缝纫机的变频电动机

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1.变频电动机概述
        三相异步电动机结构简单、运行可靠，使用维修方便，因此长期以来人们对交流无极调查一直擒住这极大的兴趣。近年来，由于电力电子技术飞速发展，为交流电动机变频调速开辟了广阔的前景。目前，世界发达国家普遍采用SPWM正弦脉宽调制技术来调节电动机的电源电压和频率，从而出现了由交流变频电动机与SPWM装置共同构成的新型变频调速系统，并广泛运用于横转矩调速和驱动水泵、风机等场合。由于交流变频调速系统的输出特性能较好地适应负载机械特性，不仅有助于节能，而且还对自动控制领域的发展起了极大的促进作用。近年来，由于矢量控制等先进技术的出现，异步电动机的变频调速特性已可与直流调速性能相媲美。但是交流变频系统性能的改进，不仅与控制方法和变频装置有关，还与所选用的电动机有很大关系。
        应用交流变频技术的主要目的是节能，二是高精度的转矩转速控制，三是实现高速驱动。变频调速中变频电源供电的电动机与传统工频正弦波供电的电动机的主要区别在于：前者一方面是从低频到高频的宽频范围内运行，另一方面电源波形是非正弦的。由于以上特点，因而带来了一系列的问题：①损耗增加，效率降低②产生电磁振动和噪声③低速时出现低频脉动转矩，影响低速稳定运行④出现浪涌电压和电晕现象，损害电动机绝缘⑤产生轴电压和轴电流，缩短轴承寿命⑥低速运行时散热效果降低⑦容易产生共振干扰。
        综上所述，异步电动机在变频电源供电运行时将会面临诸多的特殊问题。因此针对以上问题，进行变频调速的异步电动机需要专门的设计。我们把这类采用变频原理调节转速并加以控制的交流异步电动机称之为变频电动机。
        2.变频电动机的结构特点和工作原理
        （1）变频电动机额定结构特点   对普通异步电动机来说，在设计时主要考虑的性能参数是过载能力、启动性能、效率和功率因素。而变频电动机由于临界转差率反比于电源频率，可以在临界转差率接近时直接启动，因此过载能力和启动性能不需要过多考虑，而要解决的关键问题是如何改善电动机对非正弦波电源的适应能力。因此，变频电动机对于绝缘结构、振动、噪声、冷却方式等方面都有进一步的要求。
        如上所述，由于高次谐波影响，由变频电源供电的电动机运行时损耗将大大增加。因此，其在相同的输出以及相同转速下的温升将大大增加。为了减少损耗，降低温升，在进行变频调速电动机设计时，已采取特殊措施，使其在相同容量相同转速下损耗和温升不致过高。为了防止变频电动机低速运行时冷却能力的下降，结构设计时必须选用与电动机运行转速无关的电扇风冷方式。
        由于变频电动机用的是电扇冷却方式，其风扇的旋转方向与电动机的正反向运动无关。此外，由于这种封闭式外扇冷却电动机的外风路风阻较小，基座散热筋风沟内的气流主要沿轴向，因此最适宜选择这种压头低、流量大的轴流式风扇。
        为了减少风路上各处的局部涡流损失，保证把冷却风送到主机外壳外端，使整个机壳收到冷却效果，风罩是重要的部件，必须给轴流式风扇配以形状合适的风扇。
        （2）变频电动机的工作原理   我们知道，交流异步电动机的同步转速表达式为：
        n=(1-s)60f1/p
        式中   n---异步电动机的转速
                 f1---异步电动机的频率
                 s---电动机转差率
                 p---电动机极对数
        由上式可知，转速n与频率f1成正比，只要改变频率f1即可改变电动机的转速，当频率f1在0~50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频电动机就是通过变频器来改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的变频调速电动机。
        3.变频电动机的控制技术
        一般的变频电动机低压通用变频输出电压为380~650V，输出功率为0.75~400kW，工作频率为0~400Hz，其控制方面有以下几种：
        （1）正弦脉宽调制（SPWM）控制方式    正弦脉宽调制（SPWM）控制方式是为了得到理想的转矩-速度特性，基于在改变电源频率进行调速的同时，又要保证电动机的磁通不变的思想而提出的。通用型变频器基本上都采用这种控制方式。其特点是控制电路简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在各个领域得到广泛应用。但是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电动机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差等。
        正弦脉宽（SPWM）控制方式可分为同步式、异步式和分段同步式。
        ①   同步式调制方式：载波比等于常数时称为同步调制方式。同步调制方式在逆变器输出电压每个周期内所采用的三角波电压数值是固定的，因而产生的SPWM脉冲数是一定的。其优点是在逆变器输出频率变化的整个范围内，皆可保持输出波形的正、负半波完全对称，只有奇次谐波存在，而且能严格保证逆变器输出三相波形之间具有120°相位移的对称关系。缺点是逆变器输出频率很低时，每个周期内的SPWM脉冲数过少，低频谐波分量较大，使负载电动机产生转矩脉动和噪声。
        ②   异步调制方式：为消除上述同步调制的缺点，可以采用异步调制方式。即在逆变器的整个变频范围内，载波比不是一个常数。一般在改变参考波频率时保持三角波的频率不变，因而提高了低频时的载波比，这样逆变器输出电压每个周期内的PWM脉冲数可随输出频率的降低而增加，相应的可减少负载电动机的转矩脉动和噪声，改善了调速系统的低频工作特性。但异步调制方式在改善低频工作特性的同时，又失去了同步调制的优点。当载波比随着输出频率的降低而连续变化时，势必使输出电压波形及其相位都发生变化，难以保持三相输出的对称性，因而引起电动机工作不平稳。
        （2）电压空间矢量（SVPWM）控制方式   它是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电动机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形，以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。经实践使用后又有所改进，即引入频率补偿，能消除速度控制的误差；通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流闭环，以提高动态的精度和稳定度。但控制电路环节较多，且没有引入转矩的调节，所以系统性能没有得到根本改善。
        （3）矢量控制（VC）方式   矢量控制是通过矢量坐标电路控制电动机定子电流的大小和相位，以达到电动机在d、q、O坐标轴系中的励磁电流和转矩电流分别进行控制，进而达到控制电动机转矩的目的。通过控制各矢量的作用顺序和时间以及零矢量的作用时间，又可以形成各种PWM波，达到各种不同的控制目的。目前在变频器中实际应用的矢量控制方式主要有基于转差频率控制的矢量控制方式和无速度传感器的矢量控制方式两种。
        ①   基于转差频率的矢量控制方式经过坐标变换对电动机定子电流的相位进行控制，使之满足一定的条件，以消除转矩电流过渡过程中的波动。因此，基于转差频率的矢量控制方式比转差频率控制方式在输出特性方面能得到很大的改善。但是，这种控制方式属于闭环控制方式，需要在电动机上安装速度传感器，因此，应用范围受到限制。
        ②   速度传感器矢量控制是通过坐标变换处理分别对励磁电流和转矩电流进行控制，然后通过控制电动机定子绕组上的电压、电流辨识转速以达到控制励磁电流和转矩电流的目的。这种控制方式调速范围宽，启动转矩大，工作可靠，操作方便，但计算比较复杂，一般需要专门的处理器来进行计算，因此，实时性不是太理想，控制精度受到计算精度的影响。
        （4）直接转矩控制(DTC)方式   直接转矩控制变频技术是在20世纪80年代中期继矢量变换控制技术之后发展起来的一种异步电动机变频调速技术。自20世纪70年代矢量控制技术发展以来，交流传动技术从理论上解决了交流调速系统在静动态性能上与直流传动相媲美的问题。矢量控制技术模仿直流电动机的控制，以转子磁场定向，用矢量变换的方法实现了交流电动机的转矩和磁链控制。但在实际上，由于转子磁链难以准确观测，并且系统特性受电动机参数的影响较大，以及在控制过程中所用的矢量旋转变换的复杂性，使得实际的控制效果难以达到理论分析的结果。这是矢量控制技术在实践上的不足之处。
        直接转矩控制思想与1977年提出，1985年获得实际应用，1987年把它推广到弱磁调速范围。不同于矢量控制技术，直接转矩控制有着自己的特点，它在很大程度上解决了矢量控制中计算复杂、特性易受电动机参数变化的影响、实际性能难以达到理论分析结果的一些重要技术问题。直接转矩控制技术新颖的控制思想，简洁明了的系统结构，优良的静动态性能，受到了广泛关注并得到了迅速的发展。
        直接转矩控制是利用空间矢量坐标的概念，在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩，通过检测定子电阻来达到观测定子磁链的目的，因此省去了矢量控制等复杂的变换计算，系统直观、简洁，计算速度和精度都比矢量控制方式有所提高。即使在开环的状态下，也能输出100%的额定转矩，对于多拖动具有负荷平衡功能。
        4.变频电动机的主要技术指标及技术参数
        为了规范设计，有关部委颁布了“小型变频变压调速电动机及电源技术条件”，对该类电动机设计的技术指标规定如下：
        （1）额定频率   变频变压调速电动机输出恒转矩和恒功率特性之间的转折点，所对应的电动机工作频率值。
        （2）额定转矩   变频变压调速电动机在额定频率下以S1工作制输出由标称功率决定的转矩。
        （3）标称功率   额定转矩乘以电动机同步转速获得的功率。
        （4）效率   在额定频率时，变频电动机输出功率与输入功率之比。
        （5）正常工作环境条件
        ①工作环境温度：环境空气最高温度随季节而变化，但不超过+4℃，最低温度为-15℃。
        ②相对湿度：最湿月月平均最高相对湿度为90%，同时该月月平均最高温度不高于25℃。
        （6）  技术条件
        ①  电动机的防护条件为IP44。
        ②  动机的冷却条件为空气冷却。
        ③  动机的标称功率在3kW及以下为Y连接，其他功率时为△连接。
        ④  电动机的极数为4极。