1 概述
隨著環(huán)保、節(jié)能問題的不斷深化，迄今為止，由市電恒速驅(qū)動電動機的應(yīng)用中，藉助可變速運轉(zhuǎn)，實施節(jié)能與改善的運行過程的實例越來越多。
特別是變頻驅(qū)動結(jié)合感應(yīng)電動機和永磁同步電動機的應(yīng)用，節(jié)能效果和省維護性十分顯著。
在1970—1980 年投資的設(shè)備中，由于機器的老化需要更新，繞線式感應(yīng)電動機及直流電動機將逐步由變頻驅(qū)動所取代。而且，由于高壓變頻器的開始普及，在原來應(yīng)用較少的高壓領(lǐng)域，變頻電動機的應(yīng)用也日益廣泛。本文介紹了可變速電動機的變遷，概述了變頻驅(qū)動電動機的幾項關(guān)鍵技術(shù)，以及變頻電動機的應(yīng)用實例。
2 可變速電動機的發(fā)展過程
電動機的可變速運轉(zhuǎn)，曾以直流電動機和繞線式感應(yīng)電動機為主流。1953年面市的變速(VS)耦聯(lián)(Coupling)與籠形感應(yīng)電動機結(jié)合的VS電動機，曾向一般的可變速驅(qū)動及起重吊車等應(yīng)用中大力推廣，但是，直流電動機因向轉(zhuǎn)子供電需要多個電刷，所以，維護量大;繞線式感應(yīng)電動機和VS電動機在速度控制時，又存在滑差率成正比的損耗大這一問題。如由鼠籠式異步電動機與變頻器組合，上述問題可迎刃而解。
另一方面，近年來國內(nèi)外積極開展著節(jié)能工作，尤其是電動機的耗電，約占產(chǎn)業(yè)用全部電能的70%。故對電動機的節(jié)能對策已成為當(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機工業(yè)標(biāo)準(zhǔn))中要求電動機高效率化。而且，從對用戶從事節(jié)能實施的方式進行征詢，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)先于其它公司開發(fā)了轉(zhuǎn)子上無損耗這一特色的永磁同步電動機，并已產(chǎn)品化。從節(jié)能觀點看，該同步電動機驅(qū)動作為新型可變速驅(qū)動引人注目，并在以升降機(電梯)為主的應(yīng)用領(lǐng)域，顯示出強勁的發(fā)展趨勢。
3 變頻驅(qū)動電動機的注意點
與采用市電電源操作電動機的情況不同，在利用變頻器驅(qū)動的場合下，對包含于變頻器輸出電壓、電流中高次諧波成分的影響，在電動機設(shè)計、制造以及應(yīng)用時，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、浪涌(脈沖)電壓以及電腐蝕等問題。
3.1 冷卻
通過變頻器的中變速運轉(zhuǎn)，有的應(yīng)用于風(fēng)扇、水泵等具有平方遞減轉(zhuǎn)矩負(fù)荷特性的流體機械的控制;有的應(yīng)用于對擠壓機、壓縮機等具有定轉(zhuǎn)矩特性的機械控制。從電動機的冷卻特性設(shè)計上看，前者與市電驅(qū)動的電動機是同一結(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)動電動機時，流入電動機的電流含有高次諧波。對此，與市電操作的運轉(zhuǎn)對比，變頻驅(qū)動使電機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機的情況下，因高次諧波電流會導(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)動時的高次諧波電流，是這一溫升的主要原因。為對此進行詳細(xì)的分析，應(yīng)建立變頻器的PWM(脈寬調(diào)制)驅(qū)動模型，以反映對諧波電流的分析。安川公司開發(fā)了變頻器驅(qū)動時產(chǎn)生損耗的機理分析，以及驅(qū)動系統(tǒng)整體模擬分析的技術(shù)。圖2 為電流諧波波形分析與實測值的對比分析實例，結(jié)果分析值與實測值大體是一致的，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
由變頻器驅(qū)動電動機時，因波形的畸變及高次諧波電流產(chǎn)生脈動轉(zhuǎn)矩，這一脈動轉(zhuǎn)矩可能會對軸、聯(lián)軸節(jié)、冷卻風(fēng)扇造成損壞，尤其在半導(dǎo)體開關(guān)器件組成的變頻器中容易出現(xiàn)脈動轉(zhuǎn)矩問題。PWM 變頻器的載波頻率高達(dá)數(shù)kHz，通常與機械系統(tǒng)的固有頻率相差甚殊，故不存在扭轉(zhuǎn)振動。再者，PWM變頻器驅(qū)動時的轉(zhuǎn)矩分析精度高，容易處置電磁振動和噪音問題。
3.4 浪涌電壓
變頻器的輸出電壓波形，在半導(dǎo)體開關(guān)的高速切換影響下，會在電動機端子上產(chǎn)生脈沖波形(過電壓波)，峰值約為市電電源峰值的2倍。故相應(yīng)的電動機的絕緣應(yīng)力須增加，變頻電動機承受這一脈沖電壓的電線絕緣膜的厚度也應(yīng)增加。
同時，由于過電壓(浪涌電壓)波的重疊，產(chǎn)生2 倍以上電壓的實例已有報導(dǎo)，這種情況下，對地絕緣，導(dǎo)線束(股線)絕緣等均應(yīng)提高絕緣等級，或者改進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，以此來降低浪涌電壓的影響。
3.5 電腐蝕問題
由變頻器驅(qū)動電動機時，線卷與大地之間的共模(Common mode)電壓，由電動機各個部位的寄生(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)動的電動機上均會產(chǎn)生由共模電壓導(dǎo)致的軸電位。但實際上，異常聲音及異常振動等不利情況極少。一般，在恒速連續(xù)運轉(zhuǎn)場合以及混凝土基礎(chǔ)(無共用底座)場合下，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，以及對所配合的機械實現(xiàn)同電位化等。
4 變頻電動機的應(yīng)用實例
考慮到上述有關(guān)注意事項，制造由變頻器驅(qū)動的電動機時，須滿足應(yīng)用中提出的各項要求。以下介紹了真空泵、港口裝卸起吊用卷揚機，直流電動機驅(qū)動的更新改進，以及高壓變頻器中變頻電動機的應(yīng)用實例。
4.1 在真空泵上的應(yīng)用
對于工業(yè)用的真空泵，多采用羅茨(Roots)泵(一種機械式的增壓泵)以及干式泵，原來是由變頻器驅(qū)動感應(yīng)式電動機。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機。作為真空泵還要求：從真空向大氣開放時能適應(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，永磁同步電動機與無傳感器矢量控制、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，要求電動機小型化。一般，感應(yīng)電動機(法蘭盤安裝型)與永磁同步電動機的對比，永磁同步電動機實現(xiàn)了小型輕量化，體積約為感應(yīng)電動機的1/3。
4.1.2 節(jié)能
永磁同步電動機達(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)荷突變時的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)(從真空狀態(tài)向大氣開放時)
對機械式增壓泵，在從真空狀態(tài)開啟閥門，將氣體推出之際，會有過大的負(fù)荷急劇地加在電動機上。若用永磁同步電動機驅(qū)動時，會出現(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，并實現(xiàn)無失調(diào)的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。
4.1.4 確保氣密性
1)無傳感器化驅(qū)動永磁同步電動機時，需要有霍爾傳感器來檢測磁極。為把要將電動機裝入真空泵裝置中，這就得確保傳感器的耐環(huán)境性和傳感器配線的機械密封性。同時還存在由溫度、振動導(dǎo)致的可靠性問題。在VariSpped F7S中，藉助獨立開發(fā)的磁極位置估定及速度確定等項技術(shù)，已實現(xiàn)同步發(fā)電機的無傳感器化。
2)密封結(jié)構(gòu)在真空泵中為確保高的氣密性，對電動機連接軸，同時采用了機械密封和油密封。
這次適用的電動機，萬一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，勿需電動機冷卻風(fēng)扇，避免了對電機周邊大氣的攪拌和耗能。
4.2 在港口裝卸起吊卷揚機上的應(yīng)用
變頻驅(qū)動應(yīng)用于港口裝卸起吊的卷揚機，在最高速度下運轉(zhuǎn)使裝卸效率提高，具有恒定功率范圍較廣這一特點。
4.2.1 感應(yīng)電動機的應(yīng)用
在港口裝卸機械中，大容量集裝箱起吊的卷揚機用電動機，采用感應(yīng)電動機。
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，電壓一定時，若轉(zhuǎn)速升高，電動機的運轉(zhuǎn)可能轉(zhuǎn)矩會與轉(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，則需要電動機的運轉(zhuǎn)可能轉(zhuǎn)矩在a倍基本轉(zhuǎn)速下，即電動機的尺寸規(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機的規(guī)格尺寸，但因電流大，變頻器的容量也需要增大。
安川公司對應(yīng)于必要的恒定功率比，在變頻器容量與電動機規(guī)格最合適情況下，設(shè)計出基本轉(zhuǎn)速下的電壓。而且，為能適應(yīng)于從低速至高速廣闊的速度控制范圍，采用了外風(fēng)力的通風(fēng)結(jié)構(gòu)。
4.2.2 永磁同步電動機
永磁同步電動機的特點是內(nèi)部感應(yīng)電壓與轉(zhuǎn)速成比例的升高，電動機端子電壓比電源電壓高，因而無法控制。如在最高轉(zhuǎn)速下設(shè)計為額定電壓，則基本轉(zhuǎn)速時電壓下降，電流增大，導(dǎo)致變頻器的容量增大。針對與轉(zhuǎn)速成比例增加的內(nèi)部感應(yīng)電壓，安川電機公司的永磁同步電動機利用d 軸電流進行限電壓控制，但應(yīng)考慮此時的電壓飽和(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，沒有增大電動機的規(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。此外，永磁同步電動機小型化的特點使轉(zhuǎn)子的測量降低，減小了加速容量，也減小了變頻器容量。
4.3 高壓電動機的變頻器化
垃圾處理場及發(fā)電鍋爐設(shè)備等用的鼓風(fēng)機械中，采用了高壓電動機的變頻驅(qū)動。原來的高壓異步電動機驅(qū)動，多使用低壓變頻器與升壓變壓器組合的方式。近年來，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)動高壓電動機。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。對風(fēng)機、泵類有平方遞減負(fù)荷特性的用途而言，原來市電電源驅(qū)動的電動機仍然能適用，對定轉(zhuǎn)矩負(fù)荷特性的用途場合，考慮到低速時的冷卻而采用了外風(fēng)力通風(fēng)型，現(xiàn)已開發(fā)出3 kV、6 kV、11 kV 級的變頻電動機。
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