變頻電動(dòng)機的最新動(dòng)向及應用

1 概述

隨著(zhù)環(huán)保、節能問(wèn)題的不斷深化，迄今為止，由市電恒速驅動(dòng)電動(dòng)機的應用中，藉助可變速運轉，實(shí)施節能與改善的運行過(guò)程的實(shí)例越來(lái)越多。

特別是變頻驅動(dòng)結合感應電動(dòng)機和永磁同步電動(dòng)機的應用，節能效果和省維護性十分顯著(zhù)。

在1970—1980 年投資的設備中，由于機器的老化需要更新，繞線(xiàn)式感應電動(dòng)機及直流電動(dòng)機將逐步由變頻驅動(dòng)所取代。而且，由于高壓變頻器的開(kāi)始普及，在原來(lái)應用較少的高壓領(lǐng)域，變頻電動(dòng)機的應用也日益廣泛。本文介紹了可變速電動(dòng)機的變遷，概述了變頻驅動(dòng)電動(dòng)機的幾項關(guān)鍵技術(shù)，以及變頻電動(dòng)機的應用實(shí)例。

2 可變速電動(dòng)機的發(fā)展過(guò)程

電動(dòng)機的可變速運轉，曾以直流電動(dòng)機和繞線(xiàn)式感應電動(dòng)機為主流。1953年面市的變速(VS)耦聯(lián)(Coupling)與籠形感應電動(dòng)機結合的VS電動(dòng)機，曾向一般的可變速驅動(dòng)及起重吊車(chē)等應用中大力推廣，但是，直流電動(dòng)機因向轉子供電需要多個(gè)電刷，所以，維護量大;繞線(xiàn)式感應電動(dòng)機和VS電動(dòng)機在速度控制時(shí)，又存在滑差率成正比的損耗大這一問(wèn)題。如由鼠籠式異步電動(dòng)機與變頻器組合，上述問(wèn)題可迎刃而解。

另一方面，近年來(lái)國內外積極開(kāi)展著(zhù)節能工作，尤其是電動(dòng)機的耗電，約占產(chǎn)業(yè)用全部電能的70%。故對電動(dòng)機的節能對策已成為當務(wù)之急，日本在2000 年公布執行的工業(yè)標準715C4212(高效率低壓三相鼠籠式異步電動(dòng)機工業(yè)標準)中要求電動(dòng)機高效率化。而且，從對用戶(hù)從事節能實(shí)施的方式進(jìn)行征詢(xún)，結果顯示利用變頻器方法的數量最多，占到64.5%，如圖1 所示。

安川公司為了滿(mǎn)足這些節能要求，1997 年領(lǐng)先于其它公司開(kāi)發(fā)了轉子上無(wú)損耗這一特色的永磁同步電動(dòng)機，并已產(chǎn)品化。從節能觀(guān)點(diǎn)看，該同步電動(dòng)機驅動(dòng)作為新型可變速驅動(dòng)引人注目，并在以升降機(電梯)為主的應用領(lǐng)域，顯示出強勁的發(fā)展趨勢。

3 變頻驅動(dòng)電動(dòng)機的注意點(diǎn)

與采用市電電源操作電動(dòng)機的情況不同，在利用變頻器驅動(dòng)的場(chǎng)合下，對包含于變頻器輸出電壓、電流中高次諧波成分的影響，在電動(dòng)機設計、制造以及應用時(shí)，須要從多方面引起重視。下面介紹有關(guān)冷卻、諧波電流產(chǎn)生的發(fā)熱、扭曲振動(dòng)、浪涌(脈沖)電壓以及電腐蝕等問(wèn)題。

3.1 冷卻

通過(guò)變頻器的中變速運轉，有的應用于風(fēng)扇、水泵等具有平方遞減轉矩負荷特性的流體機械的控制;有的應用于對擠壓機、壓縮機等具有定轉矩特性的機械控制。從電動(dòng)機的冷卻特性設計上看，前者與市電驅動(dòng)的電動(dòng)機是同一結構，而后者考慮了低速下冷卻能力的下降，通常采用外風(fēng)力的通風(fēng)型結構，以便提高冷卻性能。

3.2 由高次諧波電流引起的發(fā)熱

用變頻器驅動(dòng)電動(dòng)機時(shí)，流入電動(dòng)機的電流含有高次諧波。對此，與市電操作的運轉對比，變頻驅動(dòng)使電機繞線(xiàn)溫度趨向于升高，提高了5%耀12%。特別在使用永磁同步電動(dòng)機的情況下，因高次諧波電流會(huì )導致轉子表面及磁體產(chǎn)生渦流損耗，從而引起磁體的溫升，甚至發(fā)生最壞情況，即產(chǎn)生退磁等故障。

變頻器驅動(dòng)時(shí)的高次諧波電流，是這一溫升的主要原因。為對此進(jìn)行詳細的分析，應建立變頻器的PWM(脈寬調制)驅動(dòng)模型，以反映對諧波電流的分析。安川公司開(kāi)發(fā)了變頻器驅動(dòng)時(shí)產(chǎn)生損耗的機理分析，以及驅動(dòng)系統整體模擬分析的技術(shù)。圖2 為電流諧波波形分析與實(shí)測值的對比分析實(shí)例，結果分析值與實(shí)測值大體是一致的，具有足夠的精確度。

3.3 由高次諧波電流產(chǎn)生的扭轉振動(dòng)

由變頻器驅動(dòng)電動(dòng)機時(shí)，因波形的畸變及高次諧波電流產(chǎn)生脈動(dòng)轉矩，這一脈動(dòng)轉矩可能會(huì )對軸、聯(lián)軸節、冷卻風(fēng)扇造成損壞，尤其在半導體開(kāi)關(guān)器件組成的變頻器中容易出現脈動(dòng)轉矩問(wèn)題。PWM 變頻器的載波頻率高達數kHz，通常與機械系統的固有頻率相差甚殊，故不存在扭轉振動(dòng)。再者，PWM變頻器驅動(dòng)時(shí)的轉矩分析精度高，容易處置電磁振動(dòng)和噪音問(wèn)題。

3.4 浪涌電壓

變頻器的輸出電壓波形，在半導體開(kāi)關(guān)的高速切換影響下，會(huì )在電動(dòng)機端子上產(chǎn)生脈沖波形(過(guò)電壓波)，峰值約為市電電源峰值的2倍。故相應的電動(dòng)機的絕緣應力須增加，變頻電動(dòng)機承受這一脈沖電壓的電線(xiàn)絕緣膜的厚度也應增加。

同時(shí)，由于過(guò)電壓(浪涌電壓)波的重疊，產(chǎn)生2 倍以上電壓的實(shí)例已有報導，這種情況下，對地絕緣，導線(xiàn)束(股線(xiàn))絕緣等均應提高絕緣等級，或者改進(jìn)成整齊排列的線(xiàn)棒繞組結構(圖3)，以便在制造工藝上能承受住浪涌電壓的沖擊。此外，在變頻器側，采用了三電平控制等，以此來(lái)降低浪涌電壓的影響。

3.5 電腐蝕問(wèn)題

由變頻器驅動(dòng)電動(dòng)機時(shí)，線(xiàn)卷與大地之間的共模(Common mode)電壓，由電動(dòng)機各個(gè)部位的寄生(雜散)電容分擔，這樣在軸承油膜部位將產(chǎn)生數伏以上的電壓(軸電位)，由于這一電壓重復放電，致使軸承接觸面上的振動(dòng)加速度增大，或從軸承內發(fā)出異常聲音，這種現象就稱(chēng)為電腐蝕。

原理上，所有變頻器驅動(dòng)的電動(dòng)機上均會(huì )產(chǎn)生由共模電壓導致的軸電位。但實(shí)際上，異常聲音及異常振動(dòng)等不利情況極少。一般，在恒速連續運轉場(chǎng)合以及混凝土基礎(無(wú)共用底座)場(chǎng)合下，比較容易發(fā)生電腐蝕。

解決電腐蝕所采取的措施是：安裝接地電刷和采用絕緣軸承，以及對所配合的機械實(shí)現同電位化等。

4 變頻電動(dòng)機的應用實(shí)例

考慮到上述有關(guān)注意事項，制造由變頻器驅動(dòng)的電動(dòng)機時(shí)，須滿(mǎn)足應用中提出的各項要求。以下介紹了真空泵、港口裝卸起吊用卷?yè)P機，直流電動(dòng)機驅動(dòng)的更新改進(jìn)，以及高壓變頻器中變頻電動(dòng)機的應用實(shí)例。

4.1 在真空泵上的應用

對于工業(yè)用的真空泵，多采用羅茨(Roots)泵(一種機械式的增壓泵)以及干式泵，原來(lái)是由變頻器驅動(dòng)感應式電動(dòng)機。最近，由于小型、輕量化、節能化的要求，傾向于采用永磁式同步電動(dòng)機。作為真空泵還要求：從真空向大氣開(kāi)放時(shí)能適應負荷的急劇變化;為防止周?chē)h(huán)境的影響，應確保其氣密性。按照這些要求，永磁同步電動(dòng)機與無(wú)傳感器矢量控制、超節能型的變頻器VariSpeed F7S最合適。

4.1.1 小型輕量化

半導體及液晶制造工藝中使用的真空泵，為在設置上節省空間，要求電動(dòng)機小型化。一般，感應電動(dòng)機(法蘭盤(pán)安裝型)與永磁同步電動(dòng)機的對比，永磁同步電動(dòng)機實(shí)現了小型輕量化，體積約為感應電動(dòng)機的1/3。

4.1.2 節能

永磁同步電動(dòng)機達到了高效率化。由最大轉矩效率控制產(chǎn)生的節能效果，已提高的效率達5.5%以上，如圖4 所示。