變頻調速專用電機特性及在造紙傳動中應用
發布日期：2022-04-17 點擊率：70
摘要：文章就變頻調速專用電機特性及
造紙機傳動系統中如何選擇問題給出分析及選擇依據。
關鍵詞：造紙機、變頻、電機特性
1．引言
變頻調速專用電機就其設計初衷而言是專為交流調速而用的，但是變頻調速的興起最直接的原因就是普通異步電動機簡單的結構、低廉的成本和方便的調速。如果說變頻調速必須要配用變頻專用電機的話，那么就產生了一個矛盾，變頻調速固有的簡單、堅固、耐用性不是沒有了嗎？所以本文就此問題對變頻調速專用電機及其應用范圍和在造紙機上的應用等問題做一討論。
2．變頻調速時對電動機及其效能產生的影響
變頻調速不論采用什么樣的控制方法其輸出到電機端上的電壓脈沖是非正弦的。所以普通異步電動機在非正弦波下的運行特性分析就是變頻調速時對電機產生的影響。主要有以下幾個方面：
1）、電動機的損耗和效率
非正弦電源下運行的電動機，除了基波產生的正常損耗外，還將出現許多附加損耗。主要表現在定子銅損、轉子銅損和鐵損的增加，從而影響電動機的效率。
①定子銅損
在定子繞組中出現的諧波電流使I2R及增加。當忽略集膚效應時，非正弦電流下的定子銅損與總電流有效值的平方成比例。如定子相數為m1，每相定子電阻為及R1，則總的定子銅損P1為
把包括基波電流在內的總定子電流有效值Irms代入上式，可得
式中的第二項代表諧波損耗。通過實驗發現，由于諧波電流的存在和與之相應的漏磁通的出
現，使漏磁通的磁路飽和程度增加，因而勵磁電流增大，從而使電流的基波成分也加大。
②轉子銅損
在諧波的頻率下，一般可以認為定子繞組的電阻為常數，但對于異步電動機的轉子，其交流電阻卻因集膚效應而大大增加。特別是深槽的籠形轉子尤為嚴重。正弦波電源下的同步電動機或磁阻電動機，由于定子空間諧波磁勢很小。在轉子表面繞組中引起的損耗可忽略不計。當同步電動機在非正弦電源下運行時．時間諧波磁勢感應出轉子諧波電流，就像接近其基波同步轉速運行的異步電動機那樣。反向旋轉的5次諧波磁勢和正向旋轉的7次諧波磁勢都將感應出6倍于基波頻率的轉子電流，在基波頻率為50Hz時，轉子電流頻率為300Hz。同樣，第11次和第13次諧波感應出12倍于基波頻率，即600HZ的轉子電流。在這些頻率下，轉子的實際交流電阻遠遠大于直流電阻。轉子電阻實際增大多少取決于導體截面和布置導體的轉子槽的幾何形狀。通常的長寬比為4左右的銅導體，在50Hz時交流電阻與直流電阻之比為1.56，在300Hz時比值約為2.6；600Hz時比值約為3.7。頻率更高時，此比值隨頻率的平方根成比例增加。
③諧波鐵損
電動機中的鐵心損耗也由于電源電壓中出現諧波而增大；定子電流的各次諧波在氣隙間
建立了時間諧波磁動勢。氣隙中任何一點的總磁勢是基波和時間諧波磁勢的合成。對于一個三相6階梯電壓波形，氣隙中的磁密峰值比基波值約大10％，但是由時間諧波磁通引起的鐵損的增加是很小的。對于端部漏磁通和斜槽漏磁通產生的雜散損耗，在諧波頻率作用下將有所增加，這一點在非正弦供電時必須考慮：端部漏磁效應在定子和轉子繞組中都存在，主要是漏磁通進入端板引起的渦流損耗。由于定子磁勢和轉子磁勢間相位差的變化，在斜槽結構中產生斜槽漏磁通，其磁勢在端部最大，在定轉子鐵心及齒中產生損耗。
④電動機效率
諧波損耗的大小明顯地決定于外加電壓的諧波含量。諧波分量大，電動機損耗增加，效率降低。但是大多數靜止逆變器不產生低于5次的諧波，而高次諧波的幅值較小。這種波形的電壓對電動機效率降低并不嚴重。對中等容量的異步電動機進行計算和對比試驗表明，其滿載有效電流比基波值約增加4％。如果忽略集膚效應，則電動機的銅損與總有效電流的平方成比例，諧波銅損為基波損耗的8％。考慮到由于集膚效應使轉子電阻平均可增大3倍，因而電動機的諧波銅損應為基波損耗的24％。如果銅損占電動機總損耗的50％，則諧波銅損使整個電動機的損耗增加12％。
鐵損的增加很難計算，因為它受電動機結構和所用磁性材料的影響。如果定子電壓波形中的高次諧波成分相對較低，像在6階梯波中那樣，諧波鐵損增加不會超過10％。如果鐵損和雜散損耗占電動機總損耗的40％，則諧波損耗僅占電動機總損耗的4％。摩擦損耗和風阻損耗是不受影響的，因而電動機的全部損耗增加小于20％。如果電動機在50Hz正弦電源時的效率為90％，則由于諧波存在使電動機效率只降低1％一2％。
如果外加電壓波形的諧波成分明顯地大于6階梯波時的諧波成分，則電動機的諧波損耗
將大大增加，而且可能大于基波損耗。就是在6階梯波電源時，一個低漏抗的磁阻電動機可能吸收一個很大的諧波電流，從而使電動機的效率下降5％或更多。在這種情況下，為了滿意地運行，就要使用12階梯波的逆變器，或采用六相的定子繞組。電動機的諧波電流和諧波損耗實際上與負載無關，因此時間諧波的損耗大小實際上可以在空載情況下用正弦電源和非正弦電源進行比較確定。以此來確定某種型式或某種結構的電動機效率下降的大致范圍。
2）、軸電壓的增加
軸電壓系指兩個軸端的電壓或軸與軸瓦之間的電壓。對于正弦波供電的電動機，主要是由于磁路不平衡引起。對于變頻器供電的電動機，通常情況下加在電動機上的各相電壓是平衡的。然而由于各相整流元件和
控制元件特性的差異，可能出現某瞬間的電壓失衡現象，在軸上產生較大的軸電壓。再加上轉子上的諧波電壓會以軸承油膜為介質形成一個對地電容，從而產生一容性電流。
對于中小容量的電動機，在非正弦電源的情況下，軸電壓的影響一般也可以不考慮。但是對于大容量電動機，特別是在高速的和采用滑動軸承的情況下。軸電流和軸承電流的危害是不容忽視的。
軸上電壓的增高，電流將通過軸和軸瓦之間的油膜流動，若達到臨界潤滑狀態，油膜將被破壞，會有很大的電流流過油膜，從而縮短軸承壽命或損壞軸承合金，發生重大事故。
3）、沖擊電壓及絕緣強度
一般情況下，交流電動機承受的沖擊電壓主要是操作過電壓。然而對于采用靜止變頻器供電的電動機，還需考慮變頻器換流時產生的沖擊電壓，該沖擊電壓將疊加在電動機的運行電壓上。這些沖擊電壓不但峰值高而且出現的頻度高，對電動機的對地絕緣造成威脅。顯然沖擊電壓的大小和電壓上升速度與變頻器的型式和控制方式有關。沖擊電壓較大時應考慮絕緣反復承受沖擊的老化和電暈放電所導致的電腐蝕問題。在沖擊電壓上升速度較快時，還要考慮匝間絕緣問題。
4）、橫向振動及噪聲
對于正弦波供電的交流電動機，由電磁、機械和通風等原因產生的振動和噪聲，已經是人們長期以來關心的問題。當采用變頻器供電時，使這個問題變得更加復雜。變頻器電源中含有的各次時間諧波與電動機電磁部分固有的空間諧波相干涉，造成了各種電磁激振力。同時由于電動機工作的頻率范圍寬、轉速變化范圍大，很難避開電動機機械部分各種結構件的固有頻率。除此之外，對于高速傳動的場合，動平衡質量和風扇的影響也將加大。因此，為了解決這一問題，除了要考慮正弦波供電時需注意的問題(如槽配合、動平衡；氣隙不均勻，轉子不對稱，磁中心偏離、機械結構件的剛度)之外，還應著重考慮來自電源的時間高次諧波，應使其避開電動機各部分的固有頻率。
5）、頻繁起動問題
由于變頻器電源可以在很低的頻率下起動電動機，特別是對于一些大容量的調速系統，還可以使交流電動機在四象限內運行，不僅可以頻繁起動，還可以頻繁正反轉。為了達到節能的效果，風機可以每天起動幾十次，泵類可以起動幾百次，對于可逆軋機的主傳動和輔助傳動電動機，則起動和正反轉的次數會更多。從而使電動機經常處于循環交變應力的作用之下，給電動機的機械部分和絕緣帶來疲勞和加速老化的問題。
6）、軸承的問題
對于中小型電動機，特別是滾動軸承電動機，無論何種電源型式，軸承的選擇都可按正常的設計方法。這里要說明的是大型的徑向滑動軸承電動機在低速運行時，由于油環帶油效果差，難以保證正常的油膜，因此，軸承設計應予充分考慮。一般也應像軋鋼直流電動機那樣，采用壓力加油的潤滑方式。對相當于突破直流電動機極限容量的超高速規格，軸承也是電動機設計中的關鍵技術之一，通常采用壓力油霧潤滑或采用高壓油頂起軸頸的方式均可獲得滿意效果。
7）、低速時的冷卻問題
通常的自帶風扇的冷卻方式，在許多場合下將不適用于變頻器供電的變速電動機。基速以下的恒轉矩特性使電動機在低速時的電流和磁通都基本保持不變，然而此時的冷卻風量卻與轉速的3次方成比例地減少，使散熱發生困難。因此對不能采取強迫通風的場合，除了盡可能減少各種損耗之外，還要對空氣的流場和溫度場進行認真地分析，減小溫度分布的不均勻系數，提高線圈端部的傳熱性能，加強機座本身的散熱能力。
對于調速范圍比較寬的電動機，特別是具有恒轉矩調速和恒功率調速兩個運行范圍的電動機，決不能采用自帶風扇冷卻，這種方式對高速和低速都不利，低速時冷卻效果差，高速時使電動機效率嚴重下降。通常當采用自帶風機冷卻或管道通風時，冷卻風量的選擇原則是每20kW的電機損耗需要1m3/s的風量。
8）、電動機的穩定和扭振問題
當交流電動機運行于變頻電源時，在一定的頻率及負載情況下，系統可能發生不穩定性。由于動態穩定性與系統的狀態有關，因此在無限大的工頻電源系統中可以穩定運行的電動機，當采用逆變器供電時就可能變得不穩定；當一臺電動機專用一個變頻電源時，運行穩定，而多臺電動機共用一個變頻電源組合傳動時，就變得不穩定了。通過對這些現象的分析，發現有以下兩個原因：即電動機固有的低頻不穩定性和電動機與逆變器間相互影響造成的不穩定性。在低頻時的這種不穩定性表現為持續地振蕩，也就是轉子轉速在同步附近的擺動。轉矩角的變化產生相應的輸出轉矩和功率的脈動。如果轉子振蕩過大并超過失步轉矩，則電動機失步。另一方面，也可能超出逆變器的換向能力而使其保護動作。
變頻器供電交流電動機傳動系統的穩定性
研究表明，減小定轉子電阻，減小直軸和橫軸電抗比，增加定轉子漏抗等均可減小電動機的振蕩，這是通過對磁阻電動機的試驗得出的結論。對于異步電動機；可以用減小勵滋電抗、增加定轉子電阻的方法改善其穩定性能。
由于電動機和變流器之間相互影響造成的不穩定性，在同步電動機和異步電動機中都可
能出現。在低頻時，系統的不穩定是由于電動機機械系統的慣性和
變壓器或直流環節濾波電感及電容之間發生能量交換造成的。
在變速傳動中，運行的不穩定區通常被限制在一定的頻率和轉矩范圍內，如圖1所示。顯然，不穩定區的大小還會受系統的慣性，負載的阻尼及電動機和變頻器的參數影響。改變機械系統的慣量及直流環節的電感和電容量是消除不穩定性的實用方法。
對于特殊的大型電動機采用改變電動機參數的方法可以保證在整個工作范圍內的穩定性，然而對于中小型電動機就失去了經濟性，比較起來采用閉環反饋的方法來阻尼轉子振蕩，對標準的交流電動機更加實用。
不論是由于不穩定造成的輸出轉矩的變比；還是由于脈動諧波轉矩產生的轉矩振蕩，都會使系統發生扭轉振動。如果發生扭振時的頻率剛好與機械系統的固有權振頻率相同，且系統的阻尼又較小，則會產生很大的轉矩放大系數，出現數倍于額定轉矩的扭矩。從而對系統構成極大的威脅，由此而造成嚴重事故的現象也不少見。
對于現代大型變速系統，為了避免扭振造成的破壞，在傳動系統的設計階段，就對機械部分和電氣部分分別建立數學模型，通過不同傳遞函數的內在聯系，把整個機電傳動系統構筑成一個統一的大的數學模型。用計算機對數學模型進行數字仿真計算，可以對與扭振有關的各個參數進行預選和改變，從而達到實際的機電傳動系統不產生扭振的目的。
對于機械系統扭振的計算問題，當傳動設備的尺寸確定以后，目前哈爾濱大電機研究所已有相應的計算程序進行計算。但是在實際應用中還需將來自被傳動機械的典型載荷譜輸入才能判定已知系統在運行時是否會發生扭振。實際載荷譜的測定和典型化是一件非常復雜和數據離散度很高的工作。目前國內外都在進行系統監測的基礎上尋求各種傳動設備的典型載荷譜，以期較好地解決系統在各種工況下所產生的激振頻率均能避開設備的固有頻率或依據載荷譜出現的頻率改變系統設計的固有頻率。
3．變頻專用電機的特點及應用選擇
如上所述變頻調速解決了普通工頻恒速電機的調速問題，但又帶來了諸多新的問題。那么這些問題究竟有多大的影響？是否需要采用專用變頻電機？根據造紙機傳動配置的情況和使用經驗做以下分析。
上一小節所說的變頻調速時存在的問題是普遍存在的。所謂變頻專用電機主要是針對上述問題做一些有針對性的特殊設計以改善不利的影響。但是一般來說除了大型高壓電機以外。對于工頻常壓供電的中小功率電機而言，上述各種問題的存在并不影響其正常的使用，所以是否選用變頻專用電機沒有本質上的區別。至今還未見有因采用變頻器供電后導致電機損壞的確切報導。所以筆者認為變頻電機應主要在以下幾個場合選用比較合適：
1）、特大功率，特殊電壓
如軋鋼廠、大型研磨設備等其功率達數千千瓦以上。這類應用一方面本身電機都需要定制，另一方面電廠常常采用高壓供電。由此非正弦供電產生的影響就顯得重要，如不按變頻供電的特點進行專門設計，會使效率輸出性能產生比較明顯的影響。因此，這一類場合有必要選用變頻專用電機。
2）、專用特殊設備
這類應用主要指一些伺服或機床主軸等要求定位和隨動性能較高的場合。因為這類應用以快速響應和大范圍頻繁調速為工作特點。采用普通電機在某些工作段內可能特性發揮不好，從而影響設計效果。
3）、其它要求運行和電磁性能較高的場合。
4）、調速范圍大，并且長時間工作在低速的情況。
4．造紙機變頻專用電機的選擇
目前，世界上各個國家都有自己的變頻專用電機的設計和生產規范。我國上海南洋、西安電機廠等多家電機生產廠也都有自己的變頻電機生產技術規范和要求，也都有相應的系列產品，以下列出幾點有關造紙變頻電機選擇的參考依據及特點
4.1有國產變頻電機的技術特點
目前國內廠家生產變頻專用電機尚沒有制定統一的標準。基本上是以自行研制開發為主的。其主要特點是：
（1）、采用原有機座號和各種標準尺寸。這就為選擇和應用提供了方便。在選擇變頻專用電機時可以按照普通異步電動機的標準尺寸選擇。
（2）、采用強迫風冷，在電動機的端部配有專用的風桶，裝有風機，對電機進行強迫風冷。因為變頻調速在低速時會出現散熱不良的問題。
（3）、磁路或材料適當改進對高次諧波抑制效果更好一些，在低速時保證有足夠的轉矩輸出。
（4）、增加絕緣等級，由E級改為F級。
由于標準尚不統一，所以詳細的技術規范對各生產廠來說一般不對外公布。所以只能做一些定性和形式上的描述。簡單的變頻電機在普通電機上加裝風機即可。
4.2紙機使用中變頻電機和普通電機的比較及注意的問題
（1）、根據目前使用的經驗看，對造紙機而言，是否采用專用變頻專用電機尚沒有明顯的比較差別。而事實上目前大多數造紙機采用的是普通異步電動機。所以一般來說變頻專用電機的選擇不是必要的。
（2）、由于變頻器供電的緣故，在電動機的機身上可能帶有較高的感應電壓。因此，必須保證接地良好，否則對人身和設備都產生不良的影響。
（3）、對大多數紙機而言，采用變頻調速時開環控制精度已經可以滿足生產的需求，所以除非特殊情況一般可以選普通異步電動機。當預計生產車速變化范圍較大時（如可能工作在設計車速的1/2以下時，則必須配有帶強迫風冷的
交流電機，否則可能導致過熱故障）。
（4）、閉環安裝編碼器反饋元件時必須專門加工聯接部分和外加冷卻風機。此時可以選用普通電機加裝風機的方案。
（5）、在配用減速箱和電機時，最好選擇與工作車速配合的四極電機及減速箱。作者曾在山東臨清發現采用6極電機的生產線，在最初運行中電機故障產生明顯偏高。而且主要表現為軸承損壞和定、轉子有磨擦。盡管無法確定準確原因。但作者認為有幾個問題是值得懷疑和思考的：
①、6極電機的旋轉磁場速度較低，產生的脈動轉矩增大，可能造成對軸承和轉子較大的脈動力矩，使轉子和軸承產生形變，偏離平衡點，出現故障。
②、有些電機明顯為運行中故障，如在運行后三個月、六個月都曾經出現電機的類似故障。所以懷疑由于變頻供電加之極對數較低，低頻轉矩對電機帶來的影響。
③、類似的故障在4極電機的紙機傳動中，從未出現過。可能由于4極電機的旋轉磁場速度較高，脈動轉矩受到抑制。
（6）、出于控制和抗干擾的需要，在布線時，
編碼器電纜必須和電機電纜隔離在30cm以上距離，以及良好接地。
4.3于輸出最大轉矩和堵轉轉矩
低速轉矩和堵轉轉矩與變頻器的輸出波形和控制方式關系密切。作者曾對不同的幾個品牌變頻器進行過堵轉測試比較。轉矩的線性度和大小差別很大。波形愈接近正弦波，性能愈好，線性度愈好。但基本都可以達到工頻下的轉矩指標。所以變頻電機在低頻或堵下的轉矩特性比普通電機應當更好一些。
5．小結
隨著改革開放及現代化建設的深入，我國造紙變頻調速技術應用越來越廣，相配套的變頻調速專用電機使用也越來越多。文章就變頻調速電機特性及造紙變頻電機選用問題作了較詳細的分析，希望起到拋磚引玉作用。
參考文獻
[1]造紙機變頻傳動原理與設計，孟彥京 陜西人民出版社
[2]電機拖動基礎，顧繩谷 機械工業出版社
