低压变频调速电机的特点和变频调速节能控制应用

罗文明

摘要：近年来，经济的发展，促进我国科技水平的提升。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。本文就低压变频调速电机的特点和变频调速节能控制应用展开探讨。

关键词:变频调速；特点；节能

引言

变频控制系统作为节能和调速的重要方法，被越来越多的企业使用。但是随着变频调速的多样化和变频器逐年老化，控制系统经常会出现故障，导致相关设备停运，这对需要连续生产的企业来说非常致命。因此，探讨低压变频器调速系统的运行稳定性与节能控制很有必要。

1变频调速技术的工作原理

变频器是利用电子技术将工频电源(50Hz)转变换成任意频率、任意电压电源的电能控制装置。从其电路的结构上分为交－直－交和交－交变频器。改变变频器的输出电压或输出电流有二种不同的方法，即PAM脉冲幅值调制控制和PWM脉冲宽度调制控制。PAM因为受晶闸管换流时间的限制不能在高频下工作，因此大多数逆变器都采用PWM控制方式。根据电机学的基础理论，异步电动机的转速公式为:

(1)

式中:n－电机转速r/min;p－极对数;f－定子的供电频率Hz;s－转差率。由式⑴可知，异步电机的转速与供电频率呈近似的线性关系，与电机的极对数成反比。变频调速技术就是基于这一基本理论，通过改变电动机的电源频率，来实现对电机转速的控制。以风机为例，当电动机的转速由n1转换为n2时:

流量Q与转速n的关系为：(2)

风压p与转速n的关系如下：(3)

轴功率pw与转速n的关系如下：(4)

由公式（2）、（3）、（4）可以看出，调节电机转速即可调节流量，风压与转速平方成正比，轴功率与转速立方成正比，从理论上讲，速度下降10%时功率就下降30%，由于功率大幅下降，可获得显著的节电效果。变频控制传动调速对于不同的负载性质和负载率，节电率也不同。

2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。

3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1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。

由图1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。

图1变频调速电动机转速-转矩特性图

4变频节能工程设计中应注意的问题

在变频器应用中还要注意以下几个方面的问题。⑴低压变频器输出波型为脉冲形式，运行中产生一些干扰，一般使用时要尽量远离电脑等怕干扰设备。在设备排列布置时，最好将变频器单独布置，尽量减少可能产生的电磁辐射干扰。⑵变频器电源输入侧可采用容量适宜的空气开关，不可频繁操作。由于变频器内部有大电容，其放电过程较为缓慢，频繁操作会造成过电压而损坏内部元件。

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。

参考文献

[1]张立心，巩方彬.变频电机设计新理念[J].电机技术，2015.6，49-50.

[2]黄威，黄禹.变频器的使用与节能改造[M].北京:化学工业出版社，2016.3.