应用

交流异步电机变频调速的分析及应用

杨会欣

河北电机股份有限公司

摘要:变频调速系统是通过改变定子供电频率来调节交流异步电机转速的。本文对交流异步电机调速进行了分析,并介绍了变频调速在高压异步电机中的应用。

关键词:交流异步;电机；调速

引言

直流电动机具有优良的调速性能,但它有一个根本的缺点,就是有机械式的整流器——整流子和电刷,因此它的维护工作量较大;而且由于机械式整流器的限制,制造大功率高电压的直流电机比较困难。由于这些原因。限制了直流可调速拖动系统的使用范围。交流异步电动机调速性能差的问题,一直为广大科技工作者所重视,为改善交流异步电动机的调速性能做了大量工作,提出了许多方案,但多数方案或技术上不成

1交流异步电机调速的原理

我们知道,交流异步电动机的转速n与定子旋转磁场的速度nO、转子的转差率s有以下关系:n=no(1-s)=60ƒ1(1-s)/p式中 f1—电源效率,Hz,p—电动机极对数;改变电源的频率,电动机可以调速。变频调速既适用于同步电动机,又适用异步电动机,是一种高效率的调速方案。为了得到恒转矩的调速特性,在调频时必须调压,有恒定的气隙磁通,若能保证u/f为常数就能实现恒定转矩,把电网交流电通过整流器换成电压可谓的直流电,然后通过逆变器把直流电换成频率可调的交流电,供交流电机进行变压和变频的联合调速。交流调速具有很大的发展空间以矿山为例,在矿井扇风机、排水泵、空气压缩机、皮带运输机、采掘机械都需要应用。采用机械调整的办法,很大程度上限制了机械效能的发挥.也是能源的巨大浪费。同时,日前半导体技术和交流技术相当成熟,促进了交流电机调速的发展和应用。因此,发展交流调速具有重要的实际意义。

2交流异步电机调速的分析

2.1单相异步电机的调速:单相异步电机的调速主要应用于风扇、抽油烟机、电唱机等。

2.1.1电抗器调速

将电抗器线圈串入电机绕组,降低绕组的工作电压,使电机转速降低。用于电容式、罩极式。

2.1.2自耦变压器调速:利用自耦变压器改变绕组的工作电压,可使电机转速改变。

2.1.3电容器调速:将不同容量的电容与电动机绕组串联,使回路感抗与容抗的差值变化,从而改变绕组工作电压,达到调速目的。

2.1.4电机绕组抽头调速:抽头调速相当于把电抗器线圈嵌入定子槽内,作为绕组的一部分,在调速时有时处于主绕组位置,有时处于副绕组位置,故又称中间绕组。

2.2三相异步电机的调速

根据中间直流环节滤波方式不同分为电压型和电流型两种。电压型采用并联电容滤波。电流型采用串联电抗器滤波。一般认为电流型变频器动态响应快,如果在电压型变频器中,采用二极管作为整流元件,而逆变器采用PWM控制方案,同时控制电压基波的幅值和频率,这样的电压型变频器与电流型相比在动态上毫不逊色。为了使得电机具有良好的运行特性,在变频的同时必须改变定子的供电电压,即给电机供电的变频器必须兼有调压调频两个功能,以保证V/F=常数,这就是所谓的变压变频调速。

变频电源一般分为两大类,即交—交变频和交—直—交变频。前者由 SCR 组成,在少数特大功率交流电机调速系统中应用;后者现在主要由GTO 以及IGBT 等自关断器件组成,可应用于许多交流电机调速系统中。近代交流调速系统中所采用的 PWM 逆变器的主电路原理图如图所示,这是一个交—直—交供电系统。它将不可控整流器经电容滤波后形成的幅值基本固定的直流电压加在逆变器上,利用对逆变器开关元件的通断控制,使逆变器输出端得到矩形脉冲波,这种决定开关元件动作顺序和时间分配规律的控制方法称为PWM法。通过改变矩形脉冲的宽度就可控制逆变器输出交流基波电压的幅值;通过改变调制周期就可以控制其输出频率。

由此可知,在逆变器上可同时进行输出电压与频率的控制,主电路只有一个功率控制级,简化了电路结构,采用不可控整流桥,使系统对电网的功率因数近似为1,而与逆变器输出电压值无关。逆变器在调频时同时实现调压,而与中间直流环节的元件参数无关, 从而加快了系统的动态响应。

3变频调速在高电压异步电机的应用

高压(6kV)经高压断路器送至降压变压器,根据电网对谐波的要求,采用12脉冲整流,输出直流电压中的脉动减小,因此降压变压器为三绕组变压器,它将6kV电压分别降至低压变频器可接受的电压等级(如400V,600V等),送至各自的6脉冲整流桥。经12脉冲整流到达直流母线,经预充电回路和主接触器,送至逆变器变频变压。为了获得接近于正弦波的输出电压,系统增加了正弦波滤波器,经滤波器输出的接近于正弦波的电压经二绕组的升压变压器升压,供电给高压异步电机。

系统可采用电压源型变频器,为了减少变频器输出电压的谐波分量,一般都采用PWM(脉冲宽度调节)控制方式。逆变器的输出电压为一组高频方波,它可近似地代替正弦波,通过调节脉冲宽度来控制输出电压的大小,而且调制频率越高,谐波分量越小,但dv/dt则随着调制频率的升高而增大,若直接将逆变量的输出电压送至输出变压器升压,则输出变压器的波形将产生较大的畸变,产生较大的尖峰电压,这将严重地威胁到电机的绝缘,甚至达到不能允许的程度。为解决这一问题,在逆变器的输出侧,设置了正弦波滤波器,滤去高次谐波分量,参数选择适当时,可使输出电压波形接近于正弦波,电动机绝缘不受影响。

结论

异步电机采用变频调速技术确实能够取得非常明显的节能、增产、提高产品质量的效果,节电率一般在 10%～30%,有的高达40%,更重要的是生产中的一些技术难点也得到了解决。变频调速技术作为同新技术、基础技术和节能技术,已经渗透到经济领域的所有技术部门中。

参考文献

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[2]韩安荣主编. 通用变频器及其应用(第四期). 北京:机械工业出版社,2004

[3]秦曾煌主编. 电工学(第四版). 北京:高等教育出版社,1990,283～288