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摘要随着电动机在工业生产和生活中的广泛使用,变频器在使用的过程中其特性令电机有新的变化。此外,变频常会遇到因个别参数的设置不当,导致电机不能正常工作。因此要掌握变频器的参数设置,了解变频器常见故障,做好检查防范工作保证电动机的正常运行。
关键词电动机 变频器 参数设置 运行故障
中图分类号:TM3文献标识码:A
1 电动机技术发展及现状
电动机是通过电磁感应原理进行工作的机械。随着电力自动控制系统的发展及应用,在常见旋转电机的理论基础上研制出了很多种类不同的控制电机。控制电机具有可靠性高﹑精确度准﹑快速响应的特点,并且在电机学科已经形成了一个独立分支。电动机的功能是将电能转换成机械能,它是应用最多的动力机械,也是最主要的用电设备,可以作为拖动各种生产机械的动力。根据电源电流的不同旋转电机可以分为直流电机和交流电机两大类,其中交流电机又有同步电机和异步电机之分。
从电力拖动的发展过程来看,交流电力拖动系统和直流电力拖动系统是电力拖动系统两个大类。电动机种类不同其类型也有区别,交、直流两种拖动方式在各个生产领域都发挥着重要作用。直流电力拖动是在交流电出现之前,唯一的一种电力拖动方式。在20世纪初期,交流电机投入使用,因其具有经济且适用的优点,交流电力拖动在各种工业活动中得到了极为广泛的应用,同时随着经济的发展和生产技术的进步,一些大型加工制造行业,特别是冶金工业和精密机械加工工业的生产流程和技术工业的进步,对电力拖动在制动,调速精度及正反转等方面提出了更高的要求。由于在技术实现上,交流电力拖动比直流电力拖动更难以达到这些要求,因此自上个世纪以来,在高精度、可调速与可逆性的拖动技术领域中,在很长一段时期内交流电力拖动则仅仅用于恒转速系统,其他系统几乎都是采用直流电力拖动的方式。
2 电机的结构及原理
电机是利用磁场和带电导体间的相互作用而把电能变为机械能。其结构主要包括两部分:转子和定子。电机中固定的部分叫做定子,在其上面装设了成对的直流励磁的静止的主磁极;而旋转部分叫转子即电枢铁心,在上面要装设电枢绕组,通电后产生感应电动势,充当旋转磁场。然后产生电磁转矩进行能量转换。目前较常用的主要是交流电动机,它可分为两种:第一种是三相异步电动机;第二种是单相交流电动机。异步电机多用在工业生产上,而交流电机多用在民用电器上。三相绕线式异步电机的特性是启动电流小,启动扭矩大,并能在一定范围内调节速度。它适用于启动时间较长和启动较频繁的场合,被广泛应用于矿山、化工等各领域的球磨机、破碎机、风机、空压机等电机传动设备中。电机转速公式:N=60f/p(1-s) (此公式适合所有的交流电机调速)P―电机极对数;s―电机转差率;f―电机工作电源频率;N―电机同步转速;根据公式可以得出要想改变电机的转速可以从以下三点入手:(1)改变电机的极对数;(2)电机工作电源频率;(3)电机的转差率;但是不同的调速方式除了改变交流电动机的同步转速就是不改变同步转速两种。
3 变频器的运行及相关参数的设置
变频器的每个参数都有一定的选择范围,因为设定参数非常多,故在使用的过程中经常会出现因其个别参数的设置不当,而导致变频器无法进行正常工作的现象。因此变频器相关参数的设置主要有以下几点:一是电机的参数。变频器在参数中设定电机的功率、电流、转速、电压、最大频率,这些参数都可以在电机铭牌上直接得到;二是最高运行频率。变频器一般运行频率最高到400 Hz,对一般的电机来说,它的轴承是不能在超额定的转速下长时间的运行的,电机的转子如果长期承受这样的离心力,将直接导致电机的烧毁;三是最低运行频率。即电机运行的最小转速。电机在低转速下运行时,其散热性能很不好,电缆中的电流也会增大导致电缆发热,且电机长时间运行在低转速下,最终会导致电机烧毁;四是控制方式。主要有转距控制、PID控制、速度控制或其它方式。采取控制方式后,通常是根据控制精度来进行静态或动态辨识;五是跳频。调频是在某个频率点上发生共振现象,特别在整个装置参数都很高的情况下。在控制压缩机时,要躲避开压缩机的喘振点;最后是载波频率。载波频率参数设置得越高其高次谐波分量越大,这和电机发热,电缆的长度,电缆发热以及变频器发热等因素有密切的关系。
4 变频器供电下的电机运行条件及常见故障分析
变频器是一种电能控制装置,它利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率。目前使用最多的变频器主要是采用VVVF变频或矢量控制变频,先通过整流器把工频交流电源转换成直流电源,然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由中间直流环节、逆变、整流和控制4个部分组成。中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率,逆变部分为IGBT三相桥式逆变器,且输出为PWM波形,整流部分为三相桥式不可控整流器。
4.1 变频器供电下的电机运行条件
在变频器供电情况下,一般常规的异步电机的运行条件都有非常大的变化,常规异步电机基本设计要点主要有三点:第一是具有良好的稳定运行状况;第二是满足所需要的启动特性;第三制造简便。为了满足启动的必要条件,通常将转子槽设计成双鼠笼槽或深槽,利用其集肤效应增加启动时的转子电阻,从而提高启动转矩。但这样既增加了制造加工的难度,又降低了电机稳定正常运行时的特性(如降低了效率和功率因素)。对变频器供电情况下的异步电机,当频率下降时,曲线左移;当频率上升时,曲线右移。由于可方便地调频调压,使其机械特性曲线可以有条件的平移。因此给电机运行带来新的变化,主要体现为:
(1)电源频率变小,电机机械特性可随之左移。这样可利用调频来直接利用其最大转矩作为启动转矩,从而使转子槽型可以在提高稳定运行性能的目标上进行优化设计。
(2)变频器适当地变频变压,从而可将异步电机调节在最佳运行点上,即得到最小滑差、高功率因素和最大效率。这样在保证出力不变的情况下,可用高功率因素和最大效率代替额定功率因素和额定效率,进而减轻电机重量,减小其尺寸和降低成本。
(3)对变频器进行调频调压,可对异步电机进行矢量控制,在保证足够的气隙磁场条件下,能得到最小励磁电流,从而同时提高电机的功率因数和效率。
4.2 变频器供电下常见电机运行故障
(1)电机发热,变频器显示过载:电机发热,变频器显示过载。对于已经投入运行的变频器如果出现这种故障,就必须全面检查电网故障和负载的状况;如果是新安装的变频器出现电机发热,变频器过载故障,很可能是电机参数设置或者是V/F曲线设置有问题。
(2)变频器显示过流故障:过流故障可分为恒速、减速、加速过电流故障。造成该故障的原因可能是变频器的负载发生突变、加减速时间太短、输出短路、负荷分配不均等。这时一般可通过减少负荷的突变、延长加减速时间、对线路进行检查、进行负荷分配设计等各种手段减少产生该故障的风险。断开负载变频器之后如果仍旧产生过流故障,则变频器的逆变电路已经损坏,需要通过更换变频器来处理该故障。
(3)欠压故障:欠压是在使用的过程中经常碰到的问题。主要是因为主回路电压太低,有可能是电压检测电路发生故障而出现欠压问题,说明变频器电源输入部分有问题,需检查后才可以运行。
5 结论
由于电动机应用的范围越来越广,对电能的转换、控制以及高效使用的要求也越来越高。未来电动机将会沿着单位功率体积更小、机电能量转换效率更高、控制更灵活的方向继续发展。变频器也将呈现驱动的交流化,功率变换器的高频化,控制的数字化、智能化和网络化的发展趋势。
参考文献
[1]胡崇岳.现代交流调速技术.北京:机械工业出版社,2003.
[2]金续曾.三相异步电动机使用与维修.北京:中国电力出版社,2003.
[3]王廷才.变频器原理及应用.北京:机械工业出版社,2005.
[4]张选正,张金远.变频器应用经验.北京:中国电力出版社,2006.
[5]许晓峰.电机及拖动.北京:高等教育出版社,2007.
[6]孙克军.电动机使用与维修.北京:化学工业出版社,2008.
关键词电动机 变频器 参数设置 运行故障
中图分类号:TM3文献标识码:A
1 电动机技术发展及现状
电动机是通过电磁感应原理进行工作的机械。随着电力自动控制系统的发展及应用,在常见旋转电机的理论基础上研制出了很多种类不同的控制电机。控制电机具有可靠性高﹑精确度准﹑快速响应的特点,并且在电机学科已经形成了一个独立分支。电动机的功能是将电能转换成机械能,它是应用最多的动力机械,也是最主要的用电设备,可以作为拖动各种生产机械的动力。根据电源电流的不同旋转电机可以分为直流电机和交流电机两大类,其中交流电机又有同步电机和异步电机之分。
从电力拖动的发展过程来看,交流电力拖动系统和直流电力拖动系统是电力拖动系统两个大类。电动机种类不同其类型也有区别,交、直流两种拖动方式在各个生产领域都发挥着重要作用。直流电力拖动是在交流电出现之前,唯一的一种电力拖动方式。在20世纪初期,交流电机投入使用,因其具有经济且适用的优点,交流电力拖动在各种工业活动中得到了极为广泛的应用,同时随着经济的发展和生产技术的进步,一些大型加工制造行业,特别是冶金工业和精密机械加工工业的生产流程和技术工业的进步,对电力拖动在制动,调速精度及正反转等方面提出了更高的要求。由于在技术实现上,交流电力拖动比直流电力拖动更难以达到这些要求,因此自上个世纪以来,在高精度、可调速与可逆性的拖动技术领域中,在很长一段时期内交流电力拖动则仅仅用于恒转速系统,其他系统几乎都是采用直流电力拖动的方式。
2 电机的结构及原理
电机是利用磁场和带电导体间的相互作用而把电能变为机械能。其结构主要包括两部分:转子和定子。电机中固定的部分叫做定子,在其上面装设了成对的直流励磁的静止的主磁极;而旋转部分叫转子即电枢铁心,在上面要装设电枢绕组,通电后产生感应电动势,充当旋转磁场。然后产生电磁转矩进行能量转换。目前较常用的主要是交流电动机,它可分为两种:第一种是三相异步电动机;第二种是单相交流电动机。异步电机多用在工业生产上,而交流电机多用在民用电器上。三相绕线式异步电机的特性是启动电流小,启动扭矩大,并能在一定范围内调节速度。它适用于启动时间较长和启动较频繁的场合,被广泛应用于矿山、化工等各领域的球磨机、破碎机、风机、空压机等电机传动设备中。电机转速公式:N=60f/p(1-s) (此公式适合所有的交流电机调速)P―电机极对数;s―电机转差率;f―电机工作电源频率;N―电机同步转速;根据公式可以得出要想改变电机的转速可以从以下三点入手:(1)改变电机的极对数;(2)电机工作电源频率;(3)电机的转差率;但是不同的调速方式除了改变交流电动机的同步转速就是不改变同步转速两种。
3 变频器的运行及相关参数的设置
变频器的每个参数都有一定的选择范围,因为设定参数非常多,故在使用的过程中经常会出现因其个别参数的设置不当,而导致变频器无法进行正常工作的现象。因此变频器相关参数的设置主要有以下几点:一是电机的参数。变频器在参数中设定电机的功率、电流、转速、电压、最大频率,这些参数都可以在电机铭牌上直接得到;二是最高运行频率。变频器一般运行频率最高到400 Hz,对一般的电机来说,它的轴承是不能在超额定的转速下长时间的运行的,电机的转子如果长期承受这样的离心力,将直接导致电机的烧毁;三是最低运行频率。即电机运行的最小转速。电机在低转速下运行时,其散热性能很不好,电缆中的电流也会增大导致电缆发热,且电机长时间运行在低转速下,最终会导致电机烧毁;四是控制方式。主要有转距控制、PID控制、速度控制或其它方式。采取控制方式后,通常是根据控制精度来进行静态或动态辨识;五是跳频。调频是在某个频率点上发生共振现象,特别在整个装置参数都很高的情况下。在控制压缩机时,要躲避开压缩机的喘振点;最后是载波频率。载波频率参数设置得越高其高次谐波分量越大,这和电机发热,电缆的长度,电缆发热以及变频器发热等因素有密切的关系。
4 变频器供电下的电机运行条件及常见故障分析
变频器是一种电能控制装置,它利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率。目前使用最多的变频器主要是采用VVVF变频或矢量控制变频,先通过整流器把工频交流电源转换成直流电源,然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由中间直流环节、逆变、整流和控制4个部分组成。中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率,逆变部分为IGBT三相桥式逆变器,且输出为PWM波形,整流部分为三相桥式不可控整流器。
4.1 变频器供电下的电机运行条件
在变频器供电情况下,一般常规的异步电机的运行条件都有非常大的变化,常规异步电机基本设计要点主要有三点:第一是具有良好的稳定运行状况;第二是满足所需要的启动特性;第三制造简便。为了满足启动的必要条件,通常将转子槽设计成双鼠笼槽或深槽,利用其集肤效应增加启动时的转子电阻,从而提高启动转矩。但这样既增加了制造加工的难度,又降低了电机稳定正常运行时的特性(如降低了效率和功率因素)。对变频器供电情况下的异步电机,当频率下降时,曲线左移;当频率上升时,曲线右移。由于可方便地调频调压,使其机械特性曲线可以有条件的平移。因此给电机运行带来新的变化,主要体现为:
(1)电源频率变小,电机机械特性可随之左移。这样可利用调频来直接利用其最大转矩作为启动转矩,从而使转子槽型可以在提高稳定运行性能的目标上进行优化设计。
(2)变频器适当地变频变压,从而可将异步电机调节在最佳运行点上,即得到最小滑差、高功率因素和最大效率。这样在保证出力不变的情况下,可用高功率因素和最大效率代替额定功率因素和额定效率,进而减轻电机重量,减小其尺寸和降低成本。
(3)对变频器进行调频调压,可对异步电机进行矢量控制,在保证足够的气隙磁场条件下,能得到最小励磁电流,从而同时提高电机的功率因数和效率。
4.2 变频器供电下常见电机运行故障
(1)电机发热,变频器显示过载:电机发热,变频器显示过载。对于已经投入运行的变频器如果出现这种故障,就必须全面检查电网故障和负载的状况;如果是新安装的变频器出现电机发热,变频器过载故障,很可能是电机参数设置或者是V/F曲线设置有问题。
(2)变频器显示过流故障:过流故障可分为恒速、减速、加速过电流故障。造成该故障的原因可能是变频器的负载发生突变、加减速时间太短、输出短路、负荷分配不均等。这时一般可通过减少负荷的突变、延长加减速时间、对线路进行检查、进行负荷分配设计等各种手段减少产生该故障的风险。断开负载变频器之后如果仍旧产生过流故障,则变频器的逆变电路已经损坏,需要通过更换变频器来处理该故障。
(3)欠压故障:欠压是在使用的过程中经常碰到的问题。主要是因为主回路电压太低,有可能是电压检测电路发生故障而出现欠压问题,说明变频器电源输入部分有问题,需检查后才可以运行。
5 结论
由于电动机应用的范围越来越广,对电能的转换、控制以及高效使用的要求也越来越高。未来电动机将会沿着单位功率体积更小、机电能量转换效率更高、控制更灵活的方向继续发展。变频器也将呈现驱动的交流化,功率变换器的高频化,控制的数字化、智能化和网络化的发展趋势。
参考文献
[1]胡崇岳.现代交流调速技术.北京:机械工业出版社,2003.
[2]金续曾.三相异步电动机使用与维修.北京:中国电力出版社,2003.
[3]王廷才.变频器原理及应用.北京:机械工业出版社,2005.
[4]张选正,张金远.变频器应用经验.北京:中国电力出版社,2006.
[5]许晓峰.电机及拖动.北京:高等教育出版社,2007.
[6]孙克军.电动机使用与维修.北京:化学工业出版社,2008.