交流异步电动机变频调速的原理.doc

变频调速三相异步电动机的设计1.前言三相异步电动机在工农业生产中具有广泛的应用，据统计，在电网的总负载中三相异步电动机占总动力负载的85%，由此可见，三相异步电动机在工农业中的重要性。三相异步电动机所以能得到这样广泛的应用，是由于它结构简单、制造容易、运行可靠、维护方便，而且效率高、重量轻、价格低。但是，由于其从电网吸取滞后的电流，从而使电网功率因数变坏、无功电流增大、线路损耗增大，更重要的是调速性能差，从而使其应用受到一定限制。在生产中应用异步电动机由于工艺要求，需要电动机调速的场合，人们往往从二个方面着手解决。一方面是不用异步电动机而使用调速性能好的直流电动机。另一方面是应用新技术，使异步电动机的运行能够按照生产工艺要求进行调速。异步电动机的调速方法有多种，如改变电源电压的调压调速、改变电源频率的调频调速、改变极数的变极调速。随着电力电子技术的飞速发展,变频调速三相异步电动机以其可靠稳定的运行和良好的性能价格比，已在逐步替代其它各种调速电动机，广泛应用于造纸、轧钢、纺织等许多领域。2.变频调速的原理由电机学理论可知，异步电动机定子绕组通一三相电流，在气隙中会产生一个以同步转速转动的旋转磁场。转速方程如下所示(1)：(1)式(1)中：n电动机的实际转速 f1电动机定子绕组的供电频率 p旋转磁场的极对数 S转差率，表示定子旋转磁场的同步转速n1与n的关系：n=n1(1-S)从（1）式中可见，改变异步电动机的供电频率f1，就可改变电动机的转速n1和n，达到调速目的。但f1的升高或降低影响到异步电动机的其它参数，如定子绕组中的输入电压U1，输入电流I1和磁通。三相异步电动机每相电压U1有以下关系式2：U1E1=4.44f1N1K1(2)式(2)中： U1定子相电压 E1定子相电动势 N1定子相绕组总匝数 K1基波绕组系数 每极气隙磁通三相异步电动机在设计时，都给定了额定电压U1N，额定电流I1N及相应的额定频率f1N，磁通的数值都定为接近磁路饱和的数值。从（1）中可见，降低f1，可使电动机减速，但在降低f1时，从（2）式可见，若保持U1不变，必须增大。但增大是不可能的，因为它已接近饱和值。保持不变，只有降低U1，保持U1/ f1=常数(3)。这种降低电动机转速n，是在f1f1N情况下采用，不变，故称为恒磁通控制方式，它的调速机械特性如图1所示。从图1中可见，这种调速具有最大转矩变化较小，近似认为恒转矩的特征。进一步讨论还可得出，在相同的负载转矩下有近似相同的电流，该电流与频率无关。而且输出转矩也近似认为与频率变化也无关。这种f1f1N，近似不变的调速。当频率f1下降到比较小的数值时，电动机定子阻抗不可忽略不计，U1/f1的数值要适当提高，以补偿电动机定子阻抗下降引起的数值下降，以维持值近似不变。若f1升高，以使电动机增速，由(2)式可见，f1的升高，如果不变，则电压U1要升高，但是电动机有本身的额定电压U1N。U1升高的最大值与U1N相等。U1=U1N=常数(4)U1不能升高，为维持(2)不变，必须降低，此时f1与的关系：1/f1 (5)这是升高电动机转速的调速方法。它的调速机械特性如图2所示。从图2可见，在f1f1N情况下调速，随着f1的升高，转矩下降很多。故称为恒功率调速。第三种变频调速控制方法是保持定子电流I1不变，f1改变，称为恒电流控制方式，也称恒电流变频调速。在f1同一数值下，不同的定子电流I1，可得到不同的转矩值。不同的f1数值相同的定子电流I1值，可得到相同的转矩值。它的调速机械特性如图3所示。从图3可见，恒电流变频调速与恒磁通变频调速，它们的机械特性形状基本相同，都属于恒转矩调速性质。综合上述三种变频调速方法。即在额定频率f1N以下，采用定子电压补偿的U1/f1=常数的恒转矩变频调速。在额定频率f1N以上的U1=常数的恒功率变频调速。定子电流I1不变的恒电流变频调速，都可以用图4表示。图4所示的变频调速的性质，是设计、控制、使用各种变频器的根据。2.电动机的结构针对变频调速三相异步电动机的调速特性，在结构设计上也对原来的异步电动机进行了相应的改进。通常的自带风扇的冷却方式,在许多场合下将不适用于变频器供电的变速电动机。基速以下的恒转距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，因此通常采用强迫通风的结构。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。防护等级达到了IP54，满足了用户在使用过程中电机需防尘、防溅水的防护要求。另外，根据用户要求，在电机的非轴伸端可以安装编码器，依据编码器型号的不同，增加轴的长度，同时设计联轴器、过渡节、拉杆等装配编码器的零部件。对于小型电动机由于电机主出线盒内部空间有限，必须在电机外壳的适当位置设计一个编码器接线盒，将编码器的引线接入。3.设计要点及措施普通三相异步电动机是定速运行，恒频恒压供电，所以考虑的是恒频恒压供电时力能及起动性能指标。变频调速三相异步电动机利用变频器供电，设计时需要考虑电机在变频器供电下的适应性，电动机使用可靠性、调速性能、低频起动性能、电机绝缘、噪声等。这几个方面的合理措施就是变频调速三相异步电动机的设计要点，下面围绕这些方面谈一谈设计过程中需采取的措施。3.1 低频起动性能在低频起动时，由于采用变频器供电，从而大大改善了起动性能。设计中再通过降低电机定子绕组电阻，合理选择转子槽形，适当地提高转子电阻值，降低电机漏电抗。从而进一步改善起动性能，满足起动要求。对于小型电动机，在调速范围较小的情况下，可以不用重新设计转子槽形，也能满足用户的要求。3.2 绝缘 变频调速三相异步电动机绝缘很关键。绝缘处理的好与坏，直接影响电机的使用寿命和可靠性。由于变频器输出电压带有较大的谐波成份，这些谐波将使电机损耗增加，电机温升升高。设计中采用F级绝缘，并适量增加电机温升裕度。对于供轧钢用的变频调速三相异步电动机，