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0 引言
電力拖動系統(tǒng)分為恒速拖動系統(tǒng)和調(diào)速拖動系統(tǒng)。調(diào)速拖動系統(tǒng)又可分為直流調(diào)速系統(tǒng)和交流調(diào)速系統(tǒng)。用直流電機可方便地進行調(diào)速，因其具有優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩控制性能，但由于本身結(jié)構(gòu)特點，直流調(diào)速有幾個主要缺點:(1)直流電動機容易出現(xiàn)故障，維修困難。(2)使用場合受到限制，在易燃易爆以及環(huán)境惡劣的地方不能采用。(3)由于直流電動機的結(jié)構(gòu)因素使單機容量及轉(zhuǎn)速受到限制。(4)直流電動機的價格高于交流電動機。隨著電力電子技術的發(fā)展，近年來交流調(diào)速獲得飛躍的發(fā)展，采用交流電機拖動方式逐步占據(jù)了主要地位。交流調(diào)速具有下面幾個優(yōu)點:(1)交流電動機特別是籠型異步電動機的價格遠低于直流電動機。(2)交流電動機不易出現(xiàn)故障，維修簡單。(3)使用場合沒有限制。(4)電動機的單機容量遠大于直流電動機。隨著交流調(diào)速的發(fā)展，它的調(diào)速性能已可與直流調(diào)速系統(tǒng)技術相媲美，已有取代直流調(diào)速系統(tǒng)的趨勢，從而進人交流調(diào)速系統(tǒng)時代。 1 技術概況 近年來交流調(diào)速中最活躍、發(fā)展最快的就是變頻調(diào)速技術。變頻調(diào)速是交流調(diào)速的基礎和主干內(nèi)容。上個世紀變壓器的出現(xiàn)使改變電壓變得很容易，從而造就了一個龐大的電力行業(yè)。長期以來，交流電的頻率一直是固定的，變頻調(diào)速技術的出現(xiàn)使頻率為可以充分利用的資源川。 交流電動機高效調(diào)速方法的典型是變頻調(diào)速，它既適用于異步電動機，也適用于同步電動機。采用變頻調(diào)速不但能實現(xiàn)無級調(diào)速，而且根據(jù)負載的特性不同，通過適當調(diào)節(jié)電壓和頻率之間的關系，可使電動機始終運行在高效區(qū)，并保證良好的動態(tài)恃性。交流變頻調(diào)速系統(tǒng)在調(diào)速時和直流電動機變壓調(diào)速系統(tǒng)相似，機械特性基本上平行上下移動，而轉(zhuǎn)差功率不變。同時交流電動機采用變頻起動更能顯著改善交流電動機的起動性能，大幅度降低電動機的起動電流，增加起動轉(zhuǎn)矩。 變頻調(diào)速系統(tǒng)目前廣泛應用的是轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制的調(diào)速系統(tǒng)，也稱為恒WF控制。這種調(diào)速方法采用轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比帶低頻電壓補償?shù)目刂品桨?，其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低，適用于風機、水泵等對調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)性能要求不高的場合。 轉(zhuǎn)速開環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)可以滿足一般的平滑調(diào)速要求，但是靜、動態(tài)性能都有限，要提高靜、動態(tài)性能，首先要用帶轉(zhuǎn)速反饋的閉環(huán)控制。對此人們又提出了轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)。轉(zhuǎn)差頻率控制是從異步電動機穩(wěn)態(tài)等效電路和轉(zhuǎn)矩公式出發(fā)的，因此保持磁通恒定也只在穩(wěn)態(tài)情況下成立。一般說來，它只適用于轉(zhuǎn)速變化緩慢的場合，而在要求電動機轉(zhuǎn)速作出快速響應的動態(tài)過程中，電動機除了穩(wěn)態(tài)電流以外，還會出現(xiàn)相當大的瞬態(tài)電流，由于它的影響，電動機的動態(tài)轉(zhuǎn)矩和穩(wěn)態(tài)運行時的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩有很大的不同。因此如何在動態(tài)過程中控制電動機的轉(zhuǎn)矩，是影響系統(tǒng)動態(tài)性能關鍵。70年代西門子工程師Btaschke首先提出異步電機矢量控制理論來解決交流電機轉(zhuǎn)矩控制問題，從而獲得與直流調(diào)速系統(tǒng)同樣的動、靜態(tài)性能。矢量控制算法已被廣泛地應用在變頻器產(chǎn)品上。在80年代中期，Depenbrock教授提出直接轉(zhuǎn)矩控制，免去了矢量變換的復雜計算，控制結(jié)構(gòu)簡單。 隨著新型功率器的產(chǎn)生，微處理器的高速化以及現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，變頻電機控制技術的發(fā)展方興未艾，各種新型的控制策略正在不斷涌現(xiàn)，這必將進一步的推動變頻調(diào)速技術的不斷發(fā)展。 2 研究狀況 02 世紀09年代以前，人們對變頻調(diào)速系統(tǒng)的研究主要集中在變頻器的拓樸結(jié)構(gòu)以及控制算法上，并且取得了較大的進展，使電動機傳動的動態(tài)性能和調(diào)速精度得到了大大的提高。但變頻器供電電動機的效率、功率因數(shù)和功率密度等穩(wěn)態(tài)性能卻沒有得到相應的重視和研究。尤其是高壓大容量的電動機傳動系統(tǒng)中出現(xiàn)了低效率和低功率因素的問題，使得人們重新認識到電動機在變頻調(diào)速系統(tǒng)中的穩(wěn)態(tài)性能與其動態(tài)性能一樣重要。對不同的控制方法，電動機在效率、功率因數(shù)以及溫升等性能上都有很大的差別。提高電動機在變頻調(diào)速系統(tǒng)中的穩(wěn)態(tài)性能，不僅可以極大地節(jié)約能源，而且還能提高電動機運行的可靠性。因此，必須重新考慮電動機在變頻調(diào)速系統(tǒng)中的設計問題。 應用交流調(diào)速技術的主要目的:一是為了節(jié)能;二是為了獲取高精度的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩控制;三是為了實現(xiàn)高速驅(qū)動。在變頻調(diào)速中，由于電動機由變頻器供電，這與傳統(tǒng)工頻正弦波供電的電動機存在著很大區(qū)別。一方面，前者在從低頻到高頻的寬頻范圍內(nèi)運行;另一方面，電源波形是非正弦的。而目前廣泛采用的SPWM正弦脈寬調(diào)制技術，雖然大大抑制了低次諧波，降低了電動機的脈動轉(zhuǎn)矩，擴展了電動機低速下平穩(wěn)運行的范圍;但在這種調(diào)制方式中，逆變器的輸出電壓波形中含有相當高的由于調(diào)制而引起的諧波分量，特別是在輸出電壓較低時，情況尤為嚴重，其幅值往往可達到與基波相近的程度。電動機在這種供電狀況下工作是極不理想的。由于這些高次諧波的存在，定、轉(zhuǎn)子由于集膚效應使電阻增大，致使定轉(zhuǎn)子銅耗增大，這對于雙鼠籠及深槽式轉(zhuǎn)子電機尤為嚴重。同時，高次諧波還會使鐵耗及雜散損耗大大增加，最終降低電機運行效率。其次，由于高次諧波的存在，還會產(chǎn)生電磁振動和噪聲。這一點對于正弦波電源供電的電機來講已是很困難的問題了，而對于由逆變器供電的電機，由于電源的非正弦性，使問題變得更為復雜和棘手。此外，在低頻運行時仍然可能出現(xiàn)一定程度的低次諧波，從而在低速運行時產(chǎn)生脈動轉(zhuǎn)矩，影響電機低速穩(wěn)定運行。 由于變頻調(diào)速電機調(diào)速范圍廣，一般調(diào)速比為1:10，也即要求電動機在SHz頻率下能低速穩(wěn)定運行。由于這時轉(zhuǎn)速很低，普通電機采用的自冷式風扇冷卻方式提供的冷卻風量已大大減少，散熱效果已大大降低，必須采用其他冷卻方式或提高絕緣等級。 20世紀90年代以來，越來越多的注意力投向變頻電動機的設計研究中。變頻電動機的設計都從額定電壓的確定方法和電機參數(shù)的設計人手，但在文獻中還有一些特殊考慮，比如轉(zhuǎn)子不斜槽，以避免由于斜槽產(chǎn)生漏磁通造成的損耗;定子繞組采用多股并繞，以減小定子集膚效應影響;采用他冷式風扇通用結(jié)構(gòu)等等。有些設計在分析了變頻電動機的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性后，總結(jié)了變頻變壓調(diào)速給電機帶來的效率、溫升以及對頻繁起、制動的適應能力等間題，并對電機進行了電磁設計和結(jié)構(gòu)設計，還重點考慮了變頻器供電對電機的影響，從分析靜止變頻電源的特點以及電動機運行特性，對在非正弦波電源系統(tǒng)上運行的電機存在的問題進行分析，提出了相應的設計方案。在變頻電動機的設計中，有學者根據(jù)“變頻電機的額定電壓一般應確定為逆變器的最大輸出電壓”之原則，將電壓分解為基波相電壓和各奇次諧波相電壓，設電機磁路不飽和，采用“疊加原理”分別計算他們對電機的作用。由于這種假設的限制性，該設計方法的應用存在局限。1999年國內(nèi)有學者首次建議電機制造廠同時供應變頻電源裝置，做配套試驗后出廠。他對變頻電動機進行全面分析，給出了轉(zhuǎn)子電阻、定、轉(zhuǎn)子電抗隨頻率變化的規(guī)律和曲線，采用簡化公式來估算變頻電動機的高速最大轉(zhuǎn)矩、低速起動轉(zhuǎn)矩和起動電流能否適應調(diào)速要求，然后對變頻調(diào)速電動機的設計提出意見。 電機優(yōu)化有助于節(jié)能，能更好地發(fā)揮電機性能?，F(xiàn)在主要的優(yōu)化算法有遺傳算法、模擬退火法、FBT法和隨機算法閣。國外學者在優(yōu)化方面還提出了新的異步電機主要尺寸設計公式，能對整體尺寸進行優(yōu)化，并分析了由逆變器供電的異步電動機的好處，對設計進行革新。清華大學電機工程與應用電子技術系的趙爭鳴教授對異步電機的優(yōu)化作了大量的工作，特別針對變頻電動機提出了從電機轉(zhuǎn)子槽形到整體優(yōu)化的新方法，編制了一套包括設計、參數(shù)計算、仿真和結(jié)構(gòu)等功能的軟件包。由于變頻電動機轉(zhuǎn)子槽形對電機性能影響較大，通過優(yōu)化轉(zhuǎn)子槽形就可以提高變頻電動機的電磁性能。一般，變頻電動機轉(zhuǎn)子槽形采用直槽、上寬下窄，槽形宜淺不宜深。 隨著變頻電動機設計的深人，對電機性能的分析和參數(shù)計算顯得尤為重要，它為電機的優(yōu)化設計提供了參考依據(jù)。對變頻電動機性能的分析，主要是對脈動轉(zhuǎn)矩、損耗、效率、溫升和電機絕緣結(jié)構(gòu)等進行分析。安徽機電學院的陳其工教授對變頻電動機作了具體的設計與性能分析，提出了采用軟件技術來抑制諧波電流和脈動轉(zhuǎn)矩的思想。在槽參數(shù)計算方面，國內(nèi)中小型電動機設計中采用近似解析解法。該解法的計算公式及曲線，主要是依據(jù)國外文獻做出的。國內(nèi)學者還對近似解析解法的計算公式做了簡化和修改。這些方法優(yōu)點在于能夠?qū)懗鼋馕霰磉_式，使槽形尺寸對槽參數(shù)的影響能夠比較直觀、定性地看出。而采用有限元法計算了鼠籠轉(zhuǎn)子凸形槽的起動槽參數(shù)時，往往以一個槽為求解域，計算時還做了以下假設:1對各種槽形，均假設磁力線平行通過槽內(nèi) 2當電源頻率、電阻率以及導條寬與槽寬之比均相同，對寬度漸變的槽，不論槽形如何，透入深度皆相同。 但對于形狀比較復雜的槽，這些文獻在計算中所作的一些假設與實際磁場分布有較大的出人，直接影響到槽參數(shù)的準確計算。 3 發(fā)展前景 變頻電動機與逆變器作為一個整體，隨著電力電子技術、計算機和控制技術的迅速發(fā)展而發(fā)展，其主要特點為: 1） 電力電子、電動機及控制技術一體化。國外主要電動機生產(chǎn)公司早已迅速擺脫了單一電動機生產(chǎn)制造模式，而大大擴展了電動機的外延和內(nèi)涵，以成套機電產(chǎn)品形式走向市場。 2) 集成化和智能化。電動機的高新技術附加含量愈來愈高。電動機本體內(nèi)不僅僅包含定、轉(zhuǎn)子，而且內(nèi)含電力電子元器件及各種控制線路，使得電力電子、電動機、控制不僅在運行上形成一體，在外觀上亦融為一體，具有相當高的“智能”稱之為“SmartMotor”(智能電動機)。 3) 高性 能 和高可靠性。由于電動機及控制系統(tǒng)制造成本遠遠低于其運行成本，所以高性能及高可靠性成為衡量電動機及其系統(tǒng)優(yōu)劣的第一標準。高效、、高功率因數(shù)、寬調(diào)速范圍及高故障容錯能力成為先進電動機系統(tǒng)的重要標志。 4) 新材 料 、新結(jié)構(gòu)層出不窮。電動機中的導電、導磁及絕緣材料已發(fā)生了很大的變化。高性能材料的成本價格不斷下降。同時，電力電子元器件材料亦不斷更新，為電動機與控制提供了新的物質(zhì)條件。 值得注意的是:正是在與電力電子逆變器和控制技術有機地結(jié)合起來，傳統(tǒng)電動機產(chǎn)品才真正得以改造和更新，形成新一代高新技術產(chǎn)品，使之獲得高性能、高可靠性、高質(zhì)量和高附加值，同時節(jié)約能源和原材料，降低消耗和污染，從而適應現(xiàn)代化市場的需要，增強產(chǎn)品的市場競爭能力。 4 結(jié)論 交流調(diào)速是以電子半導體器件為核心，以交流電動機為主體，涉及到電機、電子、自動控制等多門學科。交流異步電機變頻調(diào)速又以其性能優(yōu)越、使用面最廣、應用前景廣闊而受到人們的青睞。而現(xiàn)代控制技術、交流技術以及大功率自關斷器件的迅速崛起和發(fā)展，恰好為交流調(diào)速的推廣應用奠定了堅實的物質(zhì)基礎。然而，應該看到，與之配套使用的交流電機的研究，仍然是一個比較薄弱的環(huán)節(jié)，對變頻異步電機的設計，尚未形成完備理論或一整套方法，在設計和使用變頻電機時還有許多技術問題需要研究和解決。 |
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