（电气工程专业论文）冶金辅传变频辊道电机设计研究.pdf

冶金辅传变频辊道电机设计研究 a b s t r a c t i no r d e rt o i m p r o v i n g t h e o u t p u t a n d q u a l i t y o f s t e e l ，p r o m o t i n g t h e d e v e l o p m e n to fo u rn a t i o n a le c o n o m y ，r e d u c i n gt h e d i f f e r e n c e sb e t w e e nw i t h d e v e l o p m e n tc o u n t r i e s ，t e c h n o l o g i c a lt r a n s f o r m a t i o n sh a v el a r g e l yb e e nc a r r i e do u t i no u rc o u n t r ys t e e la n di r o np r o f e s s i o n i nt h et e c h n o l o g i c a lt r a n s f o r m a t i o n s ，t h e f r e q u e n c yc o n v e r s i o nt a b l ee l e c t r i c a lm a c h i n e sa r eu s e di nt h er o l l i n gm i l la u x i l i a r y t r a n s m i s s i o n b u tr e f l e c t e df r o mm a n ys t e e lm i l l su s i n g s i t u a t i o n ，m a n ye l e c t r i c a l m a c h i n e r yp e r f o r m a n c e sa r en o ti d e a l ，e v e nm a n yf r e q u e n c yc o n v e r s i o ne l e c t r i c a l m a c h i n e r y sl i f ei so n l y h a l fy e a rt o1y e a r ，e v e no n l y3m o n t h s i nv i e wo ft h i s s i t u a t i o nt h i sa r t i c l eh a sc o n d u c t e dr e s e a r c ht ot h ed e s i g no fm e t a l l u r g ya u x i l i a r y b i o g r a p h yw i t ht h ef r e q u e n c yc o n v e r s i o nt a b l ee l e c t r i c a lm a c h i n e r y f i r s tm u l t i a n a l y s i st ot h ef r e q u e n c yc h a n g e ra n dt h ef r e q u e n c yc o n v e r s i o n t a b l ee l e c t r i c a l m a c h i n e r ym o v e m e n tc h a r a c t e r i s t i c i sc a r r i e do u t ，t h e v o l t a g e w a v e f o r mh a r m o n i o u sw h i c ht h ef r e q u e n c yc h a n g e ro u t p u t si sb i g ，a t t a c k si nab i g w a y ，a n dt h ev o l t a g ec l i m b i n gr a t er e a c h e sa sh i g ha s6 6 0 0 v m usw h i c hi s2 0t i m e s o r d i n a r ys i n ea l t e r n a t i n gv o l t a g e ，t h er o l l i n gm i l la u x i l i a r yb i o g r a p h yt a b l es e tt h e e x t r e m e l ys t r i c tr e q u e s tt ot h ee l e c t r i c a lm a c h i n e r y ；i t sm o v e m e n tf r e q u e n c yi sv e r y l o w ，r a t ef r e q u e n c yi n8 - 2 0 h z ；t h ev e l o c i t ym o d u l a t i o ns c o p ei sw i d e ，t h el o w e s t m o v e m e n tf r e q u e n c yl o w e r st o1h z ，a n dt h es t a r t i n gn u m b e ro ft i m e si s q u i t e f r e q u e n t l y , e a c hh o u rr e a c h e sa sh i g ha s6 0 0 - 8 0 0t i m e ，t h ei m p a c ts h o u l d e r si nab i g w a y , t h eo v e r l o a dc a p a c i t yr e q u e s ti sh i g h n e x t ，b a s e d o n a n a l y s e s o ft h e f r e q u e n c y c o n v e r s i o n p o w e rs o u r c e h a r m o n i o u s a n dt h ef r e q u e n e yc o n v e r s i o nt a b l ee l e c t r i c a lm a c h i n e r ym o v e m e n t c h a r a c t e r i s t i c s ，u t i l i z i n gt h en e wd e s i g nt h o u g h t ，t h i sa r t i c l eh a sc o n d u c t e dt h e s y s t e ma n a l y s i sr e s e a r c ht ot h ef r e q u e n c yc o n v e r s i o nt a b l ee l e c t r i c a lm a c h i n e r y d e s i g n t h ep r o t o t y p ee x p e r i m e n tc o n f i r m e dt h ea n a l y s i sa c c u r a c y i tw a sc o n s i d e r t h a tt h et r o u g hc o o r d i n a t i o n o ft h ef r e q u e n c yc o n v e r s i o ne l e c t r i c a l m a c h i n e r y s h o u l da d o p tt h ef a rt r o u g hc o o r d i n a t i o nw h i c ht h es t a t o rs l o t sn u m b e rt ob em a n y b u tr o t o rs l o t sn u m b e rt ob ef e w t h er o t o rt r o u g hs u i t a b l yb es h a l l o wa n d w i d e ； i l l t h eh o tl o a ds h o u l dr e d u c e10 c o m p a r e dt ot h ec o n v e n t i o n a le l e c t r i c a lm a c h i n e r y 。 t h em a g n e t i s ml o a ds h o u l dr e d u c e10 t ot a k e1 4 5 1 5t i no r d e rt op r e v e n tt h e e l e c t r i c i t ye n g i n es h a f te l e c t r i c c u r r e n t d a m a g i n g t h eb e a r i n g t h ee l e c t r i c a l m a c h i n e r ym a g n e t i cc i r c u i t ss h o u l ds y m m e t r i c a li nt h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r e ，a n d t h e i n s u l a t i o nb e a r i n go rt h ee a r t he l e c t r o n i c sb r u s hr o o mp a r t i t i o na x i s e l e c t r i c c u r r e n tc a nb ea v a i l a b l e ；i no r d e rt oe n h a n c et h ee l e c t r i c a lm a c h i n e r yr e l i a b i l i t y ，t h e e n a m e l i n s u l a t e dw i r es h o u l ds e l e c tt h ee l e c t r i c a lm a c h i n e r yp r i v a t el i n eg u a r d i n g a g a i n s tt h ee l e c t r o n i c sc o r o n a ，w i t ht h el o wv o l a t i l i t ys o a kr e s i na n dv p is o a kp a i n t a n ds oo n f i n a l l yt h i sa r t i c l em a k eap r e l i m i n a r yd i s c u s s i o nt ot h et e s to ft h ef r e q u e n c y c o n v e r s i o nt a b l ee l e c t r i c a l m a c h i n e r yp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s b e c a u s et h e m o v e m e n tf r e q u e n c yo ft h ee l e c t r i c a lm a c h i n e r yi sv e r yl o w ，a n dt h eh a r m o n i o u s o ft h ef r e q u e n c yc o n v e r s i o np o w e rs o u r c ei sb i g ，t h ef r o n te n ds e n s o rs h o u l db e t h em u t u a li n d u c t o rm o d u l ew i t h h i g hf r e q u e n c ys o u n d h o wt oe n h a n c et h e p r e c i s i o no ft h et e s ts y s t e mr e q u i r e st oh a v eaf u r t h e ra n a l y s i s k e yw o r d s ：t h ef r e q u e n c yc o n v e r s i o np o w e rs o u r c e ，t h ef r e q u e n c yc o n v e r s i o n t a b l e e l e c t r i c a l m a c h i n e r y ，t h et r o u g hc o o r d i n a t i o n ，t h e r o t o r t r o u g h ， e l e c t r o m a g n e t i s ml o a d ，a x i se l e c t r i cc u r r e n t ，p e r f o r m a n c et e s t i v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：谚嘶日期：护年j 月2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 日期： 年月日 日期：o l , 年j _ 月，- 日 钹叮鬲迪嘲擗 氰氰擀燧隆导 第1 章绪论 近1 0 年来，随着电力电子技术，计算机技术，自动控制技术的迅速发展， 电气传动技术面临着一场历史性革命，即交流调速取代直流调速和计算机控制技 术取代模拟控制技术已成为发展趋势，电机交流调速技术是当今节电，改善工艺 流程以提高产品质量和改善环境，推动技术进步的一种主要手段，变频调速以其 优异的调速和启动性能和节电效果广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外 公认为最有发展前途的调速方式。 1 1 本课题的意义和目的 2 0 多年来，我国在能源利用上取得g d p 翻两番而能源消费仅翻一番的成就， 不过我国能源消耗，尤其工业用电设备浪费电能严重，据有关专家介绍：2 0 0 2 年我国能源消费强度为1 1 8 吨标准煤千美元g d p ，远远高于发达国家，创造每 万元g d p 所消耗的能源数量，我国是美国的3 倍，德国的5 倍，日本的近6 倍， 能源效率为3 3 4 ，低于国际先进水平l o 个百分点左右u 。j 。尤其在钢铁行业能 源浪费十分严重，为提高我国钢铁行业在世界的竞争力，降低生产过程的能源消 耗，提高产品质量，改善工艺流程和改善环境，近几年我国钢铁行业正大刀阔斧 地进行技术改造，改造中机械和电气设计均参照国外技术，有的直接委托国外专 家进行，象欧洲西马克、奥钢联进行了我国国内大部分钢厂技术改造的设计，他 们的设计对冶金辅传动电动机均采用变频辊道三相异步电动机( 以下简称变频辊 道电机) ，采用变频辊道电机调速与传动的直流电机调速有如下优点： ( 1 ) 容量可以扩大，实现高转速和高电压运行； ( 2 ) 电机结构简单，坚固耐用，惯量小，维护方便； ( 3 ) 实现软起动和快速制动； ( 4 ) 环境适用广，无火花，防爆； ( 5 ) 体积小，造价低。 与绕线转子串电阻调速相比有如下优点： ( 1 ) 节约能源； ( 2 ) 电机结构简单，坚固耐用，惯量小，维护方便； ( 3 ) 能实现快速制动； ( 4 ) 调速范围宽，高速平稳，可实现高精度的速度转矩控制； ( 5 ) 环境适用广，无火花，造价低。 1 工程硕士学位论文 而这些特点也正是直流调速电机和绕成转子电机的固有缺点，正是由于变频 调速有上述优点，世界变频调速传动以每年1 3 - 1 4 的增长率发展【3 j ，象曰本在电 机调速中7 0 年代交流调速占2 0 ，直流调速占8 0 ，而到了8 0 年代则情况相反 交流调速占到8 0 ，直流调速只占2 0 4 - 5 j 。 国内目前钢厂进行的技术改造，在传动系统中极大部分都采用变流交频调 速，特别是辅传电机己全部采用交流变频调速，已完全取代了过去的直流调速和 绕线转子串电阻调速，其传动电动机设计上均采用辊道变频电动机，正是由于辊 道变频电动机有许多优点，美、日、德等国除对电力半导体元件，逆变电路，控 制系统等技术进行大量研究外，还开发和改进了变频器供电的辊道变频电机的设 计、制造技术，特别是对变频器和异步电动机给合后的系统性能越来越重视，为 了使电动机与变频器特性相匹配，必须对变频电动机的理论、设计、制造及试验 的成套技术进行充分的研究。 本课题的研究目的在于开发一种适合钢厂轧机辅传用的变频辊道三相异步 电动机，通过本项目的研究，变频辊道电机的设计制造及实验水平得到提高，变 频辊道电机噪声，振动进一步降低，力能指标进一步提高。 1 2 交流变频调速在国内外的发展情况 五十年代末开始，电气传动中就进行着一场重要的技术革命，即把原来只是 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 烦的直流电机，随着大功率电予器件及微电子器件( 微机，中大规模集成电路) 的迅速发展，以及现代控制理论向电气传动领域的不断渗透，使这一变革逐步变 成了现实，1 9 5 7 年可控硅元件的出现，给交流调速技术的发展开辟了广阔的前景， 电子电机等的产生，使交流调速在技术上发展十分迅速，并达到了实用化程度， 国外在各类交流调技术上都有重大进展，并由七十年代起逐步进入了工业应用阶 段。 交流变频调速的发展状况，基本上可归纳为以下几个方面： 1 大容量和特大容量上，填补了直流调速传动的空白 由于直流电机是有换向器，它承受的电压有一定的限制( 一般小于2 千伏) ， 因此直流电机的功率较小，而交流变频调速异步电动机，在容量上可以做得比直 流电机大得多，象法国阿尔斯通已能提供单机容量达3 万k w 的电气传动设备用 于船舶推进系统，意大利a b b 公司提供了单机容量为6 万k w 的设备用于抽水 蓄能电站；在中功率变频调速技术方面，德国西门子公司s i m o v e r t a 电流型晶闸管 冶金辅传变频辊道电机设计研究 变频调速设备单机容量为1 0 2 6 0 0 k v a ，如我国冶金工业从8 0 年代后半期起陆续 引进l o 台用于大型轧钢机主传动的交流调速系统及大容量风机的调速和启动装 置，在生产中运行良好，性能优越，节电效果显著，同时国内也研制了各类型交 流调速装置，如冶金自动化开发交流调速技术十多年，1 9 9 3 年正式投入使用的包 钢轧梁厂的2 5 m w 同步电机交流调速系统是国内自行制造的容量最大的一套，并 在此基础上为天津中板厂开发容量为5 m w 的数字控制的变频调速系统1 6 j ，在其 它各企业中还有许多不同型式不同容量的交流调速设备投入运行。 2 控制策略的发展 第一代变频器采用的是压频比标量控制方式，它根据异步电机等效电路确定 的线性v f 比进行变频调速，电压是指基波的有效值，改变v f 只能调节电动机 的稳态磁通和转矩，谈不上动态控制，为提高低频时电动机产生的转矩，通常采 用提升电压以及随负载变化补偿定子绕组电压降的办法，可拓宽变频调速范围至 2 0 ：1 左右，这种控制以节能为主，主要应用在对调速性能要求不高的场合。 第二代变频器的主要特征是采用矢量控制方式。交流电机是一个多变量，强 耦合，时变的非线性系统，瞬时转矩控制困难，造成长时间以来其动态性能不如 直流电机优良，2 0 世纪7 0 年代提出的矢量控制开创了交流电机高性能控制的新 时代，但矢量控制也有不尽人意之处，1 9 8 5 年德国学者d e p e n b r o c k 又提出了直 接转矩控制，它将电机与逆变器作一个整体考虑，采用电压空间矢量方法在定子 坐标系内进行磁通、转矩的计算，通过磁链跟踪型p w m 逆变器的开关切换直接 控制磁链和转矩，系统控制更为简单、直接，动、静态性能优越，目前正受到广 泛的关注。 3 变频调速的发展方向：功能综合化 新一代的变频器由于有功能很强的微处理器支持，除能完成电动机变频调速 的基本功能外，还是有内置的编程、参数辩识及通信等功能，例如： ( 1 ) 自动加减速； ( 2 ) 程序运行； ( 3 ) 节电运行： ( 4 ) 电动机参数辩识； ( 5 ) 通信和反馈功能。 1 3 国内变频调速的研究现状分析 在众多的调速技术中，变频调速在能源危机中应运即生，是因为它能根据电 3 工程硕士学位论文 机负载的变化实现自动、平滑的增速和减速，从而大幅度的提高其工作效率，尤 其是用于风机和水泵，节电率达3 0 p “，在电力仍然为制约我国国民经济发展 瓶颈的情况下，国务院对这项节能、高效率，大幅度改善工艺性能新技术的开发 应用及推广极为重视，在李鹏同志的指导下，我国于1 9 8 7 年就成立了“电力电 子技术发展规划组”下设综合、器件、应用、情报等4 个小组，制定了以开发变 频器为主的交流调速发展规划，同年，国务院国发( 8 7 ) 2 5 号，国家经委7 8 号 文均规定：“交流调速节电作为重点措施认真推广”，电子工业部在电子工业“九 五”规划发展重点中明确提出“以变频调速装置为代表”的节能电子。在重点发 展的1 2 个专项电子产业的节能电子专项中提出：“重点发展电子器件，交流变频 调速装置”。 我国对交流调速的研究虽然起步较晚，但人们对此十分关心，也进行了不少 研究工作，还专门召开了一些全国性的学术会议，以加强对交流调速电机的研究， 如早在1 9 8 8 年1 0 月2 4 日一2 6 日中国电工技术学会机电一体化专业委员会与中 小型电机专业委员会在山东烟台专门召开了“电动机变频调速学术研讨会”，会 上宣读了论文四十余篇，最近一次2 0 0 4 年1 0 月2 3 日至1 4 日中国电工技术学会 中小型电机专业委员会和中国电器工业协会中小型电机分会在上海举办了“2 0 0 4 第三届中国电机发展论坛”，会上上海电器科学研究所黄国治交流了“变频器供 电装置感应电动机设计及性能导则”的论文。 但这些研究集中在y 系列变频电机，应用领域集中在风机、水泵类负载，象 空调、冰箱、水泵、鼓风机等。其电机设计的基准频率都在5 0 h z ，对这些电机 的设计生产已比较成熟、效果也比较理想。冶金辅传变频辊道电机的研究从上世 纪九十年代末开始，国内许多教授和工程师对冶金辅传变频辊道电机的设计进行 了分析和研究，取得了一些成果并发表了许多相关论文，他们对该种电机的运行 原理，分析方法和手段及特性仿真上作了许多研究工作，从他们的分析看存在着 许多的不一致，甚至相反的地方，如槽形的选择，槽配合的确定，斜槽还是直槽， 最大转矩倍数，导磁材料的选取，线负荷与磁负荷的选择及一些绝缘处理方面等 存在分歧。在国内有许多厂已开始研制这种电机如佳木斯电机厂，大连伯顿电机 有限公司，大连天元电机有限公司，江西特种电机有限责任公司，南洋电机厂等， 但使用的情况不理想，存在许多问题，如低速爬行，噪声振动大，可靠性不高等 问题。在对变频电机的性能测试上，大多厂家，用交流市电在5 0 h z 下进行测试， 再类比分析，这种方法准确性不高，且只能测试5 0 h z 的参数，对低频性能无法 进行测试，对基频低于5 0 h z 的电机试验无法进行。因此在冶金辅传变频辊道电 4 冶金辅传变频辊道电机设计研究 机的设计、生产和试验上还有许多工作要做。 1 4 课题的来源及研究的目的、方法和内容 本文研究的课题为“冶金辅传变频辊道三相异步电动机设计研究”，该课题 列为“湖南省监狱管理局2 0 0 4 年重点科技创新计划”。 本文研究的目的就是研制出一种高效率、高功率因数、低噪声、低振动、高 可靠性的适合于冶金滚子辅助传动用的变频辊道电机。 研究的方法是采用理论分析，数值计算和样机试验，鉴于国内就变频辊道电 机设计的相关研究状况，本文在跟踪国内外最新动态研究的基础上，根据本人所 在公司的实际状况及研究条件，在以下几个方面或内容上进行比较深入的研究： ( 1 ) 深入分析研究冶金辅助传动滚予的工作情况及其对电机起动性能，过 载能力等特殊要求，选择最合理的参数进行优化设计，充分满足冶金辅传的要求。 ( 2 ) 对变频器输出电压的谐波进行研究，分析其谐波对电机损耗，转矩、 噪声、振动等的影响，提出抑制噪声、振动和降低损耗，保证力矩的措施。 ( 3 ) 研究电机绝缘材料在陡上升沿的高频方波脉冲电压下的介电和物理化 学特性，特别是耐脉冲电晕放电性，研究电应力和熟应力等因素对电机绝缘过早 破坏的作用效应，研究出一种能防止变频电机绝缘过早失效的绝缘结构，提高电 机的可靠性。 ( 4 ) 对变频辊道电机运行频率低的特点，提出超低频电气参数的测量方法 及相应测试系统的组成，提出变频电机的试验方法。 第2 章变频电机运行理论 2 1 异步电动机的速度控制方法 根据异步电动机的基本原理可知异步电动机的转速表达式为： 玎= ( 1 一s ) = 6 0 f o ( 1 - s ) p ( 2 1 ) 从上式可知，通过改变定子电源频率 ，改变电动机极对数p 以及改变转 f 变极调速f 调压调速 异步电机 变裟速 串曩磊耋篆， 【变频调速l1 蓄芸磊磊荨。 2 1 1 变极调速 机械特性较硬、效率高、既适用于恒转矩调速，又适用于恒功率调速；其缺点 2 1 2 调压调速 从异步电动机的机械特性分析，电机转矩与输入电压基波的平方成正比，改 图2 1 改变定子电压时的机械特性曲线 6 鎏耋苎釜銮塑堡耋皇垫兰盐要塞 变电机端电压基波可以改变异步电动机的机械特性形状以及它们和负载特性的 交点( 工作点) ，从而实现调速( 如图2 1 ) 调压调速是一种比较简单的调速方 法，在2 0 世纪5 0 年代以前一般采用串饱和电抗器以改变电机输入电压的方法 来实现，近年来随着电力电子技术的发展，多用双向晶闸管来实现交流调压。 调压调速有如下特点： ( 1 ) 改变定子电压时，同步转速不变，最大转矩对应的转差率也不变。 ( 2 ) 最大转矩l 和起动转矩瓦和定子电压的平方成正比。 ( 3 ) 定子电压越低，机械特性越软，在低速运行时稳定性较差。 ( 4 ) 调压调速既非恒功率，也非恒转矩。 ( 5 ) 调压调速的效果与机械特性t = 曩n 的形状有很大关系，对转子电阻较大 的电机，机械特性较软，调速效果较好。 调压调速的优点是调速平滑，缺点是低速时，转差功率损耗大，效率低， 调速范围不宽，在2 ：1 以内，定予调压调速，主要适用于风机泵类负载，并且宜 采用绕线式异步电机，以便在低速时，可以在转子回路中串入电阻或频敏变阻 器，将热量损耗引到外部，减轻电机内部发热，以保护电动机。 2 1 3 转子串阻调速 异步电动机转子串电阻的机械特性曲线如图2 2 所示，其中r i r 2 r 3 ，从 弧： n 图2 2 绕线转于电机转子串电阻调速的机械特性曲线 图中可以看出，异步电动机转子串电阻调速有以下特点： ( 1 ) 转子串阻时，同步转速n o 不变，最大转矩t 。也不变。 ( 2 ) 最大转矩对应的转差率s ，与转子电阻，2 + r 成正式，即转子串接电阻 越大，则机械特性越软。 ( 3 ) 当最1 时，起动转矩随串接电阻增大而增大，而s ，1 以后则反而 减小。 转子串电阻调速的优点是设备和线路简单，投资不高，但机械特性较软， 7 调速范围受到一定限制，且低速时转差功率损耗较大，效率低，经济效益差， 目前，转子串电阻调速只用在一些调速要求不高的场合。 2 1 4 串级调速 串级调速的工作原理实际上是在转子回路中引入了一个反电势，这个反电 势就是直流电动机的反电势或逆变桥的逆变电压，改变这个反电势，就可以调 节电动机的转速。 串级调速具有机械特性比较硬，调速平滑，损耗小，效率高等优点，便于 向大容量发展，已广泛应用于风机泵类，矿井提升机等多种机械当中，但它也 存在着功率因数较低的缺点。 2 1 5 电磁转差离合器调速 异步电动机电磁转差离合器调速系统以恒定转速运转的异步电动机为原动 机，通过改变电磁转差离合器的激磁电流进行速度调节。 图2 3 电磁转差离合器机械 特性曲线 图2 4 采用速度负反馈后的高速 特性曲线 从曲线上看，电磁转差离合器的特性较软，为提高其调速稳定性，若采用 速度闭环控制，可得到较好的控制性能，其调速特性曲线如图2 4 所示。 2 1 6变频调速 异步电机变频调速时机械特性曲线如图2 5 所示，可以看出异步电机变频调 速具有调速范围广，平滑性高，机械特性硬的优点，可以方便地实现恒转矩或 恒功率调速。目前变频调速己成为异步电动机最主要的调速方式，其应用日益 广泛。 冶金辅传变频辊道电机设计研究 图2 5 异步电机变频调速时机械特性曲线 下面列表将各调速方法的性能指标作一比较： 表2 i 异步电动机各种调速方法性能指标的评价 河 变转差率 比速 较方 变极变频 转子串电 串级调速调压调速 电磁转差离 项法 阻合器调速 目 是否改变同步 转速 变变不变不变不变不变 ( n o = 6 0 a p ) 静差率( 转 速相对稳 小 小大小开环时大开环时大 定性) ( 好)( 好)( 差)( 好) 闭环时小闭环时小 在一般静 差率要求 较小 较大小 较小 闭环时较大闭环时较大 下的调速 f d = 2 r d = 1 0 ) ( d = 2 ) ( d = 2 4 )( d = l o ) ( d = l o ) 4 ) 调 范围d 速调速平滑 差好差好好好 指性 ( 有级( 无级调( 有级调( 无级调( 无级调( 无级调 标 调速)速)速)速)速)速) 适应负载 恒转矩 恒转矩 通风机 通风机 类型 恒转矩恒转矩 恒功率恒功率恒转矩恒转矩 设备投资少多少较多 较少 较少 电能损耗小较小大较小大大 多速电 一般为绕线 运用电机类型机( 鼠 鼠笼式绕线式绕线式 式，小容量 时可采用特 滑差电机 笼式) 殊鼠笼式 9 2 2 变频电机运行理论 2 2 1变频调速的基本控制方式 1 一t1 。一l 2m 2 ； 曜 图2 6 异步电机t 型等效电路 根据式2 1 ，我们知道改变就可以改变电机的同步转速，也即达到改变电 动机转速n 的目的。 异步电动机的t 型等效电路如图2 6 所示，根据t 型等效电路图可知电机 每一相感应电动势的有效值为： 巨= 4 4 4 f l c o l k 。l 九 ( 2 2 ) 式中：，= 一定予电源频率( h z ) m 一定l 子每相串联匝数 芷。，一基波绕组系数 妒。一每极气隙磁通( w b ) 根据电机原理，一台电机如若希望良好的运行性能，力能指标，必须保持 其磁路工作点稳定不变，即保持每极磁通丸不变。这是因为若九太强，电机磁 路饱和，励磁电流、励磁损耗及发热增大；若妒太弱，电机出力不够，铁芯也 未充分利用，当电机一旦选定，结构参数确定，则有 丸e 1 y , ( 2 3 ) 说明只要协调地控制e 。、五，即可达到控制气隙磁通九的目的。 2 2 1 1 基频以下调速 根据式( 2 3 ) 可知，要保持屯额定不变，必须采用恒电势频率比的控制 方式，即变频过程中须维持e f , = 常值。但定子气隙电势为内部量，难以直接 量测、控制，根据异步电机定子电压方程式： u i = 一e 1 + z l = 一e l + ( r 1 + q 厶)( 2 4 ) 当运行频率较高，电势较大时，可忽略定子绕组漏阻抗压降，z 。，得u i “e ， 故只要维持u 。f l = c o n s t ( 恒电压频率比) 即可维持九恒定。 当运行在低频时，五较小，厶z 。的影响不能忽略，必须提高u 加以补偿才 能使置，i = c o n s t 。此时采用带低频定子电阻压降补偿的恒压频比控制，其电压、 1 0 冶金辅传变频辊道电机设计研究 频率关系如图2 7 中曲线b 所示，由于维持妒。恒定，电机将作恒转矩运行。 u u 企 当运行频率超过基频石。时由于变频装置半导体元件及电机绝缘的耐压限 u z 下降，九减小，进入弱磁状态，此时电机转矩大体上反比于频率变化，作 2 2 2变频供电时异步电机的工作特性 的电压、电流、磁通均为变频器输出基波成分，由于现多采用电压源型变频器， 根据图2 6 等效电路，可导出电压源供电恒压频比( u f , = c ) 控制时的电 r ： 丝蟹堡盟 1 q ( 蜀+ 砭几) 2 + 厶) 2 】 ( 2 5 ) 2 r e p l y - - q - ) 2 面矗 ”一 此时若由某一确定频率q 供电，则当转差率s 很小时，可忽 t 。m p ( 马2 粤。s ( 2 6 ) 说明高速时，恒压频比控制异步电动机的机械特性r = 工近似为一直线， 工程硕士学位论文 s s 图2 8 恒压频比控制异步电机机械特性 图2 9u i f l = c 时异步电机机械特性 当s 。1 时，可忽略式( 2 - 5 ) 分母中的r 2 ，则有 t r a p ( u q l ) 2 面磊r - - 而o i r 2 忑丽* i 1 ( 2 7 ) 说明s 接近于1 时，r = 工。是对称于原点的二段双曲线，如图2 8 中b 所示， 当s 为中间数时，丁= z 。曲线从直线逐渐过渡到双曲线。 电压源型变频器供电时，电压u 。与频率石有多种配合关系：如：u ，z = c ， e 。z ；c ，e ， = c ，恒功率等。即不同的电压频率控制方式，其运行特性亦不 同。下面讨论他们各自的变频调速机械特性和调速性质。 2 2 2 1 恒电压频率比( u 。z = c ) 控制 在u 。z = c 控制下，异步电机的气隙磁通九近似保持恒定，其机械特性如 图2 9 所示，它具有如下特点： ( 1 ) 同步速怫随运行频率q 变化。 ( 2 ) 不同频率下机械特性为一组硬度相同的平行直线，这是因为负载时速度 变化为a n = s = ( 6 0 2 7 r p ) + sq ，在s 很小的机械特性直线段上，根据式( 2 6 ) 可导出： 跚。_ 乒 ( 2 8 ) 唧( 生) 2 q 由此可见，当恒压频比控制时，同一转矩t 下j - 基本相同，因而不同运行频率 下的转速降落n 基本不变【7 1 ，这就是恒转矩控制的特征。 ( 3 ) 最大转矩随频率降低而减小 根据电机原理，最大转矩表达式为： ( 2 9 ) 警 一，v 一+面 冶金辅传变频辊遒电机设计研究 临界转差为： s ，= 畸c 圳鲁+ f 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 上式说明，虽( 旦) ：；c ，但随( 9 1 降低，分母增大，即l 减小，所以u , f 。= c 国l 控制只适合于调速范围不大，最低转速不太低或负载转矩随转矩降低而减小的 负载。 2 2 2 2 恒气隙电势，频率比( 巨4 = c ) 控制 在u ，z = c 控制中，如果在全频率段恰当地提高u 以克服定子压降，使 e z 不变，则丸能真正恒定。 根据异步电机等值电路，转子电流为： 。e 。赋面 ( 2 1 2 ) 代入电磁转矩基本关系式，得： l = d 笥丽s e o i r 2 此种控制方式的异步电机械特性如图2 1 0 所示，它有如下特点： 图2 1 0e 1 f 1 = c 时异步电机机械特性 ( 1 ) 恒e 1 一值控制的机械特性的线性段范围比恒u i 工值控制的更宽，即调 速范围更宽。 ( 2 ) 低频时起动转矩比额定频率下的起动转矩大，而起动电流并不大，这是 变频调速的重要优点。 ( 3 ) 对式( 2 1 3 ) 求极值，可得： 耻矗 l = m 2 p l e j i j 2 专 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 可以看出在恒定目 值控制时，任何运行频率下的最大转矩恒定不变，稳态工 作特性明显优于恒压频比控制，这正是全频范围内采用了定子电阻压降补偿的 结果。 2 2 2 3 恒转子电势频率比( e ，石) 控制 如将电压- 频率曲线中低频频段u 值再提高一些，且随时补偿转子漏抗上的 压降以保持转予电势e 随频率作线性变化，即可实现恒e 控制，根据图2 6 的等效电路，转子电流可表示为 2 南 j 6 代入电磁转矩表达式，可求得： 扎唧时等 说明此时异步电机的机械特性t = ，g ) 为一准确的直线，如图2 1 1 中所示， 与u l i s , = c 及局i f , = c 相比，t i f , = c 控制下的稳态工作特性最好，可以获得 类似并激直流电机一样的直线型机械特性，没有最大转距l 的限制，这是高性 能交流电机变频调速所最终追求的目标。 图2 1 1 不同电压频率协调控制下的 机械特性 2 2 2 4 恒功率运行 图2 1 2 恒功率变频调速时异步电机 机械特性 以上讨论的是在保持气隙磁通不变条件下的运行，适合于恒转矩负载的情 况t 在实际运行中还有一种按恒功率进行调速的运行方式，即低速时要求输出 大转矩，高速时要求输出小转矩，其转矩特性如图2 1 2 所示。 1 4 冶金辅传变频辊道电机设计研究 为了确保异步电机在恒功率运行时有不变的过载能力。不同性质负载下电压 与频率有不同的协调控制关系，变频运行中频率较高时，异步电机的最大转矩： 乙= 研m 1 翮1 2 = k ( 等 2 m， 代入t = 1 形的关系，则： 于是 r = k 2 。 u q , ，1 2 * ( 鲁) 2 因为恒功率负载特性为：毒= 鲁 所以 一u l ：五 u l 1 石 ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 此时电机中气隙磁通的大小为： u i 一 砉= 移= 厝= 击 c ：， 。u 1 n ? ? 、4 矗 “ ，l 即恒功率调速时，电机气隙磁通将随频率的减小而增大，所以在设计恒功 率负载时应按运行中最低频率来考虑它的磁路工作点。 仨五万 | | 生 第3 章变频器运行特性 3 1通用变频器的发展概况 纵观通用变频器技术发展历程不难得出如下结论，每当新一代的电力电 子器件出现时，体积更小，功率更大的新型通用变频器就会产生，每当出现新 的微机控制技术时，功能更全，适应面更广和操作更加方便的一代新型通用变 频器就会出现在市场上，目前2 0 0 0 k v a 以下的变频器已经实现了通用化，从世 界通用变频器应用市场的角度来看，大致可分为日本、美国、欧洲三大部分， 但是，国内引进的通用变频器中，比较多的是由美国和德国生产的1 9 - 1 0 j 。 从8 0 年代初通用变频器问世以来，经过近2 0 年，通用变频器更新换代了 五次，第一代是8 0 年代初的模拟式通用变频器，第二代是8 0 年代中期的数字 式通用变频器，第三代是9 0 年代初的智能型通用变频器，第四代是9 0 年代中 期的多功能型通用变频器，最近研制上市第五代集中型通用变频器，通用变频 器的发展情况可从以几个方面来说明： ( 1 ) 通用变频器的应用范围不断扩大。不仅在工业各个行业广泛应用，就 连家庭也逐渐成了通用变频器的应用市场，由于其应用范围不断扩大，其产品 正向三个方面发展变化。其一，向无需调整便能得到最佳运行的多功能与高性 能型变频器方向发展；其二，向通过简单控制就能运行的小型及操作方便的变 频器方向发展，其三，向大容量、高起动转矩及具有环境保护功能的变频器方 向发展。 ( 2 ) 通用变频器使用的功率器件不断更新换代。在8 0 年代初便有太功率 晶体管g t r ，后来出现工作频率比g t r 提高一个数量级的绝缘栅双极晶体管 i g b t ，使变频调速技术又向前迈进一大步，时至9 0 年代末出现了一种新型半导 体开关器件一一集成门极换流晶闸管i g c t ，集g t o 和i g b t 的优势，非常适用 于中压( 1 k v - 1 0 k v ) 开关电路 9 - 1 1 】。 ( 3 ) 通用变频器控制元件运行速度和可靠性提高，成本降低。 ( 4 ) 通用变频器的控制技术性能达到了直流电机调速水平。 3 2 变频器的组成及分类 3 2 1 变频器的组成 图3 1 为变频器的电路组成及主要部件的外形图，由图可见，变频器是由主 回路和控制回路两大部分组成。主回路由整流器( 整流模块) 、滤波器( 滤波电 容) 和逆变器( 大功率晶体管模块) 三个主要部件构成，控制回路则由单片机， 1 6 兰垒塑苎銮塑登兰皇! ! 兰生要耋 一一 驱动电路和光电隔离电路构成，逆变器可由不同器件做成，如高频变频器用功 率m o s 晶体管，大容量变频器用g t o 晶闸管，中小型变频器用i g b t 晶体管 等。 广 i - 1 1 l i 滤 l 警 i 寥 整巍辱 睡叠固 遭变謦 | j 豳3 1 变频器的电路组成 3 2 2 变频的分类 3 2 2 1按变换频率的方法分 ( 1 ) 交一直一交变频器，它是先将工频交流电通过整流器变成直流电，再 经过逆变器将直流电变成可控频率的交流电，图3 2 是其主要环节。 a c d (a 一5 0 h z 图3 2 交直交变频 ( 2 ) 交一交变频器，又称直接变频装置，其结构如图3 3 所示，常用的交一 交变频器的每一相都是一个两组晶闸管整流装置反并联的可逆线路( 见图 3 3 a ) ，正反向两组按一定周期相互切换，在负载上就获得交变的输出电压u 。， u 。的幅值取决于各组整流装置的控制角度，u 。的频率取决于两组整流装置的切 换频率，如果控制角口一直不变，则输出平均电压就是方波，如图3 3 ( b ) 所 示，交