|
0 引言
電力拖動系統(tǒng)分為恒速拖動系統(tǒng)和調(diào)速拖動系統(tǒng)。調(diào)速拖動系統(tǒng)又可分為直流調(diào)速系統(tǒng)和交流調(diào)速系統(tǒng)。用直流電機(jī)可方便地進(jìn)行調(diào)速，因其具有優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩控制性能，但由于本身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，直流調(diào)速有幾個主要缺點(diǎn):(1)直流電動機(jī)容易出現(xiàn)故障，維修困難。(2)使用場合受到限制，在易燃易爆以及環(huán)境惡劣的地方不能采用。(3)由于直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)因素使單機(jī)容量及轉(zhuǎn)速受到限制。(4)直流電動機(jī)的價格高于交流電動機(jī)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，近年來交流調(diào)速獲得飛躍的發(fā)展，采用交流電機(jī)拖動方式逐步占據(jù)了主要地位。交流調(diào)速具有下面幾個優(yōu)點(diǎn):(1)交流電動機(jī)特別是籠型異步電動機(jī)的價格遠(yuǎn)低于直流電動機(jī)。(2)交流電動機(jī)不易出現(xiàn)故障，維修簡單。(3)使用場合沒有限制。(4)電動機(jī)的單機(jī)容量遠(yuǎn)大于直流電動機(jī)。隨著交流調(diào)速的發(fā)展，它的調(diào)速性能已可與直流調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)相媲美，已有取代直流調(diào)速系統(tǒng)的趨勢，從而進(jìn)人交流調(diào)速系統(tǒng)時代。 1 技術(shù)概況 近年來交流調(diào)速中最活躍、發(fā)展最快的就是變頻調(diào)速技術(shù)。變頻調(diào)速是交流調(diào)速的基礎(chǔ)和主干內(nèi)容。上個世紀(jì)變壓器的出現(xiàn)使改變電壓變得很容易，從而造就了一個龐大的電力行業(yè)。長期以來，交流電的頻率一直是固定的，變頻調(diào)速技術(shù)的出現(xiàn)使頻率為可以充分利用的資源川。 交流電動機(jī)高效調(diào)速方法的典型是變頻調(diào)速，它既適用于異步電動機(jī)，也適用于同步電動機(jī)。采用變頻調(diào)速不但能實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，而且根據(jù)負(fù)載的特性不同，通過適當(dāng)調(diào)節(jié)電壓和頻率之間的關(guān)系，可使電動機(jī)始終運(yùn)行在高效區(qū)，并保證良好的動態(tài)恃性。交流變頻調(diào)速系統(tǒng)在調(diào)速時和直流電動機(jī)變壓調(diào)速系統(tǒng)相似，機(jī)械特性基本上平行上下移動，而轉(zhuǎn)差功率不變。同時交流電動機(jī)采用變頻起動更能顯著改善交流電動機(jī)的起動性能，大幅度降低電動機(jī)的起動電流，增加起動轉(zhuǎn)矩。 變頻調(diào)速系統(tǒng)目前廣泛應(yīng)用的是轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制的調(diào)速系統(tǒng)，也稱為恒WF控制。這種調(diào)速方法采用轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比帶低頻電壓補(bǔ)償?shù)目刂品桨?，其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低，適用于風(fēng)機(jī)、水泵等對調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)性能要求不高的場合。 轉(zhuǎn)速開環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)可以滿足一般的平滑調(diào)速要求，但是靜、動態(tài)性能都有限，要提高靜、動態(tài)性能，首先要用帶轉(zhuǎn)速反饋的閉環(huán)控制。對此人們又提出了轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)。轉(zhuǎn)差頻率控制是從異步電動機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路和轉(zhuǎn)矩公式出發(fā)的，因此保持磁通恒定也只在穩(wěn)態(tài)情況下成立。一般說來，它只適用于轉(zhuǎn)速變化緩慢的場合，而在要求電動機(jī)轉(zhuǎn)速作出快速響應(yīng)的動態(tài)過程中，電動機(jī)除了穩(wěn)態(tài)電流以外，還會出現(xiàn)相當(dāng)大的瞬態(tài)電流，由于它的影響，電動機(jī)的動態(tài)轉(zhuǎn)矩和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩有很大的不同。因此如何在動態(tài)過程中控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩，是影響系統(tǒng)動態(tài)性能關(guān)鍵。70年代西門子工程師Btaschke首先提出異步電機(jī)矢量控制理論來解決交流電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制問題，從而獲得與直流調(diào)速系統(tǒng)同樣的動、靜態(tài)性能。矢量控制算法已被廣泛地應(yīng)用在變頻器產(chǎn)品上。在80年代中期，Depenbrock教授提出直接轉(zhuǎn)矩控制，免去了矢量變換的復(fù)雜計算，控制結(jié)構(gòu)簡單。 隨著新型功率器的產(chǎn)生，微處理器的高速化以及現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，變頻電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展方興未艾，各種新型的控制策略正在不斷涌現(xiàn)，這必將進(jìn)一步的推動變頻調(diào)速技術(shù)的不斷發(fā)展。 2 研究狀況 02 世紀(jì)09年代以前，人們對變頻調(diào)速系統(tǒng)的研究主要集中在變頻器的拓樸結(jié)構(gòu)以及控制算法上，并且取得了較大的進(jìn)展，使電動機(jī)傳動的動態(tài)性能和調(diào)速精度得到了大大的提高。但變頻器供電電動機(jī)的效率、功率因數(shù)和功率密度等穩(wěn)態(tài)性能卻沒有得到相應(yīng)的重視和研究。尤其是高壓大容量的電動機(jī)傳動系統(tǒng)中出現(xiàn)了低效率和低功率因素的問題，使得人們重新認(rèn)識到電動機(jī)在變頻調(diào)速系統(tǒng)中的穩(wěn)態(tài)性能與其動態(tài)性能一樣重要。對不同的控制方法，電動機(jī)在效率、功率因數(shù)以及溫升等性能上都有很大的差別。提高電動機(jī)在變頻調(diào)速系統(tǒng)中的穩(wěn)態(tài)性能，不僅可以極大地節(jié)約能源，而且還能提高電動機(jī)運(yùn)行的可靠性。因此，必須重新考慮電動機(jī)在變頻調(diào)速系統(tǒng)中的設(shè)計問題。 應(yīng)用交流調(diào)速技術(shù)的主要目的:一是為了節(jié)能;二是為了獲取高精度的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩控制;三是為了實(shí)現(xiàn)高速驅(qū)動。在變頻調(diào)速中，由于電動機(jī)由變頻器供電，這與傳統(tǒng)工頻正弦波供電的電動機(jī)存在著很大區(qū)別。一方面，前者在從低頻到高頻的寬頻范圍內(nèi)運(yùn)行;另一方面，電源波形是非正弦的。而目前廣泛采用的SPWM正弦脈寬調(diào)制技術(shù)，雖然大大抑制了低次諧波，降低了電動機(jī)的脈動轉(zhuǎn)矩，擴(kuò)展了電動機(jī)低速下平穩(wěn)運(yùn)行的范圍;但在這種調(diào)制方式中，逆變器的輸出電壓波形中含有相當(dāng)高的由于調(diào)制而引起的諧波分量，特別是在輸出電壓較低時，情況尤為嚴(yán)重，其幅值往往可達(dá)到與基波相近的程度。電動機(jī)在這種供電狀況下工作是極不理想的。由于這些高次諧波的存在，定、轉(zhuǎn)子由于集膚效應(yīng)使電阻增大，致使定轉(zhuǎn)子銅耗增大，這對于雙鼠籠及深槽式轉(zhuǎn)子電機(jī)尤為嚴(yán)重。同時，高次諧波還會使鐵耗及雜散損耗大大增加，最終降低電機(jī)運(yùn)行效率。其次，由于高次諧波的存在，還會產(chǎn)生電磁振動和噪聲。這一點(diǎn)對于正弦波電源供電的電機(jī)來講已是很困難的問題了，而對于由逆變器供電的電機(jī)，由于電源的非正弦性，使問題變得更為復(fù)雜和棘手。此外，在低頻運(yùn)行時仍然可能出現(xiàn)一定程度的低次諧波，從而在低速運(yùn)行時產(chǎn)生脈動轉(zhuǎn)矩，影響電機(jī)低速穩(wěn)定運(yùn)行。 由于變頻調(diào)速電機(jī)調(diào)速范圍廣，一般調(diào)速比為1:10，也即要求電動機(jī)在SHz頻率下能低速穩(wěn)定運(yùn)行。由于這時轉(zhuǎn)速很低，普通電機(jī)采用的自冷式風(fēng)扇冷卻方式提供的冷卻風(fēng)量已大大減少，散熱效果已大大降低，必須采用其他冷卻方式或提高絕緣等級。 20世紀(jì)90年代以來，越來越多的注意力投向變頻電動機(jī)的設(shè)計研究中。變頻電動機(jī)的設(shè)計都從額定電壓的確定方法和電機(jī)參數(shù)的設(shè)計人手，但在文獻(xiàn)中還有一些特殊考慮，比如轉(zhuǎn)子不斜槽，以避免由于斜槽產(chǎn)生漏磁通造成的損耗;定子繞組采用多股并繞，以減小定子集膚效應(yīng)影響;采用他冷式風(fēng)扇通用結(jié)構(gòu)等等。有些設(shè)計在分析了變頻電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性后，總結(jié)了變頻變壓調(diào)速給電機(jī)帶來的效率、溫升以及對頻繁起、制動的適應(yīng)能力等間題，并對電機(jī)進(jìn)行了電磁設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計，還重點(diǎn)考慮了變頻器供電對電機(jī)的影響，從分析靜止變頻電源的特點(diǎn)以及電動機(jī)運(yùn)行特性，對在非正弦波電源系統(tǒng)上運(yùn)行的電機(jī)存在的問題進(jìn)行分析，提出了相應(yīng)的設(shè)計方案。在變頻電動機(jī)的設(shè)計中，有學(xué)者根據(jù)“變頻電機(jī)的額定電壓一般應(yīng)確定為逆變器的最大輸出電壓”之原則，將電壓分解為基波相電壓和各奇次諧波相電壓，設(shè)電機(jī)磁路不飽和，采用“疊加原理”分別計算他們對電機(jī)的作用。由于這種假設(shè)的限制性，該設(shè)計方法的應(yīng)用存在局限。1999年國內(nèi)有學(xué)者首次建議電機(jī)制造廠同時供應(yīng)變頻電源裝置，做配套試驗后出廠。他對變頻電動機(jī)進(jìn)行全面分析，給出了轉(zhuǎn)子電阻、定、轉(zhuǎn)子電抗隨頻率變化的規(guī)律和曲線，采用簡化公式來估算變頻電動機(jī)的高速最大轉(zhuǎn)矩、低速起動轉(zhuǎn)矩和起動電流能否適應(yīng)調(diào)速要求，然后對變頻調(diào)速電動機(jī)的設(shè)計提出意見。 電機(jī)優(yōu)化有助于節(jié)能，能更好地發(fā)揮電機(jī)性能。現(xiàn)在主要的優(yōu)化算法有遺傳算法、模擬退火法、FBT法和隨機(jī)算法閣。國外學(xué)者在優(yōu)化方面還提出了新的異步電機(jī)主要尺寸設(shè)計公式，能對整體尺寸進(jìn)行優(yōu)化，并分析了由逆變器供電的異步電動機(jī)的好處，對設(shè)計進(jìn)行革新。清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系的趙爭鳴教授對異步電機(jī)的優(yōu)化作了大量的工作，特別針對變頻電動機(jī)提出了從電機(jī)轉(zhuǎn)子槽形到整體優(yōu)化的新方法，編制了一套包括設(shè)計、參數(shù)計算、仿真和結(jié)構(gòu)等功能的軟件包。由于變頻電動機(jī)轉(zhuǎn)子槽形對電機(jī)性能影響較大，通過優(yōu)化轉(zhuǎn)子槽形就可以提高變頻電動機(jī)的電磁性能。一般，變頻電動機(jī)轉(zhuǎn)子槽形采用直槽、上寬下窄，槽形宜淺不宜深。 隨著變頻電動機(jī)設(shè)計的深人，對電機(jī)性能的分析和參數(shù)計算顯得尤為重要，它為電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計提供了參考依據(jù)。對變頻電動機(jī)性能的分析，主要是對脈動轉(zhuǎn)矩、損耗、效率、溫升和電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)等進(jìn)行分析。安徽機(jī)電學(xué)院的陳其工教授對變頻電動機(jī)作了具體的設(shè)計與性能分析，提出了采用軟件技術(shù)來抑制諧波電流和脈動轉(zhuǎn)矩的思想。在槽參數(shù)計算方面，國內(nèi)中小型電動機(jī)設(shè)計中采用近似解析解法。該解法的計算公式及曲線，主要是依據(jù)國外文獻(xiàn)做出的。國內(nèi)學(xué)者還對近似解析解法的計算公式做了簡化和修改。這些方法優(yōu)點(diǎn)在于能夠?qū)懗鼋馕霰磉_(dá)式，使槽形尺寸對槽參數(shù)的影響能夠比較直觀、定性地看出。而采用有限元法計算了鼠籠轉(zhuǎn)子凸形槽的起動槽參數(shù)時，往往以一個槽為求解域，計算時還做了以下假設(shè):1對各種槽形，均假設(shè)磁力線平行通過槽內(nèi) 2當(dāng)電源頻率、電阻率以及導(dǎo)條寬與槽寬之比均相同，對寬度漸變的槽，不論槽形如何，透入深度皆相同。 但對于形狀比較復(fù)雜的槽，這些文獻(xiàn)在計算中所作的一些假設(shè)與實(shí)際磁場分布有較大的出人，直接影響到槽參數(shù)的準(zhǔn)確計算。 3 發(fā)展前景 變頻電動機(jī)與逆變器作為一個整體，隨著電力電子技術(shù)、計算機(jī)和控制技術(shù)的迅速發(fā)展而發(fā)展，其主要特點(diǎn)為: 1） 電力電子、電動機(jī)及控制技術(shù)一體化。國外主要電動機(jī)生產(chǎn)公司早已迅速擺脫了單一電動機(jī)生產(chǎn)制造模式，而大大擴(kuò)展了電動機(jī)的外延和內(nèi)涵，以成套機(jī)電產(chǎn)品形式走向市場。 2) 集成化和智能化。電動機(jī)的高新技術(shù)附加含量愈來愈高。電動機(jī)本體內(nèi)不僅僅包含定、轉(zhuǎn)子，而且內(nèi)含電力電子元器件及各種控制線路，使得電力電子、電動機(jī)、控制不僅在運(yùn)行上形成一體，在外觀上亦融為一體，具有相當(dāng)高的“智能”稱之為“SmartMotor”(智能電動機(jī))。 3) 高性 能 和高可靠性。由于電動機(jī)及控制系統(tǒng)制造成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其運(yùn)行成本，所以高性能及高可靠性成為衡量電動機(jī)及其系統(tǒng)優(yōu)劣的第一標(biāo)準(zhǔn)。高效、、高功率因數(shù)、寬調(diào)速范圍及高故障容錯能力成為先進(jìn)電動機(jī)系統(tǒng)的重要標(biāo)志。 4) 新材 料 、新結(jié)構(gòu)層出不窮。電動機(jī)中的導(dǎo)電、導(dǎo)磁及絕緣材料已發(fā)生了很大的變化。高性能材料的成本價格不斷下降。同時，電力電子元器件材料亦不斷更新，為電動機(jī)與控制提供了新的物質(zhì)條件。 值得注意的是:正是在與電力電子逆變器和控制技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來，傳統(tǒng)電動機(jī)產(chǎn)品才真正得以改造和更新，形成新一代高新技術(shù)產(chǎn)品，使之獲得高性能、高可靠性、高質(zhì)量和高附加值，同時節(jié)約能源和原材料，降低消耗和污染，從而適應(yīng)現(xiàn)代化市場的需要，增強(qiáng)產(chǎn)品的市場競爭能力。 4 結(jié)論 交流調(diào)速是以電子半導(dǎo)體器件為核心，以交流電動機(jī)為主體，涉及到電機(jī)、電子、自動控制等多門學(xué)科。交流異步電機(jī)變頻調(diào)速又以其性能優(yōu)越、使用面最廣、應(yīng)用前景廣闊而受到人們的青睞。而現(xiàn)代控制技術(shù)、交流技術(shù)以及大功率自關(guān)斷器件的迅速崛起和發(fā)展，恰好為交流調(diào)速的推廣應(yīng)用奠定了堅實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)。然而，應(yīng)該看到，與之配套使用的交流電機(jī)的研究，仍然是一個比較薄弱的環(huán)節(jié)，對變頻異步電機(jī)的設(shè)計，尚未形成完備理論或一整套方法，在設(shè)計和使用變頻電機(jī)時還有許多技術(shù)問題需要研究和解決。 |
|
|
