對(duì)交流變頻調(diào)速電機(jī)的設(shè)計(jì)探究

譚偉，譚冰

佳木斯電機(jī)股份有限公司

對(duì)交流變頻調(diào)速電機(jī)的設(shè)計(jì)探究

譚偉，譚冰

佳木斯電機(jī)股份有限公司

隨著我國科技水平的不斷發(fā)展，交流變頻調(diào)速電機(jī)的出現(xiàn)已經(jīng)逐漸替代了無極調(diào)速電磁調(diào)速機(jī)和調(diào)壓調(diào)速電動(dòng)機(jī)。在電動(dòng)機(jī)領(lǐng)域中，交流變頻調(diào)速電機(jī)已經(jīng)遍布應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域中，在控制方面和經(jīng)濟(jì)適用方面也逐步提高到了一個(gè)高效能高實(shí)用性的方面，和直流調(diào)速電機(jī)相比也在不斷的有新的技術(shù)革新。本文筆者則從交流變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)的控制入手，簡(jiǎn)單介紹交流變頻調(diào)速電機(jī)的控制方式，然后重點(diǎn)介紹其基本的設(shè)計(jì)原理，以供參考。

交流變頻；調(diào)速電動(dòng)機(jī)；設(shè)計(jì)；控制方式；原理

前言

交流變頻調(diào)速電機(jī)目前在我國很多生產(chǎn)制造企業(yè)中應(yīng)用廣泛，其優(yōu)勢(shì)在于能夠節(jié)能環(huán)保，而在我國市面上的交流變頻調(diào)速電機(jī)均是具有負(fù)載特性的風(fēng)機(jī)和泵機(jī)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)速控制電機(jī)，這種變頻電機(jī)的控制方式和以往風(fēng)門、閥門的調(diào)節(jié)方式相比能夠節(jié)能近一半左右。而在設(shè)計(jì)工藝的比較上，調(diào)速的生產(chǎn)工藝也是能夠調(diào)速控制的方式之一，一方面不僅能夠?qū)崿F(xiàn)電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)，更能夠?qū)崿F(xiàn)電網(wǎng)對(duì)電機(jī)的沖擊。因此，交流變頻調(diào)速電機(jī)在生產(chǎn)和控制上能夠提高控制精度和生產(chǎn)效率，還能夠不斷擴(kuò)大調(diào)速范圍，起到了穩(wěn)定電壓和轉(zhuǎn)速的作用。

1.交流變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)的控制方式

1.1.流變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)的矢量控制

交流電動(dòng)機(jī)的矢量控制一般情況下是通過模擬直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律，這樣一來直流電動(dòng)機(jī)的電樞電量控制和勵(lì)磁電流量就被確定的電流所分解，在矢量的控制上，對(duì)于轉(zhuǎn)矩的控制要對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)良性能有一定的考量，要不斷快速的相應(yīng)和并能夠起到一個(gè)良好的啟動(dòng)、制動(dòng)的效果，只有這樣才能夠符合電動(dòng)機(jī)的場(chǎng)合工作要求。

1.2.流變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制

直接轉(zhuǎn)矩控制目前在我國高速發(fā)展的電機(jī)變頻操作模式中與矢量控制和變換有著不同的運(yùn)算方式，釘子空間矢量和三廂電動(dòng)機(jī)的數(shù)字模型可以通過直接轉(zhuǎn)矩控制來一起分析，對(duì)于開環(huán)方式的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩控制可以共同進(jìn)行直接轉(zhuǎn)矩的控制。在PWM的波形下直接決定了轉(zhuǎn)矩的形成，相比之下，直接轉(zhuǎn)矩的控制效果則表現(xiàn)的更為優(yōu)秀。

1.3.流變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)的1V/F控制

異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與定子電源頻率F的轉(zhuǎn)速在極對(duì)數(shù)之間有著顯著的聯(lián)系。當(dāng)F出現(xiàn)變化時(shí)，定子電源的頻率就會(huì)有同步升降的轉(zhuǎn)速調(diào)整，但是在某種程度下，磁路的飽和和轉(zhuǎn)矩通常是不足的，在F改變時(shí)，定子的電壓可以進(jìn)行同步調(diào)節(jié)，進(jìn)而會(huì)確保氣隙的磁通量保持不變，電動(dòng)機(jī)的工作效率也不會(huì)由此而發(fā)生改變，這種工作方式在實(shí)際控制中固然能發(fā)揮出較高的性能，但是由于其相應(yīng)的設(shè)置時(shí)開環(huán)的，因此在調(diào)速的精度較低的范圍的狀態(tài)下不能使用與高精度要求的控制。

1.4.差頻率控制

異步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和氣縫頻率在氣隙磁通上保持一致，那么從電機(jī)學(xué)的角度就可以得到轉(zhuǎn)差頻率與控制轉(zhuǎn)差頻率在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩控制上是等同的，這也就是說轉(zhuǎn)差控制頻率是通過速度檢測(cè)出的電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，而電動(dòng)機(jī)的速度和轉(zhuǎn)差頻率與逆變器的輸出頻率在控制精度上對(duì)電流的抑制等很多特性上比v/f控制方式有較大提高。但是在實(shí)際的穩(wěn)態(tài)機(jī)械特性上能夠得出結(jié)論，控制方式中的維持磁通和恒定關(guān)系的轉(zhuǎn)矩是基本固定的，這也由此能夠得出電磁慣性給電動(dòng)機(jī)帶來的影響在實(shí)際的動(dòng)態(tài)應(yīng)用效果上不夠理想，也不能有一個(gè)良好的控制效果。

2.基本設(shè)計(jì)原理和設(shè)計(jì)特點(diǎn)

2.1.流變頻調(diào)速電機(jī)的基本設(shè)計(jì)原理如下

我們用n1表示同步轉(zhuǎn)速，f表示交流電源頻率，p表示磁極對(duì)數(shù)，則：

n1=60f/p

而通過同步轉(zhuǎn)速公式我們又能看到，電源頻率f與轉(zhuǎn)速n之間成正比關(guān)系。所以，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們可以通過對(duì)電源頻率的改變對(duì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行平滑調(diào)節(jié)。

而異步電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢(shì)與電磁轉(zhuǎn)矩公式，又分別如下：

El=2.22fNφKdpφm

TN=C φmlRcosφR

如果在同等狀態(tài)下忽略定子阻的抗壓效果，那么如果U1= E1，那么當(dāng)U1保持一個(gè)不變的數(shù)值時(shí)，F(xiàn)電源的頻率如果持續(xù)升高，那么φ m的氣隙就會(huì)逐漸減小，TN的電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩也會(huì)同樣被減少，電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩就會(huì)降低。如果相反的情況下電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速方式如果能夠被拖動(dòng)電機(jī)的實(shí)際要求所選擇，例如在恒轉(zhuǎn)矩變頻調(diào)速的情況下，轉(zhuǎn)矩輸出保持不變，那么其φ m磁通也會(huì)保持不變。在這種方式控制下的電動(dòng)機(jī)的電壓會(huì)和頻率形成一個(gè)正比的關(guān)系。但是如果對(duì)于恒功率變頻調(diào)速來說，在保持輸出功率不變的情況下，電壓就會(huì)始終保持在一個(gè)恒定值。這種控制方式下，頻率也會(huì)不斷的增加，氣隙磁通與電機(jī)的轉(zhuǎn)矩也會(huì)隨之降低。

2.2.計(jì)特點(diǎn)

交流變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)目前普遍采用的是SPWM正弦脈寬調(diào)制技術(shù)，由于生產(chǎn)波形是工頻電網(wǎng)供電產(chǎn)生的正弦，在低頻空載的情況下電動(dòng)機(jī)的損耗較大，但是溫度的升高，電動(dòng)機(jī)的工作效率卻在降低，在轉(zhuǎn)矩降低的過程中，變頻調(diào)速電機(jī)與普通電機(jī)不能陪陪的問題成為變頻調(diào)速電機(jī)設(shè)計(jì)與開發(fā)的關(guān)鍵所在。通過長期的探索可以發(fā)現(xiàn)，交流變頻調(diào)速電機(jī)自帶風(fēng)扇，這對(duì)電動(dòng)機(jī)的冷卻就起到了關(guān)鍵作用，在很多場(chǎng)合下不能適應(yīng)變頻供電。通常在恒轉(zhuǎn)矩的工作模式下，電動(dòng)機(jī)的電流和電測(cè)會(huì)在一個(gè)恒定的數(shù)值中工作，但是在轉(zhuǎn)速與冷卻風(fēng)量成正比時(shí)，熱量會(huì)產(chǎn)生在散去就會(huì)產(chǎn)生困難。因此，經(jīng)過研究可以發(fā)現(xiàn)，變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)硬通過外通風(fēng)的方式進(jìn)行冷卻設(shè)計(jì)，并且應(yīng)該以科學(xué)的方式來降低電動(dòng)機(jī)的實(shí)際損耗。同時(shí)，應(yīng)認(rèn)真分析空氣內(nèi)的流暢和溫度場(chǎng)，以此來避免不同的溫度分布情況和不均勻的分布系數(shù)，通過這種方法就能夠起到分散并提高底部的散熱能力。因此，在電機(jī)的實(shí)際設(shè)計(jì)之中，應(yīng)該充分這幾種問題，可利用減少電機(jī)氣隙不平衡以及電磁激振力的大小，并且進(jìn)一步提高對(duì)定子鐵心內(nèi)徑以及轉(zhuǎn)子鐵心外徑的實(shí)際加工精確度來降低電機(jī)噪聲。

結(jié)束語：

綜上所述，交流變頻調(diào)速電機(jī)目前的技術(shù)發(fā)展日新月異，交流變頻調(diào)速目前正以一個(gè)優(yōu)異的調(diào)整性能變?yōu)楝F(xiàn)如今最有發(fā)展前途的一個(gè)調(diào)速方式，而交流變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)的出現(xiàn)也正是我國電動(dòng)機(jī)發(fā)展史上的一個(gè)嶄新的發(fā)展歷程。因此，對(duì)于變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)與分析就顯得尤為重要。也正因如此，變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)才能夠在生產(chǎn)制造行業(yè)中發(fā)揮其更大的優(yōu)勢(shì)，為我國的生產(chǎn)制造行業(yè)做出更大的貢獻(xiàn)。

[1]紀(jì)振崗.變頻調(diào)速與電磁調(diào)速的綜合性能比較[J].河北煤炭.2004(05)

[2]胡志文.實(shí)用交流電機(jī)智能變頻調(diào)速系統(tǒng)[J].電子世界. 2002(05)