交流變頻調(diào)速電機(jī)最低工作頻率分析

王君實(shí)，徐景偉

(1大慶延峰江森汽車(chē)部件系統(tǒng)有限公司，黑龍江大慶 163311; 2北滿特鋼有限責(zé)任公司，黑龍江齊齊哈爾 161041)

交流變頻調(diào)速電機(jī)最低工作頻率分析

王君實(shí)1，徐景偉2

(1大慶延峰江森汽車(chē)部件系統(tǒng)有限公司，黑龍江大慶 163311; 2北滿特鋼有限責(zé)任公司，黑龍江齊齊哈爾 161041)

分析了電力拖動(dòng)系統(tǒng)速度調(diào)節(jié)的基本技術(shù)指標(biāo)。討論了交流電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速的方法，指出該方法近似正弦波在較低頻率下工作的不利因素，提出最低工作頻率最好要高于5Hz以上。對(duì)從事變流變頻調(diào)速的設(shè)計(jì)研究人員和現(xiàn)場(chǎng)維修管理的電氣技術(shù)人員有一定參考價(jià)值和實(shí)用意義。

交流變頻調(diào)速;技術(shù)指標(biāo);最低工作頻率

0 引言

由于現(xiàn)代電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)在自動(dòng)電力拖動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用，使得自動(dòng)電力拖動(dòng)及其控制技術(shù)有了飛速發(fā)展，特別是交流變頻調(diào)速技術(shù)的推廣應(yīng)用，加速了鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中起到的重要作用。由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、運(yùn)行可靠深受廣大用戶歡迎，使異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)在自動(dòng)電力拖動(dòng)領(lǐng)域中占的比重越來(lái)越大，因而對(duì)其設(shè)計(jì)研究受到了廣大科技人員和運(yùn)行使用人員的重視。本文僅就交流變頻調(diào)速系統(tǒng)工作在較低頻率情況下做以分析討論。

1 基本技術(shù)指標(biāo)

電動(dòng)機(jī)調(diào)速性能基本技術(shù)指標(biāo)有速速范圍、

式中，D—調(diào)速范圍，通常交流變頻調(diào)速用到1:50，在特殊情況下還可以高;nmax—最高轉(zhuǎn)數(shù); nH—最低轉(zhuǎn)數(shù)。

靜差率是指電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在某一機(jī)械特性線上，額定負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)數(shù)降落與理想空載轉(zhuǎn)數(shù)n0之比靜差率和過(guò)載能力。調(diào)速范圍是指額定負(fù)載下最高轉(zhuǎn)數(shù)與最低轉(zhuǎn)數(shù)之比。

過(guò)載能力是指電動(dòng)機(jī)的負(fù)載或電源頻率變化時(shí)保證機(jī)械特性的剛度，此時(shí)因負(fù)載增加而使其轉(zhuǎn)數(shù)波動(dòng)盡快回復(fù)到要求之穩(wěn)定轉(zhuǎn)數(shù)的能力。

上述幾項(xiàng)指標(biāo)是生產(chǎn)機(jī)械對(duì)自動(dòng)電力拖動(dòng)系統(tǒng)的基本要求。當(dāng)然對(duì)不同的生產(chǎn)機(jī)械或不同的負(fù)載對(duì)象是不一樣的，對(duì)數(shù)控機(jī)床或工業(yè)機(jī)器人的控制要求是較高的，通常都是采用高精度、高靈敏傳感器，高性能電動(dòng)機(jī)和精密機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)組成的閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)來(lái)完成。若系統(tǒng)用交流變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)，當(dāng)然對(duì)頻率調(diào)節(jié)控制要求較嚴(yán)格，而運(yùn)行在交流低頻段就更當(dāng)加以重視。

2 低頻調(diào)速分析

為滿足上面提出的主要技術(shù)指標(biāo)，在交流變頻調(diào)速的低頻段通常是難以保證的，一些學(xué)者們做了很多努力來(lái)克服低頻段出現(xiàn)的定子磁通飽和、散熱不利等問(wèn)題。但是頻率過(guò)低亦不甚理想。

三相交流電動(dòng)機(jī)當(dāng)定子加上對(duì)稱(chēng)三相正弦波交流電壓時(shí)每相繞組電勢(shì)平衡方程為

式中，E—定子相電電勢(shì)有效值;fs—供電電源頻率;ws1—定子繞組每相串聯(lián)匝數(shù);K—基波繞組系數(shù);φm—磁通。

在電機(jī)結(jié)構(gòu)確定時(shí)，式(3)可簡(jiǎn)化為

從式(5)可知，如果加在定子繞組上的電壓值不變時(shí)，當(dāng)定子電源的頻率fs降低勢(shì)必導(dǎo)致φm增加使等式平衡，而只有激磁電流增加方能使φm增加，近而導(dǎo)致磁飽和，使電機(jī)損耗加大，如熱增加，輸出轉(zhuǎn)矩降低，甚至使電機(jī)難以正常工作，為此，們想出在頻率降低時(shí)使電壓幅值亦降低保持Us/fs為一常數(shù)，以使激磁電流不致過(guò)大，通稱(chēng)恒壓頻比法。但這在定子頻率10Hz左右尚可，而頻率過(guò)低，若低于5Hz以下時(shí)就不甚理想，很難滿足上述的調(diào)速技術(shù)指標(biāo)，系統(tǒng)難以保證正常工作。故此我們認(rèn)為:交流變頻調(diào)速的最低工作頻率最好高于5Hz，有的學(xué)者提出工作在3Hz甚至1Hz，這是很不理想的，這滿足不了要求的靜差和過(guò)載能力。

工業(yè)企業(yè)中多采用靜止變頻裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)交流變頻調(diào)速，這樣的變頻方法輸出的交流電壓波形不是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，而是由矩形方波來(lái)近似正弦波，當(dāng)工作在較低頻率時(shí)，方波與正弦波之近似程度差之較大，其諧波對(duì)供電品質(zhì)影響也不可輕視。俄羅斯學(xué)者用富氏級(jí)數(shù)對(duì)頻率在5Hz以下矩形方波進(jìn)行了分析研究指出，奇次諧波對(duì)輸出電壓幅值影響較大，當(dāng)工作頻率為5Hz時(shí)，11次、13次、15次、17次諧波對(duì)電壓幅值影響約占10%～15%;而當(dāng)工作頻率為1Hz時(shí)，5次和7次諧波對(duì)輸出電壓波形影響比例較大，從頻譜分析，諧波次數(shù)越低者其幅值較大，對(duì)輸出電壓影響亦大，而當(dāng)諧波次數(shù)越高時(shí)其幅值越小，對(duì)輸出電壓影響次之。盡管有諧波環(huán)節(jié)，不難避免低次諧波的影響。當(dāng)變頻裝置輸出頻率為1Hz或3Hz時(shí)，其輸出電壓波形受諧波影響較重，在此種情況下運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)當(dāng)然是不理想的。況且在工業(yè)企業(yè)中生產(chǎn)車(chē)間工作電壓多受大功率電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電弧煉鋼爐點(diǎn)弧、斷弧等因素影響，使電壓波動(dòng)較大，這對(duì)工作在較低頻率下電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩之影響甚大。因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩與電壓平方成正比。在采用恒壓頻法調(diào)速，當(dāng)電動(dòng)機(jī)工作在3Hz時(shí)，其相電壓僅為3～4V，若工作在1Hz時(shí)即變更小了，當(dāng)然其輸出轉(zhuǎn)矩要小得多了。靜差率和過(guò)載能力均為不佳，這樣自動(dòng)電力拖動(dòng)系統(tǒng)很難保證電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行。

3 結(jié)語(yǔ)

交流變頻調(diào)速是一種很好的調(diào)速方法，但對(duì)工業(yè)與民用變頻調(diào)速裝置不要追求用較低的工作頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)擴(kuò)大電氣調(diào)速范圍和節(jié)能指標(biāo)。我們認(rèn)為最低工作頻率最好要大于5Hz，不提倡工作在3Hz甚至1Hz的很低頻率。因?yàn)檫@樣很難達(dá)到電氣調(diào)速的基本指標(biāo)，保證不了自動(dòng)電力拖動(dòng)系統(tǒng)的品質(zhì)，滿足不了生產(chǎn)機(jī)械對(duì)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的要求。

［1］邱阿瑞．電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)．北京:高等教育出版社，2006．5．

［2］王君實(shí)．如何改善異步電動(dòng)機(jī)低頻調(diào)速性能．防爆電機(jī)，2012．2．

［3］隋景鵬．變頻器對(duì)異步電動(dòng)機(jī)器械聲和振動(dòng)的影響．防爆電機(jī)，2014．5．

［4］唐耀陽(yáng)．變頻電源網(wǎng)側(cè)LCL濾波器的設(shè)計(jì)．防爆電機(jī)，2014．

［5］曹克民．自動(dòng)控制概論．北京:中國(guó)建材工業(yè)出版社，2013．1．

［6］閆丹．閆紅．變頻電源供電變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)．防爆電機(jī)，2014．2．

Analysis on the Lowest Operating Frequency of AC Variable-Frequency Adjustable-Speed Motor

Wang Junshi and Xu Jingwei
(1．Daqing Yanfeng Johnson controls Autonmotive components co．，Led Daqing 163311，China;2．Beiman Special Steel Co．，Ltd．，Qiqihaer 161041，China)

This paper analyzes basic technical indicators of the electric driving system．Method for AC motor to realize variable-frequency adjustable-speed is discussed，disadvantage of this method when working at lower sinusoidal frequency is indicated，the proposed that the lowest operating frequency is better to be higher than 5Hz．It has reference value and practical significance for design researcher worked for AC variable-frequency adjustable-speed and electrical technician worked for on-site maintenance．

AC variable-frequency adjustable-speed;technical index;the lowest work frequency

10．3969/J．ISSN．1008-7281．2015．05．10

TM301．2

A

1008-7281(2015)05-0033-002

王君實(shí) 男 1987年生;畢業(yè)于東北農(nóng)業(yè)大學(xué)電氣自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)從事電氣自動(dòng)控制工作．

2015-06-14