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电气电子毕业设计论文
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毕业设计124极变频电动机设计 ,电气电子毕业设计论文
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变频电动机的研究 毕 业 设 计 题 目 ： 4极变频电动机 设计 系 ： 电气与信息工程系 专业 ： 电气工程及其自动化 班级 ： 0304 学号 ： 20030120411 学生姓名 ： 胡振华 导师姓名 ： 石安乐老师 完成日期 ： nts变频电动机的研究 诚 信 声 明 本人 声明 ： 1、 本人所呈交的毕业 设计（ 论文 ） 是在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果 ； 2、 据查证，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，毕业设计（论文 ）中不包含其他人已经 公开 发表过的研究成果，也不包含为获得其他教育机构的学位而使用过的材料 ； 3、 我承诺， 本人提交的 毕业设计（论文）中的所有内容均真实、可信。 作者签名： 日期： 年 月 日 nts变频电动机的研究 I 变频电动机的研究 摘 要 ： 本文介绍了变频调速三相异步电动机的电磁设计特点和结构特点，在设计时充分考虑变频器输出电压和电流中所包含一系列的高次谐波给电机性能带来的不利影响，这包括对电机的额定电流、功率因数、损耗及效率的影响，并且实例计算了其影响的程 度。这都为变频调速三相异步电动机的工程设计提供了有力的设计依据。目前，在各大钢铁行业上的主轧机，卷取机及开卷机当中的主拖动电机，几乎全部选用了变频调速电动机。变频调速电动机对电机的各项指标要求都较高，本文通过对一台 7.5kW 低压变频电动机的设计，分析了变频调速电动机的电磁设计特点和结构设计特点，分析了如何选取额定点，如何选取电机的参数来满足机械负载的要求，这对变频电机的工程设计具有一定的参考价值。 关键词 : 三相感应电机 ； 变频调速 ； 设计 nts变频电动机的研究 II The reserch of Variable-Frequency Motors Abstract： In this paper the design and structure characteristics of variable-frequency adjustable-speed three-phase induction motors are introduced. During the design process some unfavorable influence on the performance of motor is fully considered ， such as higher harmonic in the output voltage and current caused by inverter. The influences on rated current, power factor, loss and efficiency are included. Then theextent of such influences is calculated by means of experiments. All of these provide solid basis for engineering design of variable-frequency adjustable-speed three-phase induction motors. At present, the primary driving motors of main rolling machines, curling machines and decoilers in steel&iron industries are mostly variable-frequency adjustable-speed motors. Correspondingly the qualifications of these motors are much stricter. In this paper, we analyzed the electromagnetic and structure design characteristics of a 7.5kW low-voltage variable-frequency motor. During this process problems such as how to select the rated points and how to select parameters of the motor in order to meet the requirements of mechanical load are introduced in detail. All of these give references to engineering design of variable-frequency motor. Key words: three-phase induction motors; Variable-frequency adjustable-speed; design nts变频电动机的研究 - 1 - 第 1 章 绪论 1.1 交流调速技术发展的概况及国内外现状 随着生产技术的不断发展，直流拖动的薄弱环节逐步显示出来，由于换向器的存在，使直流电动机的维护工作量加大，单机容量，最高转速以及使用环境都受到限制，人们转向结构简单，运行可靠，便于维护、价格低廉的异步电动机，但异步电动机的调速性能难以满足生产要求。于是，从 20世 30年代开始，人们就致力于交流调速技术的研究，然而进展缓慢。在相当长时期内，直流调速一直以性能优良领先于交流调速。 60年代以后，特别是 70年代以来。电力电子技术和控制技术的飞速发展，使得交流调 速性能可以与直流调速相媲美。 电气传动控制系统通常由电动机、控制装置和信息装置 3 部分组成。电气传动关系到合理地使用电动机以节约电能和控制机械的运转状态（位置、速度、加速度等），实现电能 -机械能的转换，达到优质、高产、低耗的目的。电气传动分成不调速和调速两大类，调速又分交流调速和直流调速两种方式。不调速电动机直接由电网供电，但随着电力电子技术的发展这类原本不调速的机械越来越多地改用调速传动以节约电能（节约 15% 20%或更多），改善产品质量，提高产量。在我国 60%的发电量是通过电动机消耗的，因此调速春传动是一 个重要行业，一直得到国家重视，目前已有一定规模。 近年来交流调速中最活跃、发展最快的就是变频调速技术。变频调速是交流调速的基础和主干内容。上个世纪变压器的出现使改变电压变得很容易，从而造就了一个庞大的电力行业。长期以来，交流电的频率一直是固定的，变频调速技术的出现使频率变为可以充分利用的资源。 目前，交流调速己前入逐步替代直流调速的时代。交流变频调速的发展状况，基本上可以归纳为以下几个方面： 第一方面，大容量和特大容量上，填补了直流调速传动的空白。由于直流电机具有换向器，它承受的电压有一定的限制 (一般小于 2千伏 )，因此直流电机的功率较小，而交流变频调速异步电机，在容量上可以做得比直流电机大得多。近年来，西门子公司在低速大容量的交一交变频传动方面已取得了突破性的进展。1984年西门子公司向 Dilling钢厂辊宽为 5.5米的轧钢机提供了一套 2X10920千瓦的交一交变频系统。法国的 Alsthom公司制造了用于传动裂化气体压缩 21000kW，nts变频电动机的研究 - 2 - 转速为 5900r/min的交一直一交电流源型变频调速系统于 1984年投入了运行。这是高容量的典例。 第二方面 ，快速的转矩控制，可以得到和直流调速相同甚至更好的静、动态性能。早 期的变频传动转矩响应慢、低速特性差，而引入矢量控制后，调速特性等方面有了很大改善。西门子公司研制的采用稀土材料的矢量控制系统，转速达 3000转 /分，而全速反应时间时间只需 15毫秒。 第三方面，新型全控型开关器件的迅速发展，提高了变频器的性能指标。快速晶闸管的出现，为交流变频调速提供了物质基础，而全新的全控开关器件的不断推出和完善，出现了新一代变频器，为提高交流调速性能指标，缩小变频器体积，降低系统的造价，提高产品的竞争能力提供了有利条件。新型器件的发展趋势是 :在小功率方面，把 PowerMOSFET和它的触发 保护电路集成在一起，构成新的Smart MOSFET;在中型功率方面把 Power MOSFET与 GTR集成一体构成 IGBT(绝缘栅双极晶体管 )，其电压、电流等级已可达 2000V/200A;在大功率方面把 IGBT与 GTO及 Power MOSFET一起构成 IGTO(绝缘控制极 GTO)，其额定值可达 2000V/500A，且克服了 GTO触发功率大， dv/dt低和二次击穿的缺点。 第四方面，可靠性方面得到了提高，能满足某些长期不能停机或对可靠性有特殊要求部门的需要。如浓缩核原料铀的过程，要求传动装置能连续运行数万个小 时而不停机。 随 着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，电气传动技术面临着一场历史革命，即交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。电机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。变频调速以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节间效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。 1.2 变频电动机的概况 1.2.1 通用电动机在使用交流变频器时存在的问题 由于普通交流电动机都是按恒 频 (50Hz)、恒压 (380V)、市电正弦波供电的，而交流变频器一般均为 P能适应变频器供电时的要求。这是因为： 1由于普通电动机在设计中超速 WM型，因此输出中均含有不同程度的高次谐波，因此现用的普通型交流电动机不 能力较弱，一般仅为 120 额定转速，因此变频nts变频电动机的研究 - 3 - 器与普通异步电动机构成的调速系统，变频器允许工作的最高频率约为 62Hz。 2在低频运行时，易发热和输出转矩降低，而且易出现爬行现象。这是因为普通交流电动机是自带风扇型冷却的，当转速降低时，电动机内部的损耗 增加，而同轴风扇的冷却风量与转速的三次方成比例 地减少，因此散热困难，这必将使电动机的温升急剧增加，而使之无法实现恒转矩输出。 3由于目前生产的变频器多为采用 PWM控制方式，其载波频率已由几千赫发展到十几千赫，这就使电动机的定子绕组将承受很高的电压变化率值 (dU dt)，电机绕组的匝间绝缘也随之承受较大的电应力，容易加速电机绕组的老化，对电机的对地绝缘也形成威胁。 4由于目前生产的变频器输出中均有不同程度的谐波分量，这将使电机的损耗增大，从而使电机效率 ( )下降；同样当普通交流电动机运行在变频器输出的非正弦波条件下，其温升也将增加，一般温升的增加值约 为 10 20 。以上几点均说明现用的普通型交流电动机不能适应变频器供电时的要求，这样变频电动机就应运而生。 总的说来， 变频器对 通用 电 动机有以下一些 影响 ： 1、电动机的效率和温升的问题 不论那种形式的变频器，在运行中均产生不同程度的谐波电压和电流，使电动机在非正弦电压、电流下运行。拒资料介绍，以目前普遍使用的正弦波 PWM型变频器为例，其低次谐波基本为零，剩下的比载波频率大一倍左右的高次谐波分量为： 2u+1（ u为调制比）。 高次谐波会引起电动机定子铜耗、转子铜（铝）耗、铁耗及附加损耗的增加，最为 显著的是转子铜（铝）耗。因为异步电动机是以接近于基波频率所对应的同步转速旋转的，因此，高次谐波电压以较大的转差切割转子导条后，便会产生很大的转子损耗。除此之外，还需考虑因集肤效应所产生的附加铜耗。这些损耗都会使电动机额外发热，效率降低，输出功率减小，如将普通三相异步电动机运行于变频器输出的非正弦电源条件下，其温升一般要增加 10%-20%。 2、电动机绝缘强度问题 目前中小型变频器，不少是采用 PWM的控制方式。他的载波频率约为几千到十几千赫，这就使得电动机定子绕组要承受很高的电压上升率，相当于对电动 机施加陡度很大的冲击电压，使电动机的匝间绝缘承受较为严酷的考验。另外，由PWM变频器产生的矩形斩波冲击电压叠加在电动机运行电压上，会对电动机对地nts变频电动机的研究 - 4 - 绝缘构成威胁，对地绝缘在高压的反复冲击下会加速老化。 3、谐波电磁噪声与震动 普通异步电动机采用变频器供电时，会使由电磁、机械、通风等因素所引起的震动和噪声变的更加复杂。变频电源中含有的各次时间谐波与电动机电磁部分的固有空间谐波相互干涉，形成各种电磁激振力。当电磁力波的频率和电动机机体的固有振动频率一致或接近时，将产生共振现象，从而加大噪声。由于电动机工作频 率范围宽，转速变化范围大，各种电磁力波的频率很难避开电动机的各构件的固有震动频率。 4、电动机对频繁启动、制动的适应能力 由于采用变频器供电后，电动机可以在很低的频率和电压下以无冲击电流的方式启动，并可利用变频器所供的各种制动方式进行快速制动，为实现频繁启动和制动创造了条件，因而电动机的机械系统和电磁系统处于循环交变力的作用下，给机械结构和绝缘结构带来疲劳和加速老化问题。 5、低转速时的冷却问题 首先，异步电动机的阻抗不尽理想，当电源频率较底时，电源中高次谐波所引起的损耗较大。其次，普通异步 电动机再转速降低时，冷却风量与转速的三次方成比例减小，致使电动机的低速冷却状况变坏，温升急剧增加，难以实现恒转矩输出。 1.2.2 变频电动机与通用电动机的区别 变频电动机可以很好的克服在使用变频器时通用电动机所遇到的问题，变频电动机具有以下的特点： a能与各类高性能脉宽调制型变频器相配合，而且使用时一般不需配用外接滤波器。 b对电机的电磁负荷考虑了一定的裕度，因此可以既能保证电机在高频时的过载能力，又能在低频运行时仍能保持恒转矩输出。 c考虑到变频器的高电压上升率对电机绕组的冲击，因此对绝缘结构设计时除了采用国际上广为使用的 F级绝缘外，对电机的匝间耐压试验应超过交流电机的国家标准规定。 d为了保证在不同转速下均有较好的冷却效果和保证电机在低频运行时仍能保持恒转矩输出，电机单独装有轴流风扇强迫通风。 e作为一个通用型的系列，其每一功率等级对应的机座号均与 Y系列的普通nts变频电动机的研究 - 5 - 交流电动机相同，安装尺寸也与同机座号的 Y系列电动机相一致。 f电动机后轴端均设计有安装测速发电机或光电编码器的接口，根据用户的要求可方便地安装测速发电机或光电编码器。 在变频电动机的设计过程中，它与普通电动机也有很大的区别，主要表现如下 ： 1、电磁设计 对普通异步电动机来说，再设计时主要考虑的性能参数是过载能力、启动性能、效率和功率因数。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 1时直接启动，因此，过载能力和启动性能不在需要过多考虑，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。方式一般如下： 1） 尽可能的减小定子和转子电阻。 减小定子电阻即可降低基波铜耗，以弥补高次谐波引起的铜耗增 2）为抑制电流中的高次谐波，需适当增加电动机的电感。但转子槽漏抗较大其集肤效应也大，高次谐波铜耗也增大 。因此，电动机漏抗的大小要兼顾到整个调速范围内阻抗匹配的合理性。 3）变频电动机的主磁路一般设计成不饱和状态，一是考虑高次谐波会加深磁路饱和，二是考虑在低频时，为了提高输出转矩而适当提高变频器的输出电压。 2、结构设计 再结构设计时，主要也是考虑非正弦电源特性对变频电机的绝缘结构、振动、噪声冷却方式等方面的影响，一般注意以下问题： 1）绝缘等级，一般为 F级或更高，加强对地绝缘和线匝绝缘强度，特别要考虑绝缘耐冲击电压的能力。 2）对电机的振动、噪声问题，要充分考虑电动机构件及整体的刚性，尽 力提高其固有频率，以避开与各次力波产生共振现象。 3）冷却方式：一般采用强迫通风冷却，即主电机散热风扇采用独立的电机驱动。 4）防止轴电流措施，对容量超过 160KW电动机应采用轴承绝缘措施。主要是易产生磁路不对称，也会产生轴电流，当其他高频分量所产生的电流结合一起作用时，轴电流将大为增加，从而导致轴承损坏，所以一般要采取绝缘措施。 5）对恒功率变频电动机，当转速超过 3000/min时，应采用耐高温的特殊润nts变频电动机的研究 - 6 - 滑脂，以补偿轴承的温度升高。 1.3 本课题所 要做的工作 三相异步电动机变频调速传动与直流电 动机调速传动相比具有下列优点 (1)单机容量不受限制 ;(2)体积小、重量轻、占地面积小 ;(3)转动惯量小 :(4)动态响应好 ;(5)维护简单 ;(6)节约能源。三相异步电动机变频调速传动的主要目的是 ： (1)节能 ;(2)实现高精度的速度转矩控制 ;(3)实现高速传动。 正是由于三相异步电动机变频调速传动具有上述优点，美、日、德等国除对电力半导体元件、逆变回路控制系统等技术进行大量研究外，还开发和改进了变频器供电三相异步电动机的设计、制造技术，特别是对变频器和异步电动机组合后的系统性能越来越重视。为了使电动机与变 频器特性相匹配，必须对变频电动机的理论、设计、制造及试验的成套技术进行充分的研究。 目前我国各电机厂普遍不具有变频器供电三相异步电动机的设计技术，现行设计中，仍沿用原有工频供电电机的等效模型和设计方法，对如何提高变频器和 异步电动机组合后的系统性能的有关技术更 亟 待解决。现有设计计算方法己不能满足实际设计的需要。变频电动机的设计技术的落后己制约了我国交流变频调速技术的发展 .因此急需研制适合变频器供电的三相异步电动机。由于近年来国内外电力半导体器件性能价格比的提高，采用三相异步电动机进行变频调速的经济效益显著。 同时，此研究项目的推广将极大促进我国电机制造厂的技术改造及电机产品的更新换代，因而有极大的社会效益。特别是在热电厂和火力发电厂中给水泵、引 (送 )风机和灰浆泵等耗电多的自用机械，配用变频器供电的三相异步电动机实行变频调速节电潜力很大。国外的一项调查分析表明，用可调速电气传动装置代替传统的无调节电气传动装置时，泵可节能 25%,风机可节能 30%。在俄罗斯热电厂中， 200MW机组的 1000kW风机采用可调速电气传动装置，每年可节电61.5 10 kWh。美国一些电站实际运行资料 标明，对于容量为 1600kW的变频调速系统，每年可节约电费 242000美元。例如，美国 Ft Churchill厂， 110MW机组用 2000HP 4000V的 ASD (Adjustable SpeedDriver)对 1750HP锅炉给水泵进行变速传动，将锅炉压力由 1890psi减小到 75psig，把电厂最小负荷由 16MW降低到 12MW。仅此每年就节约燃料 800000美元，此外泵功率由 815kW降到 275kW，每年又可节约 242000美元，再加上泵可调速运行的年节能 558000美元，一年共可节省 160万美元。我国应用可调速 电气传动节能的潜力也非常大，例如 新疆钢铁公司焦化厂对一台 nts变频电动机的研究 - 7 - 100kW给煤气冷却塔供冷却循环水泵进行改造，选用变频调速供水，节电率 6.7%，效果非常显著。我国最大的制药厂东北制药厂的鼓风机上使用变频调速，替代原来麻烦的调节挡板的方法，节电 42%，操作方便，很受欢迎。对于所设计的变频调速电动机，应充分考虑变频器供电对其性能的影响，从而采取相应的对策，本课题研究的目的在于通过分析变频器输出电压或电流 的非正弦对电动机性能及结构的影响 ，从而为变频电机的工程设计提供了理论上和试验上的依据。 本论文研究 课题 为变频电动机的研究 本课题的研究内容主要包括以下三个方面 : 1. 分析变频器的原理； 讨论变频器供电中电压或电流存在的一系列高次谐 波；分析这些电压或电流谐波对电机损耗、效率、功率因数的影响 。 2. 分析变频电动机的设计特点，考虑变频器供电中一系列高次谐波的影响，对变频电机进行优化设计。 3. 对一台 7.5kw 的变频电动机进行电磁设计程序分析。 nts第 2 章 变频器的原理 2.1 变频器的构成 如图所示为通用变频器的结构原理，通用变频器把工频电流（ 50HZ 或 60HZ）变换成各种频率的交流电流，以实现电机 的变速运行。变频器主要由主电路和控制电路构成，主电路包括整流电路（工频电源的交流电变成直流电且对直流电 进行平滑滤波）和逆变电路（直流电变换成各种频率的交流电）两部分。 对于通用变频器单元，变频器一般是指包括整流电路和逆变电路部分的装置。 变频器 图 2.1 变频器的构成 对于 三相方波型交 交变频器 ， 三相交流电源从输 入端输入后 ，通过对 各个组的晶闸管进行适当的控制可以使三相输入的交流电源经过整流后，再逆变 成 与原电源频率不同的交流电源，从而实现对电动机的变频驱动与原电源频率不同的交流电源， 再利用逆变成的各个频率的交流电对电机进行供电， 从而实现对电动机的变频驱动。 变频器控制方式主 要有 以下几种方式。 （ 1）恒压频比控制方式：它根据异步电机等效电路确定的线性 constfU /进行变频调速。其特点是 :控制电路结构简单、成本较低。电压是指基波的有效值，改变 U/f只能调节电动机的稳态磁通和转矩，而不能进行动态控制。控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高。 （ 2）矢量控制 方式（ VC控制）：交流传动控制理论及实践终于在 70年代取主电路 控制电路 整流电路 逆变电路 AC电源 电机 nts变频电动机的研究 - 9 - 得了突破性的进展，即出现了矢量控制技术。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度、磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，以转子磁通定向，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。这样，通过坐标变换重建的电动机模型就可以等效为一台直流电动机 4。 矢量控制的控制方法实现了异步电机磁通和转矩的解耦控制，使交流传动系统的动态特性得到了显著的改善，开创了交流传动的新纪元。然而，在实际系统中，由于转子磁链难以准确观 测，以及矢量旋转变换的复杂性，使得实际的控制效果不如理论分析的好。这是矢量控制技术在实践上的不足之处。交流传动领域的专家学者也都针对矢量控制上的缺陷做过许多研究，诸如进行参数辨识 (或补偿 )以及使用状态观测器等现代控制理论，但是这些方案的引入使系统更加复杂，控制的实时性和可靠性降低了 6。 类型 比较项目 交 -直交变频器 交 -交变频器 换能方式 两次 换能，效率略低 一次换能，效率较高 晶闸管换相方式 强迫 换相 或负载换 相 电网电压换相 所用器件数量 较少 较多 调频范围 频率 调节范围宽 一般情况下，输出最高频率为电源频率的 1/3-1/2 电网功率因数 采用可控整流器调节。低频低压时功率因数较低，采用斩波器或 PWM方式调压，功率因数高 较低 适用范围 可用于各种电力拖动装置，稳频稳压电源和不间断电源 适用于低速大功率拖动 表 1交一直一交变频器与交一交变频器主要特点比较 2.2 变频器的分类及其基本特点比较 1） 交 -直交变频器与交 -交变频器 nts变频电动机的研究 - 10 - 交流变频调速系统中的变频器按其结构型式可划分为交一直一交变频器和交一交变频器两类。交一直一交变频器先将电网的工频交流电整流成直流电， 再将此直流电逆变成频率可调的交流电。因此又称之为间接变频器如图 2.3（ a）所示。调频功能由逆变器实现，调压功能视其实现环节不同，又对应有不同的结构形式。交一交变频器是将电网的工频交流电直接变成电压和频率都可调的交流电，无需中间直流环节，故又称为直接变频器，如图 2.3（ b） 所示。交一直一交变频器与交一交变频器主要特点比较见表 1 AC AC DC (a) 交 -直交变频器 AC AC (b) 交 -交变频器 图 2.3交 -直交变频器与交 -交变频器 2）电压型变频器与电流型变频器 变频器按电源性质又可划分为电压型变频器和电流型变频器两类。电压型变频器又称电压源变频器具有电压源特性。电压型交一直一交变频器如图 2.4(a)所示，中间直流环节主要采用大电容滤波，这使中间直流电源近似恒压源具有低阻抗。电流型变频器又称电流源变频器，具有电流源特征。电流型交一直一交变频器如图 2.4(b)所示，中间直流环节采用大容量电感。由于串联大电感滤波，使中间直流电源近似恒流源。由逆变 器向负载输出的交流电流为不受负载性质影响的矩形波。 整流器 逆变器 变额器 nts变频电动机的研究 - 11 - cd AC AC Ud (a) 电压型 交一直一交 变频器 Ld AC AC AC Ud (b) 电流型 交一直一交 变频器 图 2.4 电压型与电流型交 -直 -交变频器 AC AC (a) 电压型交 -交变频器 AC AC (b)交 -交变频器 图 2.5 电压型与电流型交 -交变频器 电压型交一交变频器如图 2.5（ a） 所示，图中并没有接入滤波电容器但供电整流器 逆变器 整流器 逆变器 正组变流器 负组变流器 负载 正组变流器 负组变流器 负载 nts变频电动机的研究 - 12 - 电网相对于负载具有低阻抗，也具有电压源性质。电流型交一交变频器如图 2.5（ b） 所示。两组变流器都经过很大的波电感与电网相连，强制输出电流为矩形波，从而具有电流源性质。电压型与电流型交一直一交变频器主要特点比较见表2所示： 类型 比较项目 电压型交 -交变频器 电流型交 -交变频器 直流回路滤波环节 电容器 电抗器 输出电压波形 矩形波 决定于负载，对异步电动机负载近似为正弦波 输出电流波形 决定于负载功率因数有较大的谐波分量 矩形波 输出阻抗 大 小 回馈制动 须在电源侧反井联逆变器 主电路不需附加设备 调速动态响应 较慢 快 对晶闸管的要求 关断时间要短，对耐矿井要求一般较低 耐压高，对关断时间无特殊要求 适用范围 电机拖动，稳频稳压电源 单电机拖动，可逆拖动 表 2 电压型与电流型交一直一交变频器主要特点比较 2.3 变 频器的特性 2.3.1变频器的额定值和频率指标 1输入侧的额定值 主要是电压和相数。在我国，中小容量变频器中，输入电压的额定值有以下几种 (均为线电压 )： (1)380V， 3相 这是绝大多数。 (2)220V， 3相 主要用于某些进口设备中。 (3)220V，单相 主要用于家用小容量变频器中。 此外，对输入侧电源电压的频率也都作了规定，通常都是工频 50Hz 或60Hz。 2输出侧的额定值 nts变频电动机的研究 - 13 - (1)输出电压nU变频 器在变频的同时也要变压，所以输出电压的额定值是指输出电压中的最大值。在大多数情况下，它就是输出频率等于电动机额定频率时的输出电压值。通常，输出电压的额定值总是和输入电压相等的。 (2)输出电流NI是指允许长时间输出的最大电流，是用户在选择变频器时的主要依据。 (3)输出容量nSnS取决于nU和nI的乘积。 3S U In n n 3. 频率指标 (1)频率范围 即变频器输出的最高频率和最低频率。各种变频器规定的频率范围不尽相同。通常最低工作频率约为 0.11hz；最高频率约为 200500hz (2)频率精度 指变频器输出频率的准确程度。由变频器的实际输出频率与给定频率之间的最大误差与最高工作频率之比的百分数来表示。 (3)频率分辨率 指输出频率的最小改变量，即每相邻两档频率之间的最小差值。例如： 当工作频率为 f=25hz时，如频率器的分辨率为 0.01hz，则上一挡 的最小频率为 ( 2 5 0 . 0 1 ) 2 5 . 0 1f H z H z 2.3.2工作频率的给定 对于变频器的给定频率和输出频率的概念有必要做如下的区分： 给定频率 与给定信号对应的频率。给定信号不变：；给定频率也不变。 输出频率 变频器实际输出的频率。在转差补偿控制和矢量控制时，为了使拖动系统的转速保持恒定，变频器的输出频率是随着负载的变化而经常被调整的，因而是经常变动的、不固定的。 2.3.2.1 频率的给定 方法 1面板给定 利用面板上键盘的数字增加键 (键 )和数字减小键 (V 键 )来进行频率的数字量给定和调整。早期的变频器是用面板上的电位器来进行模拟量给定和调整的，故无键盘。 2预置给定 通过程序预置的方法预置给定频率。起动时，按运行键 (RUN或 FWD 或 REV 键 )，变频器即自行升速至预置的给定额率为止。 3外接给定 从控制接线端上，引入外部的电压或电流信号，进行频率给定。这种方法常用于远程控制的情况下。 nts变频电动机的研究 - 14 - 2.3.2.2 变频器的外接给定配置 所有的变频器都为用户提供了可以进行外接给定的 控制信号输入端。以 FR-E500系列变频器为例，其接线情况如图 2.6所示。 今说明如下： 1外接电压给定信号端 (VRF-GND) 当外接给定信号是电压信号时，将外接信号线接到此接线端上。不同的频率器对外接电给定信号的规定也不相同。主要有以下几种： 010v： 05v等几种。外接电压给定信号又有两种给定方式： A 直接输入电压信号，通常用于和计算机或其他控制装置配用的情况。 B 利用变频器的内部控制电压，由外接电位器取出电压给定信 号。 2外接电流给定信号端 (IRF-GND) 当外接给定信号为电流信号时，将外接信号线接到此接线端。电流给定信号由于不受线路电压降，接触电阻极其压降，杂散的热电效应以及感应噪声等的影响，具有较强的抗干扰能力。所以在控制距离较远时，采用电流给定方式为好。 电流给定信号的取值范围通常时 4-20mA，这是为了区分零信号和无信号。 零信号：信号的大小为“零” 信号的最小值。 无信号：因系统处于未工作状态或故障状态而没有信号（电流为 0） 2.3.2.3 外接电位器的选择 各种变频器的说明书上对外接电位器 的阻值和瓦数都有规定。但用户一时 图 2.6 变频器的给定信号端 nts变频电动机的研究 - 15 - 买不到与说明书要求相符的电位器的情况时有发生，于是就提出了现有电位器能否代用的问题。 对于代用电位器，大体上应遵循以下几条原则： (1)阻值只可增大而不宜减小。因为阻值小了，将增加变频器内部控制电源的电流。在不了解变频器内部电路的情况下，应尽量避免这种情况。 (2)阻值太大，电位器取用的电流太小，在控制距离较远时，会使抗干扰能力变差。此外，也有一个和变频器内部电路的匹配问题，故电位器的阻值一般以不大于 10k为宜。 (3)由于外接电位器在工作过程中调节比较频繁，必须考虑其 内部触点的耐磨性，故电位器的瓦数宜大不宜小。一般应按实际消耗功率的 10倍以上来选择。例如，电源电压为 10V、电位器阻值为 2k，则电位器消耗的功率为2 1 20P U R w，应选电位器的功率为 1/2 以上的。 此外，如果现有电位器的阻值小于说明书的规定值时，则可使电位器串联一个附加电阻aR，使 (a RPRR)大于规定值即可。具体 接法如图 2.7。 但在这种情况下，必须对频率增益进行正确设定，使电 位器旋至最大位置时，能够得到所需要的最高频率。 2.3.3 外接控制的电路结构 1. 变频器的外接输入电路 如图所示，外部的控制信号通常是由开关来传递的。控制开关的通，短信息，通过变频器的输入电路的光耦合器而传递到内部的控制电路中。 2. 外接输入开关的结构 外接输入开关可以是有触点的，如 继电器、按钮、行程开关等；也可以是无触点的开关电路 ,如 :接近开关、可编程序控制器 (PLC图 2.7 电位器和附加电阻串联 nts变频电动机的研究 - 16 - 等的输出电路。无触点开关电路总是有自己的电源的，于是又有两种情形： (1) 无触点开关电路的输出级为光耦合器，其电源和变频器内部控制电路的电源间互相隔离，如图 2.8 所示。 2)无触点开关电路的输出级为晶体管，从而其输出电路和变频器的输入电路间不可能完全隔离。 如图 2.9 所示。 2.3.4 变频器的谐波干扰及其对电机运行的影响 变频器的输入和输出电流中，都含有很多谐波成分。除上述的能构成电源无功损耗的较低次谐波外，也还有许多频率很 高的谐波成分。它们将以各种方式把自己的能量传播出去，形成对其他设备的干扰信号。干扰信号的传播方式主要有以下几种： (1)空中辐射方式 即以电磁波的方式向外辐射。 (2)电磁感应方式 即通过线间电感而感应。 (3)静电感应方式 即通过线间电容而感应。 当变频调速系统的容量足够大时，所产生的高频，信号将足以对周围各种电子设备的工作形成干扰，其主要后果有： (1)影响无线电设备的正常接收。 (2)影响周围机器设备的正常工作，使它们因接收错误信号而产生误动作，或因影响传感器电路的检测而引起错误判断。 图 2.8 输入控制信号电路 图 2.9无触点开关电源和变频控制电源的隔离 nts变频电动机的研究 - 17 - 第 3 章变频器电源谐波对电机运行性能的影响 随着近代交流调速技术的广泛应用，采用电力半导体变频器供电的交流电 机越来越多。由于变频器的输出电压和电流中包含一系列的高次谐波，将给电 机的性能带来许多不利的影响。 3.1 电源谐波分量的确定 电源谐波分量与变频器的类型，电机绕组的接线方式以及电机的运行状态等因素有关。下面以目前广泛采用的几种典型的变频器供电方式为例，分析供电电源中可能存在的电压和电流谐波分量。 3.1.1脉宽调制逆变器供电 1. 电压源 PWM 逆变器电压源 PWM 逆变器的脉宽调制方法种类很多，通常采用的是等腰三角形调制方法。为了使逆变器的输出电压接近正弦波，一般采用一个基准正弦波电压与等腰三角形调制信号进行比较，以获得一系列脉宽不等的电压脉冲，如图 3.1 所示。三角波与基准正弦波的频率之比 N 称为载波比，而基准正弦波的幅值 A5 与等腰三角波幅值 At 之比称为调幅比， * /A A As s t 。图 3.1所示为载波比 N=7、调幅比 *As =0.8 时的脉宽调制波形。图 3.1（ b）中逆变器输出电压Au为奇函数，可以展成正弦级数 s i n ( )1A k w tb kku (3-1) 其中 2 s i n ( ) ( )0 k w t d w tb k (3-2) Au可以看成一个在 0 区间内 Ud与脉冲个数为 i 幅值为 -2Ud而宽度不等的脉冲序列相叠加。由于载波比 N一般为奇数，故 i= (N-1) /2，而脉冲的宽度 分别为 _ _ _a a a a a a2 1 ; 4 3 ; 2 i 2 i - 1K。因此，式 (3-2)可表示为 : 2 a 2 s i n ( ) ( ) 2 s i n ( ) ( )0a 1k w t d w t k w t d w tbUkd nts变频电动机的研究 - 18 - aa4 2 is i n ( ) ( ) s i n ( ) ( ) 3 2 i - 1k w t d w t k w t d w t K4 1 ( c o s c o s ) aa2 j - 1 2 j1i kku dk j (3-3) 图 3.1等腰三角形脉宽调制电压波形 如果输出电压用标么值表示，取 */ ( 4 / )u u uA A d ，将式 (3-3)代入式 (3-1)后可得 1* 1 ( c o s c o s ) s i naa2 j - 1 2 j11i k k k w tu Akkj （ 3-4） 其中第 k次 谐波电压幅值的标么值1* / ( 4 / ) 1 ( c o s c o s ) aa2 j - 1 2 j1iu kkb dkb k k j （ 3-5） 如果已知载波比 N及调幅比 *As ， 21a j ， 和a2j，的求法如图 3.2所示 。 本例中 N=7，则 i=(N一 1)/2=3，需要求 6个 a值。nts变频电动机的研究 - 19 - 图 3-2调制脉宽的确定 由图 3.2可得下述关系式 : /a 1* s i na 1 / ( 2 )NAs N / 3 / ( 2 )a 1NN 2/ a 2* s i na 2 / ( 2 )NAs N 3 / ( 2 ) 2 /a 2NN 3/a 3* s i na 3 / ( 2 )NAs N 3 / 7 / ( 2 )a 3NN 写成一般表达式则有 * s i n ( 2 1 ) / / / ( 2 )aa2 j - 1 2 j - 1 j N NA s (3-6) * s i n / / / ( 2 ) a a a2 j 2 j 2 jNNA s (3-7) 其中 j=1, 2， j 根据给定调幅比 *As 值，由式 (3-6)和 (3-7)直接解出a2j和a2j-1值比较 困难，但可以采用相反的办法，先假定a2j和a2j-1值，用式 (3-6)和 (3-7)求 出相应的 *5A 值。对应于一系列a2j和a2j-1值，可求得 * ()2fA s a j和 * ()21fA s a j 函 数曲线，然后再由值 *As 查取对应的a2j和a2j-1值，最后由式 (3-5)求出电压中 的 k次谐波分量。图 3-3给出了 N=7时的 * *()fb Ask 函数曲线。 nts变频电动机的研究 - 20 - 图 3-3 载波比 N=7时谐波幅值 由图 3-2可看出，当调幅比较小时，次数等于载波比 N的谐波分量较大甚 至可以大大超过基波分量 QN次谐波分量随着调幅比的增大而减小，但其他次谐 波 (3, 5次等 )分量将增大由图中曲线看出，对于 N=7的情况，取 *As =1. 4较 好，此时各次谐波分量相对于基波幅值较小。当 *As 1.6时，基准正弦波与三角 波没有交 点 ，输出电压变为矩形波，其 k次谐波分量标么值将为 1bk k显然 PWM型逆变器输出电压谐波分量 *bk 与调幅 *As 的关系曲线与载波比 N 有关。增大 N值可提高输出电压中具有较大幅值的谐波分量次数。 2. 电流源 PWM逆变器电流源逆变器应用比较广泛，然而，该种类型逆变器输出电流中的 5次和 7次谐波分量较大，所产生的低频脉振转矩可能对负载 电机的运行造成威胁。 因此，为了减小低速时的转矩脉动，增大逆变器输出电流中的基波分量， 6P-CSI在低频供电时常常采用 电流脉宽调制方式，其输出相电流波形如图 3.4 所示。 nts变频电动机的研究 - 21 - 图 3.4电流源 PWM逆变器输出相电流的一种波形 图 3.4所示电流源 PWM逆变器输出相电流中谐波分量的求法与上述电压 源 PWM逆变器输出相电压中谐波电压分量的计算方法相类似，但需对式 (3-5) 作相应地修改。电流源 PWM逆变器输出相电流中 k次谐波分量的幅值以标么值 表示 1* ( 4 / ) ( c o s c o s )aa2 j - 1 2 j2 1i kkbk b I dk k j (3-8) 在此电流基值取 4/Id ， Id 为逆变器直流侧电流值。 如果己知电流脉宽调制方式，便可计算出决定电流脉冲宽度的 a1,a2 等 角度，从而由式 (3-8)可计算出各次谐波电流的标么值。以图 2-4所 示的电流波 形为例，假定在 0 /6 和 2 / 3 范围内，电流脉宽比为 1： 2： 3，而间隙 比为 3： 2： 1，则相应的角度 / 1 2 , / 9 , / 6 , 2 / 9 , / 4 ,a a a a a1 2 3 4 5 aa6 10 可根据对称关系由 aa15 求得。将 aa1 10 值代入式 (3-8)便可求出各 次电流谐波的标么值，如表 3-1所示。为了便于比较，表中还给出了 120 导通 型6P-CSI输出相电流谐波分量的标么值，两种逆变器取了相同的电流基值 4/dI 。通过比较可以看出， PWM型逆变器与 6P-CSI的基波电流分量相近， 而各次谐波分量却相差甚远。 6P-CSI的最大谐波电流是 5次和 7次，而 PWM型逆变器的最大谐波是 17, 19, 23和 25次。由此可知，采用电流脉宽调制后，总的谐波分量并未减小，甚至有所增加，但是可将幅值最大的谐波次数提高 (本例中，由 5, 7次提高到17, 19, 23和 25次 )。这对于消除电机的低频转矩脉 动还是很有作用的。 nts变频电动机的研究 - 22 - 表 3-1脉宽调制型与六脉冲型电流源逆变器输出相电流谐波分量比较 3.2 电源谐波对电机电流与功率因数的影响 一般说来，电源中的谐波电压电流将使电机的电流增大和无功分量增加，相应地使电机的功率因数有所降低。
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