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普通交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的性能研究
在普通交流異步電動(dòng)機(jī)的各種調(diào)速方式中，變頻調(diào)速因其突出的性能，應(yīng)用最為廣泛，同時(shí)也是交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速技術(shù)最為活躍的研究領(lǐng)域。隨著電力電子技術(shù)和控制理論的不斷發(fā)展和完善，變頻調(diào)速技術(shù)的性能還在不斷提升，變頻調(diào)速技術(shù)已成為我國(guó)企業(yè)節(jié)約能源、提高生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化、提高產(chǎn)品質(zhì)量和改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的主要技術(shù)手段之一。
變頻調(diào)速是通過(guò)改變異步電動(dòng)機(jī)定子的電源頻率，以改變其同步轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。但是，當(dāng)電源頻率改變時(shí)，會(huì)對(duì)交流異步電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生一系列的影響:損耗增加，效率下降:在工頻以下，以恒轉(zhuǎn)矩方式調(diào)速時(shí)，電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力將會(huì)下降;在低頻時(shí)電動(dòng)機(jī)的散熱能力變壞，電動(dòng)機(jī)溫度會(huì)過(guò)高等。由于電動(dòng)機(jī)本身就是一個(gè)非線性、強(qiáng)禍合、多變量的對(duì)象，且更為嚴(yán)重的是，由于工作頻率、溫度和飽和效應(yīng)的影響，定轉(zhuǎn)子電阻、電感等參數(shù)在不同工況下變化明顯。因而其動(dòng)態(tài)建模非常困難，要從理論上準(zhǔn)確的計(jì)算出電動(dòng)機(jī)在不同頻率和負(fù)載下的效率、溫升、功率因數(shù)和臨界轉(zhuǎn)矩是十分困難的。所以，長(zhǎng)期以來(lái)，在設(shè)計(jì)變頻調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，人們只是憑借經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定普通交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的調(diào)速范圍，而沒(méi)有充分的理論依據(jù)。
本文以普通交流異步電動(dòng)機(jī)和變頻器組成的調(diào)速系統(tǒng)為研究測(cè)試對(duì)象，以普通交流異步電動(dòng)機(jī)T形等效電路為基礎(chǔ)，計(jì)算分析在基頻以下及恒壓頻比方式供電下頻率改變時(shí)普通交流異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流、轉(zhuǎn)矩和其運(yùn)行性能的變化情況，并重點(diǎn)研究了電動(dòng)機(jī)在不同頻率下的運(yùn)行性能，通過(guò)電動(dòng)機(jī)測(cè)試平臺(tái)，定量的測(cè)試出電動(dòng)機(jī)在頻率改變時(shí)的各項(xiàng)性能數(shù)據(jù)，并與理論計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行比較分析，在此基礎(chǔ)上提出普通交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的最佳調(diào)速范圍，使電動(dòng)機(jī)高效、長(zhǎng)壽命運(yùn)行，并為交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供確定參數(shù)的依據(jù)。
一、普通交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的啟動(dòng)性能
利用變頻器實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)是變頻器的優(yōu)點(diǎn)之一，但是，有時(shí)會(huì)因?yàn)閱?dòng)頻率選擇不當(dāng)而導(dǎo)致啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩過(guò)小，或者啟動(dòng)電流過(guò)大，從而導(dǎo)致啟動(dòng)失敗，因此，合理的選擇變頻調(diào)速系統(tǒng)的啟動(dòng)頻率，尋找合適的啟動(dòng)頻率范圍，從而改善系統(tǒng)的啟動(dòng)特性，是十分重要的。為此，我們分析計(jì)算了在不同頻率和轉(zhuǎn)矩提升電壓下，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和啟動(dòng)電流的變化規(guī)律，進(jìn)而提出了確定能滿足電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和啟動(dòng)電流要求的啟動(dòng)頻率的方法。
1. 1變頻調(diào)速時(shí)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的變化規(guī)律
當(dāng)轉(zhuǎn)矩提升電壓時(shí)，根據(jù)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩方程，可求出，
?。ǎ保保?
令＝０，有：
其中R－定轉(zhuǎn)子電阻之和，X－定轉(zhuǎn)子電抗之和，－電源頻率
所以當(dāng)時(shí)，,當(dāng)時(shí)，,。從而可知，當(dāng)且時(shí)，為的增函數(shù)，而在時(shí)，為的減函數(shù)，而在時(shí)，取得最大值，不僅與有關(guān)，同時(shí)與和有關(guān)。下面我們以Yl00Ll-4如圖(1-1)電動(dòng)機(jī)為例，分析在不同轉(zhuǎn)矩提升電壓時(shí)，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的變化情況。如圖(1-1)所示:
從圖中可以看出，當(dāng)且比較小時(shí)，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩相對(duì)于啟動(dòng)頻率的變化趨勢(shì)是:當(dāng)頻率接近于零時(shí)，在理論上啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩非常高，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩是啟動(dòng)頻率的減函數(shù)，并達(dá)到一個(gè)極小值，這時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率為在頻率時(shí)，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為啟動(dòng)頻率的增函數(shù)，一直上升到最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，這時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率為當(dāng)啟動(dòng)頻率大于且小于50HZ時(shí)，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為啟動(dòng)頻率的減函數(shù)。
當(dāng)逐漸增大時(shí)，在理論上，當(dāng)頻率接近零時(shí)，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩非常大?？傮w上，啟動(dòng)頻率的變化趨勢(shì)與較小時(shí)的情形大體相似，但是也有不同之處，其特點(diǎn)是，最小啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩快速上升，而且相應(yīng)的啟動(dòng)頻率變大，同時(shí)最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩也緩慢上升，而且相應(yīng)的啟動(dòng)頻率減小。當(dāng)達(dá)到一定值(對(duì)Yl00Ll-4,當(dāng)=30V)最小啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩上升已經(jīng)超過(guò)了最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，整個(gè)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為啟動(dòng)頻率的單調(diào)遞減函數(shù)，這時(shí)工頻下的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩最小。
.2變頻調(diào)速時(shí)啟動(dòng)電流的變化規(guī)律
對(duì)啟動(dòng)電流求偏導(dǎo)數(shù)，有
（1-2）
從式（1-2）可知，分母;;固只要有
（其中，為電動(dòng)機(jī)額定電壓）則從而可以分析出，在,,并且電動(dòng)機(jī)的參數(shù)滿足的條件下，函數(shù)ｙ的值將始終大于零，所以也將大于零，這說(shuō)明在該條件下，在零頻至工頻范圍內(nèi)，啟動(dòng)電流為啟動(dòng)頻率的增函數(shù)。
現(xiàn)在將Y100L1-4電動(dòng)機(jī)參數(shù)代入，可得其啟動(dòng)電流的變化規(guī)律。
1.3交流異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)頻率范圍的確定
根據(jù)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩與啟動(dòng)電流相對(duì)于轉(zhuǎn)矩提升電壓和啟動(dòng)頻率的變化規(guī)律，啟動(dòng)頻率范圍應(yīng)為同時(shí)滿足電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩要求和變頻器對(duì)啟動(dòng)電流要求的啟動(dòng)頻率范圍。即:
(1) 從啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩的比值對(duì)于啟動(dòng)頻率的曲線中找出數(shù)值大于1.2的頻率范圍。
(2) 從啟動(dòng)電流與額定電流之比值對(duì)應(yīng)于啟動(dòng)頻率的曲線中畫出數(shù)值小于5的頻率范圍。
（3）求出以上兩部分的公共部分，既是所求的啟動(dòng)頻率范圍。
現(xiàn)以Yl00Ll-4, = 0時(shí)為例，來(lái)說(shuō)明如何確定啟動(dòng)頻率范圍。若在特定工況下Yl00Ll-4電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)負(fù)載為4 (n. m)，則啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩應(yīng)該大于4×1. 2=4. 8 (n. m), Y100L1-4電動(dòng)機(jī)的額定電流為5. 0 (A)，其啟動(dòng)電流應(yīng)該小于1. 5× 5=7. 5 (A).則從電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩特性曲線和啟動(dòng)電流特性曲線中可以找出啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大于4. 8 (n. m)和啟動(dòng)電流小于7. 5 (A)的頻率范圍，兩者的交集即為啟動(dòng)頻率的范圍。如圖(3-6)所示，從圖中可以看出，電動(dòng)機(jī)的最佳啟動(dòng)頻率范圍為7~10 （HZ）。
圖（1-3）注：1-啟動(dòng)電流曲線 2-啟動(dòng)轉(zhuǎn)距曲線
The research of performance of Common induction motor workingwith variable frequency mode