2022年07月08日
對(duì)于某特定大小和重量的電機(jī),在更高的頻率下改進(jìn)速度控制和能量輸出方式是一種高要求，那么在速度控制系統(tǒng)中為獲得更高的頻率,采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)技術(shù)而帶來的高載波頻率需求更是提出了新挑戰(zhàn)。伴隨著電力電子技術(shù)、電子器件傳感器技術(shù)及電子器件信息技術(shù)的飛速發(fā)展，電機(jī)行業(yè)的未來將被開拓創(chuàng)新。本期內(nèi)容將為大家主要介紹高頻控制需求給電機(jī)效率、脈沖波形帶來的影響以及各類測試方法。
電機(jī)是一種應(yīng)用量大、使用范圍廣的高能耗動(dòng)力設(shè)備。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國電機(jī)耗電約占工業(yè)用電總量的60%~70%。相較于標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)電設(shè)備，節(jié)能機(jī)電設(shè)備的節(jié)能效果非常明顯，通常可提高4%左右的效率，因此推行電機(jī)節(jié)能勢(shì)在必行。所以隨著高效節(jié)能電機(jī)成為行業(yè)首選，傳統(tǒng)的感應(yīng)電機(jī)面臨著逐漸增長的節(jié)能壓力。而一臺(tái)電機(jī)之所以具有較高的效率，無非是因?yàn)椴捎眯滦偷碾姍C(jī)設(shè)計(jì)方法、新的工藝、新的材料以及良好的控制系統(tǒng)，降低電磁能、熱能和機(jī)械能損耗，提高電機(jī)的輸出效率。
同時(shí),歐洲管理機(jī)構(gòu)正在商討制定嚴(yán)格的法律條款,取締降低電機(jī)效率的做法。這些將會(huì)使得速度控制電機(jī)及新興的高速電機(jī)發(fā)展成為可能。通常,由感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的水泵和電扇采用機(jī)械油門調(diào)節(jié)的方式來減少輸出。如圖1.1所示，這是一種非常浪費(fèi)的方式, 采用遠(yuǎn)高于電源頻率的載波頻率來驅(qū)動(dòng)電機(jī),通過在占空比下工作,載波從正規(guī)的直流電源處獲得能量,形成預(yù)設(shè)頻率下的波形。相比較而言，電機(jī)的速度控制是一種更好的選擇。
這種低效的基于PWM控制的機(jī)械油門調(diào)節(jié)方法，以及大量采用交流電動(dòng)機(jī)恒速傳動(dòng)方案運(yùn)行的工業(yè)設(shè)備，導(dǎo)致電機(jī)效率普遍很低。而速度控制的方式將會(huì)帶來巨大的好處。目前，我國在電力行業(yè)已逐漸采用變頻調(diào)速控制技術(shù)，降低能量損耗，而工業(yè)控制如若能夠采用最新的高效電機(jī)和變頻調(diào)速裝置，至少在現(xiàn)有基礎(chǔ)上能夠節(jié)省電能18%以上。
在變頻調(diào)速的過程中，當(dāng)電動(dòng)機(jī)提供電源的頻率變化時(shí)，電動(dòng)機(jī)的阻抗隨之不斷變化，從而影響引起勵(lì)磁電流的變化，使電動(dòng)機(jī)開始出現(xiàn)勵(lì)磁不足或勵(lì)磁過強(qiáng)的情況。當(dāng)勵(lì)磁不足時(shí)，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)降低，當(dāng)勵(lì)磁過強(qiáng)時(shí)，鐵芯中的磁通會(huì)處于飽和狀態(tài)，這會(huì)使大量勵(lì)磁電流流經(jīng)電機(jī)，增加電機(jī)的鐵耗。
此外，快速地將電子器件從開切換到關(guān)非常有必要,過渡狀態(tài)非常浪費(fèi),且對(duì)轉(zhuǎn)換裝置也會(huì)帶來損害,降低系統(tǒng)效率。最終,產(chǎn)生的波形包含大量的快速邊緣,對(duì)這些邊緣開展傅里葉變換可發(fā)現(xiàn)一個(gè)寬的諧波光譜。這樣，電機(jī)被當(dāng)做諧波濾波器和平滑裝置使用，升高的頻率被加載到電機(jī)上,電機(jī)線圈的電抗阻止了電壓變化的精確響應(yīng),在高于設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)頻率下,電機(jī)鐵芯中產(chǎn)生了許多微小的電流環(huán)路和渦流損耗，也就造成效率的二次降低。
隨著交流電機(jī)理論、電力電子技術(shù)、微處理器等關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)也隨之應(yīng)用到常用的交流異步電機(jī)中，也就進(jìn)入各種家電設(shè)備。變頻器是一種可以利用半導(dǎo)體器件的通斷作用，將工頻交流電換成頻率、電壓進(jìn)行連續(xù)可調(diào)的交流電的電能質(zhì)量控制工作裝置。變頻器的種類豐富，可分為：
那么，在定子極對(duì)數(shù)P恒定、轉(zhuǎn)差率s變化不大的情況下，可以認(rèn)為當(dāng)電機(jī)定子電源的頻率f調(diào)整時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速n與頻率f近似成正比。通過變頻器以及其他電力設(shè)備便可以達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)速率的目的。
脈沖控制技術(shù)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展不斷優(yōu)化和完善，在電力行業(yè)的應(yīng)用中能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的數(shù)字化控制，并且能夠有效提升電機(jī)驅(qū)動(dòng)的控制水平，提升運(yùn)行效率。但其產(chǎn)生的脈沖波形仍存在著一些負(fù)面影響：
(1)通過對(duì)電機(jī)邊緣進(jìn)行傅里葉分析發(fā)現(xiàn)其邊緣具有較強(qiáng)的諧波效應(yīng)。這將在電機(jī)鐵芯中產(chǎn)生強(qiáng)的渦流,增加鐵芯損耗。遺憾的是，盡管系統(tǒng)效率得到提升具有非常大的誘惑力，但忽略了通過改善對(duì)泵和風(fēng)扇控制的這種方式帶來的電機(jī)效率降低。當(dāng)大電機(jī)使用高電壓電源時(shí),例如幾千伏,逆變器中的半導(dǎo)體必須在鏈條中采用共享電壓的方式。通過對(duì)電容的精確使用,將分散的信息連接起來,設(shè)備的近似算法產(chǎn)生準(zhǔn)確的序列,設(shè)備可以通過這些措施來輸出良好的正弦波。然后，由于這會(huì)導(dǎo)致成本增加，因此這些措施目前只在小型電機(jī)上得到了應(yīng)用。
(2)對(duì)電源存在諧波污染。這會(huì)降低供電設(shè)備的壽命，增加輸、供和用電設(shè)備的額外附加損耗，并且會(huì)使得分布式變壓器中的鐵損增加, 使得設(shè)備的溫度過高。這需要通過估值下調(diào)的方式來進(jìn)行處理(銅導(dǎo)線中的鐵損也會(huì)同步增加)。
很明顯,通過正弦波測試無法獲得在脈沖條件下全部材料性能,因而對(duì)于材料的選擇變得非常困難。由于每個(gè)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)工況不同,一些測試要求必須考慮脈沖響應(yīng)，因而需要加載大量的波形和頻率開展測試。但為了減少測試環(huán)節(jié)，會(huì)選擇一個(gè)任意的波形,然后將波形依附于像是定義了上升和下降時(shí)間的方波電壓,雖然結(jié)果不能代表每一種工況,但能提供比正弦波更好的指導(dǎo)作用。這導(dǎo)致留下了很多未經(jīng)調(diào)試的非正式的測試系統(tǒng),這些系統(tǒng)在后續(xù)很難被標(biāo)準(zhǔn)化。
在過去的一百年里,軟磁材料作為變壓器、電機(jī)、發(fā)電機(jī)等產(chǎn)品的鐵芯材料,所采用的磁通波形,盡管不完全是正弦的,但已經(jīng)非常接近正弦,并被作為商業(yè)測試的參考條件。這類測試主要為了方便在購買和銷售時(shí)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行分類,而不是為了獲得最準(zhǔn)確的曲線。為了滿足更精細(xì)的測試條件的系統(tǒng),可以采用負(fù)反饋放大器來獲取正弦條件要求下的波形。
人們通過施加正弦波,測試高頻下的鐵損和磁導(dǎo)率,這是長期以來表示鋼材工頻特性的方法。但如果想用該方法測試鋼材在高諧波量和高頻條件下的使用，但如果想用該方法測試鋼在高諧波量和高頻條件下使用,是極其不切實(shí)際的。也許可以通過施加方波或加載電壓的方式，在1kHz,2kHz以及3kHz的工況下能夠得到較好的應(yīng)用。如果在工業(yè)界各個(gè)不同部分大量的測試系統(tǒng)被建立起來之前,在測試標(biāo)準(zhǔn)上能達(dá)成一致將是一件非常有意義的事情,當(dāng)然,這需要在后期開展艱難的合理化工作(見圖4.1)。
在設(shè)備朝著更高的頻率以及更高的諧波分量的趨勢(shì)發(fā)展同時(shí)，給傳統(tǒng)的實(shí)體鋼帶來了巨大的挑戰(zhàn)。為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn),電工鋼的厚度更薄,表面將會(huì)更加光滑,從而使得疊片系數(shù)最大化。由于高頻帶來了相當(dāng)高的層間電壓，因此厚度非常薄且有效的絕緣涂層將被得到應(yīng)用。同時(shí)為了保證在高磁場作用下較高的磁導(dǎo)率，通過選擇合適的合金含量可以增加電阻率。
電工鋼材料在冶金方面的挑戰(zhàn)主要在于優(yōu)化晶粒大小和最終的材料織構(gòu)。盡管替代鐵芯的材料逐漸出現(xiàn),但電工鋼的優(yōu)勢(shì)使其在未來的鐵芯市場仍會(huì)最受關(guān)注。
下一期內(nèi)容將為大家開啟有關(guān)電工鋼檢測技術(shù)新篇章，敬請(qǐng)期待！
