浅析三相交流异步感应电动机变速方式及变频技术的应用.doc

摘要：随着社会的发展，交流电动机在工业中由于转速问题越来越不能满足企业对速度变换范围的要求，因此，变速成了人们研究的重要方向。根据交流电动机的转速计算公式：n=60f/p*(1-s) 得出，要想在全压运行且不改变电动机结构的情况下，最理想、最优化的变速系统必定是改变电源频率，即变频调整。关键词：交流电动机；变速；变速方式；变频；扭矩力；变频应用目录：1. 三相交流异步笼型感应电动机工作原理及结构。2. 电动机的可改变转速的因素比较：3. 变频技术的优点及存在的问题和相应对策4. 变频器在使用中遇到的问题和故障防范5. 总结与建议正文： 一三相交流异步笼型感应电动机工作原理及结构。 1、三相交流异步电动机的结构：主要由定子、转子两大基本部分组成。定子由定子铁心、定子绕组和机座三部分组成，其作用是通入三相交流电源时产生旋转磁场。转子由转子铁心、转子绕组和转轴三部分组成，其作用是在定子旋转磁场感应下产生电磁转矩，沿着旋转磁场方向转动，并输出动力带动生产机械运转。2、 工作原理：在三相异步电动机定子绕组中通入三相交流电时，电动机中便产生旋转磁场。在旋转磁场的作用下，由于磁力线切割转子导体，使其产生感应电流。根据右手定则感应电流方向如图所示，在N极一侧的导体中电流方向由外向内，在S极一侧的导体中电流方向由里向外，转子导体切割磁力线方向与旋转磁场的转动方向相反。转子导体中的感应电流在磁场中将受到电磁力的作用，根据左手定则，在N极一侧，导体受力方向向左；在S极一侧，导体受力方向向右。在这一电磁力的作用下，转子将沿着旋转磁场相同的方向旋转，但是转子永远比旋转磁场转动慢，这就是异步电动机的转动原理。3、电动机转速n：若交流电频率为f，则旋转磁场转速n0=60f（r/min）当旋转磁场具有p对磁极是，磁场转速为；n0=60f/p旋转磁场转速n0与实际转速n之差为转差，转差与旋转磁场转速之比称为转差率，用s表示，即S=（n0-n）/n0*100%则电动机实际转速计算式为n=（1-s）n0=60f/p*（1-s）二 电动机的可改变转速的因素比较： 根据三相交流异步电动机的工作特性，我们可以看出要想改变他的转速是有很多种方法的。由电动机的转速公式：n=（1-s）*60f/p可见，通过改变电源频率f、定子绕组的磁极对数p、转差率s，都能实现电动机的调速。1、 调整电源频率（f）调速 变频调速就是调整电源的频率从而达到电动机速度改变的目的。根据n=（1-s）*60f/p，异步电动机的转速与电源频率成正比，因此，频率越高，转速越快；频率越低，转速越慢。由于社会的进步，变频器已经越来越普及，改变电源频率已经越来越简单，它由于变频范围广，操作简单，使电动机的转速可调整范围大越来越得到人们的广泛应用。2、 改变定子绕组的磁极对数（p）调速改变磁极对数调速是根据电动机的转速和磁极对数成反比，用这一特性来实现电动机速度的变换，如今实用的为双速电机和多速电机。但是由于改变磁极对数来改变转速有一定的局限性，现在我们假设一下转差率为0时的情况下，由下图可以看出，改变磁极对数来实现调速是有转速一定，不可连续平滑的实现调速且不可超越最大转速3000r/min等缺点。异步电动机不同磁极对数的同步转速p（磁极对数）1234n（转/分钟）3000150010007503、 改变转差率（s）实现调速改变转差率调速就是改变电动机的电源电压或改变转子电路的电阻从而使转差率发生改变达到电动机转速的改变。其中最常见的几种改变转差率的方式方法有Y-降压启动、串电阻降压启动、晶闸管可控调压启动等。还有一种变速方式为电磁调速，它是利用滑差离合器的电磁作用，来实现电动机的调速。三变频技术的优点及存在的问题和相应对策：变频技术的推广与使用，是工业生产中电动机变速问题的又一次革新。变频调整是最理想的高效调速节电技术，它集合调速方便、高效节能、控制准确于一身，而且现如今变频器体积小，成本低，安装方便。变频器是把电压、频率固定的交流电变成电压、频率可调的交流电的变换器。变频器一般是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。 变频器的作用主要是：节能和调速，并能实现自动控制提高精度控制。变频器高效节能： （1） 软启动节能：利用变频器的软启动功能，使启动电流从0到额定转速，减轻了电网因电流过大而造成的冲击和对供电容量的要求。延长了设备的使用寿命。（2） 功率因数补偿：我们知道，交流电通过感性负载时，电压超前电流90，通过容性负载时，电压滞后电流90。根据电动机功率视在功率S由有功功率P和无功功率Q组成。我们希望做工都是有用功，根据公式P=U线I线cos，那么当cos为1是最节能,即电路中电容和电感并联且容抗和阻抗相等时最节能。变频器内部滤波电容的作用，减小了无功损耗，提高电网的有功功率，达到节能的目的。UILIC S Q P（3） 变频节能： 由于电动机在启动时瞬时电流过大，达到额定电流的7-3倍，因此对电网的冲击相当大，且在启动时电动机会产生很大的热量，这也都是电动机做的无用功，在大功率电动机上甚至会烧坏转子绕组。为了达到启动电流减小的目的，我们通常会减小电压来实现电流的减小。变频器很好的解决了这一问题。它不仅可以变频，变压更是它的有一本领，变频器可以使电压从0V加到额定电压，因此，电流就可以从0A加到额定电压，避免了启动时做的无用功，且不会对电网照成冲击。这也是变频器最大的节能点。但是，世界上没有完美的东西，变频调整也存在一些缺点，其中主要有：（1）变频器自身的问题、（2）高次谐波对变频器的影响、（3）变频器变高频时对电网的冲击及变低频时低敏元件反应迟缓或不反应等1、 变频器自身的问题:变频器自身是用电子电路来改变电源频率的。它主要有两大块组成：整流部分和直流逆变部分。它的结构框图如下：电源变压器整流滤波逆变负载 因其两大主要部分都是由电子电路集成，为了保证安全、可靠地运行，因此在安装时环境要求较高，要满足好多要求,例如：环境温度一般要求-10+40;环境湿度不应超过90%；安装场所最好在海拔1000m以下使用；安装空间要求通风良好留出足够距离等其他安装条件。2、高次谐波对变频器的影响：由于目前的变频器几乎都采用PWM控制方式，这样的脉冲调制形式使得变频器运行时在电源侧产生高次谐波电流，并造成电压波形畸变，对电源系统产生严重影响。因此一般要采用专用变压器供电，并与其他供电系统分开，且在电源输入侧加装合适的滤波器。3、变频器变低频时对电网的冲击及变高频时低敏元件反应迟缓或不反应等：变频用于电动机中，我们认为它是一种纯电感电路，不考虑其他因素的情况系，根据感抗公式：XL=L=2fL感抗是用来表示纯电感对交流电阻碍作用的物理量。公式表明，感抗的大小取决于电感L和流过他的电流的频率f。对具有一定电感量的线圈而言，f越高则XL越大，相同电压作用下，线圈中的电流就会越小，反之则电流越大。在社会实践中，我们要求转速可以下降，但是，电动机的扭矩力要保持不变，那么根据扭矩力的公式：T=9550P/n P=U2/ 2fL T: 扭矩力 （N/m）P: 电动机功率 （W）n: 电动机转速 （r/min）因此，要想在扭矩力一定时电压与频率之比要为一个常数。即：U/f=常数。那么当变频器变频后的频率很大时，电压就会随之增大。有些电子元件就会因为电压过大而击穿，使变频器损坏，或由于，频率过高导致一些元器件不反应或反映过快过慢等状况使电路不能运行。反之，当变频器变频后频率很小时，电压减小，那么变频器中就会有一些元器件不工作，使电路断电。由此得出，变频器也不能在很低的频率下工作。有以上看出，变频器也不是无限范围的改变频率，他也有一定的变频范围，所以，在选用变频器时要根据我们使用负载的容量及转速要求选择合适的变频器，且采用专用电机为宜。四、变频器在使用中遇到的问题和故障防范 由于使用方法不正确或设置环境不合理，将容易造成变频器误动作及发生故障，或者无法满足预期的运行效果。为防患于未然，事先对故障原因进行认真分析显得尤为重要。外部的电磁感应干扰如果变频器周围存在干扰源，它们将通过辐射或电源线侵入变频器的内部，引起控制回路误动作，造成工作不正常或停机，严重时甚至损坏变频器。提高变频器自身的抗干扰能力固然重要，但由于受装置成本限制，在外部采取噪声抑制措施，消除干扰源显得更合理、更必要。以下几项措施是对噪声干扰实行“三不”原则的具体方法：变频器周围所有继电器、接触器的控制线圈上需加装防止冲击电压的吸收装置，如RC吸收器；尽量缩短控制回路的配线距离，并使其与主线路分离；指定采用屏蔽线回路，须按规定进行，若线路较，应采用合理的中继方式；变频器接地端子应按规定进行，不能同电焊、动力接地混用；变频器输入端安装噪声滤波器，避免由电源进线引入干扰。安装环境, 电源异常, 雷击、感应雷电, 电源高次谐波1, 安装环境变频器属于电子器件装置，在其规格书中有详细安装使用环境的要求。在特殊情况下，若确实无法满足这些要求，必须尽量采用相应抑制措施：振动是对电子器件造成机械损伤的主要原因，对于振动冲击较大的场合，应采用橡胶等避振措施；潮湿、腐蚀性气体及尘埃等将造成电子器件生锈、接触不良、绝缘降低而形成短路，作为防范措施，应对控制板进行防腐防尘处理，并采用封闭式结构；温度是影响电子器件寿命及可靠性的重要因素，特别是半导体器件，应根据装置要求的环境条件安装空调或避免日光直射。除上述3点外，定期检查变频器的空气滤清器及冷却风扇也是非常必要的。对于特殊的高寒场合，为防止微处理器因温度过低不能正常工作，应采取设置空间加热器等必要措施。2, 电源异常电源异常表现为各种形式，但大致分以下3种，即缺相、低电压、停电，有时也出现它们的混和形式。这些异常现象的主要原因多半是输电线路因风、雪、雷击造成的，有时也因为同一供电系统内出现对地短路及相间短路。而雷击因地域和季节有很大差异。除电压波动外，有些电网或自行发电单位，也会出现频率波动，并且这些现象有时在短时间内重复出现，为保证设备的正常运行，对变频器供电电源也提出相应要求。如果附近有直接起动电动机和电磁炉等设备，为防止这些设备投入时造成的电压降低，应和变频器供电系统分离，减小相互影响；对于要求瞬时停电后仍能继续运行的场合，除选择合适价格的变频器外，还因预先考虑负载电机的降速比例。变频器和外部控制回路采用瞬停补偿方式，当电压回复后，通过速度追踪和测速电机的检测来防止在加速中的过电流；对于要求必须量需运行的设备，要对变频器加装自动切换的不停电电源装置。二极管输入及使用单相控制电源的变频器，虽然在缺相状态也能继续工作，但整流器中个别器件电流过大及电容器的脉冲电流过大，若长期运行将对变频器的寿命及可靠性造成不良影响，应及早检查处理。3, 雷击、感应雷电雷击或感应雷击形成的冲击电压有时也能造成变频器的损坏。此外，当电源系统一次侧带有真空断路器时，短路器开闭也能产生较高的冲击电压。变压器一次侧真空断路器断开时，通过耦合在二次侧形成很高的电压冲击尖峰。为防止因冲击电压造成过电压损坏，通常需要在变频器的输入端加压敏电阻等吸收器件，保证输入电压不高于变频器主回路期间所允许的最大电压。当使用真空断路器时，应尽量采用冲击形成追加RC浪涌吸收器。若变压器一次侧有真空断路器，因在控制时序上保证真空断路器动作前先将变频器断开。过去的晶体管变频器主要有以下缺点：容易跳闸、不容易再起动、过负载能力低。由于IGBT及CPU的迅速发展，变频器内部增加了完善的自诊断及故障防范功能，大幅度提高了变频器的可靠性。如果使用矢量控制变频器中的“全领域自动转矩补偿功能”，其中“起动转矩不足”、“环境条件变化造成出力下降”等故障原因，将得到很好的克服。该功能是利用变频器内部的微型计算机的高速运算，计算出当前时刻所需要的转矩，迅速对输出电压进行修正和补偿，以抵消因外部条件变化而造成的变频器输出转矩变化。此外，由于变频器的软件开发更加完善，可以预先在变频器的内部设置各种故障防止措施，并使故障化解后仍能保持继续运行，例如：对自由停车过程中的电机进行再起动；对内部故障自动复位并保持连续运行；负载转矩过大时能自动调整运行曲线，避免Trip；能够对机械系统的异常转矩进行检测。变频器对周边设备的影响及故障防范变频器的安装使用也将对其他设备产生影响，有时甚至导致其他设备故障。因此，对这些影响因素进行分析探讨，并研究应该采取哪些措施时非常必要的。4,电源高次谐波由于目前的变频器几乎都采用PWM控制方式，这样的脉冲调制形式使得变频器运行时在电源侧产生高次谐波电流，并造成电压波形畸变，对电源系统产生严重影响，通常采用以下处理措施：采用专用变压器对变频器供电，与其它供电系统分离；在变频器输入侧加装滤波电抗器或多种整流桥回路，降低高次谐波分量，对于有进相电容器的场合因高次谐波电流将电容电流增加造成发热严重，必须在电容前串接电抗器，以减小谐波分量，对电抗器的电感应合理分析计算，避免形成 LC振荡。电动机温度过高及运行范围 对于现有电机进行变频调速改造时，由于自冷电机在低速运行时冷却能力下降造成电机过热。此外，因为变频器输出波形中所含有的高次谐波势必增加电机的铁损和铜损，因此在确认电机的负载状态和运行范围之后，采取以下的相应措施：对电机进行强冷通风或提高电机规格等级；更换变频专用电机；限定运行范围，避开低速区。5, 振动、噪声振动通常是由于电机的脉动转矩及机械系统的共振引起的，特别是当脉动转矩与机械共振电恰好一致时更为严重。噪声通常分为变频装置噪声和电动机噪声，对于不同的安装场所应采取不同的处理措施：变频器在调试过程中，在保证控制精度的前提下，应尽量减小脉冲转矩成分；调试确认机械共振点，利用变频器的频率屏蔽功能，使这些共振点排除在运行范围之外；由于变频器噪声主要有冷却风扇机电抗器产生，因选用低噪声器件；在电动机与变频器之间合理设置交流电抗器，减小因PWM调制方式造成的高次谐波。6,高频开关形成尖峰电压对电机绝缘不利在变频器的输出电压中，含有高频尖峰浪用电压。这些高次谐波冲击电压将会降低电动机绕组的绝缘强度，尤其以PWM控制型变频器更为明显，应采取以下措施：尽量缩短变频器到电机的配线距离；采用阻断二极管的浪涌电压吸收装置，对变频器输出电压进行处理.五、 总结与建议：变频器主要用于交流电动机转速的调节，是公认的交流电动机最理想、最有前途的调速方案，除了具有卓越的调速性能之外，变频器还有显著的节能作用，是企业技术改造和产品更新换代的理想调速装置。由于变频器