籠型三相異步電動(dòng)機(jī)變極調(diào)速和變頻調(diào)速解析

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(德州恒力電機(jī)有限責(zé)任公司，山東德州253005)

0 引言

籠型調(diào)速電動(dòng)機(jī)目前主要有兩種調(diào)速方式：變極調(diào)速和變頻調(diào)速。變極調(diào)速電機(jī)通過(guò)改變電機(jī)接法來(lái)改變極對(duì)數(shù)，達(dá)到調(diào)速的目的，為有級(jí)調(diào)速，主要有YD及其派生系列，YZ-H，JZ2-H及其派生系列的雙速和三速起重電機(jī)；變頻調(diào)速電機(jī)是利用變頻器，通過(guò)改變電源頻率來(lái)達(dá)到調(diào)速目的，為無(wú)級(jí)調(diào)速，主要是YVF及其派生系列電機(jī)。隨著變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)變頻器進(jìn)行調(diào)速已成為交流電機(jī)調(diào)速的主流，變頻專(zhuān)用電機(jī)通過(guò)變頻器變頻調(diào)速控制，在使用過(guò)程中具有調(diào)速和節(jié)能雙重優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣。

1 變極調(diào)速電機(jī)的接線(xiàn)特點(diǎn)

在電源頻率恒定的情況下，一套定子繞組通過(guò)改變繞組的接線(xiàn)方法，來(lái)改變定子繞組的極對(duì)數(shù)，改變旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，從而得到兩個(gè)不同的同步轉(zhuǎn)速。改變定子極數(shù)時(shí)，轉(zhuǎn)子極數(shù)也同時(shí)改變，因?yàn)榛\型轉(zhuǎn)子本身沒(méi)有固定的極數(shù)，它的極數(shù)隨定子極數(shù)而定。因此，變極對(duì)數(shù)調(diào)速方法僅適用于籠型異步電動(dòng)機(jī)。一臺(tái)變極調(diào)速電機(jī)定子繞組可以安放一套或兩套繞組，做成雙速、三速或四速電機(jī)。變極調(diào)速分為反向變極和換相變極兩種變極方法。反向法變極由于僅在每相繞組內(nèi)部改變所屬線(xiàn)圈的連接方法來(lái)改變部分線(xiàn)圈中的電流方向，其電機(jī)的出線(xiàn)數(shù)較少，雙速電機(jī)出6根線(xiàn)，三速電機(jī)出9根線(xiàn)，四速電機(jī)出12根線(xiàn)，從而簡(jiǎn)化變極開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)，但變極后可能分布系數(shù)低，使電動(dòng)機(jī)性能受到一定影響。換相法變極不僅改變部分線(xiàn)圈電流方向，而且改變部分槽內(nèi)線(xiàn)圈的相屬。用換相法獲得的單繞組多速電動(dòng)機(jī)方案，不同極數(shù)的分布系數(shù)可保持較高，但出線(xiàn)頭較多，接線(xiàn)復(fù)雜，使用和控制不如反向法方便，一般場(chǎng)合很少使用。

2 單繞組變極雙速電動(dòng)機(jī)不同接法的運(yùn)行特性

單繞組變極調(diào)速是變極調(diào)速中應(yīng)用最廣的方法。設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)對(duì)現(xiàn)有單速電機(jī)進(jìn)行繞組改繞設(shè)計(jì)，根據(jù)槽電流表和磁動(dòng)勢(shì)圖，定性分析電機(jī)的諧波磁場(chǎng)對(duì)電機(jī)運(yùn)行性能的影響，計(jì)算電機(jī)磁路各部分磁通密度數(shù)值，由此確定電機(jī)所選槽配合。通過(guò)將定子繞組分成兩個(gè)“半相繞組”，利用改變接法，使其中一個(gè)“半相繞組”中的電流反向，極對(duì)數(shù)成倍改變時(shí)，須同時(shí)改變出線(xiàn)端的相序，使電機(jī)雙速相序一致。單繞組雙速電機(jī)的典型線(xiàn)路有恒功率△-YY和恒轉(zhuǎn)矩Y-YY兩種接法。單繞組雙速電機(jī)低速和高速按△-YY接時(shí)，考慮到效率和功率因數(shù)的影響，低速功率為高速功率的0.75倍，高速轉(zhuǎn)矩約為低速的0.5倍，電機(jī)為恒功率調(diào)速；低速和高速按Y-YY接時(shí)，考慮到效率和功率因數(shù)的影響，低速功率約為高速功率的0.35倍，高速轉(zhuǎn)矩高速與低速基本相同，電機(jī)為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。

單繞組雙速電機(jī)的繞組大多具有不規(guī)則的繞組排列，從而產(chǎn)生比普通單速繞組更多的諧波，影響電機(jī)的起動(dòng)、振動(dòng)、噪音、溫升等性能。為消除偶次諧波和增加電機(jī)多極數(shù)時(shí)的繞組分布系數(shù)，多采用多極數(shù)為全節(jié)距或接近全節(jié)距的繞組，同時(shí)為消弱諧波磁動(dòng)勢(shì)和選擇合適的節(jié)距，一般選用雙層疊繞組。繞組設(shè)計(jì)時(shí)要兼顧各轉(zhuǎn)速下的性能，并根據(jù)電機(jī)實(shí)際工作狀態(tài)，選擇恒功率或恒轉(zhuǎn)矩來(lái)決定電機(jī)繞組的型式、接法、節(jié)距、氣隙磁密和匝數(shù)。

3 變頻調(diào)速電機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和節(jié)能優(yōu)勢(shì)

變頻調(diào)速電機(jī)的設(shè)計(jì)主要在適應(yīng)變頻電源調(diào)速運(yùn)行和提高電機(jī)本身效率兩方面考慮。由于所用變頻電源的特殊性，以及系統(tǒng)對(duì)高速或低速運(yùn)轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)響應(yīng)等需求，對(duì)作為系統(tǒng)能源轉(zhuǎn)換主體的變頻調(diào)速電機(jī)，在電磁、結(jié)構(gòu)、絕緣各方面提出了更高的要求。(1)由于電機(jī)的臨界轉(zhuǎn)差率反比于電源頻率，變頻電機(jī)可以在臨界轉(zhuǎn)差率接近1時(shí)直接啟動(dòng)，因此過(guò)載能力和啟動(dòng)性能不再需要過(guò)多考慮，而把設(shè)計(jì)重點(diǎn)集中在改善本身對(duì)非正弦波電源的適應(yīng)能力，提高電機(jī)不同負(fù)載率下的效率上。(2)電磁設(shè)計(jì)時(shí)盡可能的減小定子，轉(zhuǎn)子電阻。為抑制電機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)電流中的高次諧波，適當(dāng)增加電動(dòng)機(jī)的電感。選用耐電暈性能好的電磁線(xiàn)，以滿(mǎn)足電機(jī)耐高頻脈沖和局部放電的要求。一般使用聚酯亞胺/聚酰胺酰亞胺復(fù)合層漆包線(xiàn)，耐電暈、抗電暈電磁線(xiàn)。變頻電動(dòng)機(jī)的磁路一般設(shè)計(jì)成不飽和狀態(tài)，一是因?yàn)榈退龠\(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)高次諧波會(huì)加深磁路飽和，二是因?yàn)殡姍C(jī)在低頻時(shí)，為提高輸出轉(zhuǎn)矩可以適當(dāng)提高變頻器的輸出電壓。(3)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，主要考慮非正弦電源特性對(duì)變頻電機(jī)的絕緣結(jié)構(gòu)、振動(dòng)、噪聲及冷卻方式等方面的影響。為滿(mǎn)足電機(jī)的高速運(yùn)轉(zhuǎn)及抵抗變頻器高頻電流沖擊對(duì)絕緣的破壞，采用高分子絕緣材料及真空壓力浸漆制造工藝，以及采用特殊的絕緣結(jié)構(gòu)，使電機(jī)繞組匝間絕緣介電強(qiáng)度及機(jī)械性能強(qiáng)度提高。(4)為避開(kāi)與各次力波產(chǎn)生的共振現(xiàn)象，充分考慮電動(dòng)機(jī)構(gòu)件及整體的剛性，盡力提高其固有頻率、提高平衡質(zhì)量、振動(dòng)等級(jí)要求為R級(jí)(降振級(jí))，提高機(jī)械零部件加工精度，對(duì)需要高速運(yùn)轉(zhuǎn)的變頻電機(jī)，采用專(zhuān)用高精度進(jìn)口軸承。

變頻電機(jī)較普通電機(jī)存在以下優(yōu)點(diǎn)：(1)在0.1Hz～130Hz范圍長(zhǎng)期運(yùn)行，適用于設(shè)備的各種調(diào)速場(chǎng)合，適應(yīng)不同工況條件下的頻繁變速。普通電機(jī)可長(zhǎng)期運(yùn)行的頻率范圍較窄，根據(jù)極數(shù)不同可長(zhǎng)期運(yùn)行的頻率范圍見(jiàn)表1。(2)具備有自啟動(dòng)功能，采用電磁設(shè)計(jì)，減少了定子和轉(zhuǎn)子的阻值，提高了電機(jī)效率。(3)采用獨(dú)立風(fēng)機(jī)對(duì)電機(jī)進(jìn)行冷卻，在各種轉(zhuǎn)速下，均能良好的散熱。(4)在出力不變的條件下，較普通三相異步電動(dòng)機(jī)，其體積減少25%～30%，或電機(jī)功率密度增加25%～30%，同時(shí)在調(diào)速范圍內(nèi)平均運(yùn)行效率提高3%，平均功率因數(shù)提高4%?；谏鲜鎏攸c(diǎn)，變頻專(zhuān)用三相異步電動(dòng)機(jī)應(yīng)用范圍大大擴(kuò)展，在風(fēng)機(jī)、水泵調(diào)速節(jié)能中得到廣泛應(yīng)用。

表1 不同極數(shù)普通電機(jī)可長(zhǎng)期運(yùn)行的頻率范圍

4 變頻控制的恒磁通和恒壓調(diào)速特點(diǎn)

電動(dòng)機(jī)變頻器調(diào)速時(shí)有兩種情況：基頻(基準(zhǔn)頻率)以下(3Hz或5Hz～50Hz)調(diào)速和基頻以上(50Hz～100Hz)調(diào)速，其負(fù)載特性如圖1所示。

圖1 變頻調(diào)速電機(jī)負(fù)載特性圖

兩種情況下都要盡量保持電機(jī)主磁通為額定值不變。如果磁通過(guò)弱(電壓過(guò)低)，電機(jī)鐵心不能得到充分利用，會(huì)導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩變小，負(fù)載能力下降。如果磁通過(guò)強(qiáng)(電壓過(guò)高)，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)處于過(guò)勵(lì)磁狀態(tài)，電機(jī)因勵(lì)磁電流過(guò)大而嚴(yán)重發(fā)熱。根據(jù)電機(jī)原理可知，三相異步電機(jī)定子每相電動(dòng)勢(shì)的有效值

E1=4.44f1N1φm

式中,E1—定子每相由氣隙磁通感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)有效值；f1—定子頻率；N1—定子每相繞組有效匝數(shù)；φm—每極磁通量。

由上式可知，φm的值由E1/f1決定，但由于E1難以直接控制，所以在電動(dòng)勢(shì)較高時(shí)，可忽略定子漏阻抗壓降，而用定子相電壓U1代替。要保證φm不變，就要使U1/f1始終為一定值，這是基頻以下調(diào)速的基本情況，為恒壓頻比(恒磁通)控制方式，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速?；鶞?zhǔn)頻率為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速區(qū)的最高頻率，基準(zhǔn)頻率所對(duì)應(yīng)的電壓即為基準(zhǔn)電壓，是恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速區(qū)的最高電壓，在基頻以下調(diào)速時(shí)，電壓會(huì)隨頻率而變化，但兩者的比值不變。在基頻以上調(diào)速時(shí)，頻率從基頻向上可以調(diào)至上限頻率值，但由于電機(jī)定子不能超過(guò)電機(jī)額定電壓，因此電壓不再隨頻率變化，而保持基準(zhǔn)電壓值不變，這時(shí)電機(jī)主磁通必須隨頻率升高而減弱，轉(zhuǎn)矩相應(yīng)減小，功率基本保持不變，屬于恒功率調(diào)速區(qū)。基準(zhǔn)頻率為恒功率調(diào)速區(qū)的最低頻率，是恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速區(qū)與恒功率調(diào)速區(qū)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，而基準(zhǔn)電壓值在整個(gè)恒功率調(diào)速區(qū)內(nèi)不再隨頻率變化而改變。

5 結(jié)語(yǔ)

變極調(diào)速電機(jī)的尺寸一般比同容量變頻感應(yīng)電機(jī)略大，運(yùn)行性能略差，電機(jī)出線(xiàn)端較多，在僅需等級(jí)調(diào)速的場(chǎng)合使用，是一種較經(jīng)濟(jì)的方法。變頻調(diào)速電機(jī)的調(diào)速范圍廣，為無(wú)級(jí)調(diào)速，調(diào)速前后電動(dòng)機(jī)的主要性能和節(jié)能效果都比較優(yōu)越，但需要專(zhuān)門(mén)的變頻電源，近年來(lái)，由于變頻技術(shù)的發(fā)展，變頻裝置的價(jià)格不斷降低，性能逐步提高。隨著變頻技術(shù)的推廣變頻調(diào)速電機(jī)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。