低压变频调速电机的特点和变频调速节能控制应用

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(德州恒力电机有限责任公司，山东德州 253000)

0 引言

随着变频调速技术的发展，通过变频器进行调速已成为交流电机调速的主流方式，广泛应用于一般农业和工矿企业，如水泵、鼓风机、运输机械、农业机械。变频专用电机通过变频器变频调速控制，在使用过程中具有变速和节能双重优势，应用领域越来越广。

1 变频专用电机设计特点和节能优势

变频专用三相异步电动机设计时需考虑的主要因素：(1)变频调速电机运行在一个区间，不仅考虑在额定状态下具有较佳的性能，重点考虑在整个运行区间都具有较好的运行性能。(2)变频调速系统中，功率因数的高低对系统，尤其对变频器的工作状态影响大。低功率因数时，需要更大容量的变频器，同时，大容量变频器的使用会造成系统效率降低，谐波分量增加。(3)由于变频器的开关作用，使得电压，电流时间谐波增加，电机内部电磁谐波随之增加，定转子齿槽分布产生的齿谐波，在一定条件下可与电流时间谐波相互抵消，因此，定转子槽数，槽形及其尺寸设计应考虑减小磁场谐波分量。(4)变频电机可通过变频变压控制，满足对启动性能的要求，设计中，转子槽形只需考虑满足稳定运行时的最优性能来优化设计，转子的电阻和漏抗应尽量小。

变频专用三相异步电动机较普通三相异步电动机在出力不变的条件下，其体积减少25%～30%，或电机功率密度增加25%～30%，同时，在调速范围内平均运行效率提高3%，平均功率因数提高4%，从而使变频专用三相异步电动机应用范围大大扩展，在风机水泵调速节能中得到广泛应用。

2 变频专用三相异步电动机的机械特性和不同负载的控制

对于变频专用三相异步电动机，由于调频调压很方便，其机械特性可以有条件的平移，如图1所示。

图1变频调速三相异步电动机的机械特性

电源频率降低，电机机械特性曲线在坐标系中左移。可通过变频调节直接将最大转矩用做启动转矩，从而在提高稳定运行性能的目标上，优化设计转子槽。通过变频变压，可将变频电机调节在最佳运行点上，即最小滑差，最大效率和高功率因数代替额定效率和额定功率因数，进而减小电机尺寸及重量，降低成本。

根据不同的使用情况，变频电机所带负载基本上可分为：恒转矩负载、恒功率负载和平方转矩负载三类。恒转矩负载其所需转矩基本不受速度变化的影响，变频器的整个工作区最好运行在基频以下，采用恒磁通调压调速，这时变频器的输出特性能够满足负载的要求。恒功率负载在转速越高时，所输出转矩越小，电机的工作频率若运行在基频以上，多采用恒压调速，其所要求的机械特性将与变频器的输出特性相吻合。平方转矩负载，所要求的转矩与转速的平方成正比，电机运行在基频以下较为合理。需要注意的是：平方转矩负载的工作频率绝不能超过工频，以免变频器与变频电机过载。

3 变频控制的恒磁通和恒压调速特点

电动机变频器调速时有两种情况：基频(基准频率)以下(3Hz或5Hz～50Hz)调速和基频以上(50Hz～100Hz)调速，其负载特性如图2所示。

图2变频调速电动机负载特性图

两种情况下都要尽量保持电机主磁通为额定值不变。如果磁通过弱(电压过低)，电机铁心不能得到充分利用，电磁转矩变小，负载能力下降。如果磁通过强(电压过高)，电机处于过励磁状态，电机因励磁电流过大而严重发热。根据电机原理可知，三相异步电机定子每相电动势的有效值

E1=4.44f1N1Φm

式中，E1—定子每相由气隙磁通感应的电动势有效值；f1—定子频率；N1—定子每相绕组有效匝数；Φm—每极磁通量。由上式可知，Φm的值由E1/f1决定，但由于E1难以直接控制，所以在电动势较高时，可忽略定子漏阻抗压降，而用定子相电压U1代替。要保证Φm不变，就要使U1/f1始终为一定值，这是基频以下调速的基本情况，为恒压频比(恒磁通)控制方式，属于恒转矩调速。基准频率为恒转矩调速区的最高频率，基准频率所对应的电压即为基准电压，是恒转矩调速区的最高电压，在基频以下调速时，电压会随频率而变化，但两者的比值不变。在基频以上调速时，频率从基频向上可以调至上限频率值，但由于电机定子不能超过电机额定电压，因此电压不再随频率变化，而保持基准电压值不变，这时电机主磁通必须随频率升高而减弱，转矩相应减小，功率基本保持不变，属于恒功率调速区。基准频率为恒功率调速区的最低频率，是恒转矩调速区与恒功率调速区的转折点，而基准电压值在整个恒功率调速区内不再随频率变化而改变。

4 变频电机的启动和变频器的V/f控制

采用变频器控制的变频电机运转时一般在低频起动，随着电源频率和电压的提高，电机逐渐加速，平滑起动(起动时间变长)。图3为变频电机启动，恒转矩和恒功率运行时的转矩-转速特性图。一般变频电机起动时，起动电流为额定电流的1.2～1.5倍，起动转矩为70%～120%额定转矩，可满载起动。根据变频器类型不同，变频电机的起动电流限制在额定电流的125%～200%以下。预置启动模式可以充分利用电机最大转矩，以满足启动转矩和加减速的要求。

图3变频调速电动机转速-转矩特性图

由图3分析可见：

(1)最低转速时转矩值受电机允许温度和电压可提升限值的限制；

(2)恒转矩最低转速受电机允许温度的限制；

(3)基准定额点位于恒转矩的高速端；

(4)恒功率最大工作转速受最大允许转速的限制。

变频器的压频比由变频器的基准电压与基准频率两项功能参数的比值决定，其比值为电机的额定电压与额定频率之比，即基准电压(V)/基准频率(f)=压频比。通用变频器一般采用V/f控制，即变压变频(VVVF)方式调速，因此在使用前正确设定变频压频比，对保证变频器的正常工作至关重要。基准电压与基准频率参数的设定，不仅与电动机的额定电压与额定频率有关，而且还必须考虑负载的机械特性。对于专用普通变频三相异步电动机，调速应用时，其基准电压与基准频率按出厂值设定(基准电压380V，基准频率50Hz)，满足使用要求。对于某些行业使用的特殊电机，必须根据实际情况重新设定基准电压与基准频率的参数。V与f的比例关系是考虑到电机特性而预先决定的，通常在控制器的存储装置(ROM)中存有几种特性，用开关或标度盘进行选择。频率下降时完全成比例地降低电压，由于交流阻抗变小而直流电阻不变，将造成在低速时转矩减小的倾向。因此在低频时给定V/f，要使输出电压提高一些，以便获得一定起动转矩。增强起动转矩，可以采用各种方法实现，有自动进行、选择V/f模式或调整电位器等方法。

基频以上恒转矩负载增速时，要求变频电机的电流和功率增加，需要增大变频器和变频电机容量。像输送带的恒转矩负载，设基准速度为50Hz，50Hz以上为恒功率输出特性，如果保持恒转矩增速为80Hz时，变频器和变频电机容量需要增大为80/50≈1.6倍。频率下降(低速)时，电压降低，如果输出相同的功率，则电流增加，为避免电机过热，此时也需增加变频器和变频电机容量，其容量与频率的降低成反比。

5 结语

变频专用异步电动机利用变频调速系统进行控制，可改善风机、泵类电机系统调节方式，消除“大马拉小车”现象，通过合理匹配电机运行控制系统，做到电机运行控制系统的集成化、智能化、信息化。集成化是指提供电机与控制器集成化的产品给客户，即电力电子、电机与控制系统高度集成化，使三者从设计、制造到运行、维护都紧密地融为一体。通过不断加快技术创新、努力提高电机系统能效水平、扎实推进相关配套措施的落实，使变频电机系统节能成为最具潜力的节能方法。

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[3] 徐继敏，马大海，赵付华.继续深挖变频节能的巨大潜力[J].电气时代，2012.2，27-28.