摘要：文章就ABB变频器变频调速专用电机特性及ABB变频器造纸机传动系统中如何选择问题给出分析及选择依据。关键词：造纸机、变频、电机特性 1．引言 变频调速专用电机就其设计初衷而言是专为交流调速而用的，但是变频调速的兴起最直接的原因就是普通异步电动机简单的结构、低廉的成本和方便的调速。如果说 变频调速必须要配用变频专用电机的话，那么就产生了一个矛盾，变频调速固有的简单、坚固、耐用性不是没有了吗？所以本文就此问题对变频调速专用电机及其应 用范围和在造纸机上的应用等问题做一讨论。 2．变频调速时对电动机及其效能产生的影响 变频调速不论采用什么样的控制方法其输出到电机端上的电压脉冲是非正弦的。所以普通异步电动机在非正弦波下的运行特性分析就是变频调速时对电机产生的影 响。主要有以下几个方面： 1）、电动机的损耗和效率 非正弦电源下运行的电动机，除了基波产生的正常损耗外，还将出现许多附加损耗。主要表现在定子铜损、转子铜损和铁损的增加，从而影响电动机的效率。 ①定子铜损 在定子绕组中出现的谐波电流使I2R及增加。当忽略集肤效应时，非正弦电流下的定子铜损与总电流有效值的平方成比例。 ②转子铜损 在谐波的频率下，一般可以认为定子绕组的电阻为常数，但对于异步电动机的转子，其交流电阻却因集肤效应而大大增加。特别是深槽的笼形转子尤为严重。正弦波 电源下的同步电动机或磁阻电动机，由于定子空间谐波磁势很小。在转子表面绕组中引起的损耗可忽略不计。当同步电动机在非正弦电源下运行时．时间谐波磁势感 应出转子谐波电流，就像接近其基波同步转速运行的异步电动机那样。反向旋转的5次谐波磁势和正向旋转的7次谐波磁势都将感应出6倍于基波频率的转子电流， 在基波频率为50Hz时，转子电流频率为300Hz。同样，第11次和第13次谐波感应出12倍于基波频率，即600HZ的转子电流。在这些频率下，转子 的实际交流电阻远远大于直流电阻。转子电阻实际增大多少取决于导体截面和布置导体的转子槽的几何形状。通常的长宽比为4左右的铜导体，在50Hz时交流电 阻与直流电阻之比为1.56，在300Hz时比值约为2.6；600Hz时比值约为3.7。频率更高时，此比值随频率的平方根成比例增加。 ③谐波铁损 电动机中的铁心损耗也由于电源电压中出现谐波而增大；定子电流的各次谐波在气隙间 建立了时间谐波磁动势。气隙中任何一点的总磁势是基波和时间谐波磁势的合成。对于一个三相6阶梯电压波形，气隙中的磁密峰值比基波值约大10％，但是由时 间谐波磁通引起的铁损的增加是很小的。对于端部漏磁通和斜槽漏磁通产生的杂散损耗，在谐波频率作用下将有所增加，这一点在非正弦供电时必须考虑：端部漏磁 效应在定子和转子绕组中都存在，主要是漏磁通进入端板引起的涡流损耗。由于定子磁势和转子磁势间相位差的变化，在斜槽结构中产生斜槽漏磁通，其磁势在端部 最大，在定转子铁心及齿中产生损耗。 ④电动机效率 谐波损耗的大小明显地决定于外加电压的谐波含量。谐波分量大，电动机损耗增加，效率降低。但是大多数静止逆变器不产生低于5次的谐波，而高次谐波的幅值较 小。这种波形的电压对电动机效率降低并不严重。对中等容量的异步电动机进行计算和对比试验表明，其满载有效电流比基波值约增加4％。如果忽略集肤效应，则 电动机的铜损与总有效电流的平方成比例，谐波铜损为基波损耗的8％。考虑到由于集肤效应使转子电阻平均可增大3倍，因而电动机的谐波铜损应为基波损耗的 24％。如果铜损占电动机总损耗的50％，则谐波铜损使整个电动机的损耗增加12％。 铁损的增加很难计算，因为它受电动机结构和所用磁性材料的影响。如果定子电压波形中的高次谐波成分相对较低，像在6阶梯波中那样，谐波铁损增加不会超过 10％。如果铁损和杂散损耗占电动机总损耗的40％，则谐波损耗仅占电动机总损耗的4％。摩擦损耗和风阻损耗是不受影响的，因而电动机的全部损耗增加小于 20％。如果电动机在50Hz正弦电源时的效率为90％，则由于谐波存在使电动机效率只降低1％一2％。 如果外加电压波形的谐波成分明显地大于6阶梯波时的谐波成分，则电动机的谐波损耗 将大大增加，而且可能大于基波损耗。就是在6阶梯波电源时，一个低漏抗的磁阻电动机可能吸收一个很大的谐波电流，从而使电动机的效率下降5％或更多。在这 种情况下，为了满意地运行，就要使用12阶梯波的逆变器，或采用六相的定子绕组。电动机的谐波电流和谐波损耗实际上与负载无关，因此时间谐波的损耗大小实 际上可以在空载情况下用正弦电源和非正弦电源进行比较确定。以此来确定某种型式或某种结构的电动机效率下降的大致范围。 2）、轴电压的增加 轴电压系指两个轴端的电压或轴与轴瓦之间的电压。对于正弦波供电的电动机，主要是由于磁路不平衡引起。对于ABB变频器供电的电动机，通常情况下加在电动机上的 各相电压是平衡的。然而由于各相整流元件和控制元件特性的差异，可能出现某瞬间的电压失衡现象，在轴上产生较大的轴电压。再加上转子上的谐波电压会以轴承 油膜为介质形成一个对地电容，从而产生一容性电流。 对于中小容量的电动机，在非正弦电源的情况下，轴电压的影响一般也可以不考虑。但是对于大容量电动机，特别是在高速的和采用滑动轴承的情况下。轴电流和轴 承电流的危害是不容忽视的。 轴上电压的增高，电流将通过轴和轴瓦之间的油膜流动，若达到临界润滑状态，油膜将被破坏，会有很大的电流流过油膜，从而缩短轴承寿命或损坏轴承合金，发生 重大事故。 3）、冲击电压及绝缘强度 一般情况下，交流电动机承受的冲击电压主要是操作过电压。然而对于采用静止ABB变频器供电的电动机，还需考虑ABB变频器换流时产生的冲击电压，该冲击电压将叠加在 电动机的运行电压上。这些冲击电压不但峰值高而且出现的频度高，对电动机的对地绝缘造成威胁。显然冲击电压的大小和电压上升速度与ABB变频器的型式和控制方式 有关。冲击电压较大时应考虑绝缘反复承受冲击的老化和电晕放电所导致的电腐蚀问题。在冲击电压上升速度较快时，还要考虑匝间绝缘问题。 4）、横向振动及噪声 对于正弦波供电的交流电动机，由电磁、机械和通风等原因产生的振动和噪声，已经是人们长期以来关心的问题。(推荐：ABB一级代理:ABB变频器\ABB电机\ABB软启动\ACS510\ACS550\ACS355古炳文： 13926566866 QQ：611566866)。当采用ABB变频器供电时，使这个问题变得更加复杂。 ABB变频器电源中含有的各次时间谐波与电动机电磁部分固有的空间谐波相干涉，造成了各种电磁激振力。同时由于电动机工作的频率范围宽、转速变化范围大，很难避 开电动机机械部分各种结构件的固有频率。除此之外，对于高速传动的场合，动平衡质量和风扇的影响也将加大。因此，为了解决这一问题，除了要考虑正弦波供电 时需注意的问题(如槽配合、动平衡；气隙不均匀，转子不对称，磁中心偏离、机械结构件的刚度)之外，还应着重考虑来自电源的时间高次谐波，应使其避开电动 机各部分的固有频率。 5）、频繁起动问题 由于ABB变频器电源可以在很低的频率下起动电动机，特别是对于一些大容量的调速系统，还可以使交流电动机在四象限内运行，不仅可以频繁起动，还可以频繁正反 转。为了达到节能的效果，风机可以每天起动几十次，泵类可以起动几百次，对于可逆轧机的主传动和辅助传动电动机，则起动和正反转的次数会更多。从而使电动 机经常处于循环交变应力的作用之下，给电动机的机械部分和绝缘带来疲劳和加速老化的问题。 6）、轴承的问题 对于中小型电动机，特别是滚动轴承电动机，无论何种电源型式，轴承的选择都可按正常的设计方法。这里要说明的是大型的径向滑动轴承电动机在低速运行时，由 于油环带油效果差，难以保证正常的油膜，因此，轴承设计应予充分考虑。一般也应像轧钢直流电动机那样，采用压力加油的润滑方式。对相当于突破直流电动机极 限容量的超高速规格，轴承也是电动机设计中的关键技术之一，通常采用压力油雾润滑或采用高压油顶起轴颈的方式均可获得满意效果。 7）、低速时的冷却问题 通常的自带风扇的冷却方式，在许多场合下将不适用于ABB变频器供电的变速电动机。基速以下的恒转矩特性使电动机在低速时的电流和磁通都基本保持不变，然而此时 的冷却风量却与转速的3次方成比例地减少，使散热发生困难。因此对不能采取强迫通风的场合，除了尽可能减少各种损耗之外，还要对空气的流场和温度场进行认 真地分析，减小温度分布的不均匀系数，提高线圈端部的传热性能，加强机座本身的散热能力。 对于调速范围比较宽的电动机，特别是具有恒转矩调速和恒功率调速两个运行范围的电动机，决不能采用自带风扇冷却，这种方式对高速和低速都不利，低速时冷却 效果差，高速时使电动机效率严重下降。通常当采用自带风机冷却或管道通风时，冷却风量的选择原则是每20kW的电机损耗需要1m3/s的风量。 8）、电动机的稳定和扭振问题 当交流电动机运行于变频电源时，在一定的频率及负载情况下，系统可能发生不稳定性。由于动态稳定性与系统的状态有关，因此在无限大的工频电源系统中可以稳 定运行的电动机，当采用逆变器供电时就可能变得不稳定；当一台电动机专用一个变频电源时，运行稳定，而多台电动机共用一个变频电源组合传动时，就变得不稳 定了。通过对这些现象的分析，发现有以下两个原因：即电动机固有的低频不稳定性和电动机与逆变器间相互影响造成的不稳定性。在低频时的这种不稳定性表现为 持续地振荡，也就是转子转速在同步附近的摆动。转矩角的变化产生相应的输出转矩和功率的脉动。如果转子振荡过大并超过失步转矩，则电动机失步。另一方面， 也可能超出逆变器的换向能力而使其保护动作。(推荐：ABB一级代理