變頻電動(dòng)機(jī)的最新動(dòng)向及應(yīng)用

1 概述

隨著環(huán)保、節(jié)能問(wèn)題的不斷深化，迄今為止，由市電恒速驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用中，藉助可變速運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)施節(jié)能與改善的運(yùn)行過(guò)程的實(shí)例越來(lái)越多。

特別是變頻驅(qū)動(dòng)結(jié)合感應(yīng)電動(dòng)機(jī)和永磁同步電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用，節(jié)能效果和省維護(hù)性十分顯著。

在1970—1980 年投資的設(shè)備中，由于機(jī)器的老化需要更新，繞線式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)及直流電動(dòng)機(jī)將逐步由變頻驅(qū)動(dòng)所取代。而且，由于高壓變頻器的開(kāi)始普及，在原來(lái)應(yīng)用較少的高壓領(lǐng)域，變頻電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用也日益廣泛。本文介紹了可變速電動(dòng)機(jī)的變遷，概述了變頻驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，以及變頻電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用實(shí)例。

2 可變速電動(dòng)機(jī)的發(fā)展過(guò)程

電動(dòng)機(jī)的可變速運(yùn)轉(zhuǎn)，曾以直流電動(dòng)機(jī)和繞線式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)為主流。1953年面市的變速(VS)耦聯(lián)(Coupling)與籠形感應(yīng)電動(dòng)機(jī)結(jié)合的VS電動(dòng)機(jī)，曾向一般的可變速驅(qū)動(dòng)及起重吊車等應(yīng)用中大力推廣，但是，直流電動(dòng)機(jī)因向轉(zhuǎn)子供電需要多個(gè)電刷，所以，維護(hù)量大;繞線式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)和VS電動(dòng)機(jī)在速度控制時(shí)，又存在滑差率成正比的損耗大這一問(wèn)題。如由鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)與變頻器組合，上述問(wèn)題可迎刃而解。

另一方面，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外積極開(kāi)展著節(jié)能工作，尤其是電動(dòng)機(jī)的耗電，約占產(chǎn)業(yè)用全部電能的70%。故對(duì)電動(dòng)機(jī)的節(jié)能對(duì)策已成為當(dāng)務(wù)之急，日本在2000 年公布執(zhí)行的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)715C4212(高效率低壓三相鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn))中要求電動(dòng)機(jī)高效率化。而且，從對(duì)用戶從事節(jié)能實(shí)施的方式進(jìn)行征詢，結(jié)果顯示利用變頻器方法的數(shù)量最多，占到64.5%，如圖1 所示。

安川公司為了滿足這些節(jié)能要求，1997 年領(lǐng)先于其它公司開(kāi)發(fā)了轉(zhuǎn)子上無(wú)損耗這一特色的永磁同步電動(dòng)機(jī)，并已產(chǎn)品化。從節(jié)能觀點(diǎn)看，該同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)作為新型可變速驅(qū)動(dòng)引人注目，并在以升降機(jī)(電梯)為主的應(yīng)用領(lǐng)域，顯示出強(qiáng)勁的發(fā)展趨勢(shì)。

3 變頻驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的注意點(diǎn)

與采用市電電源操作電動(dòng)機(jī)的情況不同，在利用變頻器驅(qū)動(dòng)的場(chǎng)合下，對(duì)包含于變頻器輸出電壓、電流中高次諧波成分的影響，在電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、制造以及應(yīng)用時(shí)，須要從多方面引起重視。下面介紹有關(guān)冷卻、諧波電流產(chǎn)生的發(fā)熱、扭曲振動(dòng)、浪涌(脈沖)電壓以及電腐蝕等問(wèn)題。

3.1 冷卻

通過(guò)變頻器的中變速運(yùn)轉(zhuǎn)，有的應(yīng)用于風(fēng)扇、水泵等具有平方遞減轉(zhuǎn)矩負(fù)荷特性的流體機(jī)械的控制;有的應(yīng)用于對(duì)擠壓機(jī)、壓縮機(jī)等具有定轉(zhuǎn)矩特性的機(jī)械控制。從電動(dòng)機(jī)的冷卻特性設(shè)計(jì)上看，前者與市電驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)是同一結(jié)構(gòu)，而后者考慮了低速下冷卻能力的下降，通常采用外風(fēng)力的通風(fēng)型結(jié)構(gòu)，以便提高冷卻性能。

3.2 由高次諧波電流引起的發(fā)熱

用變頻器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)時(shí)，流入電動(dòng)機(jī)的電流含有高次諧波。對(duì)此，與市電操作的運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)比，變頻驅(qū)動(dòng)使電機(jī)繞線溫度趨向于升高，提高了5%耀12%。特別在使用永磁同步電動(dòng)機(jī)的情況下，因高次諧波電流會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子表面及磁體產(chǎn)生渦流損耗，從而引起磁體的溫升，甚至發(fā)生最壞情況，即產(chǎn)生退磁等故障。

變頻器驅(qū)動(dòng)時(shí)的高次諧波電流，是這一溫升的主要原因。為對(duì)此進(jìn)行詳細(xì)的分析，應(yīng)建立變頻器的PWM(脈寬調(diào)制)驅(qū)動(dòng)模型，以反映對(duì)諧波電流的分析。安川公司開(kāi)發(fā)了變頻器驅(qū)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生損耗的機(jī)理分析，以及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)整體模擬分析的技術(shù)。圖2 為電流諧波波形分析與實(shí)測(cè)值的對(duì)比分析實(shí)例，結(jié)果分析值與實(shí)測(cè)值大體是一致的，具有足夠的精確度。

3.3 由高次諧波電流產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)

由變頻器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)時(shí)，因波形的畸變及高次諧波電流產(chǎn)生脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，這一脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩可能會(huì)對(duì)軸、聯(lián)軸節(jié)、冷卻風(fēng)扇造成損壞，尤其在半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件組成的變頻器中容易出現(xiàn)脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩問(wèn)題。PWM 變頻器的載波頻率高達(dá)數(shù)kHz，通常與機(jī)械系統(tǒng)的固有頻率相差甚殊，故不存在扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。再者，PWM變頻器驅(qū)動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)矩分析精度高，容易處置電磁振動(dòng)和噪音問(wèn)題。

3.4 浪涌電壓

變頻器的輸出電壓波形，在半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的高速切換影響下，會(huì)在電動(dòng)機(jī)端子上產(chǎn)生脈沖波形(過(guò)電壓波)，峰值約為市電電源峰值的2倍。故相應(yīng)的電動(dòng)機(jī)的絕緣應(yīng)力須增加，變頻電動(dòng)機(jī)承受這一脈沖電壓的電線絕緣膜的厚度也應(yīng)增加。

同時(shí)，由于過(guò)電壓(浪涌電壓)波的重疊，產(chǎn)生2 倍以上電壓的實(shí)例已有報(bào)導(dǎo)，這種情況下，對(duì)地絕緣，導(dǎo)線束(股線)絕緣等均應(yīng)提高絕緣等級(jí)，或者改進(jìn)成整齊排列的線棒繞組結(jié)構(gòu)(圖3)，以便在制造工藝上能承受住浪涌電壓的沖擊。此外，在變頻器側(cè)，采用了三電平控制等，以此來(lái)降低浪涌電壓的影響。

3.5 電腐蝕問(wèn)題

由變頻器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)時(shí)，線卷與大地之間的共模(Common mode)電壓，由電動(dòng)機(jī)各個(gè)部位的寄生(雜散)電容分擔(dān)，這樣在軸承油膜部位將產(chǎn)生數(shù)伏以上的電壓(軸電位)，由于這一電壓重復(fù)放電，致使軸承接觸面上的振動(dòng)加速度增大，或從軸承內(nèi)發(fā)出異常聲音，這種現(xiàn)象就稱為電腐蝕。

原理上，所有變頻器驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)上均會(huì)產(chǎn)生由共模電壓導(dǎo)致的軸電位。但實(shí)際上，異常聲音及異常振動(dòng)等不利情況極少。一般，在恒速連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)場(chǎng)合以及混凝土基礎(chǔ)(無(wú)共用底座)場(chǎng)合下，比較容易發(fā)生電腐蝕。

解決電腐蝕所采取的措施是：安裝接地電刷和采用絕緣軸承，以及對(duì)所配合的機(jī)械實(shí)現(xiàn)同電位化等。

4 變頻電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用實(shí)例

考慮到上述有關(guān)注意事項(xiàng)，制造由變頻器驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)時(shí)，須滿足應(yīng)用中提出的各項(xiàng)要求。以下介紹了真空泵、港口裝卸起吊用卷?yè)P(yáng)機(jī)，直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的更新改進(jìn)，以及高壓變頻器中變頻電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用實(shí)例。

4.1 在真空泵上的應(yīng)用

對(duì)于工業(yè)用的真空泵，多采用羅茨(Roots)泵(一種機(jī)械式的增壓泵)以及干式泵，原來(lái)是由變頻器驅(qū)動(dòng)感應(yīng)式電動(dòng)機(jī)。最近，由于小型、輕量化、節(jié)能化的要求，傾向于采用永磁式同步電動(dòng)機(jī)。作為真空泵還要求：從真空向大氣開(kāi)放時(shí)能適應(yīng)負(fù)荷的急劇變化;為防止周圍環(huán)境的影響，應(yīng)確保其氣密性。按照這些要求，永磁同步電動(dòng)機(jī)與無(wú)傳感器矢量控制、超節(jié)能型的變頻器VariSpeed F7S最合適。

4.1.1 小型輕量化

半導(dǎo)體及液晶制造工藝中使用的真空泵，為在設(shè)置上節(jié)省空間，要求電動(dòng)機(jī)小型化。一般，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)(法蘭盤安裝型)與永磁同步電動(dòng)機(jī)的對(duì)比，永磁同步電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)了小型輕量化，體積約為感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的1/3。

4.1.2 節(jié)能

永磁同步電動(dòng)機(jī)達(dá)到了高效率化。由最大轉(zhuǎn)矩效率控制產(chǎn)生的節(jié)能效果，已提高的效率達(dá)5.5%以上，如圖4 所示。[!--empirenews.page--]

4.1.3 負(fù)荷突變時(shí)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)(從真空狀態(tài)向大氣開(kāi)放時(shí))

對(duì)機(jī)械式增壓泵，在從真空狀態(tài)開(kāi)啟閥門，將氣體推出之際，會(huì)有過(guò)大的負(fù)荷急劇地加在電動(dòng)機(jī)上。若用永磁同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)這一負(fù)荷的突變、失調(diào)等不利現(xiàn)象。但采用VariSpped7S，由于其轉(zhuǎn)矩限制功能，可適應(yīng)負(fù)荷的突變，降低速度，并實(shí)現(xiàn)無(wú)失調(diào)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。

4.1.4 確保氣密性

1)無(wú)傳感器化驅(qū)動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)時(shí)，需要有霍爾傳感器來(lái)檢測(cè)磁極。為把要將電動(dòng)機(jī)裝入真空泵裝置中，這就得確保傳感器的耐環(huán)境性和傳感器配線的機(jī)械密封性。同時(shí)還存在由溫度、振動(dòng)導(dǎo)致的可靠性問(wèn)題。在VariSpped F7S中，藉助獨(dú)立開(kāi)發(fā)的磁極位置估定及速度確定等項(xiàng)技術(shù)，已實(shí)現(xiàn)同步發(fā)電機(jī)的無(wú)傳感器化。

2)密封結(jié)構(gòu)在真空泵中為確保高的氣密性，對(duì)電動(dòng)機(jī)連接軸，同時(shí)采用了機(jī)械密封和油密封。

這次適用的電動(dòng)機(jī)，萬(wàn)一有氣體或液體從連接軸泄漏，采用了定子封蓋(Can)的密封結(jié)構(gòu)。而且，因采用水冷式，勿需電動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇，避免了對(duì)電機(jī)周邊大氣的攪拌和耗能。

4.2 在港口裝卸起吊卷?yè)P(yáng)機(jī)上的應(yīng)用

變頻驅(qū)動(dòng)應(yīng)用于港口裝卸起吊的卷?yè)P(yáng)機(jī)，在最高速度下運(yùn)轉(zhuǎn)使裝卸效率提高，具有恒定功率范圍較廣這一特點(diǎn)。

4.2.1 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用

在港口裝卸機(jī)械中，大容量集裝箱起吊的卷?yè)P(yáng)機(jī)用電動(dòng)機(jī)，采用感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。

在定轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)，與轉(zhuǎn)速成比例的電壓若增加到基本轉(zhuǎn)速下則達(dá)到額定電壓。在恒定功率范圍內(nèi)，如保持電壓不變，就應(yīng)將電流減到最小，以此抑制變頻器的容量。

但是從圖5 所示的基本轉(zhuǎn)速下額定電壓情況及式(1)可見(jiàn)，電壓一定時(shí)，若轉(zhuǎn)速升高，電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)可能轉(zhuǎn)矩會(huì)與轉(zhuǎn)速平方成比例的下降，故最高轉(zhuǎn)速下為保持負(fù)荷要求的轉(zhuǎn)矩，并設(shè)定恒定功率范圍為1:a，則需要電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)可能轉(zhuǎn)矩在a倍基本轉(zhuǎn)速下，即電動(dòng)機(jī)的尺寸規(guī)格要變成a倍。

另一方面，如圖6 所示，可以降低基本速度下的電壓和縮小電動(dòng)機(jī)的規(guī)格尺寸，但因電流大，變頻器的容量也需要增大。

安川公司對(duì)應(yīng)于必要的恒定功率比，在變頻器容量與電動(dòng)機(jī)規(guī)格最合適情況下，設(shè)計(jì)出基本轉(zhuǎn)速下的電壓。而且，為能適應(yīng)于從低速至高速?gòu)V闊的速度控制范圍，采用了外風(fēng)力的通風(fēng)結(jié)構(gòu)。

4.2.2 永磁同步電動(dòng)機(jī)

永磁同步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)是內(nèi)部感應(yīng)電壓與轉(zhuǎn)速成比例的升高，電動(dòng)機(jī)端子電壓比電源電壓高，因而無(wú)法控制。如在最高轉(zhuǎn)速下設(shè)計(jì)為額定電壓，則基本轉(zhuǎn)速時(shí)電壓下降，電流增大，導(dǎo)致變頻器的容量增大。針對(duì)與轉(zhuǎn)速成比例增加的內(nèi)部感應(yīng)電壓，安川電機(jī)公司的永磁同步電動(dòng)機(jī)利用d 軸電流進(jìn)行限電壓控制，但應(yīng)考慮此時(shí)的電壓飽和(圖7)。而且，由于磁性轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩的同時(shí)作用導(dǎo)致的高轉(zhuǎn)矩化，以及因限電壓控制(弱磁控制)的最小電流化，沒(méi)有增大電動(dòng)機(jī)的規(guī)格尺寸和變頻器的容量，有效利用了定功率范圍寬這一優(yōu)點(diǎn)。此外，永磁同步電動(dòng)機(jī)小型化的特點(diǎn)使轉(zhuǎn)子的測(cè)量降低，減小了加速容量，也減小了變頻器容量。

4.3 高壓電動(dòng)機(jī)的變頻器化

垃圾處理場(chǎng)及發(fā)電鍋爐設(shè)備等用的鼓風(fēng)機(jī)械中，采用了高壓電動(dòng)機(jī)的變頻驅(qū)動(dòng)。原來(lái)的高壓異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，多使用低壓變頻器與升壓變壓器組合的方式。近年來(lái)，由于高壓變頻器的普及，取消升壓變壓器而多采用變頻器直接驅(qū)動(dòng)高壓電動(dòng)機(jī)。安川公司的高壓變頻器，其輸出波形近似正弦波，也抑制了浪涌電壓的發(fā)生等。對(duì)風(fēng)機(jī)、泵類有平方遞減負(fù)荷特性的用途而言，原來(lái)市電電源驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)仍然能適用，對(duì)定轉(zhuǎn)矩負(fù)荷特性的用途場(chǎng)合，考慮到低速時(shí)的冷卻而采用了外風(fēng)力通風(fēng)型，現(xiàn)已開(kāi)發(fā)出3 kV、6 kV、11 kV 級(jí)的變頻電動(dòng)機(jī)。