湖北技术 | 变频电机车的特点和应用

      随着电力电子技术及新型半导体器件的迅速发展，交流调速技术得到不断完善和提高，变频器以其良好的输出波形、优异的性能价格比在交流电机上得到广泛应用。例如: 钢厂用于轧钢的大型电动机和中、小型辊道电动机、铁路及城市轨道交通用牵引电机、电梯电机、集装箱起吊设备用起重电机、水泵和风机用电机、压缩机、家用电器用电机等都相继使用交流变频调速电机，并取得了良好效果。采用交流变频调速电机比直流调速电机具有显著的优点：
      1）调速简单容易，节约能源。
      2）交流电机结构简单、体积小、惯量小、造价低、维修容易、耐 用。
      3）可以扩大容量，实现高转速和高电压运行。
      4）可以实现软启动和快速制动。
      5）无火花、防爆、环境适应能力强。
      近年来，变频调速传动装置以每年13%～16%的增长率发展，并有逐步取代大部分直流调速传动装置的趋势。由于以恒频、恒压电源进行工作的普通异步电机应用于变频调速系统时，存在着很大的局限性，为此，发展了根据使用场合和使用要求设计的专 用的变频交流电动机。主要有低噪音、低振动用的变频电机，提高低速转矩特性的变频电机，高速变频电机，带测速发电机的电机以及矢量控制的变频电机等 。
      1.变频电机主要特点和控制原理
      变频专 用电动机具有如下特点：
      1）B级温升设计，F级绝缘制造。采用高分子绝缘材料及真空压力浸漆制造工艺以及特 殊的绝缘结构，使电气绕组绝缘耐压及机械强度有很大提高，胜任电机高速运转及抵抗变频器高频电流冲击以及电压对绝缘的破坏。
      2）平衡质量高，震动等级为R级（降振级）机械零部件加工精度高，并采用专 用高精度轴承，可以高速运转。
      3）强制通风散热系统，全部采用进口轴流风机超 静音、高寿命，强 劲风力。保障马达在任何转速下，得到有 效散热，可实现高速或低速长期运行。
      4）与传统变频电机相比较，具备更宽广的调速范围和更高的设计质量，经特 殊的磁场设计，进一步抑制高次谐波磁场，以满足宽频、节能和低噪音的设计指标。
      5）具有宽范围恒转矩与功率调速特性，调速平稳，无转矩脉动。与各类变频器均具有良好的参数匹配，配合矢量控制，可实现零转速全转矩、低频大力矩与高精度转速控制、位置控制及快速动态响应控制。
      6）变频专 用电机可配制刹车器，编码器，这样即可获得精 准停车，通过转速闭环控制实现高精度速度控制。采用“减速机+变频专 用电机+编码器+变频器”实现超低速无级调速的精 准控制。
      7）变频专 用电机通用性好，其安装尺寸符合IEC标准，与一般标准型电机具备可互换性。
      异步电动机的转速，当转差率变化不大时，转速正比于频率，可见改变电源频率就能改变异步电动机的转速。在变频调速时，希望主磁通保持不变。若主磁通大于正常运行时的磁通，则磁路过饱和而使励磁电流增大，功率因数降低；若主磁通小于正常运行时的磁通，则电机转矩下降。
      变频器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。21世纪初期，使用的变频器主要采用交—直—交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。
      2.变频电机应用
      变频调速电机已经成为主流的调速方案，可广泛应用于各行各业无级变速传动。特别是随着变频器在工业控制领域内日益广泛的应用，变频电机的使用日益扩展，由于变频电机在变频控制方面较普通电机的优越性，凡是用到变频器的地方都有变频电机的身影。国产化高压变频装置的社会效益显著，主要有节能，节约资源，减少环境污染。消 除电动机的启动冲击以及对电网的冲击，降低电动机和设备故障率。提高控制精度和自动化程度
      变频调速的经济效益显著，对于泵和风机，流体流量与转速一次方成正比，转矩与转速的二次方成正比，而功率与转速的三次方成正比，转速降低，电机功耗以三次方下降，因此变频调速的节电效果非常显著。如果流量降低，则转速降低，电流降低，而电机的功耗降低，理论上节能。如果原本采用风门、阀门调节，流量降低、压头增加，电机功率减少，这样，变频调速比风门、阀门类调节节能。除了节能增效外，对于不同负载，还有一些间接的经济效益，主要有功率因数得以提高，实现软启动，减小启动力矩对电机的电气机械损伤，控制平滑、稳定、精度高。21世纪，变频调速已成为主流的调速方案，可广泛应用于各行各业无级变速传动。
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