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變頻電機

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中文名；變頻電機 優點；1、具備有啟動功能。 2、採用電磁設計，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、在一定程度上節能。 節能原理； 1、變頻節能 2、功率因數補償節能 3、軟啟動節能

變頻電機是指在標準環境條件下，以100%額定負載在10%~100%額定速度範圍內連續運行，溫升不會超過該電機標定容許值的電機。

機器介紹

隨着電力電子技術及新型半導體器件的迅速發展 ,交流調速技術得到不斷的完善和提高 ,逐步完善的變頻器以其良好的輸出波形、優異的性能價格比在交流電機上得到廣泛應用。 例如: 鋼廠用於軋鋼的大型電動機和中、小型輥道電動機、鐵路及城市軌道交通用牽引電機、電梯電機、集裝箱起吊設備用起重電機、水泵和風機用電機、壓縮機、家用電器用電機等都相繼使用交流變頻調速電機 ,並取得了良好效果。採用交流變頻調速電機比直流調速電機具有顯著的優點: ( 1)調速容易 ,而且節能。 ( 2)交流電機結構簡單、體積小、慣量小、造價低、維修容易、耐用。 ( 3)可以擴大容量 ,實現高轉速和高電壓運行。 ( 4)可以實現軟啟動和快速制動。 ( 5)無火花、防爆、環境適應能力強。   近年來 ,國際上變頻調速傳動裝置以每年 13 %～ 16% 的增長率發展 ,並有逐步取代大部分直流調速傳動裝置的趨勢。 由於以恆頻、恆壓電源進行工作的普通異步電機應用於變頻調速系統時 ,存在着很大的局限性 ,國外發展了根據使用場合和使用要求而設計的專用的變頻交流電動機。例如 ,有低噪音、低振動用的電機 ,有提高低速轉矩特性的電機 ,有高速電機 ,有帶測速發電機的電機以及矢量控制電機等。

構造原理

異步電動機的轉速當轉差率變化不大時，轉速正比於頻率，可見改變電源頻率就能改變異步電動機的轉速。在變頻調速時，總希望主磁通保持不變。若主磁通大於正常運行時的磁通，則磁路過飽和而使勵磁電流增大，功率因數降低；若主磁通小於正常運行時的磁通，則電機轉矩下降。

發展過程

現在的電機變頻系統大都是採用的恆V/F 控制系統，這個變頻控制系統的特點是結構簡單、製作便宜。這個系統被廣泛應用在風機等大型的並且對於變頻系統的動態性能要求不是很高的地方。這個系統是一種典型的開環控制系統，這個系統能夠滿足大多數電機的平滑的變速要求，但是對於動態和靜態的調節性能都是有限的，不能應用在對動態和靜態性能要求比較嚴格的地方。為了實現動態和靜態調節的高性能，我們只能採用閉環控制系統來實現。所以有的科研人員提出了控制閉環轉差頻率的電機調速方式，這種調速方式能夠在靜態動態調速中達到很高的性能，但是這種系統只能在轉速比較慢的電機中得到應用，應為在電機的轉速較高的時候，這種系統不僅不會達到節約電能的目的，還會使電機產生極大的瞬態電流，使得電機的轉矩在瞬間發生變化。所以說為了實現在較高的轉速中實現較高的動態和靜態性能，只有先解決電機產生瞬態電流的問題，只有將這個問題合理的解決我們才能更好的發展電機變頻節能控制技術。  

主要特點

變頻專用電動機具有如下特點： B級溫升設計，F級絕緣製造。採用高分子絕緣材料及真空壓力浸漆製造工藝以及採用特殊的絕緣結構，使電氣繞組採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衝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，並採用專用高精度軸承，可以高速運轉。 強制通風散熱系統，全部採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，與傳統變頻電機相比較，具備更寬廣的調速範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、節能和低噪音的設計指標。具有寬範圍恆轉矩與功率調速特性，調速平穩，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響應控制。YP系列變頻專用電機可配製剎車器，編碼器供貨，這樣即可獲得精準停車，和通過轉速閉環控制實現高精度速度控制。 採用「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。

電機絕緣損壞

在交流變頻電動機的推廣應用過程中 ,曾出現大批交流變頻調速電動機絕緣早期損壞的情況。許多交流變頻電機運行的壽命只有 1～ 2年 ,有的只有幾個星期 ,甚至在試運行中電機絕緣就出現損壞 ,而且通常發生在匝間絕緣 ,這給電機絕緣技術提出了新的課題。 實踐證明 ,過去幾十年研究發展起來的工頻正弦波電壓下的電機絕緣設計理論不能適用於交流變頻調速電機。 需要研究變頻電機絕緣的損壞機理 ,建立交流變頻電機絕緣設計的基本理論 ,制定交流變頻電機的工業標準。 1電磁線的損壞 1. 1 局部放電和空間電荷 目前 ,變頻調速交流電機均採用 IGB T( 絕緣柵二極管 )技術PWM ( Pulse width m odulatio n- 脈寬調製 )變頻器控制。其功率範圍約是 0. 75～ 500kW。 IGBT技術可以提供上升時間極短的電流 ,其上升時間在 20～100μs,所產生的電脈衝有極高的開關頻率 ,達到20kHz。 當一個快速上升沿電壓從變頻器到電機端時 ,由於電機和電纜的阻抗不匹配 ,產生一個反射電壓波。 這個反射波返回變頻器 ,並再感應出另一個由於電纜和變頻器阻抗不匹配而產生的反射波加在原始電壓波上 ,從而在電壓波前沿產生一個尖峰電壓。尖峰電壓的大小取決於脈衝電壓的上升時間和電纜的長度。 通常電線長度增加時 ,電線二端都產生過電壓 ,電機端的過電壓幅值隨電纜長度增加而增加 ,並趨於飽和 ,而電源端的過電壓比電機端的過電壓小 ,並且幾乎與電纜長度無關。 試驗表明 ,過電壓產生於電壓上升沿和下降沿處 ,並發生衰減振盪 ,其衰減服從指數規律 ,振盪周期隨電纜長度而增加。對 PWM 驅動脈衝波形有二種頻率 ,其一是開關頻率。尖峰電壓的重複頻率與開關頻率成正比。另一是基本頻率 ,直接控制電機的轉速。 在每一個基本頻率開始時 ,脈衝極性從正到負或從負到正 ,在這一時刻 ,電機絕緣承受着一個二倍於尖峰電壓值的全幅電壓。另外 ,在一個散嵌繞組的三相電機中 ,不同相的相鄰二匝之間的電壓極性可能會不同 ,全幅電壓的躍變也有可能達到二倍於一個尖峰電壓值。 據測試 ,PWM 變頻器輸出的電壓波形 ,在 380 /480V 交流系統中 ,在電機端測得的尖峰電壓值為 1. 2～ 1. 5kV,而在 576 /600V的交流系統中 ,測得的尖峰電壓值達到 1. 6～ 1. 8kV。 非常明顯 ,在此全幅電壓作用下 ,繞組匝間產生表面局部放電。 由於電離作用 ,在氣隙中又會產生空間電荷 ,從而形成一個與外加電場反向的感應電場。 當電壓極性改變時 ,這個反向電場與外加電場方向一致。這樣 ,一個更高的電場產生 ,它會導致局部放電的數量增加 ,最終引起擊穿。測試表明 ,作用於這些匝間絕緣的電衝擊大小取決於導線特定的性能和 PWM 驅動電流的上升時間。 若上升時間小於0.1μs,則將有 80% 的電勢加在繞組的前二匝上 ,即上升時間越短 ,電衝擊就越大 ,匝間絕緣的壽命就越短。 1. 2 介質損耗發熱 當 E超過絕緣體臨界值時 ,其介質損耗迅速增加。當頻率增加時 ,局部放電隨之增加 ,結果產生熱量 ,這些熱量則引起更大的漏電流 ,從而使 Ni上升更快 ,即電機溫升上升 ,絕緣加速老化。總之 ,在變頻電機中正是由於上述局部放電、電介質加熱、空間電荷感應等因素的共同作用引起電磁線的過早損壞。 2 主絕緣、相絕緣和絕緣漆的損壞 如前所述 ,採用 PWM 變頻電源 ,使變頻電機的端子處出現振盪電壓幅值增加。因而 ,電機的主絕緣、相絕緣和絕緣漆承受更高的電場強度。據測試 ,由於變頻器輸出端電壓上升時間、電纜長度和開關頻率等因素的綜合影響 ,上述端電壓峰值可超過 3kV。 另外 ,當電機繞組匝間發生局部放電時 ,會使絕緣中分布電容所儲存的電能變為熱、幅射、機械和化學能 ,從而使整個絕緣系統劣化 ,絕緣的擊穿電壓降低 ,最終導致絕緣系統被擊穿。 3 循環交變應力造成的絕緣加速老化 採用 PWM 變頻電源供電 ,使變頻電機可以在很低的頻率、較低的電壓下以及無衝擊電流情況下起動 ,並可以利用變頻器所提供的各種方式進行快速制動。 由於變頻電機可實現頻繁的起動制動 ,使電機絕緣頻繁地處於循環交變應力作用下 ,使電機絕緣加速老化。 普通異步電機中存在的由於電磁激振力、機械傳動等引起的振動等問題在變頻電機中變得更為複雜。變頻電源中含有的各種時間諧波與電磁部分固有的空間諧波相互干涉 ,形成各種電磁激振力。同時 ,由於電機工作頻率範圍寬 ,轉速變化大 ,當其與機械部分的固有頻率相一致時 ,出現共振。 在電磁激振力和機械振動影響下 ,電機絕緣受到更加頻繁的循環交變應力作用 ,加速了電機絕緣的老化。 變頻電機試驗一般需要採用變頻器供電，由於變頻器輸出頻率具有較寬的變化範圍，且輸出的PWM波含有豐富的諧波，傳統的互感器及功率計已經不能滿足試驗的測量需要，應該採用變頻功率分析儀及變頻功率變送器等。 標準化電機試驗台是響應節能減排，針對電機能效提升計劃而推出的新型試驗系統。標準化電機試驗台將複雜系統標準化、儀器化，提高了系統可靠性，簡化了安裝調試過程，降低了系統成本。

工作原理

標準化電機試驗台由試驗電源、電參數測試系統、試驗測控系統、電機試驗測控報表軟件等構成。 試驗台由兩台試驗電源分別驅動對拖的兩台電機，一台作電動機運行，一台作發電機運行；試驗電源採用靜止變頻電源，兩台試驗電源共用整流單元，發電機發出的電能經過試驗電源反向整流為直流電後供電動機試驗電源的逆變單元使用，電網只需補充兩台電機的損耗，相比電力測功機等直接消耗方案，可節約用電70%~90%。 電參數測試系統採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。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。 試驗測控系統採用分布式測控系統，主要用於測量扭矩、轉速、溫度等非電量參數和試驗過程中需要監視的電參量。 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

相關常識

1、什麼是變頻器？ 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的不同點是什麼？ PWM是英文Pulse Width Modulation(脈衝寬度調製)縮寫，按一定規律改變脈衝列的脈衝寬度，以調節輸出量和波形的一種調製方式。 PAM是英文Pulse Amplitude Modulation (脈衝幅度調製) 縮寫，是按一定規律改變脈衝列的脈衝幅度，以調節輸出量值和波形的一種調製方式。 3、電壓型與電流型變頻器有什麼不同？ 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，直流迴路的濾波是電容；電流型是將電流源的直流變換為交流的變頻器，其直流迴路濾波是電感。

參考來源

為什麼變頻電機又叫變頻調速電機?