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0 引言
电力拖动系统分为恒速拖动系统和调速拖动系统。调速拖动系统又可分为直流调速系统和交流调速系统。用直流电机可方便地进行调速，因其具有优良的转矩控制性能，但由于本身结构特点，直流调速有几个主要缺点:(1)直流电动机容易出现故障，维修困难。(2)使用场合受到限制，在易燃易爆以及环境恶劣的地方不能采用。(3)由于直流电动机的结构因素使单机容量及转速受到限制。(4)直流电动机的价格高于交流电动机。随着电力电子技术的发展，近年来交流调速获得飞跃的发展，采用交流电机拖动方式逐步占据了主要地位。交流调速具有下面几个优点:(1)交流电动机特别是笼型异步电动机的价格远低于直流电动机。(2)交流电动机不易出现故障，维修简单。(3)使用场合没有限制。(4)电动机的单机容量远大于直流电动机。随着交流调速的发展，它的调速性能已可与直流调速系统技术相媲美，已有取代直流调速系统的趋势，从而进人交流调速系统时代。 1 技术概况 近年来交流调速中最活跃、发展最快的就是变频调速技术。变频调速是交流调速的基础和主干内容。上个世纪变压器的出现使改变电压变得很容易，从而造就了一个庞大的电力行业。长期以来，交流电的频率一直是固定的，变频调速技术的出现使频率为可以充分利用的资源川。 交流电动机高效调速方法的典型是变频调速，它既适用于异步电动机，也适用于同步电动机。采用变频调速不但能实现无级调速，而且根据负载的特性不同，通过适当调节电压和频率之间的关系，可使电动机始终运行在高效区，并保证良好的动态恃性。交流变频调速系统在调速时和直流电动机变压调速系统相似，机械特性基本上平行上下移动，而转差功率不变。同时交流电动机采用变频起动更能显著改善交流电动机的起动性能，大幅度降低电动机的起动电流，增加起动转矩。 变频调速系统目前广泛应用的是转速开环恒压频比控制的调速系统，也称为恒WF控制。这种调速方法采用转速开环恒压频比带低频电压补偿的控制方案，其控制系统结构简单、成本低，适用于风机、水泵等对调速系统动态性能要求不高的场合。 转速开环变频调速系统可以满足一般的平滑调速要求，但是静、动态性能都有限，要提高静、动态性能，首先要用带转速反馈的闭环控制。对此人们又提出了转速闭环转差频率控制的变频调速系统。转差频率控制是从异步电动机稳态等效电路和转矩公式出发的，因此保持磁通恒定也只在稳态情况下成立。一般说来，它只适用于转速变化缓慢的场合，而在要求电动机转速作出快速响应的动态过程中，电动机除了稳态电流以外，还会出现相当大的瞬态电流，由于它的影响，电动机的动态转矩和稳态运行时的静态转矩有很大的不同。因此如何在动态过程中控制电动机的转矩，是影响系统动态性能关键。70年代西门子工程师Btaschke首先提出异步电机矢量控制理论来解决交流电机转矩控制问题，从而获得与直流调速系统同样的动、静态性能。矢量控制算法已被广泛地应用在变频器产品上。在80年代中期，Depenbrock教授提出直接转矩控制，免去了矢量变换的复杂计算，控制结构简单。 随着新型功率器的产生，微处理器的高速化以及现代控制理论的发展，变频电机控制技术的发展方兴未艾，各种新型的控制策略正在不断涌现，这必将进一步的推动变频调速技术的不断发展。 2 研究状况 02 世纪09年代以前，人们对变频调速系统的研究主要集中在变频器的拓朴结构以及控制算法上，并且取得了较大的进展，使电动机传动的动态性能和调速精度得到了大大的提高。但变频器供电电动机的效率、功率因数和功率密度等稳态性能却没有得到相应的重视和研究。尤其是高压大容量的电动机传动系统中出现了低效率和低功率因素的问题，使得人们重新认识到电动机在变频调速系统中的稳态性能与其动态性能一样重要。对不同的控制方法，电动机在效率、功率因数以及温升等性能上都有很大的差别。提高电动机在变频调速系统中的稳态性能，不仅可以极大地节约能源，而且还能提高电动机运行的可靠性。因此，必须重新考虑电动机在变频调速系统中的设计问题。 应用交流调速技术的主要目的:一是为了节能;二是为了获取高精度的转速转矩控制;三是为了实现高速驱动。在变频调速中，由于电动机由变频器供电，这与传统工频正弦波供电的电动机存在着很大区别。一方面，前者在从低频到高频的宽频范围内运行;另一方面，电源波形是非正弦的。而目前广泛采用的SPWM正弦脉宽调制技术，虽然大大抑制了低次谐波，降低了电动机的脉动转矩，扩展了电动机低速下平稳运行的范围;但在这种调制方式中，逆变器的输出电压波形中含有相当高的由于调制而引起的谐波分量，特别是在输出电压较低时，情况尤为严重，其幅值往往可达到与基波相近的程度。电动机在这种供电状况下工作是极不理想的。由于这些高次谐波的存在，定、转子由于集肤效应使电阻增大，致使定转子铜耗增大，这对于双鼠笼及深槽式转子电机尤为严重。同时，高次谐波还会使铁耗及杂散损耗大大增加，最终降低电机运行效率。其次，由于高次谐波的存在，还会产生电磁振动和噪声。这一点对于正弦波电源供电的电机来讲已是很困难的问题了，而对于由逆变器供电的电机，由于电源的非正弦性，使问题变得更为复杂和棘手。此外，在低频运行时仍然可能出现一定程度的低次谐波，从而在低速运行时产生脉动转矩，影响电机低速稳定运行。 由于变频调速电机调速范围广，一般调速比为1:10，也即要求电动机在SHz频率下能低速稳定运行。由于这时转速很低，普通电机采用的自冷式风扇冷却方式提供的冷却风量已大大减少，散热效果已大大降低，必须采用其他冷却方式或提高绝缘等级。 20世纪90年代以来，越来越多的注意力投向变频电动机的设计研究中。变频电动机的设计都从额定电压的确定方法和电机参数的设计人手，但在文献中还有一些特殊考虑，比如转子不斜槽，以避免由于斜槽产生漏磁通造成的损耗;定子绕组采用多股并绕，以减小定子集肤效应影响;采用他冷式风扇通用结构等等。有些设计在分析了变频电动机的转矩转速特性后，总结了变频变压调速给电机带来的效率、温升以及对频繁起、制动的适应能力等间题，并对电机进行了电磁设计和结构设计，还重点考虑了变频器供电对电机的影响，从分析静止变频电源的特点以及电动机运行特性，对在非正弦波电源系统上运行的电机存在的问题进行分析，提出了相应的设计方案。在变频电动机的设计中，有学者根据“变频电机的额定电压一般应确定为逆变器的最大输出电压”之原则，将电压分解为基波相电压和各奇次谐波相电压，设电机磁路不饱和，采用“叠加原理”分别计算他们对电机的作用。由于这种假设的限制性，该设计方法的应用存在局限。1999年国内有学者首次建议电机制造厂同时供应变频电源装置，做配套试验后出厂。他对变频电动机进行全面分析，给出了转子电阻、定、转子电抗随频率变化的规律和曲线，采用简化公式来估算变频电动机的高速最大转矩、低速起动转矩和起动电流能否适应调速要求，然后对变频调速电动机的设计提出意见。 电机优化有助于节能，能更好地发挥电机性能。现在主要的优化算法有遗传算法、模拟退火法、FBT法和随机算法阁。国外学者在优化方面还提出了新的异步电机主要尺寸设计公式，能对整体尺寸进行优化，并分析了由逆变器供电的异步电动机的好处，对设计进行革新。清华大学电机工程与应用电子技术系的赵争鸣教授对异步电机的优化作了大量的工作，特别针对变频电动机提出了从电机转子槽形到整体优化的新方法，编制了一套包括设计、参数计算、仿真和结构等功能的软件包。由于变频电动机转子槽形对电机性能影响较大，通过优化转子槽形就可以提高变频电动机的电磁性能。一般，变频电动机转子槽形采用直槽、上宽下窄，槽形宜浅不宜深。 随着变频电动机设计的深人，对电机性能的分析和参数计算显得尤为重要，它为电机的优化设计提供了参考依据。对变频电动机性能的分析，主要是对脉动转矩、损耗、效率、温升和电机绝缘结构等进行分析。安徽机电学院的陈其工教授对变频电动机作了具体的设计与性能分析，提出了采用软件技术来抑制谐波电流和脉动转矩的思想。在槽参数计算方面，国内中小型电动机设计中采用近似解析解法。该解法的计算公式及曲线，主要是依据国外文献做出的。国内学者还对近似解析解法的计算公式做了简化和修改。这些方法优点在于能够写出解析表达式，使槽形尺寸对槽参数的影响能够比较直观、定性地看出。而采用有限元法计算了鼠笼转子凸形槽的起动槽参数时，往往以一个槽为求解域，计算时还做了以下假设:1对各种槽形，均假设磁力线平行通过槽内 2当电源频率、电阻率以及导条宽与槽宽之比均相同，对宽度渐变的槽，不论槽形如何，透入深度皆相同。 但对于形状比较复杂的槽，这些文献在计算中所作的一些假设与实际磁场分布有较大的出人，直接影响到槽参数的准确计算。 3 发展前景 变频电动机与逆变器作为一个整体，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、电动机及控制技术一体化。国外主要电动机生产公司早已迅速摆脱了单一电动机生产制造模式，而大大扩展了电动机的外延和内涵，以成套机电产品形式走向市场。 2) 集成化和智能化。电动机的高新技术附加含量愈来愈高。电动机本体内不仅仅包含定、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、电动机、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“SmartMotor”(智能电动机)。 3) 高性 能 和高可靠性。由于电动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动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动机系统的重要标志。 4) 新材 料 、新结构层出不穷。电动机中的导电、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，为电动机与控制提供了新的物质条件。 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，传统电动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，从而适应现代化市场的需要，增强产品的市场竞争能力。 4 结论 交流调速是以电子半导体器件为核心，以交流电动机为主体，涉及到电机、电子、自动控制等多门学科。交流异步电机变频调速又以其性能优越、使用面最广、应用前景广阔而受到人们的青睐。而现代控制技术、交流技术以及大功率自关断器件的迅速崛起和发展，恰好为交流调速的推广应用奠定了坚实的物质基础。然而，应该看到，与之配套使用的交流电机的研究，仍然是一个比较薄弱的环节，对变频异步电机的设计，尚未形成完备理论或一整套方法，在设计和使用变频电机时还有许多技术问题需要研究和解决。 |
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