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變頻器對交流電機的要求

2019-11-20

     隨著電力電子技術的發展與進步,現代變頻調速控制系統采用了多段PWM(文章尾部有相關解釋)技術,即利用IGBT(文章尾部有相關解釋)的導通與阻斷把直流電壓變為一定形狀的脈沖列,并通過控制脈沖的寬度和脈列的周期而使其達到調壓、變頻的目的。雖然現代變頻調速控制系統已使得輸人電流基本上為正弦波,即減少了高諧波電流對供電電源品質污染;已使得輸出電壓波形實現了階段狀的近似正弦波形輸出,保護了高壓電機繞組絕緣。

但從其變頻調速的控制系統實際運行情況來分析和研究,應用變頻調速裝置對現代交流電機的設計仍有它的特殊性和要求,這也是設計者必須慎重地進行研究和考慮的問題。

(1)變頻調速裝置的輸出電源電壓波形雖然基本近似正弦波波形,但依然含有高次諧波分量,使其電動機軸輸出轉矩會發生波動,而產生脈動轉矩。這樣將會改變軸系的扭轉共振頻率,當這一轉矩波動的頻率與軸系的機械系統所固有的轉動頻率相接近或者相吻合時,將會導致共振現象的突然發生,必將使振動轉矩成倍增大,在嚴重地情況下可導致電動機和所驅動的機械設備嚴重損壞。

實踐證明高次諧波分量所引發的脈動轉矩也必將增強了電動機通風冷卻風扇、風葉的承受振蕩的強度;設計同時必須考慮相應地增加轉子阻尼繞組的籠條和端環的結構強度和阻尼效果。

(2)在變頻調速過程中設計者必須慎重地考慮變頻調速控制系統對電動機的總體結構所必然產生的疲勞應變和沖擊性過渡轉矩,尤其是它對高壓、大功率電動機繞組主絕緣和繞組線圈端部鼻端綁扎緊固的方式相應采取更有效的技術措施。而且從電動機設計和制造工藝的發展來看,更有效地消除繞組線圈端部磁場共振頻率至今仍是現代電機產品設計和工藝設計應深人研究的重要的技術課題。

(3)頻繁的變頻調速過程,使電動機也因而產生沖擊性電流的頻繁變化,必將使阻尼繞組的籠條和端環等旋轉部件和組件產生熱應力和機械應力疲勞,即交變熱應力和機械應力疲勞損壞。

(4)變頻調速控制裝置是交流電動機變頻調速控制系統的供電電源,雖然目前采取了極有效的技術措施,極大地改善了輸出電壓波形。即使是這樣變頻調速裝置所含有的高次諧波分量仍將會使軸電壓增大。雖然不能造成明顯危害,也應引起設計者十分地注意。

(5)變頻調速控制裝置控制在額定轉速的20%-30%低速運行中的電動機,如果設計采用滑動軸承的潤滑系統,其潤滑油膜層的厚度明顯減少的情況下,軸與軸瓦之間油膜勢必被破壞,因此必將產生金屬與金屬接觸研磨情況,也會導致滑動軸承產生異常溫升。

(6)采用變頻調速裝置的交流電動機設計,必須慎重地將引發共振現象的危險旋轉速度排斥在調速范圍之外。

(7)采用變頻調速裝置的交流電動機設計,其通風冷卻系統的計算必須以低速為基準進行電動機設計,并核準、計算其通風冷卻能力。

(8)采用變頻調速裝置的交流電動機設計,在其絕緣結構設計中,必須相應地增強匝絕緣,以防范電力半導體器件瞬間產生超高頻過電壓沖擊,而導致電動機繞組線圈匝間絕緣損傷而縮短電動機的絕緣壽命或嚴重地產生匝間絕緣擊穿而導致匝間短路的事故發生。

(9)采用變頻調速裝置的交流電動機設計,必須防止在最低速運行中產生低速喘振現象產生,以保持最低轉速的穩定運行。

(10)采用變頻調速控制系統的設計,必須保證絕對不能污染電力供電系統,即嚴格控制諧波分量向電力供電電源的流出。

PWM是一種對模擬信號電平進行數字編碼的方法。通過高分辨率計數器的使用,方波的占空比被調制用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼。PWM信號仍然是數字的,因為在給定的任何時刻,滿幅值的直流供電要么完全有,要么完全無。電壓或電流源是以一種通或斷的重復脈沖序列被加到模擬負載上去的。通的時候即是直流供電被加到負載上的時候,斷的時候即是供電被斷開的時候。只要帶寬足夠,任何模擬值都可以使用PWM進行編碼。

IGBT絕緣柵雙極型晶體管,是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應管)組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件, 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優點。GTR飽和壓降低,載流密度大,但驅動電流較大;MOSFET驅動功率很小,開關速度快,但導通壓降大,載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優點,驅動功率小而飽和壓降低。非常適合應用于直流電壓為600V及以上的變流系統如交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等領域。

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