楊明浩

摘要：文章主要介紹了變頻調速異步電動機的工作特性，通過控制異步電動機電源的電壓和頻率來達到控制電動機的轉速、轉矩、功率等各重要性能指標的目的，并結合隔爆型異步電動機來說明變頻調速的優(yōu)點。

關鍵詞：變頻調速；異步電動機；恒功范圍；恒轉矩范圍；隔爆電動機 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP319 文章編號：1009-2374（2016）03-0055-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.03.028

近年來，變頻調速異步電動機在工業(yè)、家用電器、服務業(yè)、交通等各個領域得到廣泛的應用，并得到了用戶的肯定。變頻調速異步電動機設計的系統(tǒng)具有的特色和性能的匹配效果非常明顯，同時完全可以滿足其對高品質系統(tǒng)的要求。在煤礦等工程機械領域，已經大面積取代機械調速、串級調速等調速方式。變頻調速技術具有結構簡單、制造方便、價格便宜、運行可靠、效率高、控制精度高、動態(tài)響應好、調節(jié)平滑等優(yōu)點，可實現軟起動，避免對電網產生沖擊等諸多優(yōu)勢，是目前最理想的調速方法。

1 變頻異步電動機的特性

1.1 變頻器供電對電動機的影響

異步電動機在變頻器驅動下的運行性能有很大的變化，主要表現在：通常標準正弦供電，因為它的電壓和頻率保持不變，所以電動機是恒磁通的運轉情況。異步電動機的機械性能便可看作是一條恒定的曲線。然而就變頻器供電的異步電動機而言，由于電壓和頻率是都發(fā)生變化的，因此，變頻調速電動機的機械特定以曲線的形式保持著與E1和F1的鏈接。在變頻器電壓和電頻的調節(jié)下，便可以獲取不一樣的轉矩。同時主磁通也隨之改變，這樣電動機的效率、功率因數、鐵耗、銅耗、熱負荷等性能參數也會隨之變化。除此之外，由于變頻器輸出中包含大批高次諧波。當然諧波的分量也會使電動機的損耗加大，效率變低。主要區(qū)別：總而言之，異步電動機由變頻供電運行過程中，不光基波會產生一定損耗，同時也會形成另外的損耗，進而對電動機的工作效率產生影響。高次諧波是否影響成為變頻調速異步電動機和定頻電動機的最大區(qū)別。

1.2 變頻電動機運行的特性

三相異步電動機轉速公式為：

式中：改變電動機定子繞組的極對數p和改變定子旋轉磁場的轉速ns，即變極調速。改變電動機的供電頻率f和改變定子旋轉磁場的轉速ns，即變頻調速。同時改變轉差率s都可以達到改變轉速的目的。在輸入電源頻率f發(fā)生變化時，電動機的轉速n和頻率f是正比例關系，同時轉速n會做出相應變化。所以電源頻率的改變能夠平穩(wěn)地改變異步電動機的轉速。三相異步電動機定子每相電動勢的有效值公式如下：

式中：N1代表定子每相繞組串聯匝數，kN1是基波繞組系數Φm為每極氣隙磁通；f1為定子電源頻率。因此有：

當變頻調速的時候，理想情況下氣隙磁通Φm是定額且恒定不變，原因是一旦Φm太大，就會引起磁路太過飽和，從而造成勵磁電流增大。增大損耗，降低功率因數；如果Φm太小，則電動機容量不能得到充分利用。因此在改變電源頻率f1的同時，必須按比例改變感應電動勢Eg，才能充分利用鐵心。

1.2.1 恒轉矩階段。根據變頻異步電動機輸入電源頻率的變化，從低頻率到達額定頻率之前，磁通處于恒定狀態(tài)，即v/f=恒定，也就是電勢E隨頻率f成正比變化，可以保證Φ不變，這個階段電動機所輸出的轉矩為恒定。

由上式可以看出電動機的輸出轉矩與定子頻率f1、轉差頻率f2有關系。

1.2.2 恒功率階段。隨著電源頻率不斷增加一直到額定頻率，此時電壓為額定電壓時出現額定功率。當頻率進一步增大，但是變頻器的原因電動勢E不能繼續(xù)滿足這個正比關系，但是匝數N是不變的，4.44常數也不會變，那么能變的只有磁通Φ，為了維持等式，E不變，與Φ同側的f增大，Φ就只能減小了，而且與頻率成反比，所以轉矩正比于f減小。功率=轉矩×轉速，轉速正比于f，現在轉矩反比于f，功率不變，所以轉矩下降。其中有時為了滿足用戶將電動機應用到起重機或高負載的工況下，此時需要電動機具有啟動轉矩大、過載能力強的特性，而且還要保證一定的恒功調速范圍的要求，在電動機設計時需要按照升壓恒功進行，在比較低的低頻率和轉速時使電動機輸出的轉矩達到最大轉矩及過載倍數，這樣在比較高的頻率和轉速時才能保證電動機有足夠的轉矩余量和過載倍數。通過上面的分析可以看到，變頻調速異步電動機的工作特性是恒轉矩啟動，恒功率運行。恒功率運行時又分為恒壓恒功和升壓恒功兩種模式，具體表示如圖1：

AB為啟動區(qū)；BC為升壓恒功區(qū)；CD為恒壓恒功區(qū)；DE為自然特性區(qū)；A點為啟動點；B為進入升壓恒功點；C為進入恒壓恒功點；D為恒功最高轉速點；E為最高轉速點。

2 變頻技術在隔爆電動機中的應用

防爆電動機用途廣泛，主要是煤礦、石油天然氣、石油化工以及化學工業(yè)。與此同時，紡織、冶金、城市煤氣、交通、糧油加工、造紙、醫(yī)學領域也得到大量推廣使用。隨著生產的發(fā)展，存在爆炸危險的場所也不斷增加，目前變頻電動機在礦用防爆電動機方面已經大面積應用到采煤機牽引電動機、皮帶輸送機電動機及風機等工況，而且隨著國家升級轉型的大戰(zhàn)略背景下，應用范圍將更加廣闊。

2.1 隔爆型變頻電動機的特點

礦用隔爆型電動機也可稱為YB系列的隔爆型三相異步電動機，其是Y系列（IP44）三相異步電動機的衍生品，設計時需要具備防爆性能。隔爆型電氣設備的防爆原理是：引用一類準許投入進爆炸性氣體混合物的外殼，氣體在外殼內發(fā)生燃燒爆炸，然而卻不準許在外殼內部爆炸生成品通過外殼，滲入外殼外部，進而引發(fā)附近的爆炸性氣體混合物爆炸。電動機設備就具備此種外殼，在外部表面最高溫度不高于相要求的溫度組別的溫度值時，那么它便不可以點燃周圍爆炸性氣體混合物。

但是由于變頻器供電的電壓中含有高次諧波會引起銅耗、鐵耗等損耗的增加，集膚效應引起的附加銅耗等，使電動機的損耗增加，這樣就會增加電動機的發(fā)熱量，一般溫升增加約10%～12%，所以隔爆型變頻電動機的散熱問題很關鍵，一般絕緣等級一般都選H級或C級。

隔爆型電氣設備的隔爆外殼一般含有殼體和殼蓋?！胺ㄌm”將殼體和殼蓋連接在一起。這在防爆電氣專業(yè)里叫做“隔爆接合面”。隔爆外殼的隔爆高性能就是取決于隔爆結合面的應用效果。一旦隔爆外殼內引發(fā)爆炸，爆炸產生物體便會透過外殼的隔爆接合面的縫隙進入外殼，進而引燃外殼附近的爆炸性氣體合成物?？墒?，接合面的縫隙會給爆炸火焰形成障礙，減弱了爆炸生成物的能量。簡而言之就是靠零部件之間合適的間隙和長度來熄滅電動機內部可能產生的電弧，達到隔爆的目的。根據危險區(qū)域中可燃氣體的溫度組別選擇電氣設備的溫度組別。

2.2 隔爆型變頻電動機的優(yōu)勢

變頻電動機在煤礦環(huán)境等有特殊限制的區(qū)域下工作有很多優(yōu)勢：（1）應用到輸送機組來驅動導鏈時，可以通過變頻器實現變頻變壓軟啟動，具有良好的啟動性能；（2）變頻電動機在改變頻率和電壓的情況下，每個運行點都會產生各種各樣的運作方式來與轉差頻率相對應，最終便能找出最合適的轉差頻率，目的是保證電動機處于不同的頻率段，也可以產生最佳的效率和功率因數；（3）變頻電動機的效率和功率因數可以調整得更高，根據數據展示，異步電動機由變頻器驅動效率比普通電動機高2%～3%，功率因數增加10%～20%；（4）最大效能地去發(fā)掘變頻電動機的控制精度高、動態(tài)響應好的潛能，特別是在上坡或顛簸等比較復雜的工況下，變頻電動機有著明顯的優(yōu)勢。

3 結語

由于變頻器供電的特殊性，在設計中首先考慮的是電動機能與變頻器很好地進行匹配，并且在較寬的頻率范圍內有良好的運行性能。因此，決定了變頻調速異步電動機要比普通三相異步電動機用更多的電磁線和硅鋼片等材料，因此其價格也比較高。但變頻調速具有節(jié)省能耗、降低噪聲沒有沖擊電流、機械設備損耗小、設定速度靈活等諸多優(yōu)點已經逐步取代其他調速方法，特別是應用到煤礦環(huán)境等特殊環(huán)境下的優(yōu)勢比較明顯。

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（責任編輯：陳 潔）