变频调速专用电机特性及在造纸传动中的应用（3）

作者：bearingpower        发表时间：2010-12-12

变频器供电交流电动机传动系统的稳定性 研究表明，减小定转子电阻，减小直轴和横轴电抗比，增加定转子漏抗等均可减小电动机的振荡，这是通过对磁阻电动机的试验得出的结论。对于异步电动机；可以用减小励滋电抗、增加定转子电阻的方法改善其稳定性能。 由于电动机和变流器之间相互影响造成的不稳定性，在同步电动机和异步电动机中都可 能出现。在低频时，系统的不稳定是由于电动机机械系统的惯性和变压器或直流环节滤波电感及电容之间发生能量交换造成的。 在变速传动中，运行的不稳定区通常被限制在一定的频率和转矩范围内，如图1所示。显然，不稳定区的大小还会受系统的惯性，负载的阻尼及电动机和变频器的参数影响。改变机械系统的惯量及直流环节的电感和电容量是消除不稳定性的实用方法。 对于特殊的大型电动机采用改变电动机参数的方法可以保证在整个工作范围内的稳定性，然而对于中小型电动机就失去了经济性，比较起来采用闭环反馈的方法来阻尼转子振荡，对标准的交流电动机更加实用。 不论是由于不稳定造成的输出转矩的变比；还是由于脉动谐波转矩产生的转矩振荡，都会使系统发生扭转振动。如果发生扭振时的频率刚好与机械系统的固有权振频率相同，且系统的阻尼又较小，则会产生很大的转矩放大系数，出现数倍于额定转矩的扭矩。从而对系统构成极大的威胁，由此而造成严重事故的现象也不少见。 对于现代大型变速系统，为了避免扭振造成的破坏，在传动系统的设计阶段，就对机械部分和电气部分分别建立数学模型，通过不同传递函数的内在联系，把整个机电传动系统构筑成一个统一的大的数学模型。用计算机对数学模型进行数字仿真计算，可以对与扭振有关的各个参数进行预选和改变，从而达到实际的机电传动系统不产生扭振的目的。 对于机械系统扭振的计算问题，当传动设备的尺寸确定以后，目前哈尔滨大电机研究所已有相应的计算程序进行计算。但是在实际应用中还需将来自被传动机械的典型载荷谱输入才能判定已知系统在运行时是否会发生扭振。实际载荷谱的测定和典型化是一件非常复杂和数据离散度很高的工作。目前国内外都在进行系统监测的基础上寻求各种传动设备的典型载荷谱，以期较好地解决系统在各种工况下所产生的激振频率均能避开设备的固有频率或依据载荷谱出现的频率改变系统设计的固有频率。 3．变频专用电机的特点及应用选择 如上所述变频调速解决了普通工频恒速电机的调速问题，但又带来了诸多新的问题。那么这些问题究竟有多大的影响？是否需要采用专用变频电机？根据造纸机传动配置的情况和使用经验做以下分析。 上一小节所说的变频调速时存在的问题是普遍存在的。所谓变频专用电机主要是针对上述问题做一些有针对性的特殊设计以改善不利的影响。但是一般来说除了大型高压电机以外。对于工频常压供电的中小功率电机而言，上述各种问题的存在并不影响其正常的使用，所以是否选用变频专用电机没有本质上的区别。至今还未见有因采用变频器供电后导致电机损坏的确切报导。所以笔者认为变频电机应主要在以下几个场合选用比较合适： 1）、特大功率，特殊电压 如轧钢厂、大型研磨设备等其功率达数千千瓦以上。这类应用一方面本身电机都需要定制，另一方面电厂常常采用高压供电。由此非正弦供电产生的影响就显得重要，如不按变频供电的特点进行专门设计，会使效率输出性能产生比较明显的影响。因此，这一类场合有必要选用变频专用电机。 2）、专用特殊设备 这类应用主要指一些伺服或机床主轴等要求定位和随动性能较高的场合。因为这类应用以快速响应和大范围频繁调速为工作特点。采用普通电机在某些工作段内可能特性发挥不好，从而影响设计效果。 3）、其它要求运行和电磁性能较高的场合。 4）、调速范围大，并且长时间工作在低速的情况。 4．造纸机变频专用电机的选择 目前，世界上各个国家都有自己的变频专用电机的设计和生产规范。我国上海南洋、西安电机厂等多家电机生产厂也都有自己的变频电机生产技术规范和要求，也都有相应的系列产品，以下列出几点有关造纸变频电机选择的参考依据及特点 4.1有国产变频电机的技术特点 目前国内厂家生产变频专用电机尚没有制定统一的标准。基本上是以自行研制开发为主的。其主要特点是： （1）、采用原有机座号和各种标准尺寸。这就为选择和应用提供了方便。在选择变频专用电机时可以按照普通异步电动机的标准尺寸选择。 （2）、采用强迫风冷，在电动机的端部配有专用的风桶，装有风机，对电机进行强迫风冷。因为变频调速在低速时会出现散热不良的问题。 （3）、磁路或材料适当改进对高次谐波抑制效果更好一些，在低速时保证有足够的转矩输出。 （4）、增加绝缘等级，由E级改为F级。 由于标准尚不统一，所以详细的技术规范对各生产厂来说一般不对外公布。所以只能做一些定性和形式上的描述。简单的变频电机在普通电机上加装风机即可。 4.2纸机使用中变频电机和普通电机的比较及注意的问题 （1）、根据目前使用的经验看，对造纸机而言，是否采用专用变频专用电机尚没有明显的比较差别。而事实上目前大多数造纸机采用的是普通异步电动机。所以一般来说变频专用电机的选择不是必要的。 （2）、由于变频器供电的缘故，在电动机的机身上可能带有较高的感应电压。因此，必须保证接地良好，否则对人身和设备都产生不良的影响。 （3）、对大多数纸机而言，采用变频调速时开环控制精度已经可以满足生产的需求，所以除非特殊情况一般可以选普通异步电动机。当预计生产车速变化范围较大时（如可能工作在设计车速的1/2以下时，则必须配有带强迫风冷的交流电机，否则可能导致过热故障）。 （4）、闭环安装编码器反馈元件时必须专门加工联接部分和外加冷却风机。此时可以选用普通电机加装风机的方案。 （5）、在配用减速箱和电机时，最好选择与工作车速配合的四极电机及减速箱。作者曾在山东临清发现采用6极电机的生产线，在最初运行中电机故障产生明显偏高。而且主要表现为轴承损坏和定、转子有磨擦。尽管无法确定准确原因。但作者认为有几个问题是值得怀疑和思考的： ①、6极电机的旋转磁场速度较低，产生的脉动转矩增大，可能造成对轴承和转子较大的脉动力矩，使转子和轴承产生形变，偏离平衡点，出现故障。 ②、有些电机明显为运行中故障，如在运行后三个月、六个月都曾经出现电机的类似故障。所以怀疑由于变频供电加之极对数较低，低频转矩对电机带来的影响。 ③、类似的故障在4极电机的纸机传动中，从未出现过。可能由于4极电机的旋转磁场速度较高，脉动转矩受到抑制。 （6）、出于控制和抗干扰的需要，在布线时，编码器电缆必须和电机电缆隔离在30cm以上距离，以及良好接地。 4.3于输出最大转矩和堵转转矩 低速转矩和堵转转矩与变频器的输出波形和控制方式关系密切。作者曾对不同的几个品牌变频器进行过堵转测试比较。转矩的线性度和大小差别很大。波形愈接近正弦波，性能愈好，线性度愈好。但基本都可以达到工频下的转矩指标。所以变频电机在低频或堵下的转矩特性比普通电机应当更好一些。 5．小结 随着改革开放及现代化建设的深入，我国造纸变频调速技术应用越来越广，相配套的变频调速专用电机使用也越来越多。文章就变频调速电机特性及造纸变频电机选用问题作了较详细的分析，希望起到抛砖引玉作用。