变频调速异步电动机的特性及应用探讨

杨明浩

摘要：文章主要介绍了变频调速异步电动机的工作特性，通过控制异步电动机电源的电压和频率来达到控制电动机的转速、转矩、功率等各重要性能指标的目的，并结合隔爆型异步电动机来说明变频调速的优点。

关键词：变频调速；异步电动机；恒功范围；恒转矩范围；隔爆电动机 文献标识码：A

中图分类号：TP319 文章编号：1009-2374（2016）03-0055-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.03.028

近年来，变频调速异步电动机在工业、家用电器、服务业、交通等各个领域得到广泛的应用，并得到了用户的肯定。变频调速异步电动机设计的系统具有的特色和性能的匹配效果非常明显，同时完全可以满足其对高品质系统的要求。在煤矿等工程机械领域，已经大面积取代机械调速、串级调速等调速方式。变频调速技术具有结构简单、制造方便、价格便宜、运行可靠、效率高、控制精度高、动态响应好、调节平滑等优点，可实现软起动，避免对电网产生冲击等诸多优势，是目前最理想的调速方法。

1 变频异步电动机的特性

1.1 變频器供电对电动机的影响

异步电动机在变频器驱动下的运行性能有很大的变化，主要表现在：通常标准正弦供电，因为它的电压和频率保持不变，所以电动机是恒磁通的运转情况。异步电动机的机械性能便可看作是一条恒定的曲线。然而就变频器供电的异步电动机而言，由于电压和频率是都发生变化的，因此，变频调速电动机的机械特定以曲线的形式保持着与E1和F1的链接。在变频器电压和电频的调节下，便可以获取不一样的转矩。同时主磁通也随之改变，这样电动机的效率、功率因数、铁耗、铜耗、热负荷等性能参数也会随之变化。除此之外，由于变频器输出中包含大批高次谐波。当然谐波的分量也会使电动机的损耗加大，效率变低。主要区别：总而言之，异步电动机由变频供电运行过程中，不光基波会产生一定损耗，同时也会形成另外的损耗，进而对电动机的工作效率产生影响。高次谐波是否影响成为变频调速异步电动机和定频电动机的最大区别。

1.2 变频电动机运行的特性

三相异步电动机转速公式为：

式中：改变电动机定子绕组的极对数p和改变定子旋转磁场的转速ns，即变极调速。改变电动机的供电频率f和改变定子旋转磁场的转速ns，即变频调速。同时改变转差率s都可以达到改变转速的目的。在输入电源频率f发生变化时，电动机的转速n和频率f是正比例关系，同时转速n会做出相应变化。所以电源频率的改变能够平稳地改变异步电动机的转速。三相异步电动机定子每相电动势的有效值公式如下：

式中：N1代表定子每相绕组串联匝数，kN1是基波绕组系数Φm为每极气隙磁通；f1为定子电源频率。因此有：

当变频调速的时候，理想情况下气隙磁通Φm是定额且恒定不变，原因是一旦Φm太大，就会引起磁路太过饱和，从而造成励磁电流增大。增大损耗，降低功率因数；如果Φm太小，则电动机容量不能得到充分利用。因此在改变电源频率f1的同时，必须按比例改变感应电动势Eg，才能充分利用铁心。

1.2.1 恒转矩阶段。根据变频异步电动机输入电源频率的变化，从低频率到达额定频率之前，磁通处于恒定状态，即v/f=恒定，也就是电势E随频率f成正比变化，可以保证Φ不变，这个阶段电动机所输出的转矩为恒定。

由上式可以看出电动机的输出转矩与定子频率f1、转差频率f2有关系。

1.2.2 恒功率阶段。随着电源频率不断增加一直到额定频率，此时电压为额定电压时出现额定功率。当频率进一步增大，但是变频器的原因电动势E不能继续满足这个正比关系，但是匝数N是不变的，4.44常数也不会变，那么能变的只有磁通Φ，为了维持等式，E不变，与Φ同侧的f增大，Φ就只能减小了，而且与频率成反比，所以转矩正比于f减小。功率=转矩×转速，转速正比于f，现在转矩反比于f，功率不变，所以转矩下降。其中有时为了满足用户将电动机应用到起重机或高负载的工况下，此时需要电动机具有启动转矩大、过载能力强的特性，而且还要保证一定的恒功调速范围的要求，在电动机设计时需要按照升压恒功进行，在比较低的低频率和转速时使电动机输出的转矩达到最大转矩及过载倍数，这样在比较高的频率和转速时才能保证电动机有足够的转矩余量和过载倍数。通过上面的分析可以看到，变频调速异步电动机的工作特性是恒转矩启动，恒功率运行。恒功率运行时又分为恒压恒功和升压恒功两种模式，具体表示如图1：

AB为启动区；BC为升压恒功区；CD为恒压恒功区；DE为自然特性区；A点为启动点；B为进入升压恒功点；C为进入恒压恒功点；D为恒功最高转速点；E为最高转速点。

2 变频技术在隔爆电动机中的应用

防爆电动机用途广泛，主要是煤矿、石油天然气、石油化工以及化学工业。与此同时，纺织、冶金、城市煤气、交通、粮油加工、造纸、医学领域也得到大量推广使用。随着生产的发展，存在爆炸危险的场所也不断增加，目前变频电动机在矿用防爆电动机方面已经大面积应用到采煤机牵引电动机、皮带输送机电动机及风机等工况，而且随着国家升级转型的大战略背景下，应用范围将更加广阔。

2.1 隔爆型变频电动机的特点

矿用隔爆型电动机也可称为YB系列的隔爆型三相异步电动机，其是Y系列（IP44）三相异步电动机的衍生品，设计时需要具备防爆性能。隔爆型电气设备的防爆原理是：引用一类准许投入进爆炸性气体混合物的外壳，气体在外壳内发生燃烧爆炸，然而却不准许在外壳内部爆炸生成品通过外壳，渗入外壳外部，进而引发附近的爆炸性气体混合物爆炸。电动机设备就具备此种外壳，在外部表面最高温度不高于相要求的温度组别的温度值时，那么它便不可以点燃周围爆炸性气体混合物。

但是由于变频器供电的电压中含有高次谐波会引起铜耗、铁耗等损耗的增加，集肤效应引起的附加铜耗等，使电动机的损耗增加，这样就会增加电动机的发热量，一般温升增加约10%～12%，所以隔爆型变频电动机的散热问题很关键，一般绝缘等级一般都选H级或C级。

隔爆型电气设备的隔爆外壳一般含有壳体和壳盖。“法兰”将壳体和壳盖连接在一起。这在防爆电气专业里叫做“隔爆接合面”。隔爆外壳的隔爆高性能就是取决于隔爆结合面的应用效果。一旦隔爆外壳内引发爆炸，爆炸产生物体便会透过外壳的隔爆接合面的缝隙进入外壳，进而引燃外壳附近的爆炸性气体合成物。可是，接合面的缝隙会给爆炸火焰形成障碍，减弱了爆炸生成物的能量。简而言之就是靠零部件之间合适的间隙和长度来熄灭电动机内部可能产生的電弧，达到隔爆的目的。根据危险区域中可燃气体的温度组别选择电气设备的温度组别。

2.2 隔爆型变频电动机的优势

变频电动机在煤矿环境等有特殊限制的区域下工作有很多优势：（1）应用到输送机组来驱动导链时，可以通过变频器实现变频变压软启动，具有良好的启动性能；（2）变频电动机在改变频率和电压的情况下，每个运行点都会产生各种各样的运作方式来与转差频率相对应，最终便能找出最合适的转差频率，目的是保证电动机处于不同的频率段，也可以产生最佳的效率和功率因数；（3）变频电动机的效率和功率因数可以调整得更高，根据数据展示，异步电动机由变频器驱动效率比普通电动机高2%～3%，功率因数增加10%～20%；（4）最大效能地去发掘变频电动机的控制精度高、动态响应好的潜能，特别是在上坡或颠簸等比较复杂的工况下，变频电动机有着明显的优势。

3 结语

由于变频器供电的特殊性，在设计中首先考虑的是电动机能与变频器很好地进行匹配，并且在较宽的频率范围内有良好的运行性能。因此，决定了变频调速异步电动机要比普通三相异步电动机用更多的电磁线和硅钢片等材料，因此其价格也比较高。但变频调速具有节省能耗、降低噪声没有冲击电流、机械设备损耗小、设定速度灵活等诸多优点已经逐步取代其他调速方法，特别是应用到煤矿环境等特殊环境下的优势比较明显。

参考文献

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（责任编辑：陈 洁）