2022年07月08日
對于某特定大小和重量的電機,在更高的頻率下改進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,采用脈沖寬度調制(PWM)技術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、電子器件傳感器技術及電子器件信息技術的飛速發(fā)展，電機行業(yè)的未來將被開拓創(chuàng)新。本期內容將為大家主要介紹高頻控制需求給電機效率、脈沖波形帶來的影響以及各類測試方法。
電機是一種應用量大、使用范圍廣的高能耗動力設備。據(jù)統(tǒng)計，我國電機耗電約占工業(yè)用電總量的60%~70%。相較于標準的機電設備，節(jié)能機電設備的節(jié)能效果非常明顯，通?？商岣?/span>4%左右的效率，因此推行電機節(jié)能勢在必行。所以隨著高效節(jié)能電機成為行業(yè)首選，傳統(tǒng)的感應電機面臨著逐漸增長的節(jié)能壓力。而一臺電機之所以具有較高的效率，無非是因為采用新型的電機設計方法、新的工藝、新的材料以及良好的控制系統(tǒng)，降低電磁能、熱能和機械能損耗，提高電機的輸出效率。
同時,歐洲管理機構正在商討制定嚴格的法律條款,取締降低電機效率的做法。這些將會使得速度控制電機及新興的高速電機發(fā)展成為可能。通常,由感應電機驅動的水泵和電扇采用機械油門調節(jié)的方式來減少輸出。如圖1.1所示，這是一種非常浪費的方式, 采用遠高于電源頻率的載波頻率來驅動電機,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,形成預設頻率下的波形。相比較而言，電機的速度控制是一種更好的選擇。
這種低效的基于PWM控制的機械油門調節(jié)方法，以及大量采用交流電動機恒速傳動方案運行的工業(yè)設備，導致電機效率普遍很低。而速度控制的方式將會帶來巨大的好處。目前，我國在電力行業(yè)已逐漸采用變頻調速控制技術，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和變頻調速裝置，至少在現(xiàn)有基礎上能夠節(jié)省電能18%以上。
在變頻調速的過程中，當電動機提供電源的頻率變化時，電動機的阻抗隨之不斷變化，從而影響引起勵磁電流的變化，使電動機開始出現(xiàn)勵磁不足或勵磁過強的情況。當勵磁不足時，電機的輸出轉矩會降低，當勵磁過強時，鐵芯中的磁通會處于飽和狀態(tài)，這會使大量勵磁電流流經電機，增加電機的鐵耗。
此外，快速地將電子器件從開切換到關非常有必要,過渡狀態(tài)非常浪費,且對轉換裝置也會帶來損害,降低系統(tǒng)效率。最終,產生的波形包含大量的快速邊緣,對這些邊緣開展傅里葉變換可發(fā)現(xiàn)一個寬的諧波光譜。這樣，電機被當做諧波濾波器和平滑裝置使用，升高的頻率被加載到電機上,電機線圈的電抗阻止了電壓變化的精確響應,在高于設計的基準頻率下,電機鐵芯中產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。
隨著交流電機理論、電力電子技術、微處理器等關鍵技術的發(fā)展，變頻調速技術也隨之應用到常用的交流異步電機中，也就進入各種家電設備。變頻器是一種可以利用半導體器件的通斷作用，將工頻交流電換成頻率、電壓進行連續(xù)可調的交流電的電能質量控制工作裝置。變頻器的種類豐富，可分為：
那么，在定子極對數(shù)P恒定、轉差率s變化不大的情況下，可以認為當電機定子電源的頻率f調整時，電機轉速n與頻率f近似成正比。通過變頻器以及其他電力設備便可以達到調節(jié)電機速率的目的。
脈沖控制技術隨著科學技術的發(fā)展不斷優(yōu)化和完善，在電力行業(yè)的應用中能夠實現(xiàn)對電機驅動的數(shù)字化控制，并且能夠有效提升電機驅動的控制水平，提升運行效率。但其產生的脈沖波形仍存在著一些負面影響：
(1)通過對電機邊緣進行傅里葉分析發(fā)現(xiàn)其邊緣具有較強的諧波效應。這將在電機鐵芯中產生強的渦流,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泵和風扇控制的這種方式帶來的電機效率降低。當大電機使用高電壓電源時,例如幾千伏,逆變器中的半導體必須在鏈條中采用共享電壓的方式。通過對電容的精確使用,將分散的信息連接起來,設備的近似算法產生準確的序列,設備可以通過這些措施來輸出良好的正弦波。然后，由于這會導致成本增加，因此這些措施目前只在小型電機上得到了應用。
(2)對電源存在諧波污染。這會降低供電設備的壽命，增加輸、供和用電設備的額外附加損耗，并且會使得分布式變壓器中的鐵損增加, 使得設備的溫度過高。這需要通過估值下調的方式來進行處理(銅導線中的鐵損也會同步增加)。
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,因而對于材料的選擇變得非常困難。由于每個電機的運轉工況不同,一些測試要求必須考慮脈沖響應，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)，會選擇一個任意的波形,然后將波形依附于像是定義了上升和下降時間的方波電壓,雖然結果不能代表每一種工況,但能提供比正弦波更好的指導作用。這導致留下了很多未經調試的非正式的測試系統(tǒng),這些系統(tǒng)在后續(xù)很難被標準化。
在過去的一百年里,軟磁材料作為變壓器、電機、發(fā)電機等產品的鐵芯材料,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對產品進行分類,而不是為了獲得最準確的曲線。為了滿足更精細的測試條件的系統(tǒng),可以采用負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用。如果在工業(yè)界各個不同部分大量的測試系統(tǒng)被建立起來之前,在測試標準上能達成一致將是一件非常有意義的事情,當然,這需要在后期開展艱難的合理化工作(見圖4.1)。
在設備朝著更高的頻率以及更高的諧波分量的趨勢發(fā)展同時，給傳統(tǒng)的實體鋼帶來了巨大的挑戰(zhàn)。為應對這些挑戰(zhàn),電工鋼的厚度更薄,表面將會更加光滑,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用。同時為了保證在高磁場作用下較高的磁導率，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。盡管替代鐵芯的材料逐漸出現(xiàn),但電工鋼的優(yōu)勢使其在未來的鐵芯市場仍會最受關注。
下一期內容將為大家開啟有關電工鋼檢測技術新篇章，敬請期待！
