變頻電機

1 構造原理

　　電動機的調速與控制，是工農業(yè)各類機械及辦公、民生電器設備的基礎技術之一。隨著電力電子技術、微電子技術的驚人發(fā)展，采用“專用變頻感應電動機+變頻器”的交流調速方式，正在以其卓越的性能和經濟性，在調速領域，引導了一場取代傳統(tǒng)調速方式的更新換代的變革。它給各行各業(yè)帶來的福音在于：使機械自動化程度和生產效率大為提高、節(jié)約能源、提高產品合格率及產品質量、電源系統(tǒng)容量相應提高、設備小型化、增加舒適性，正以很快的速度取代傳統(tǒng)的機械調速和直流調速方案。

　　由于變頻電源的特殊性，以及系統(tǒng)對高速或低速運轉、轉速動態(tài)響應等需求，對作為動力主體的電動機，提出了苛刻的要求，給電動機帶來了在電磁、結構、絕緣各方面新的課題。

2 主要特點

　　變頻專用電動機具有如下特點：

　　B級溫升設計，F級絕緣制造。采用高分子絕緣材料及真空壓力浸漆制造工藝以及采用特殊的絕緣結構，使電氣繞組采用絕緣耐壓及機械強度有很大提高，足以勝任馬達之高速運轉及抵抗變頻器高頻電流沖擊以及電壓對絕緣之破壞。

　　平衡質量高，震動等級為R級（降振級）機械零部件加工精度高，并采用專用高精度軸承，可以高速運轉。

　　強制通風散熱系統(tǒng)，全部采用進口軸流風機超靜音、高壽命，強勁風力。保障馬達在任何轉速下，得到有效散熱，可實現高速或低速長期運行。

　　經AMCAD軟件設計的YP系列電機，與傳統(tǒng)變頻電機相比較，具備更寬廣的調速范圍和更高的設計質量，經特殊的磁場設計，進一步抑制高次諧波磁場，以滿足寬頻、節(jié)能和低噪音的設計指標。具有寬范圍恒轉矩與功率調速特性，調速平穩(wěn)，無轉矩脈動。

　　與各類變頻器均具有良好的參數匹配，配合矢量控制，可實現零轉速全轉矩、低頻大力矩與高精度轉速控制、位置控制及快速動態(tài)響應控制。YP系列變頻專用電機可配制剎車器，編碼器供貨，這樣即可獲得精準停車，和通過轉速閉環(huán)控制實現高精度速度控制。

　　采用“減速機+變頻專用電機+編碼器+變頻器”實現超低速無級調速的精準控制。YP系列變頻專用電機通用性好，其安裝尺寸符合IEC標準，與一般標準型電機具備可互換性。

3 電機試驗臺

　　簡單介紹

　　變頻電機試驗臺(7張)變頻電機試驗一般需要采用變頻器供電，由于變頻器輸出頻率具有較寬的變化范圍，且輸出的PWM波含有豐富的諧波，傳統(tǒng)的互感器及功率計已經不能滿足試驗的測量需要，應該采用變頻功率分析儀及變頻功率變送器等。

　　標準化電機試驗臺是響應節(jié)能減排，針對電機能效提升計劃而推出的新型試驗系統(tǒng)。標準化電機試驗臺將復雜系統(tǒng)標準化、儀器化，提高了系統(tǒng)可靠性，簡化了安裝調試過程，降低了系統(tǒng)成本。

　　工作原理

　　標準化電機試驗臺由試驗電源、電參數測試系統(tǒng)、試驗測控系統(tǒng)、電機試驗測控報表軟件等構成。

　　試驗臺由兩臺試驗電源分別驅動對拖的兩臺電機，一臺作電動機運行，一臺作發(fā)電機運行；試驗電源采用靜止變頻電源，兩臺試驗電源共用整流單元，發(fā)電機發(fā)出的電能經過試驗電源反向整流為直流電后供電動機試驗電源的逆變單元使用，電網只需補充兩臺電機的損耗，相比電力測功機等直接消耗方案，可節(jié)約用電70%~90%。

　　電參數測試系統(tǒng)采用由變頻功率傳感器和變頻功率分析儀構成的變頻功率測試系統(tǒng)。因此，既能滿足工頻電機的低頻堵轉、超速等試驗測試需要，也能滿足變頻電機試驗測試需要，還可對試驗電源的諧波等參數進行測試分析。

　　試驗測控系統(tǒng)采用分布式測控系統(tǒng)，主要用于測量扭矩、轉速、溫度等非電量參數和試驗過程中需要監(jiān)視的電參量。

　　試驗過程由電機試驗測控報表軟件控制，試驗結束自動出具試驗報告和電機合格判定。

　　設計依據

　　旋轉電機_定額和性能

　　旋轉電機(牽引電機除外)確定損耗

　　三相異步電動機試驗方法

　　變頻器供電三相籠型感應電動機試驗方法

　　中小型三相異步電動機能效限定值及能效等級

　　構成特點

　　1、試驗電源

　　滿足試驗標準對電機試驗電源的要求，受程序控制進行相應操作。

　　2、變頻功率分析儀

　　滿足性能設計要求，變頻功率傳感器對試驗過程中主要電參量進行測量，通過光纖傳輸到試驗臺變頻功率分析儀。

　　3、開關量測控

　　采用分布式測控系統(tǒng)完成對包括電源柜、測量開關柜等系統(tǒng)中所有開關的控制和測試。

　　4、非電量測試

　　采用分布式測控系統(tǒng)完成對8路溫度和1路扭矩及轉速進行測試，通過光纖傳輸到試驗臺變頻功率分析儀。

　　5、自動化試驗臺

　　通過各接口完成對設備的通信控制、獲得試驗過程的電量和非電量測量數據；

　　根據試驗項目完成對試驗電源的配置，對開關狀態(tài)進行控制，通過軟件設計實現試驗項目的過程控制，完成試驗過程，并獲取相應的試驗數據；

　　根據標準對試驗過程獲得的數據進行處理，獲得試驗結果，形成試驗報告；

　　試驗報告存儲、打印。

4 應用

　　變頻調速已經成為主流的調速方案，可廣泛應用于各行各業(yè)無級變速傳動。

　　特別是隨著變頻器在工業(yè)控制領域內日益廣泛的應用，變頻電機的使用也日益廣泛起來，可以這樣說由于變頻電機在變頻控制方面較普通電機的優(yōu)越性，凡是用到變頻器的地方我們都不難看到變頻電機的身影。

5 特殊設計

　　電磁設計

　　對普通異步電動機來說，在設計時主要考慮的性能參數是過載能力、啟動性能、效率和功率因數。而變頻電動機（InverterMotor），由于臨界轉差率反比于電源頻率，可以在臨界轉差率接近1時直接啟動，因此，過載能力和啟動性能不在需要過多考慮，而要解決的關鍵問題是如何改善電動機對非正弦波電源的適應能力。方式一般如下：

　　1）盡可能的減小定子和轉子電阻。

　　減小定子電阻即可降低基波銅耗，以彌補高次諧波引起的銅耗。

　　2）為抑制電流中的高次諧波，需適當增加電動機的電感。但轉子槽漏抗較大其集膚效應也大，高次諧波銅耗也增大。因此，電動機漏抗的大小要兼顧到整個調速范圍內阻抗匹配的合理性。

　　3）變頻電動機的主磁路一般設計成不飽和狀態(tài)，一是考慮高次諧波會加深磁路飽和，二是考慮在低頻時，為了提高輸出轉矩而適當提高變頻器的輸出電壓。

　　結構設計

　　再結構設計時，主要也是考慮非正弦電源特性對變頻電機的絕緣結構、振動、噪聲冷卻方式等方面的影響，一般注意以下問題：

　　1）絕緣等級，一般為F級或更高，加強對地絕緣和線匝絕緣強度，特別要考慮絕緣耐沖擊電壓的能力。

　　2）對電機的振動、噪聲問題，要充分考慮電動機構件及整體的剛性，盡力提高其固有頻率，以避開與各次力波產生共振現象。

　　3）冷卻方式：一般采用強迫通風冷卻，即主電機散熱風扇采用獨立的電機驅動。

　　4）防止軸電流措施，對容量超過160KW電動機應采用軸承絕緣措施。主要是易產生磁路不對稱，也會產生軸電流，當其他高頻分量所產生的電流結合一起作用時，軸電流將大為增加，從而導致軸承損壞，所以一般要采取絕緣措施。

　　5）對恒功率變頻電動機，當轉速超過3000r/min時，應采用耐高溫的特殊潤滑脂，以補償軸承的溫度升高。

6 變頻節(jié)能

　　變頻器工作原理

　　我們使用的變頻器主要采用交—直—交方式（VVVF變頻或矢量控制變頻），先把工頻交流電源通過整流器轉換成直流電源，然后再把直流電源轉換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機。變頻器的電路一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制4個部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為IGBT三相橋式逆變器，且輸出為PWM波形，中間直流環(huán)節(jié)為濾波、直流儲能和緩沖無功功率。

　　相關常識

　　1、什么是變頻器？

　　變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。

　　2、PWM和PAM的不同點是什么？

　　PWM是英文PulseWidthModulation(脈沖寬度調制)縮寫，按一定規(guī)律改變脈沖列的脈沖寬度，以調節(jié)輸出量和波形的一種調值方式。

　　PAM是英文PulseAmplitudeModulation(脈沖幅度調制)縮寫，是按一定規(guī)律改變脈沖列的脈沖幅度，以調節(jié)輸出量值和波形的一種調制方式。

　　3、電壓型與電流型變頻器有什么不同？

　　變頻器的主電路大體上可分為兩類：電壓型是將電壓源的直流變換為交流的變頻器，直流回路的濾波是電容；電流型是將電流源的直流變換為交流的變頻器，其直流回路濾波是電感。

　　4、為什么變頻器的電壓與電流成比例的改變？

　　電機的轉矩是電機的磁通與轉子內流過電流之間相互作用而產生的，在額定頻率下，如果電壓一定而只降低頻率，那么磁通就過大，磁回路飽和，嚴重時將燒毀電機。因此，頻率與電壓要成比例地改變，即改變頻率的同時控制變頻器輸出電壓，使電動機的磁通保持一定，避免弱磁和磁飽和現象的產生。這種控制方式多用于風機、泵類節(jié)能型變頻器。

　　5、電動機使用工頻電源驅動時，電壓下降則電流增加；對于變頻器驅動，如果頻率下降時電壓也下降，那么電流是否增加？

　　頻率下降（低速）時,如果輸出相同的功率,則電流增加,但在轉矩一定的條件下,電流幾乎不變。

　　6、采用變頻器運轉時，電機的起動電流、起動轉矩怎樣？

　　采用變頻器運轉，隨著電機的加速相應提高頻率和電壓，起動電流被限制在150%額定電流以下(根據機種不同，為125%~200%)。用工頻電源直接起動時，起動電流為6~7倍，因此，將產生機械電氣上的沖擊。采用變頻器傳動可以平滑地起動(起動時間變長)。起動電流為額定電流的1.2~1.5倍，起動轉矩為70%~120%額定轉矩；對于帶有轉矩自動增強功能的變頻器，起動轉矩為100%以上，可以帶全負載起動。

　　7、V/f模式是什么意思？

　　頻率下降時電壓V也成比例下降，這個問題已在回答4說明。V與f的比例關系是考慮了電機特性而預先決定的，通常在控制器的存儲裝置（ROM）中存有幾種特性，可以用開關或標度盤進行選擇

　　8、按比例地改V和f時，電機的轉矩如何變化？

　　頻率下降時完全成比例地降低電壓，那么由于交流阻抗變小而直流電阻不變，將造成在低速下產生地轉矩有減小的傾向。因此，在低頻時給定V/f,要使輸出電壓提高一些,以便獲得一定地起動轉矩,這種補償稱增強起動?？梢圆捎酶鞣N方法實現,有自動進行的方法、選擇V/f模式或調整電位器等方法

　　9、在說明書上寫著變速范圍60~6Hz，即10：1，那么在6Hz以下就沒有輸出功率嗎？

　　在6Hz以下仍可輸出功率，但根據電機溫升和起動轉矩的大小等條件，最低使用頻率取6Hz左右，此時電動機可輸出額定轉矩而不會引起嚴重的發(fā)熱問題。變頻器實際輸出頻率（起動頻率）根據機種為0.5~3Hz.

　　10、對于一般電機的組合是在60Hz以上也要求轉矩一定，是否可以？

　　通常情況下時不可以的。在60Hz以上（也有50Hz以上的模式）電壓不變，大體為恒功率特性，在高速下要求相同轉矩時，必須注意電機與變頻器容量的選擇。

　　11、所謂開環(huán)是什么意思？

　　給所使用的電機裝置設速度檢出器（PG），將實際轉速反饋給控制裝置進行控制的，稱為“閉環(huán)”，不用PG運轉的就叫作“開環(huán)”。通用變頻器多為開環(huán)方式，也有的機種利用選件可進行PG反饋.

　　12、實際轉速對于給定速度有偏差時如何辦？

　　開環(huán)時，變頻器即使輸出給定頻率，電機在帶負載運行時，電機的轉速在額定轉差率的范圍內（1%~5%）變動。對于要求調速精度比較高，即使負載變動也要求在近于給定速度下運轉的場合，可采用具有PG反饋功能的變頻器（選用件）。

　　13、如果用帶有PG的電機，進行反饋后速度精度能提高嗎？

　　具有PG反饋功能的變頻器，精度有提高。但速度精度的值取決于PG本身的精度和變頻器輸出頻率的分辨率。

　　14、失速防止功能是什么意思？

　　如果給定的加速時間過短，變頻器的輸出頻率變化遠遠超過轉速（電角頻率）的變化，變頻器將因流過過電流而跳閘，運轉停止，這就叫作失速。為了防止失速使電機繼續(xù)運轉，就要檢出電流的大小進行頻率控制。當加速電流過大時適當放慢加速速率。減速時也是如此。兩者結合起來就是失速功能。

　　15、有加速時間與減速時間可以分別給定的機種，和加減速時間共同給定的機種，這有什么意義？

　　加減速可以分別給定的機種，對于短時間加速、緩慢減速場合，或者對于小型機床需要嚴格給定生產節(jié)拍時間的場合是適宜的，但對于風機傳動等場合，加減速時間都較長，加速時間和減速時間可以共同給定。

　　16、什么是再生制動？

　　電動機在運轉中如果降低指令頻率，則電動機變?yōu)楫惒桨l(fā)電機狀態(tài)運行，作為制動器而工作，這就叫作再生（電氣）制動。

　　17、是否能得到更大的制動力？

　　從電機再生出來的能量貯積在變頻器的濾波電容器中，由于電容器的容量和耐壓的關系，通用變頻器的再生制動力約為額定轉矩的10%~20%。如采用選用件制動單元，可以達到50%~100%。

　　18、為什么用離合器連續(xù)負載時，變頻器的保護功能就動作？

　　用離合器連接負載時，在連接的瞬間，電機從空載狀態(tài)向轉差率大的區(qū)域急劇變化，流過的大電流導致變頻器過電流跳閘，不能運轉。

　　19、在同一工廠內大型電機一起動，運轉中變頻器就停止，這是為什么？

　　電機起動時將流過和容量相對應的起動電流，電機定子側的變壓器產生電壓降，電機容量大時此壓降影響也大，連接在同一變壓器上的變頻器將做出欠壓或瞬停的判斷，因而有時保護功能（IPE）動作，造成停止運轉。

　　20、什么是變頻分辨率？有什么意義？

　　對于數字控制的變頻器，即使頻率指令為模擬信號，輸出頻率也是有級給定。這個級差的最小單位就稱為變頻分辨率。

　　變頻分辨率通常取值為0.015~0.5Hz.例如，分辨率為0.5Hz，那么23Hz的上面可變?yōu)?3.5、24.0Hz，因此電機的動作也是有級的跟隨。這樣對于像連續(xù)卷取控制的用途就造成問題。在這種情況下，如果分辨率為0.015Hz左右，對于4級電機1個級差為1r/min以下，也可充分適應。另外，有的機種給定分辨率與輸出分辨率不相同。

　　21、裝設變頻器時安裝方向是否有限制？

　　變頻器內部和背面的結構考慮了冷卻效果的，上下的關系對通風也是重要的，因此，對于單元型在盤內、掛在墻上的都取縱向位，盡可能垂直安裝。

　　22、不采用軟起動，將電機直接投入到某固定頻率的變頻器時是否可以？

　　在很低的頻率下是可以的，但如果給定頻率高則同工頻電源直接起動的條件相近。將流過大的起動電流（6~7倍額定電流），由于變頻器切斷過電流，電機不能起動。

　　23、電機超過60Hz運轉時應注意什么問題？超過60Hz運轉時應注意以下事項:

　　(1)機械和裝置在該速下運轉要充分可能（機械強度、噪聲、振動等）。

　　(2)電機進入恒功率輸出范圍，其輸出轉矩要能夠維持工作（風機、泵等軸輸出功率于速度的立方成比例增加，所以轉速少許升高時也要注意）。

　　(3)產生軸承的壽命問題，要充分加以考慮。

　　(4)對于中容量以上的電機特別是2極電機，在60Hz以上運轉時要與廠家仔細商討。

　　24、變頻器可以傳動齒輪電機嗎？

　　根據減速機的結構和潤滑方式不同，需要注意若干問題。在齒輪的結構上通常可考慮70~80Hz為最大極限，采用油潤滑時，在低速下連續(xù)運轉關系到齒輪的損壞等。

　　25、變頻器能用來驅動單相電機嗎？可以使用單相電源嗎？

　　基本上不能用。對于調速器開關起動式的單相電機，在工作點以下的調速范圍時將燒毀輔助繞組；對于電容起動或電容運轉方式的，將誘發(fā)電容器爆炸。變頻器的電源通常為3相，但對于小容量的，也有用單相電源運轉的機種。

　　26、變頻器本身消耗的功率有多少？

　　它與變頻器的機種、運行狀態(tài)、使用頻率等有關，但要回答很困難。不過在60Hz以下的變頻器效率大約為94%~96%，據此可推算損耗，但內藏再生制動式（FR-K）變頻器，如果把制動時的損耗也考慮進去，功率消耗將變大，對于操作盤設計等必須注意。

　　27、為什么不能在6~60Hz全區(qū)域連續(xù)運轉使用？

　　一般電機利用裝在軸上的外扇或轉子端環(huán)上的葉片進行冷卻，若速度降低則冷卻效果下降，因而不能承受與高速運轉相同的發(fā)熱，必須降低在低速下的負載轉矩，或采用容量大的變頻器與電機組合，或采用專用電機。

　　28、使用帶制動器的電機時應注意什么？

　　制動器勵磁回路電源應取自變頻器的輸入側。如果變頻器正在輸出功率時制動器動作，將造成過電流切斷。所以要在變頻器停止輸出后再使制動器動作。

　　29、想用變頻器傳動帶有改善功率因數用電容器的電機，電機卻不動，請說明原因

　　變頻器的電流流入改善功率因數用的電容器，由于其充電電流造成變頻器過電流(OCT),所以不能起動，作為對策，請將電容器拆除后運轉，甚至改善功率因數，在變頻器的輸入側接入AC電抗器是有效的。

　　30、變頻器的壽命有多久？

　　變頻器雖為靜止裝置，但也有像濾波電容器、冷卻風扇那樣的消耗器件，如果對它們進行定期的維護，可望有10年以上的壽命。

　　31、變頻器內藏有冷卻風扇，風的方向如何？風扇若是壞了會怎樣？

　　對于小容量也有無冷卻風扇的機種。有風扇的機種，風的方向是從下向上，所以裝設變頻器的地方，上、下部不要放置妨礙吸、排氣的機械器材。還有，變頻器上方不要放置怕熱的零件等。風扇發(fā)生故障時，由電扇停止檢測或冷卻風扇上的過熱檢測進行保護。

　　32、裝設變頻器時安裝位置是否有限制？

　　應基本收藏在盤內，問題是采用全封閉結構的盤外形尺寸大，占用空間大，成本比較高。其措施有：

　?。?）盤的設計要針對實際裝置所需要的散熱；

　　（2）利用鋁散熱片、翼片冷卻劑等增加冷卻面積；

　?。?）采用熱導管。

　　此外，已開發(fā)出變頻器背面可以外露的型式。

　　33、想提高原有輸送帶的速度，以80Hz運轉，變頻器的容量該怎樣選擇？

　　設基準速度為50Hz,50Hz以上為恒功率輸出特性。像輸送帶這樣的恒轉矩特性負載增速時，容量需要增大為80/50≈1.6倍。電機容量也像變頻器一樣增大。

　　節(jié)能原理

　　1、變頻節(jié)能

　　由流體力學可知，P（功率）=Q（流量）╳H（壓力），流量Q與轉速N的一次方成正比，壓力H與轉速N的平方成正比，功率P與轉速N的立方成正比，如果水泵的效率一定，當要求調節(jié)流量下降時，轉速N可成比例的下降，而此時軸輸出功率P成立方關系下降。即水泵電機的耗電功率與轉速近似成立方比的關系。例如：一臺水泵電機功率為55KW，當轉速下降到原轉速的4/5時，其耗電量為28.16KW，省電48.8%，當轉速下降到原轉速的1/2時，其耗電量為6.875KW，省電87.5%.

　　2、功率因數補償節(jié)能

　　無功功率不但增加線損和設備的發(fā)熱，更主要的是功率因數的降低導致電網有功功率的降低，大量的無功電能消耗在線路當中，設備使用效率低下，浪費嚴重，由公式P=S╳COSФ，Q=S╳SINФ，其中S－視在功率，P－有功功率，Q－無功功率，COSФ－功率因數，可知COSФ越大，有功功率P越大，普通水泵電機的功率因數在0.6-0.7之間，使用變頻調速裝置后，由于變頻器內部濾波電容的作用，COSФ≈1，從而減少了無功損耗，增加了電網的有功功率。

　　3、軟啟動節(jié)能

　　由于電機為直接啟動或Y/D啟動，啟動電流等于(4-7)倍額定電流，這樣會對機電設備和供電電網造成嚴重的沖擊，而且還會對電網容量要求過高，啟動時產生的大電流和震動時對擋板和閥門的損害極大，對設備、管路的使用壽命極為不利。而使用變頻節(jié)能裝置后，利用變頻器的軟啟動功能將使啟動電流從零開始，最大值也不超過額定電流，減輕了對電網的沖擊和對供電容量的要求，延長了設備和閥門的使用壽命。節(jié)省了設備的維護費用。

　　變頻器可以省電這是不可磨滅的事實，在某些情況下可以節(jié)電40%以上，但是某些情況還會比不接變頻器浪費！

　　變頻器是通過輕負載降壓實現節(jié)能的，拖動轉距負載由于轉速沒有多大變化，即便是降低電壓，也不會很多，所以節(jié)能很微弱，但是用在風機環(huán)境就不同了，當需要較小的風量時刻，電機會降低速度，我們知道風機的耗能跟轉速的1.7次方成正比，所以電機的轉距會急劇下降，節(jié)能效果明顯。如果我們用在油井上，就會因為在返程使用制動電阻白白浪費很多電能反而更廢電。

　　當然，如果環(huán)境要求必須調速，變頻器節(jié)能效果還是比較明顯的。不調速的場合變頻器不會省電，只能改善功率因數。

　　1、如果兩個一模一樣的電機都工作在50HZ的工頻狀態(tài)下，一個使用變頻器，一個沒有，同時轉速和扭矩都在電機的額定狀態(tài)下，那么變頻器還能省電嗎？能省多少呢？

　　答：對于這種情況，變頻器只能改善功率因數，并不能節(jié)省電力。

　　2、如果這兩個電機的扭矩沒有達到電機的額定扭矩狀態(tài)下工作（頻率，轉速還是一樣50HZ），有變頻器的那個能省多少電？

　　答：如果使用了自動節(jié)能運行，這個時刻變頻器能降壓運行，可以節(jié)省部分電能，但是節(jié)電不明顯。

　　3、同樣的條件，空載狀態(tài)下能省多少，這三種狀態(tài)下哪個省的更多？

7 優(yōu)點

　　1、具備有啟動功能。

　　2、采用電磁設計，減少了定子和轉子的阻值。

　　3、適應不同工況條件下的頻繁變速。

　　4、在一定程度上節(jié)能。