变频器在交流 电机 调速系统 中的应 用

2006年第 6期(总 114期) 变频器在交流电机调速系统中的应用 温 江 。张忠海 (1．一重集团大连研究院工程师，辽宁 大连 116600；2．一重集团海军代表室工程师 ，黑龙江 富拉尔基 161042) 摘要：介绍某单位应用变频调速技术的实例，介绍国内外高性能交流电机调速系统的现状和动态，对 交流电机调速系统在能源、环境和交通中的应用进行了展望。 关键词：变频器；高性能；模块化 中圈分类号：TN773 文献标识码：B 文章编号：1673—3355(2006)06-0011-02 Application of Frequency Converter in Speed Adjustment of AC Motor Wen Jiang，Zhang Zhonghai Abstract：The article describes the stams and trends of high-performance speed adjusting system for AC mot0r8 home and abroad through discussing a frequency'variable speed-adjusting system that is used at a factory and envisages the application of AC motor speed adjusting system in the fields of energy，environment protection and transportation． Key s：frequency converter，high performance，modularization 能源短缺是人类当前面临的世纪性难题。我 国 “十五”提出了不断提高能源利用效率的 节能目标．其中一项重要措施就是耍逐步实现电 动机、风机、泵类设备的经济运行，发展交流电 机调速节电和电力电子节电技术。以较低的能源 消费和较大的节能量来长期支持国民经济快速、 健康、持续发展。 异步电动机是工农业生产中应用最为广泛的 一 种交流电机。但由于其调速性能差、功率因数 低。20世纪70年代前。在需要调速拖动的场合几 乎全部采用直流电机 ，但其制造和维护十分繁 杂。随着半导体器件的发展，开发出了变频器 件，应用变频技术控制交流电机的转速，较好地 解决了异步电机调速的问题，使之得到更广泛的 应用 。 1 交流电机的调速原理 交流异步电机的变频调速原理，可从异步电 机的基本中得出。主要的3个公式是： 收稿日期：2006—07—26；修回日期：2006一O8—18 — 20一 同步转速方程 nl：6O上 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (1) P 转差率方程 s=—nl- — n ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ f2) nl ‘ 感应电势方程 El=4．44fwk~ ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (3) 从 (1)、 (2)两式得出其旋转方程 n=6O上×(1 )：⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯--(4) P 式中，n一转子转速 (r／rain)；严 电源频率 (Hz)； p一电机极对数；El一定子绕组产生的感应 电势。为了分析直观，设 约等于三相异 步电机的相电压 。 电势方程可表示为 U=4．44触 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (5) 式中， 外加电源电压 (V)；严 电源频率 (Hz)； 埘一定子绕组每相总匝数；|l}一定子绕组系 数； 为每极磁通 )。 维普资讯 http://www.cqvip.com 《一重技术》 由 (4】式知改变电源频率厂即可改变转速 。 尽簧 升高或降低会影响到电机的其它参数，如 输人电压 、输人电流，的变化。由于在设计三相 异步电机时。电机的额定电压 、额定电流，及相 应的额定频率设计值几乎使磁路达到了饱和值 ， 因此由 (4)式，降低 以降低转速 。但由 (5) 式，若保持U不变必须要增大 值，由于磁路已趋 于饱和． 值是不可能增大的，因此 值不能维持 不变，必随 变化而变，最终保持U／f=常数。因 此，变频调速器在改变频率的同时改变了电压 ， 保持了 匕值恒为常数，确保了电机在低速运转 时的转矩特性，同时保证了电机在低速运转时不 会过流发热，实现了交流电机平滑调速。 2 变频调速技术的应用 某煤厂安装了4台电磁调速叶轮给煤机，控 制电磁离合器励磁电流强度，调节离合器输出轴 转速．控制给煤量。由于这种调节方式的自然机 械特性很软。在系统中引人了测速装置，以获得 速度负反馈而改善过软的机械特性。但由于测速 不稳和现场随机性操作事件多变。常常出现控制 失灵和过热损坏器件的现象，影响正常的选煤生 产．必须进行改造。 主电机型号Y180—4，输出功率18．5 kW，为Y 系列交流异步电机。改造方法是拆除离合器励磁 线圈、测速装置及电磁调速装置，电气部分仅保 留主电机和行走电机；采用对轮将主电机与减速 箱直接联接；安装变频器到主电机供电回路中。 选择了性能优良的变频器 。各种保护功能完善 ， 频率调整范围0．2—400 Hz，转矩提升为0～10％，v／f 控制方式。检查电气安装和连线正确无误后，根 据系统功能要求设定好变频器数据．一次试车成 功。在本例中，采用开环 胜 制方式，频率采用 外部调整。该系统启动平稳，调速性能平滑准 确，整体性能比原系统大幅提高，运行安全可 靠，完全达到预期效果。 3 效果及优缺点 正常负载下电机电流改造前为35 A；改造后 为27 A；每天按运转16 h计算，一年按300个工作 日统计．每台电机一年节电14 592 kW·h。机械负 载性能提高，启动平稳，保护功能完备，故障率 低。控制方式灵活，便于构建 自控系统，节能更 显著。虽然操作简单、直观，但维护要切实按说 明要求进行。变频器价格昂贵 。一次性投资 大，关键性模块损坏后不可修复。 4 变频器技术发展态势 4．1 高性能 过去国产通用变频器主要是压频控制．今天 不少品牌的变频器已提升到智能矢量控制及转矩 控制；前几年国产高压变频器可靠性还不太高， 今天已研制出同国外品牌性能相差不大的变频 器。不少厂家都在追求生产高可靠性、高转矩、 高精度和低谐波的通用变频器。 4．2 模块化 ． 通用变频器已有向模块化发展的趋势．即高 性能的电动机驱动模块 f通用变频器)+功能模块 (如注塑卡、张力卡等)+专用模块 (如电梯、拉丝 机、 卷染机等)。特殊功能和特殊需求，不必加许 多外围器件 ，仅插人一个功能卡或专用卡即可 ， 简单易行而且成本低。 4．3 专用化 国外的变频器早已有许多专用型的。但价格 昂贵．如电梯、车床、造纸机和化纤生产线专用 等。近20年来国人对变频器应用的一大贡献就是 把通用变频器通过一些智能控制单元．廉价地用 到转炉、起重机、机床、纺丝机 、造纸生产线、 印染设备及高架旅运车上。近年叉出现了专用变 频器，如注塑机和抽油机专用变频系统等，这些 都是国外没有的，我国填补了国际上的空白。 5 结 语 我国目前电机调速技术应用是以低压、小容 量调速对象为主，高压、高效的变频调速装置以 进口为主。面对节能、改善工艺的迫切需求和巨 大的市场前景．国产高压大功率变频器的产品生 产还刚刚起步。国际上具有生产、研制新型大功 率变频调速装置能力的均是世界知名的大电气公 司．由于他们在电力电子技术发展的过程中一直 是按部就班进行的，形成了从功率半导体器件到 整机生产的全套工业环节，市场惯性和企业本身 的庞大机构使得他们不会马上转产全新的产品。 而我国是一个新兴的发展中国家，在老技术方面 投资相对较少，可以马上转人最新技术的开发和 利用，借鉴别人的经验．少走弯路。在最新领域 的研究取得成果的基础上尽快产业化。可大大缩 短与先进国家的差距，在某些方面甚至可以超过 他们。目前大容量交流电机调速技术应用的时机 已到，只要在体制改革、生产管理和经营决策方 面保证好，发展前途不可限量。 一 21— 维普资讯 http://www.cqvip.com