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现代变流技术诱发的润滑界面电磁损伤机理研究 专业： 硕士生： 指导老师： 副导师： 机械电子工程 王世怀 段志善教授 熊万里副教授( 湖南大学) 摘要 现代变流技术为工业控制提供了一种完美的方案，尤其是p w m 变频器的高频率开关大大提 高了交流电动机的调速性能。然而，随着近些年来现代变流技术的推广，其负面影响也越来越 突出，一个重要的方面就是对润滑界面造成的电磁损伤问题相当严重。由于p w m 变频器的三相 输出电压在瞬间并不对称，所以导致电机三相定子绕组的电压矢量和不为零，从而出现共模电 压。由于变频器的高开关频率，导致共模电压具有很高的电压变化率，其咖西可以达到 6 0 0 0 v u s 以上，在如此高的电压变化率下，润滑油膜充当了电容的作用对转轴进行充电，形 成轴电压。当电压超过了润滑油膜所能承受的电压时，油膜被击穿出现很大的放电电流，甚至 出现电火花，导致润滑界面的破坏。这种破坏经常出现在电机的轴承或者是与电机主轴相连的 齿轮齿面上，使轴承或齿轮的寿命大大缩短。 本文主要以电机轴承为研究对缘，对现代变流技术导致的润滑界面电磁损伤现象进行研究。 对轴电压的和轴电流的形式进行了全面的介绍：详细研究了p w m 变频器供电下轴电压的产生机 理，建立了p w m 变频器供电下系统的共模电压模型，通过这个模型来分析p w m 变频器供电下润 滑界面破坏的机理，同时，进行计算机仿真；建立实验台，对p w m 变频器供电下交流电动机的 轴电压进行采样和分析；通过仿真结果与实验采样结果的比较来验证模型的正确性；分析了影 响轴电压和轴承电流的几种因素，通过轴承电流密度来计算轴承的寿命，确立了润滑界面电磁 损伤的定量刻划指标；对润滑界面电磁损伤的应对策略和解决方案进行研究。 关键词：交流电动机轴电压 放电加工( e d m ) 电流 论文类型：理论研究和应用基础 轴承电流共模电压轴承电容 定子与转子间电容油膜击穿电压 本论文得到国家自然科学基金资助( 项目编号n o 5 0 2 0 5 0 0 8 ) 墼垒丝墼丝垄堑圭垒堑垡二一 t h e i n v e s t i g a t i o no f l u b r i c a t e i n t e r f a c e e l e c t r o m a g n e t i s md a m a g e p r o b l e mi n d u c e d b y m o d e mp o w e ri n v e r t e r s p e c i a l i t y ： m e c h a t r o n i c s p o s t g r a d u a t e ：w a n gs h i h u a i i n s t r u c t o r ：p r o f d h a l lz l l i s h a n v i n e i n s t r u c t o r ：a s s o c i a t ep r o f x i o n gw a n l i 0 4 u n a nu n i v e r s i t y ) a b s t r a c t m o d e mp o w e ri n v e r t e r sp r o v i d et h ei n d u s t r i a lc o n t r o l i n d u s t r y 谢t 1 1s i g n i f i c a n ta d v a n t a g e s e s p e c i a l l yt h ef a s t e rs w i t c h i n g d e v i c e so f p u l s e w i d t hm o d u l a t e d ( p w m ) i n v e r t e r sh a v ei n c r e a s e dd r i v e p e r f o f i n a n c e h o w e v e r , w h i l et h em o d e mp o w e ri n v e r t e r sw e r eu s e dm o r ea n dm o r ew i d e l y , i t s d i s a d v a n t a g e st u r nt 0b em o r e a n dm o r es e r i o u s , o r l eo fw h i c hi sl u b r i c a t ei n t e r f a c ee l e c t r o m a g n e t i s m d a m a g e b e c a u s et h eo u t p u tv o l t a g eo fp w m i n v e r t e ri sd i s s y m m e t r yi n s t a n t l y , t h ec o n 2 m o nm o d e v o l t a g ea p p e a r sa sar e s u l t t h ec o n l m o nm o d ev o l t a g eh a sh i g ha b r u p tt r a n s f o r m a t i o nr a t eb e c a u s eo f t h ef a s ts w i t c h i n gd e v i c e s ，w h o s ed vtd tc a ne x c e e d6 0 0 0v | s u n d e rs oh i g hd v | d t t h eo i lf i l m a c t sa sac a p a c i t o ra n dp r o v i d e sac h a r g i n gm e c h a n i s mf o rr o t o r s h a f tv o l t a g e b u i l d u p w h e n t h er o t o rt o g r o u n dv o l t a g ei se x c e e dt h ec r i t i c a lo i lf i l mt h r e s h o l dv o l t a g e , t h eo i lf i l mb r e a k d o w n i n d u c ea l a r g e c u r r e n t ，a n de v e na p p e a r e l e c t r i cd i s c h a r g e m a c h i n i n g ( e d m ) c u r r e n lt h e r e f o r e ，t h el u b r i c a t ei n t e r f a c e i sd a m a g e d t h i s d a m a g e w a so f l e no c c u n e di nt h es u r f a c e o f b e a r i n g o r g e a r t h a tc o n n e c t e dw i t hm o t o r s h a f 【i n d u c et h eb e a r i n go r g e a rp r e m a t u r e t h i sp a p e rm a i n l ys t u d ye l e c t r o m a g n e t i s md a n l a g ep r o b l e mo nt h eb e a r i n gl u b r i c a t ei n t e r f a c e i n d u c e db ym o d e mp o w e ri n v e r t e r i n v e s t i g a t et h ed i f f e r e n tf o r m so fr o t o rt og r o u n dv o l t a g ea n d b e a t i n gc u r r e n t s e x a m i n e s t h em e c h a n i s ma n de l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c so f b e a r i n g , a n dc o n v e l st h e m i n t oc o m m o nm o d e v o l t a g e m o d e l si np w mi n v e r t e rc o n t r o ls y s t e m a b s t r a c ta n d a n a l y s i st h es i g n a lo f r o t o rt og r o u n dv o l t a g ev i ae x p e r i m e n t c o m p a r et h er e s u l to fs i m u l a t i o na n ds i g n a la b s t r a c t e df r o m e x p e r i m e n t i n o r d e r t o s h o w t h e c o r r e c t n e s s o f m o d e l s t u d y t h e f a c t o r s w h i c h c a n i n f l u e n c e t h e r o t o r t o g r o u n dv o l t a g ea n db e a r i n gc a r r e n t s g i v eaw a y s t oe s t i m a t et h ee l e c t r i c a ll i f eo f am e c h a r f i c a lb e a r i n g b yb u i l d i n gt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h ec u r r e n t d e n s i t ya n db e a r i n gl i f e e s t a b l i s h h eq u a n l i f i c a t i o n a l m e t h o dt om e a s t l _ et h em a g n i t u d eo f l u b r i c a t ei n t e r f a c ee l e c t r o m a g n e t i s md a m a g e s e a r c ht h ep o s s i b l e t e c h n i q u e s t oe l i m i n a t eo r m i t i g a t el u b r i c a t e i n t e r f a c ee l e c t r o m a g n e t i s md a m a g e p r o b l e m t i k e yw o r d s ：a cm o t o r , r o t o rt og r o u n dv o l t a g e ，c o m m o nm o d e v o l t a g e ，b e a r i n gc u r r e n t , b e a r i n gc a p a c i t a n c e , e l e c t r i cd i s c h a r g em a c h i n i n go ! d m ) c l l r r e n t ,s t a t o rt or o t o r c a p a c i t a n c e ， o i lf i l mt h r e s h o l dv o l t a g e t h e s i s l y p e ：t h e o r y a n a l y s i s & a p p l i c a t i o n f u n d a m e n t t h i sp a p e ri ss u p p o r t e db y n a t u r a ls c i e n c ef u n do f c h i n a ( n s f c ，n o 5 0 2 0 5 0 0 8 ) i i i 声明 y 。b 1 6 8 1 2 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他 人在其它单位己申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同 志对本研究所做的所有贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：1 也协 关于论文使用授权的说明 日期：7 一呼f 1 c 7 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者签名：l 比1 1 伪导师签名：p 殳蠡堰 日期：妒争彳- ， 注：请将此页附在论文首页。 主要符号表 a r e a a r e a 。，轴承滚珠与内、外滚道的接触面积( 平方米、2 ) 兰嬖轴承电流密度( 安平方米、一坍z ) 肼肝1 c 电容( 法、f ) c 。轴承电容( 法、f ) c 0 滚珠与滚珠间电容( 法、f ) c 。滚珠与轴承内圈间电容( 法、f ) c d 。滚珠与轴承外圈间电容( 法、f ) c - 转子与壳体问的电容( 法、f ) c 。定子与壳体问的电容( 法、f ) c 。，定子与转子间的电容( 法、f ) d 定子绕组与定子槽问的距离( 米、m ) 吐轴承内圈直径( 米、m ) 矿、轴承外圈直径( 米、m ) 西加电压变化率( 伏秒、v s ) e a s a 电气设备服务协会 e d 怍e 1 e c t r nd i s c h a r g em a c h i n i n g ，放电加工 e m i e 1 e c t r om a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ，电磁干扰 ，频率( 赫兹、h z ) g 电机气隙厚度( 米、m ) h _ h o u r ，小时 i g b t i n s u l a t e d g a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ，绝缘栅双极晶体管 瓦、k ，、k 盯、k ，与形状有关的比例系数 k 、砭、墨电压增益 k 轴承机械寿命( 小时、s ) 。轴承电寿命( 小时、s ) ，定子绕组长度( 米、m ) 工，转子绕组长度( 米、m ) 卜互感( 亨、h ) 竹电机转速( 转分、r m i n ) 耋墼型垫垒塑圭塑篁叁一h 电机同步转速( 转分、r m i n ) a n _ 转差( 转分、r m i n ) m 轴承滚珠个数 。定子槽数 ，转子槽数 q 轴承的载荷( 牛、n ) 卜压力( 牛、n ) p w m _ p i 】l s e _ w i d t hm o d u l a t i o n ，脉宽调制 r i c “r v e 内滚道面曲率 r o c u r r e 外滚道面曲率 心_ 曲承电阻( 欧、q ) 见“轴承滚珠电阻( 欧、d ) r 。_ 牟由承内圈电阻( 欧、q ) j 嘞承外圈电阻( 欧、q ) 胄，电机转子外径( 米、m ) r 。电机定子内径( 米、t i ) r 定子绕组等效电阻( 欧、q ) s 精差率( 无量纲) s p w 卜正弦波脉宽调制 t 温度( 开、k ) “，参考信号 圪。，圪。，屹电机三相定子端的对地电压( 伏、v ) p 二共模电压( 伏、v ) 圪油膜击穿电压( 伏、v ) 。轴电压( 伏、v ) 定子绕组宽度( 米、t 1 1 ) 矿转子绕组表面宽度( 米、m ) 形定子绕组高度( 米、m ) 珊。固有频率( 弧度秒、r a d s ) z ，油膜等效非线性阻抗( 欧、q ) ，7 润滑油粘度系数 p 屏蔽率 f 髑尼比 2 i 绪论 本文是受湖南大学国家高效磨削工程技术研究中心熊万里老师的国家自然科学基金项日 ( 现代变流技术诱发的机电系统电磁损伤故障机理研究，项目编号n o 5 0 2 0 5 0 0 8 ) 的资助，对 该项目的一个方面进行专题研究：变流技术诱发的机电系统自列滑运动界面破坏的机理和应列策 略研究。本章首先就这一课题的立论依据、国内外的研究现状以及研究的意义进行一下简要的 介绍。然后对现代变流技术的发展作了一个简要的阐述。然后是对本论文的工作安排。 1 1 现代变流技术诱发的机电系统电磁损伤问题 1 1 1 立论 现代变流技术的应用极大地促进了机电设备朝高效、节能和自动化方向迅猛发展。可控硅 调速技术出现于2 0 世纪8 0 年代，最初的可控硅频率只有3 6 0 赫兹左右，然而却给机f 巳系统带 来了以前不曾出现的噪声和振动现象。随着新型电子半导体器件的出现，其导通和关断时间不 断减小，使得驱动性能不断改善，但与此同时，变流技术的负面效应也越来越突出，如：在变 流环境下工作的机电系统的润滑界面故障率明显增加；原本工作稳定的设备采用变频技术后因 频发失稳震荡，：f 作寿命大幅度缩短；绝缘构件在p n 技术的矩形脉冲电压作用下劣化加剧； 等等。润滑运动界面的破坏是现代变流技术诱发的电磁损伤问题中的一个重要方面。 i 1 2 国内外研究现状 列于旋转机械来说，润滑运动界1 _ f i j 的破坏并不是一种新现象，可以说在电机被发明时就已 经存在了，早在1 9 世纪2 0 年代，工频电源供电下的电机轴承电流对轴承润滑界面的破坏就被 人们所公认。j i c h a e lj ，c o s t e l o 在文献( 6 巾介绍了旋转机械中轴电压的存在形式和其破坏 症状。然而，随着近些年来现代变流技术的广泛应用，轴电压和轴电流问题越发显得f “重，其 形成机理和破坏形式电不同于工频电网条件一f 的轴电压和轴电流。由于现代变流技术的出现时 间还比较短，而且发展速度非常决，各种不同的调速方案不断涌现，导致对这一新现象的研究 始终跟不上工程实际的需要。国外学者自1 9 9 6 年以来已有些相关方面的研究。j m 。e r d m a n ，r j k e r b n a n 在文献 2 中对p w m 变频器对电机轴电压和轴电流的影响作了一个比较全面的介绍， 并且对这种轴电压和轴电流进行了定性的分析。d o y l ef b u s s e 和j a y 弧e r d m a n 笺人在文献 3 4 中建立了一种p w m 变频器供电下电机轴电压的物理模型，分析了嗍变频器对滚动轴承 寿命的影响，并在文献 5 中提出了一种针对该润滑界面电磁损伤的应对方案，但这种方案目前 还没有实现工程领域的应用。对现代变流技术下的润滑界面电磁损伤的研究还没有形成一个完 整的系统。相比国外，国内对这方面的研究还是要落后许多，虽然也有一些文献提及轴承电磁 损伤，但还没有深入系统的研究。其中很大部分是针对大型发电机组，如文献 3 0 3 7 3 9 1 4 2 5 0 ，一般都是以某一发电机组的故障为例，对润滑界而的电磁损伤及应对办法作一散述， 认为造成发电机2 h i t s 滑界面电磁损伤的主要原因是磁场不列称、主轴被磁化以及转轴被绕组短 接等因索引起的轴电压所致，应对策略一般是采用转轴接地和轴承绝缘等方法。文献 2 7 岛8 对电动机中的轴电流及其防范方法作了介绍；文献 2 8 4 4 介绍了可控硅调速下的电机轴电压 和轴电流问题。这些文献都只是对电机中轴电压的形成进行了定性的分析，缺乏系统深入的研 究，尤其是对现代变流技术诱发的润滑界面破坏的研究还非常欠缺，对现代逆变器供电下的润 滑运动界面破坏的机理研究还仅限于定性认识阶段，即认为变流技术从原理上会产生各种不对 称电磁谐波，谐波电势积聚后在润滑运动界面通过电磁放电释放，导致润滑运动界面破坏并最 终导致系统故障。因此，如何建立其定量刻划指标、谐波放电途径、润滑破坏的物理、化学和 电化学机理，以及避免该故障的途径均需要进一步的研究。 1 i 3 课题研究的意义 随着现代工业对设备可靠性、长寿命、低维修成本的要求越来越迫切，变流技术诱发的机 电系统电磁损伤故障机理研究已成为制约机电产品质量的关键技术之一。同时，每年i 鲴为电磁 损伤而带来的经济损失也是非常巨大的。因此，迫切需要从产品设计、制造和维护方面与现代 变流技术更好地融合的角度寻找解决问题的途径。 为了在机电产品抗电磁损伤这一新技术领域获得技术优势，a b b 公司和东芝公司已斥资成 立专门机构丌始该领域相关课题的研究。国内有的学者也开始关注该领域的研究进展。但还没 有系统、完善的理论和定量的亥找i 指标。因此就该领域进行专门、深入的研究，提出完善、准 确的电磁损伤理论，寻找有效、可行的方案，从根本上解决机电系统电磁损伤问题是具有重要 意义和实际价值的。为此，湖南大学国家高效磨削工程技术研究中心的熊万里老师已经在该领 域展开专门的研究，并且已申请了国家自然科学基金项目现代变流技术诱发的机电系统电 磁损伤故障机理研究( n 0 5 0 2 0 5 0 0 8 ) 。本文正是受该自然科学基金的资助，对该项目的一个方 面进行专项研究：现代变流技术诱发的机电系统润滑运动界面的破坏机理和解决方案研究。研 究对象为变流技术的应用对象交流电动机。 电机在国民经济中具有非常重要的地位。现代社会中电能是使用最广泛的种能源，在电 能的生产、输送和使用等方面，电机起着重要的作用。 电机是实现机电能量转换与转移的基本工具之一，广泛运用于机械制造、交通运输、国防 工业、冶金工业以及人们的商用消费等领域。例如用电动机拖动各种机床、轧钢机、电铲、卷 扬机、纺织机、造纸机、搅拌机、压缩机、鼓风机等生产机械。 在交通运输中，铁道机车和城市电车是利用牵引电机拖动的；在航运和航空中，使用船舶 电机和航空电机。 在农业生产方面，电力排灌设备、打谷机、碾米机、饲料粉碎机等都是由电动机拖动的。 2 ：一： ：一堡垒墼墅鳖塞堡垒塑垂塞塞 ：一： ：= ： 在围防、文教、医疗及f 1 常生活，h 也广泛使用各种小功率电机和微型电机。 随着国民经济的发展，工业生产自动化水平不断提高，各种高科技领域如计算机、通信、 人选卫星等行业也广泛地应用各种控制电机。 可以蜕，如果没有 乜机，我们的社会很快就会瘫痪。 l 。眦用 乜量约占全部用电设备总功率的6 0 以上，而且儿乎所有的工业用电和生活用电都 是直接或阅接地由发f 乜杉0 6 ：生的。电机的好坏，将直接影响社会生产和人们的日常生活。据统 计，工频诈弦电隧供电下的电机有3 0 9 6 的失效原因是轴承的电磁损伤造成的，在变频器供电下， 润滑界面的电磁损伤导致的轴承失效问题更加严重，尤其是在p w m 变频器供电下，有调查表明， 电机在p w m 变频器驱动下，十几个月后就出现轴承噪声和振动问题。因此，刈i 亥领域展开系统 的研究迫在眉睫。 1 2 本文的主要m f f 安排 ( 1 ) 轴电压和轴承电流的产生机理分析所谓轴电压，就是电机运行时，转轴两端和轴对 地出现的电位差。由于轴电压的存在，将会通i 嘶由承释放电荷而形成轴电流。轴电压币哺4 电流 并不是一种新 n 现的问题，而是一种普遍存在的现象，自从1 9 2 4 年开始，在工频正弦电压供电 f 的轴电压和轴电流问题就被人们所公认。轴电压的产生有多种原因，在本论文中将会介 绍。 ( 2 ) 轴电压和轴承电流的检酒4 与实验分析正常隋况下，轴承的滚珠与滚道问有润滑油膜 的存在，起到绝缘作用，对于较低的轴电压，这层润滑油膜仍能保护其绝缘，不会产生轴承电 流，但在现代逆变器供电下，轴电压要比一股隋况下大得多，当轴电压增加到一定数值，超过 了油膜所能承受的电压时，轴电压将会击穿油膜而放电，构成回路，从而形成轴承电流( 轴承 电流有时也称为轴电流) 。轴承电流从轴承滚珠与滚道间的金属接触点通过，由于该盒属接触点 面积很小，所以这种情况下的电流密度相当大，在瞬间产生高温，使轴承局部烧熔，于是在轴 承内表面上烧出小凹坑，使轴承使用寿命大幅度缩短。另外，被烧熔的轴承合金在碾压力的作 用下飞溅，混入润滑油，使润滑性能变差，增加了轴承的机械磨损，也会缩短轴承的使用寿命。 可见，轴承电流是导致电磁放电对润滑运动界面破坏的直接原因。通过研究轴承电流就能监测 起电磁放电导致的润滑运动界面损伤。 建立实验台，采样在不同的参数条件下的轴承电流信号，借助计算机的信号处理软件进行 频谱分析，找出导致轴承电流的主要谐波频率成分，分析其产生原因。同时，建立数学模型进 行计算机仿真，将仿真结果与实验结果进行比较，从而修正仿真模型。 ( 3 ) p 洲变频器供电下轴承电磁损伤的机理研究p 删变频器是目前交流调速的主流，而 p w m 变频器供电下的轴承电流产生机理有别于一般的情况，产生的轴电压和轴承电流也要比一 般情况下大得多，对轴承润滑界面造成了严重的破坏。目前对这种电磁损伤的机理还没有系统 3 r 锎：究，仅限于定性认识阶段。闪此，有必要对其产生机理进行一个深入的研究。本文将用单 独的一章进行这一方面的研究。对于f 弦波供电的电动机，轴电f 主要是于磁路不对称引起 的；对j 二j ，w m 变频器供电的电动机，山于变频器是利用宽度不同的一序列脉冲来拟合正弦电压， 脉冲具有很高的突变沿，导致变频器的输出f 乜匿中含有很多不对称的谐波成分，谐波电势积聚 后形成较大的轴电压，在润滑运动界面通过电磁放电释放，产生轴承电流。另外，转予上的谐 波电压会以轴承油膜为介质形成一个对地l 乜容，从而产生一容性电流，加大了轴承电流。针对 变频器供电下轴承电流产生的特殊原因，进行故障机理研究，对不对称谐波电磁放电的产生原 因、途径、回路及物理实现过程进行研究，找出导致p 州变频器供电下润滑界面电磁损伤故障 的关键因素。 ( 4 ) 影响轴电压和轴承电流的因素寻找影响轴电压和轴承电流的因素，为解决方案的研 究提供基础。 ( 5 ) 解决方案探索这是该项研究的关键所在，如何有效地减小或避免轴承电流，提高机 电系统的连续运行时间，从而减小因故障停机而带来的损失，具有非常重大的工程意义。根据 谐波放电途径的研究，尝试改进电机的结构形式来减少谐波放电。从学波成分的频谱分析入手， 提出新型逆变电路的设计思路，减小不对称谐波的含量，并在计算机上进行仿真来验证可行性。 建立变流特征指标与润滑运动界面损伤特征指标之闯的定性和定量联系，提出抗电磁损伤的定 量标准以及机电产品抗电磁损伤的设计准则。 ( 6 ) 结论与展望给出了本文的结论，为该课题将来的进一步研究方向提供展望。 4 2 轴电压与轴承电流的产生机理及其检测 现代变流技术是交流调速技术发展的一个最新分支，其典型代表就是脉宽调制( p w m ) 技术。 为了便于理解现代变流技术诱发的润滑界面电磁损伤的形成机理，本章首先介绍一下交流调速 技术的发展过程及其工作原理，以及电机的结构和工作原理，最后阐述导致电机轴电压和轴承 电流的各种诱因，以及轴电压和轴承电流的检测。 2 1 交流调速技术 2 1 - 1 交流调速技术的由来 交流凋速技术是针对交流电机的速度调节而发展起来的。交流电机出现于直流电机之后， 历史上，最早的e 乜源是电池，只能供应直流电，所以直流电机的发展比交流i 乜机早，直流咆 几 的技术也较为完善。后来交流电机发展比较快，这是因为交流电机与直流电机相比具有许多优 点，如易生产、成本低、能做到较大的容量等。目前电站的发电机全都是交流电机；用在各行 各业的电机，大部分也是交流电机。然而，直流电机目前仍有相当多的应用。这是因为与交流 电机相比，直流电机有以下几方面优点；( 1 ) 调速范围广，且易于平滑调节；( 2 ) 过载、起动、 制动转矩大：( 3 ) 易于控制，可靠性高；( 4 ) 调速时的能量损耗较小。所以，在调速要求高的 场所，如轧钢机、轮船推进器、电车、电气铁道牵引、高炉送料、造纸、纺织拖动、吊车、挖 掘机械、卷扬机拖动等方面，直流电动机均得到广泛的应用。交流电机虽然有许多优点，但其 缺点( 尤其是调速困难) 限制了其进一步取代直流电机。 交流调速技术就是为了解决交流电机调速困难这一问题而发展起来的，它是在上世纪5 0 年代术才开始出现的，但是却引起了电气传动领域的一场重大的技术变革。即将原来只用于恒 速传动的交流电动机实现速度控制，以取代制造复杂、价格昂贵、维护麻烦的直流电动机。随 着电力电子器件及微电子器件的迅速发展，以及现代控制理论向交流电气传动领域的渗透，现 在从数百瓦的伺服系统到数万千瓦的特大功率高速传动系统，从一般要求的小范围调速传动到 高精度、快响应、大范围的调速传动，从单机传动到多机协调运转，已几乎都可采用交流调速 传动。交流传动的客观发展趋势已表明，它完全可以和直流传动相媲美、相抗衡，并有取代的 趋势。 2 1 2 交流调速技术的发展动力 交流调速技术之所以能够大量地进入电气传动调速控制的各个领域，并得到迅速的发展， 主要是由于以下两个原因。 ( 1 ) 直流电动机结构复杂，应用困难，成本高直流电动机由于具有机械式换向器这一致 命的弱点，从而给直流传动的应用带来了一系列的限制。由于换向器表面线速度及换向电流、 5 f 乜压有极限容许值，约束了单台电机的转速、功率上限。超过这一极限时就只能采取多电枢 方案，这就增加了电机带0 造的难l 蔓和成本以及调速控制系统的复；5 7 性。有些特高转速、特大功 率的场合则根本无法用直流电机方案来实现。m 于要照顾到换向器的可靠工作，电枢及换向器 的直径般都做得比较大，因此电机的转动惯量就比较大，这对于有快速响应要求的调速场合 或是在安装场地上有尺寸要求的场合是很不利的。另外，换向器必须定期停机检修，运行中也 要经常注意观察欹向器的火花情况。因此，在一些恶劣剿牛下或人难以接近的工作场合，使用 直流电机就很难保证长期运行的安全性。由于这样的限制，使得人们长期以来一直孜孜以衬 | l 寻找用没有换向器的交流电机实现调速来取代直流电机，突破它的限制。 ( 2 ) 交流调速方便、节能7 0 年代初出现的世界性石油危机，促使人们千方百计地寻找 各种节能的途径，以减少对石油的依赖。由于电力传动广泛地应用于机械、钢铁、矿山、冶金、 化工、石油、纺织、造纸、水泥、船舶、铁道等行业中，其中绝大部分生产机械都采用电动机 作为原动机。电村l 所消耗的电能在各国的用电量中部占有很大的比例，美国6 4 2 、日本6 0 、法国6 6 7 、前苏联6 0 2 6 。 在我国，据统计，在电网的总负荷中，动力负荷占6 0 左右；其中交流电动机负荷又占总 负荷的8 5 左右 2 6 。因此，如何有效地利用电动机，改进其运行陛能，根据需要控制电动机 的转速，刚氐运行中的能量损耗，是节省电能的一个重要手段。此外，约占全国工业总用电量 的v 3 左右的各种风机、泵、压缩机等类的电磁传动系统也理所当然地成为人们关心的主要对 象。 “于这类机械均采用恒速交流电动机驱动，用闸阀、挡板、放空、回流等办法实现流量的 调节，造成电能无畏的损耗。如果采用改变电机转速的办法来实现流量的调节，则山于总功率 是与流量的三次方成j 卜比的，因此，可收到十分明显的节电效果。以大型轧钢机的传动系统为 例，一套2 0 5 0 , h n 的热轧板机，精轧部分采用交流传动，比直流传动可节电11 5 0 万k w h 年， 甘水3 0 ，转动惯量减少7 7 ，响应时间缩短3 0 ，设备投资节省很多，停机维修时间缩短 7 5 。风机水泵类的传动由交流匾速挡板阀门调节方案改造成交流电机调速方案平均可节电2 0 ，设备改造费用殷可在1 3 年内回收。这就是为什么自7 0 年代以来，掀起了一股强烈的 交流电机调速技术热风的原因之一。 上述两个推动力分别作用到交流电机调速技术上，形成了三绦各有侧重的发展轨迹，第一 条是以取代直流电机调速系统为目标的离眭能交流电机调速技术；第二条是以节能为目的的在 风机、泵、压缩机类机械中实现简便易行、性能要求不高的调速技术；第三条是具有优良的调 速性能，它可带来节约能源，减少维修费用，节省占地面积等优点，尤其是在特大容量、特高 转速或工作于恶劣环境时，更显得前景优越。 2 1 3 交流电机的结构和工作原理 交流电机有同步和异步两种，同步电机主要作为发电机，不是本文研究的对象，所以这里 6 主要介绍f 交流异步电机的结卡勾( 以三相异步电机为例) 。 二相异步电机主要用作电动机，拖动各种生产机械，例如工业生产叶的j w l 、压缩机、c ； 小型轧钢设备、各种金属切削机床、轻工机械、矿l l i 机械等；在农业应用巾，可以拖动水泵、 脱粒机、粉碎机以及其他农副产品的加工机械等。 ( i ) 三相异步电动机的结构 异步电动机主要由两部分组成。匡l 定部分称为定_ 了，旋转部分称为转予，定、转子中间是 空气隙。此外，还有端盖、轴承、机座、风扇等部件。图2 1 是台鼠笼型三相异步电动机的 结构图。 异步电动机运行时，定子绕组接到交流电源上，转子绕组自身短路，由于电磁感应的关系， 在转子绕组中产生感应电动势和感应电流，从而产生r 乜磁转矩。所以异步电机又叫感应电机。 1 ) 电机的定子电机的定子由定子铁心，定子绕组和机座三部分组成。 定子铁心的作用是作为电机中磁路的一部分以及放置定子绕组。为了减少旋转磁场在铁心 中的损耗，铁心一般采用电工硅钢片叠成。每张硅钢片的两面有绝缘漆以减少铁心的电磁损耗。 为了嵌放定子绕组，在定子铁心内圆冲出许多形状相同的槽。通常情况下，槽型有半闭口 槽、半，l ：口槽、开口槽三种。对。r 容量在l o o k w 以下的中小型电机，通常采用半闭口槽，这时 定予绕组需要l 抽高强度漆包线绕成，经过槽口分散嵌入槽内；对于5 0 0 1 ( w 以卜- 的中型电机，通 常采用半开i ：1 槽，定子绕组是采用扁平线绕成的成型线圈，分两排先后放入槽内；对于高压的 巾犁和大型电机，一般采用丌口槽。 图2 1 鼠笼型三相异步电动机的结构图 1 一转子绕组；2 一端盖；3 轴承；4 定子绕组； 5 一转子；6 一定子：7 滑环；8 一出线盒 定子绕组是电机的电路部分，其主要作用是通过电流，产生旋转磁场。对于l o k w 以下的小 电机，常用交叉式单层绕组，但对两极电动机贝q 大多采用同心式单层绕组，容量较大的电机一 般采用双层短距绕阻。定子绕组在槽内部分与铁心之间有绝缘，绝缘材料和厚度由电机的耐热 7 等级和工作电压来决定。 机座的作用主要是固定和支撑定子铁心，i n 此要求有足够的机械强度，能承受运行过娌。i 的各种作用力。im 、型电机般都采用铸铁机座。大型电机一般采用钢板焊接机座。为了通风 散热，机座内表面和定了铁心常隔开适当距离以形成空腔，作为冷却空气的通道。 2 ) 电机的转子电机的转子由转了铁心、转了绕组和转轴等组成。 转了铁心也是作为电机中磁路的喑分，一般由0 5 m m 厚的冲槽硅钢片叠加而成。中小型 电机的转子铁心直接安装在机轴上，铁心与轴利用热套或键互相配合。大型电动机的转子铁心 9 3 套在转子支架上。在转子铁心上开有槽，以供放嚣或浇注转子绕组之用。 转子绕组的作用是产生感应电势、流过电流、产生电磁转矩。其结构形式有笼型和绕线型 两种。 a ) 笼型转子笼型转子的绕组自行闭合而构成短路绕组。每个转子槽中插入一根导条，在 伸出铷b 两端的槽i z l 处，用两个端环分别把所有导条的两端连接起来，笼型转子的导条与端环 的材料可用铜或铝。当用铜时，铜条与端环之间必须用铜焊或银焊的方法把它们焊接起来，如 图2 2 ( i 0 所示。对中小型感应电机一般都采用铸铝转子，把转子的导条、端环以及端坏上的风 叶一起铸出，如图2 2 ( b ) 。 图2 2 笼式转子电机示意图 ( a ) 铜条笼式转子； ( b ) 铸铝笼式转子 b ) 绕线型转子绕线型转子的绕组和定子绕组相似，是用绝缘导线嵌入转子铁心槽内，连 接成星型接法的三相对称绕组。然后把三个出线端分别接到转子绕组的三个滑环上，再通过电 刷把电流引出，如图2 3 所示。 8 图2 3 绕线式转子电机示意图 1 一定子绕组；2 一转子绕组；3 一集电环 ( 2 ) z - 作原理 当三相对称定子绕组中通以三相对称交流电流时，将在交流电机的气隙申产生旋转磁场。 该旋转磁场与转子导体相互作用，在转子中产生感应电流，感应电流在磁场的作用下产生电磁 转矩。所以，为了保证旋转磁场与转子导体之间的相互作用，旋转磁场的转速( 也叫同步转速喝) 必须与转子转速n 不同。弭甜门把同步转速啊与转子转速n 之差a n = ，z l 一”称为转差，该转差与 同步转速之比称为转差率s ，见式( 2 1 ) 。转差率是描述电动机运行性能的一个熏要参数。我 们可以根据转差率的大小和符号来判别异步电动机的三种运动状态。即电动机运行状态、发电 机运行状态、电磁制动运行状念。当0 聆 r 4 时，0 s r 4 时，s 0 ，此时电动机处于发电运行状念；当” 1 ，此时电动机处于电磁 制动状态。所以交流异步电动机的转速可表示为式( 2 2 ) 。 ，：塑：生竺 聘竹 疗：( i - s ) 啊- ：f 1 一j ) 6 0 f pp ( 2 1 ) ( 2 2 ) 可见，可以通过改变转差率s 、磁极对数p 和定子电压频率f 来调节异步电动机的转速， 而转差率受客观因素制约( 如与负载大小有关) ，不易控制。极对数调节范围有限，而且很不方 便，最理想的就是调节工作电源频率，现代变流技术正是基于此而发展起来的。 2 1 4 变频调速的工作原理 变频器是将频率固定的电源转变为频率可调的电源的装置，是现代交流调速系统中的核心 音p 件。由于变频器从出现到现在经过了很大的变化，不同变频器的工作原理差异也非常大，卜 面仅以交一直一交电流型普通变频器和脉宽调制( p 删) 型变频器为例作一介绍。 9 ( 1 ) 交一直一交电流型变频器 咀串联二极管式逆变电路的电流型变频器为例。电流型变频器的工作原理如图2 日所示。 图2 4 电流型变频器结构原理图 电路图如图2 5 所示。本系统为交一直一交间接式变频，由晶闸管整流器、直流滤波电抗器 及逆变器三部分组成。通过晶闸管整流器将交流电源变成直流电源，再通过逆变电路将直流电 转变成频率可调的交流电源。 兰相 交流电 l ， l 1 r 与 7 v t i弋7 v t 3弋 z v t 5 。i_t生 zzxz王 一卜一f c 1 v d l 3z3 玉7 ”c 5 弋乙v d 5 q 叫 v d 4 7 v d 6 弋z c 6 玉 7 y d 2少7 一 一言一一 一 l zzx ： 一 线电流 。mm 一 _ ju 一 m l11 i!l 线蜥p 1 丑上 图2 61 2 0 度导通型变频器工作原理状态图 ( 2 ) 脉宽调制( p 硼) 型变频器 通用的p w m 型变频器也是种交一莳一交变频器。它是由整流器、中间环节和逆变器组成， 如图2 7 所示。通过整流器将工频交流电整流成直流电，经过中间环节再由逆变器将直流电逆 变成频率可调的交流电，供给负载。 交流电源 ( 5 0 图2 7p w m 变频器结构原理图 图2 8 为单相逆变器的主电路，其波形如图2 9 ( b ) 所示。p w m 控制方式是通过改变电力 晶闸管t i 、t 4 和t 2 、t 3 交替导通的时间来改变逆变器输出波形。改变每半周期内t 1 、t 4 和 t 2 、t 3 丌关器件的通断时间比，即通过改变脉冲宽度来改变逆变器输出电压幅值的大小。如果 使开关器件在半个周期内反复通、断多次，并使每个输出矩形脉冲波电压下的面积接近于对应 正弦波电压下的面积，使逆变器的输出电压接近于基波电压，商次谐波电压将大为削减。图2 9 为p 州变频器和普通变频器的输出波形比较，可以看出p l t l l 变频器的输出电压可以近似认为是 正弦的，明显优于普通变频器的输出电压。若采用快速丌关器件，使逆变器输出脉冲数增多， 既使输出高频时，输出波形也可以达到比较好的效果。所以p 1 t t v l 型变频器特别适用于作为异步 i 乜动机变频i 舄速的供电电源，实现平：；- f f 起动、停车和高效率、宽范围调速。 图2 8 单相p 嘲逆变器 嗍型逆变器是靠改变脉冲宽度来控带蜞输出电压的，通过改变调制波周期来控制其输出 频率所以脉宽调制方i 对p w m 型逆变器的性能具有决定性影响。脉宽调制的方i 去 艮多，从调 制脉冲的极性上看，l b 单极性和双极性之分；从载频信号和参考信号( 或称基准信号) 的频率 之间的关系来看，又有同步式和异步式两种。 a ) 图2 9 两种逆变器的波形比较 a ) 1 8 0 度通电型普通变频器输出方波电压波形 b ) p 州型逆变器输出波形 在这以参考信号材，为正弦波的脉宽调制为例作一介绍，即正弦波脉宽调制( s p w m ) a 这种 方式产生的调制波是等幅、等距而不等宽的脉冲序列，如图2 1 0 所示，此图为单极性脉宽调制 波形。s p w 调制波的脉冲宽度基本上成f 弦分布，各脉冲与正弦曲线下对应的面积近似成正比。 1 2 吼 。 埘 埘 。 制 倒向 信号一 图2 1 0 正弦波脉宽调制波形 s p 州逆变器输出的基波电压的大小和频率均由调青4 信号“，来控制。当改变酢的幅值时， 脉冲的高度随之改变，从而可以改变输出电压的大小；当改变调制信号坼的频率时，输出电压 频率也随之改变。但正弦波最大幅值必须