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博客名称:蓝色天地 日志总数:32 评论数量:45 访问次数:212724 建立时间::2005年11月04日

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[工控园地] 变频调速电机系统现状及发展讨论(转载)
微雨 发表于:2005/11/21 16:34:53

随着国民经济的高速增长,电力电子技术的突飞猛进,在机床、冶金、电力、牵引、化工、纺织、供水、造纸、建材、农业等行业大量开始应用变频调速系统,节能效果显著。随着节能技术的逐步推广,国内外市场需求量的越来越大,这对我国电机制造业无疑是一个重大的挑战和机遇。因此研制开发高效系列的变频调速电动机,占领国内市场,并出口国外,将对我国经济建设的发展具有十分重要的意义,国家已在九五期间将交直交,交交变频调速电机列为机械工业重点发展产品,十五期间进一步将变频调速电机及其系统列为国家重大节能项目之一。

一、 变频调速电机的内涵和外延

因为电机可以通过变频器调压调频增大起动转矩,减小起动电流,所以起动性能通过系统的控制就能满足。因此在变频调速电机的设计策略中,主要精力都可以集中在电机运行的效率、功率因数等性能上面。因为起动性能可以不通过电机设计来满足,起动性能对转子槽形设计的约束被放开,转子槽形设计的目标转变为:减小转子电阻和漏抗,提高电机的效率和功率因数。

综上所述,变频调速电机实际上是一个系统问题,它必须将电机与电力电子变频器及其控制方法一并考虑。它的内涵和外延包括有:

1、   电机设计应是一个运行区域的最优设计,而不是传统的额定点的设计;

2、   电机运行在追求高效率的同时,必须考虑高功率因素;

3、   电机的内部空间磁场分布应与电流时间波形有一个适当的匹配以减小谐波分量;

4、   电机设计必须与电机控制方法和变频器特性相匹配,电机只是传动系统里的一个部件;

5、   变频调速电机系统具有高可靠性和高容错能力,具有高智能。

二、 变频调速电机的种类和特点

目前应用于电机传动系统的电动机主要是异步电机、同步电机、永磁电机和直流电机,显然,异步电机是产量和用量最大的电动机。变频调速电机主要指的是异步电机。

异步电机是典型的常规交流电机。自从现代交流调速系统发明以来,异步电机驱动技术得到了广泛的研究,取得了长足的进步。事实上,在逆变器供电方式下,异步电机的运行条件有了一个很大的变化。例如,通过降低电源频率来得到一个足够大的起动转矩,通过适当调频调压,电机可以工作在最小滑差运行点上,电机运行点处于不断变化之中,等等。由于这些特点,常规异步电机设计和分析方法已经不能与之相适应。

目前国内外兴起的电力电子逆变器供电下的高效异步电动机就是为充分利用逆变器的变频变压供电条件,挖掘电机本身潜力,提高电机性能,降低其制造和运行费用而设计开发的。它与传统异步电机设计相比有很大的不同,主要表现在以下三个方面:

1.      由于电源频率不同,则电机机械特性可以随之平移.这样可直接利用其最大转矩作为起动转矩,不必利用集肤效应来提高起动力矩,从而转子可以优化设计以提高电机稳定运行性能.

2.      由于逆变器能够平滑变频变压,从而可以将异步电机调节在最佳运行点上,即得到最小滑差、最大效率和高功率因数.这样在保证出力不变情况下,减小电机尺寸,减轻其重量和降低成本。

3.       由于逆变器供电下的异步电机大多不是长期工作在一定额定状况下,而是处于不断变化之中,因此其温升极限得以提高,从而可以增加电流设计密度,进一步减小电机尺寸和重量.

正是由于上面所述的区别,使得新电机设计在出力不变条件下,其体积可以减少2530%,或者说电机功率密度增加2530[5]

另外,自八十年代中以来,为适应变频调速系统的需要,新颖电机不断涌现,其主要特点是:摆脱常规旋转磁场的概念,而利用电机结构与控制相结合产生磁场形变的机理来驱动转子旋转。

其中一种典型的新颖交流电机为同步磁阻永磁电机,图1是这种电机的转子结构。该电机定子与同步电机相同,转子则是由多层迭片轴向相叠而成,该电机综合了同步磁阻和同步永磁电机的特点,展现了一种全新的电机设计和运行概念,具有高功率密度、宽调速范围、高效率、高功率因素及体积小、重量轻等显著优点,特别适用于作机车、飞机、船艇、矿井开采等方面的动力电机。该电机作为交流调速应用中最具前途的一种交流电机,自九十年代初以来已在欧美一些国家得以应用,而目前在我国的应用仍是空白。

另一种适合于变频调速的电机为双馈电机。它实是异步电机的一种变异。分鼠笼式和绕线式两种。从基于控制角度来看,可以将前者视作为单馈电机,因为它仅仅在定子上有一与外部联接的绕组,而绕线式异步电机则可看作为双馈电机,因为有两套绕组与外部相联。与单馈异步电机相比,双馈电机有下列优点:

²        容易对转矩和速度进行控制;

²        能工作为恒频变速状态;

²        变换器的总额定功率可以降低,从而减小其尺寸。

然而,传统的双馈异步电机存在滑环,从而降低系统可靠性,增加维修工作,进而限制了它们的应用。新型的双馈无刷电机(DFBM)则将两套绕组均放在定子上,而不再在转子上安放绕组。DFBM保持了传统双馈电机的优点,同时又取消了滑环,从而大大提高了系统可靠性。进一步推广之,如果该DFBM采用鼠笼转子,则称为双馈无刷异步电机(DFBYM);如果采用磁阻凸极转子结构,则称之为双馈无刷磁阻电机(DFBRM)

随着电力电子变换器的迅速发展,在过去的十年里,双馈无刷电机引起人们的极大的兴趣,DFBM的建模和仿真被进一步深入研究,发展了相应的设计和控制方法。DFBM具有结构坚固、高效、低耗和高可靠性,与电力电子变换器有很好的兼容性及灵活运行控制模式等优点,从而使得它在汽车、风力发电、调速传动中有广泛的应用前景。

三、 变频调速电机及其系统发展现状

变频调速电机系统作为一个整体,随着电力电子技术、计算机和控制技术的迅速发展而发展,其主要特点为:

1.      电力电子、电机及控制技术的一体化。国外主要电机生产公司早已迅速摆脱了单一电机生产制造模式,而大大扩展了电机的外延和内涵,以成套机电产品形式走向市场。

2.      集成化和智能化。电机的高新技术附加含量愈来愈高。电机机体内不仅仅包含原来电机定、转子,而且内含电力电子元器件及各种控制线路,使得电力电子一电机一控制不仅在运行上形成一体,在外观上亦融为一体,具有相当高的智能,称之为“smart motor”(智能电机)。

3.      高性能和高可靠性。由于电机及控制系统制造成本远远低于其运行成本,所以高性能及高可靠性成为衡量电机及其系统优劣的第一标准。高效、高功率因数、宽调速范围及高故障容错能力成为先进电机系统的重要标志。

4.        新材料、新结构层出不穷.电机中的导电、导磁及绝缘材料已发生了很大的变化.高性能材料的成本价格不断下降.同时,电力电子元器件材料亦不断更新,为电机与控制提供了新的物质条件。

国外(尤其是欧美等发达国家)的电机行业传动行业正以强劲势头向前发展。正如美国著名教授 T.A.LIPO(前IEEE IAS, PES, PE分会主席)说过:未来十年将是电机工程领域发展的黄金十年”[8]

四、 发展趋势

值得注意的是:正是在与电力电子逆变器和控制技术有机地结合起来,传统电机产品才真正得以改造和更新,形成新一代高新技术产品,使之获得高性能、高可靠性、高质量和高附加值,同时节约能源和原材料,降低消耗和污染,从而适应现代市场的需要,增强产品的市场竞争能力。

变频调速电机系统随着电力电子技术的发展而快速发展,其应用领域不断扩展。国际上已形成一定规模的应用产业,我国也正在把它作为中小型电机行业新的生长点,目前其发展趋势主要向两方面发展:一种是挖掘传统电机的潜力,使之与电力电子变频器形成最优组合,一种是研究新的交流电机结构和运行方式,而开发出高性能的交流变频调速系统。


 






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