YVFOOL-型三相交流变频电动机设计与结构分析毕业论文.doc

YVFOOL-型三相交流变频电动机设计与结构分析毕业论文目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 本课题的提出和意义11.2 本课题的主要任务2第2章 变频调速系统的基本原理32.1 交流调速技术的类别32.1.1变极对数调速方法32.1.2串级调速方法32.1.3变频调速方法42.1.4转子串电阻调速方法42.1.5定子调压调速方法42.1.6电磁调速电动机调速方法42.1.7液力耦合器调速方法52.2 变频调速的基本原理52.2.1变频器的基本原理52.2.2变频器控制策略和调速控制方式72.2.3交流变频调速系统的原理及特点82.3 变频调速系统的应用范围10第3章 变频调速异步电动机的特点123.1 变频器供电的异步电动机的机械特性123.1.1恒电压/频率比控制时的机械特性123.1.2最大转矩保持恒定的控制方式133.1.3输出功率保持恒定的控制方式153.2 谐波对电机损耗和效率的影响173.2.1附加铜损耗173.2.2附加铁损耗183.2.3附加杂散损耗193.2.4谐波对电机效率的影响193.3 变频调速异步电动机的设计特点203.3.1变频电源供电情况下电动机应用所面临的问题203.3.2电磁设计213.3.3结构设计223.3.4变频调速电动机的设计特点223.4 变频调速异步电动机的应用范围23第4章 1.5KW变频调速电动机的电磁设计244.1 概述244.2 电磁方案设计264.2.1频率为50Hz时的电磁设计方案264.2.2其他频率时电磁参数的比较424.3 电磁设计中的某些特殊考虑47结束语50参考文献51致 谢52第1章 绪论在工业、农业、交通运输、国防军事设施以及日常生活中广泛地应用着电机传动。其中许多机械有调速的要求：如车辆、电梯、机床、造纸机械、纺织机械等等，为了满足运行、生产、工艺的要求需要调速；另一类设备如风机，水泵等为了减少运行损耗，节约电能也需要调速。但是直流电动机本身在结构上存在严重的问题，以及对环境的要求也高和维护检修不便的问题。所以采用交流电动机调速，因为它结构简单，制造方便，价格低廉，而且坚固耐用，惯量小，运行可靠，很少需要维护，可用于恶劣环境。上世纪20年代，人们认识到变频调速是交流电动机的一种最好调速方法。它既能在宽广的范围内实现无级调速，而且可以获得良好的超动和运行特性。1.1 本课题的提出和意义近年来，随着各种技术迅速发展，交流调速取代直流调速和计算机数字控制取代模拟控制已成为发展趋势!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不断恶化的环境，推动技术进步的一种主要手段! 因此研究变频调速技术对于能源利用和我国的工业节能有重要意义! 变频调速技术主要向着两个方向发展：一是实现高功率因数、高效率、无谐波干扰，研制具有良好电磁兼容性能的“绿色电器”；二是向变频器应用的深度和广度发展!随着变流器应用领域深度和广度的不断开拓，变频调速技术将越来越清楚地展示它在一个国家国民经济中的重要性! 可以预料，现代控制理论和人工智能技术在变频调速技术中的应用和推广，将赋予它更强的生命力和更高的技术含量!其发展方向具体有如下几项：(1)实现高水平的控制；(2)开发清洁电能的变流器；(3)缩小装置的尺寸；(4)高速度的数字控制；(5)模拟与计算机辅助设计CAD技术。在我国为实现2010年奋斗目标而必须进行结构调整、实现经济增长方式转变中，节能降耗是实现少投入、高效益的重要途径。因此，必须把推进变频调速等高效节电技术作为今后节能工作的重点之一，花大力气，加大推广运用工作力度。同时，也要看到变频调速器在我国巨大市场潜力。要把变频器的开发、推广、应用、产业化发展作为新的经济增长点来培育。从国外情况看，变频器生产已成为一些国家的先导产业。而我国这方面的基础还很薄弱，我们有理由认为：推进我国变频器产业化是国民经济持续发展的一个有力推动点，必将带动和促进相关产业共同发展。交流调速传动的客观发展趋势已表明，它完全可以和直流传动相媲美、相抗衡，并有取代的趋势。变频器技术是一门综合性的技术。它建立在控制技术、电子电力技术、微电子技术和计算机技术的基础上。它与传统的交流拖动系统相比,利用变频器对交流电动机进行调速控制,有许多优点,如节电,容易实现对现有电动机的调速控制,可以实现大范围内的高效连续调速控制,容易实现电动机的正反转切换,可以进行高频度的起停运转,可以进行电气制动,可以对电动机进行高速驱动,可以适应各种环境,可以用一台变频器对多台电动机进行调速控制,电源功率因素大,所需容量小,可以组成高性能的控制系统等。近十多年来，中国政府致力于推广电动机调速技术，各行各业都在一定程度上采用了电动机调速。据石油、电力、建材、钢铁、有色、煤炭、化工、造纸、纺织等部门最近对企业抽样调查结果，石油、建材、化工行业电动机调速应用较好。在目前4亿kW的电机负载中，约有50%是负载变动的，其中的51%可以通过电机调速解决其负载变动问题。因此仅就目前的市场容量考虑，约有6000万kW的调速电机市场。根据以上内容可以了解，交流调速电机对提高电气传动系统的运行性能和节约能源具有重要意义。因此，进行三相交流调速电动机的设计与研究是非常必要的。交流电机调速作为节约能源的一个重要手段，理应受到足够的重视。变频调速以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，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。深入了解交流传动与控制技术的走向，具有十分积极的意义1.2 本课题的主要任务简单的叙述了交流变频调速电动机的意义。分析了各种交流调速方法，得出变频调速是目前最理想的交流调速方法的结论。介绍了交流变频调速系统的基本原理、构成，其中包括变频器的工作原理，变频器控制策略和调速控制方式和交流变频调速系统的特点。分析变频器供电时的异步电动机的机械特性、变频电源中的谐波成分对电机的影响和变频调速异步电动机的设计特点。探讨了适合变频调速系统的电机电磁设计的主要尺寸公式。最后探讨了变频调速电动机设计方法及不同频率时的参数变化。第2章 变频调速系统的基本原理在生产机械中广泛使用不改变同步转速的调速方法有绕线式电动机的转子串电阻调速、斩波调速、串级调速以及应用电磁转差离合器、液力偶合器、油膜离合器等调速方法。还有改变定子电压、频率的变频调速。2.1 交流调速技术的类别三相异步电动机转速公式为： n=60f/p(1-s) （2-1）从上式可见，改变供电频率f、电动机的极对数p及转差率s均可达到改变转速的目的。2.1.1变极对数调速方法这种调速方法是用改变定子绕组的连接方式来改变笼型电动机定子极对数达到调速目的，特点如下： 1）具有较硬的机械特性，稳定性良好；2）无转差损耗，效率高；3）接线简单、控制方便、价格低； 4）有级调速，级差较大，不能获得平滑调速；5）可以与调压调速、电磁转差离合器配合使用，获得较高效率的平滑调速特性。 本方法适用于不需要无级调速的生产机械，如金属切削机床、升降机、起重设备、风机、水泵等。 2.1.2串级调速方法串级调速是指绕线式电动机转子回路中串入可调节的附加电势来改变电动机的转差，达到调速的目的。大部分转差功率被串入的附加电势所吸收，再利用产生附加的装置，把吸收的转差功率返回电网或转换能量加以利用。根据转差功率吸收利用方式，串级调速可分为电机串级调速、机械串级调速及晶闸管串级调速形式，多采用晶闸管串级调速，其特点为： 1）可将调速过程中的转差损耗回馈到电网或生产机械上，效率较高； 2）装置容量与调速范围成正比，投资省，适用于调速范围在额定转速7090的 生产机械上；3）调速装置故障时可以切换至全速运行，避免停产； 4）晶闸管串级调速功率因数偏低，谐波影响较大。 本方法适合于风机、水泵及轧钢机、矿井提升机、挤压机上使用。 2.1.3变频调速方法变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交流直流交流变频器和交流交流变频器两大类，目前国内大都使用交直交变频器。其特点： 1）效率高，调速过程中没有附加损耗； 2）应用范围广，可用于笼型异步电动机； 3）调速范围大，特性硬，精度高； 4）技术复杂，造价高，维护检修困难。 本方法适用于要求精度高、调速性能较好场合。 2.1.4转子串电阻调速方法绕线式异步电动机转子串入附加电阻，使电动机的转差率加大，电动机在较低的转速下运行。串入的电阻越大，电动机的转速越低。此方法设备简单，控制方便，但转差功率以发热的形式消耗在电阻上。属有级调速，机械特性较软。2.1.5定子调压调速方法当改变电动机的定子电压时，可以得到一组不同的机械特性曲线，从而获得不同转速。由于电动机的转矩与电压平方成正比，因此最大转矩下降很多，其调速范围较小，使一般笼型电动机难以应用。为了扩大调速范围，调压调速应采用转子电阻值大的笼型电动机，如专供调压调速用的力矩电动机，或者在绕线式电动机上串联频敏电阻。为了扩大稳定运行范围，当调速在2：1以上的场合应采用反馈控制以达到自动调节转速目的。调压调速的主要装置是一个能提供电压变化的电源，目前常用的调压方式有串联饱和电抗器、自耦变压器以及晶闸管调压等几种。晶闸管调压方式为最佳。调压调速的特点： 1）调压调速线路简单，易实现自动控制； 2）调压过程中转差功率以发热形式消耗在转子电阻中，效率较低。 2.1.6电磁调速电动机调速方法电磁调速电动机由笼型电动机、电磁转差离合器和直流励磁电源（控制器）三部分组成。直流励磁电源功率较小，通常由单相半波或全波晶闸管整流器组成，改变晶闸管的导通角，可以改变励磁电流的大小。电磁转差离合器由电枢、磁极和励磁绕组三部分组成。电枢和后者没有机械联系，都能自由转动。电枢与电动机转子同轴联接称主动部分，由电动机带动；磁极用联轴节与负载轴对接称从动部分。当电枢与磁极均为静止时，如励磁绕组通以直流，则沿气隙圆周表面将形成若干对N、S极性交替的磁极，其磁通经过电枢。当电枢随拖动电动机旋转时，由于电枢与磁极间相对运动，因而使电枢感应产生涡流，此涡流与磁通相互作用产生转矩，带动有磁极的转子按同一方向旋转，但其转速恒低于电枢的转速，变动转差离合器的直流励磁电流，便可改变离合器的输出转矩和转速。电磁调速电动机的调速特点： 1）装置结构及控制线路简单、运行可靠、维修方便； 2）调速平滑、无级调速； 3）对电网无谐影响； 4）速度失大、效率低。 本方法适用于中、小功率，要求平滑动、短时低速运行的生产机械。2.1.7液力耦合器调速方法 液力耦合器是一种液力传动装置，一般由泵轮和涡轮组成，它们统称工作轮，放在密封壳体中。壳中充入一定量的工作液体，当泵轮在原动机带动下旋转时，处于其中的液体受叶片推动而旋转，在离心力作用下沿着泵轮外环进入涡轮时，就在同一转向上给涡轮叶片以推力，使其带动生产机械运转。液力耦合器的动力转输能力与壳内相对充液量的大小是一致的。在工作过程中，改变充液率就可以改变耦合器的涡轮转速，作到无级调速，其特点为： 1）功率适应范围大，可满足从几十千瓦至数千千瓦不同功率的需要； 2）结构简单，工作可靠，使用及维修方便，且造价低； 3）尺寸小，容量大； 4）控制调节方便，容易实现自动控制。 本方法适用于风机、水泵的调速。 现在变频调速产业逐渐壮大，是主流的调速方式。2.2 变频调速的基本原理变频调速方法：是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。2.2.1变频器的基本原理（1） 变频器的内部结构 变频器实际上就是一个逆变器。它首先是将交流电变为直流电。然后用电子元件对直流电进行开关。之后将直流电逆变成交流电。一般功率较大的变频器用可控硅。并设一个可调频率的装置。使频率在一定范围内可调。用来控制电机的转数。使转数在一定的范围内可调。变频器广泛用于交流电机的调速中。变频器不仅调速平滑，范围大，效率高，启动电流小，运行平稳，而且节能效果明显。因此，交流变频调速已逐渐取代了过去的传统滑差调速、变极调速、直流调速等调速系统，越来越广泛的应用于冶金、纺织、印染、烟机生产线及楼宇、供水等领域。一般分为整流电路、平波电路、控制电路、逆变电路等几大部分。 1. 整流电路 整流电路的功能是把交流电源转换成直流电源。整流电路一般都是单独的一块整流模块。 2. 平波电路 平波电路在整流器、整流后的直流电压中含有电源6倍频率脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动，为了抑制电压波动采用电感和电容吸收脉动电压(电流)，一般通用变频器电源的直流部分对主电路而言有余量，故省去电感而采用简单电容滤波平波电路。 3. 控制电路 现在变频调速器基本系用16位、32位单片机或DSP为控制核心，从而实现全数字化控制。 变频器是输出电压和频率可调的调速装置。提供控制信号的回路称为主控制电路，控制电路由以下电路构成:频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”。运算电路的控制信号送至“驱动电路”以及逆变器和电动机的“保护电路”。 变频器采取的控制方式，即速度控制、转拒控制、PID或其它方式。 4逆变电路 逆变电路同整流电路相反，逆变电路是将直流电压变换为所要频率的交流电压，以所确定的时间使上桥、下桥的功率开关器件导通和关断。从而可以在输出端U、V、W三相上得到相位互差120电角度的三相交流电。（2） 交直交间接变频的变频器基本原理变频器的类型很多，总的来看有三种：1.交交直接变频的变频器，它是把频率固定的交流电源直接变换成频率可调的交流电源；2.交直交间接变频的变频器。现以后者为例说明变频的基本原理。它由主电路和控制电路两部分组成。主电路是由整流器、储能元件、逆变器三种器件组成的交直和直交两大电路。交直部分是把频率固定的交流电变为直流，直交部分又把直流电变为交流。控制电路是提供信号，并有规则的控制逆变器导通与截止，使之向异步电动机提供频率、电压都可调的交流电源，以驱动电动机的运行。电压型的变频器由整流器、滤波器、逆变器组成。整流器是将交流全波整流为直流，滤波器滤平整流后的电压波纹，并在负载变化时保持直流电压平稳，逆变器是把整流后的直流电再“逆变”为频率可调的交流电。逆变的原理是由逆变管构成一定结构的电路，由控制电器按照一定的规律来控制逆变管的导通与截止。可见逆变管是变频器的核心元件。控制电路的功能是向变频器主电路提供各种控制信号。它是由决定U/f1特性的频率电压“运算电路”、主电路的“U/A检测电路”、电动机“速度检测电路”、“PWM生成及驱动电路”以及变频器、电动机的各种保护电路等组成。变频器在变频时有时还要改变电压。这是因为当频率改变时，电动机内的阻抗压降、定子的电势都要改变，以致引起磁通变化，这样在高速运转时会造成电动机的电磁转矩不足,低速时，则磁通会过大，使磁路过于饱和，引起励磁电流增大，造成电动机的功率因数及效率显着下降。根据电动机定子电势有效值公式 E1=4.44f1NKWm=KEf1m （2-2） 在频率f1改变时,要保持不变，则必须在调频的同时调节电势 E1；即让E1/ f1 = 常数。但电势E1的大小无法进行控制，如用近似的方法，根据电势平衡方程式，可用U/f1 =常数代替。此时可基本不变，常数。故在调频的同时也要调压，为反映这两种同时调节的情况，常用 VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)符号代表变频器（在频率上升时磁通不会饱和，也可以不调整电压）。基本上有两种调压方法：一种是脉幅调制“PAM”，即在调节输出频率的同时，调节逆变器前一级的直流电压，以改变逆变器输出电压的幅值；另一种是脉宽调制“PWM”，即在调节输出频率的同时调节输出电压的占空比( t1是脉冲的宽度，t2是两脉冲间的间隔宽度)，但上述两种输出电压和电流的波形都非正弦波。之后又采用了正弦波脉宽调制“SPWM”方式，即是使脉冲中的占空比按正弦波的规律安排。2.2.2变频器控制策略和调速控制方式目前的变频器虽然种类繁多，控制方式多种多样，但功能上却基本类似。从转矩的响应特性和过渡特性上看，大体分为U/f恒定控制(又称VVVF控制)、转差频率控制和转差矢量控制。1. U/f恒定控制基本特性 按照一定的电压和频率关系对变频器的频率和电压进行控制，称为U/F控制方式。基频以下可以实现恒转矩调速，基频以上可以实现恒功率调速。 U/F方式又称为VVVF控制方式，逆变器中开关元件用SPWM方式进行控制。逆变器的脉冲发生器同时受控于频率指令和电压指令，而它们之间的关系是U/F曲线发生器决定的。这样经SPWM控制之后，变频器的输出频率F和输出电压U之间的关系，就是U/F曲线发生器所确定的关系。由此可见，转速的改变是靠改变频率的设定值来实现的。电动机的实际转速要根据负载的大小，即转差率的大小来决定，负载变化时，在设定值不变的条件下，转子速度将随转矩变化而变化。故常用于速度精度要求不十分严格或负载变动较小的场合。 U/F控制是转速开环的控制，无需速度传感器，控制电路简单，负载可以是通用标准异步电动机，所以通用性强，经济性好，是目前通用变频器产品中使用较多的一种控制方式。2. 转差频率控制 在没有任何附加措施的情况下，当处于U/F控制方式下运行时，如果负载变化，转速也会随之变化，转速的变化量与转差率成正比，U/F控制的静态调速精度显然较差。为提高调速精度，采用转差频率控制方式。根据速度传感器的检测，可以求出转差角频率，再把它与速度设定值相叠加，以该叠加值作为逆变器的频率设定值，就实现了转差补偿。这种实现转差补偿的闭环控制方式，称为转差频率控制方式。与U/F控制方式相比，由于转差补偿的作用，其调整精度大为提高。但其使用速度传感器求取转差角频率，要针对具体电动机的机械特性调整控制参数，因而这种控制方式的通用性较差。3.转差矢量控制上述的U/F控制方式和转差频率的控制思想，都建立在异步电动机的静态数学模型上，因此动态性能指标不高。对于轧钢、造纸设备等动态性能要求较高的应用场合，可以采用矢量控制变频器。采用矢量控制方式的目的，主要是为了提高变频调速的动态性能。根据交流电动机的动态数学模型，利用坐标变换的手段，将交流电动机的定子电流分解成磁场分量和转矩分量，并分别加以控制，即模仿自然解耦的直流电动机的控制方式，对电动机的磁场和转矩分别进行控制，以获得类似直流调速系统的动态性能。在矢量控制方式中，磁场电流和转矩电流可以根据可测定的电动机定子电压和电流的实际值用计算方法求得。磁场电流和转矩电流再与相应的设定值相比较，并根据需要进行必要的校正。2.2.3交流变频调速系统的原理及特点 一、交流变频调速系统的原理及构成 异步电机的转速方程是： n=60f(1-s)/p， （2-3）其中n为电动机的转数，f为电源频率，s为转差率，p为定子旋转磁场的极对数，所以从这个公式就可以看出，要想改变电动机的转速，可以改变f，s，p这三个量中的任意一个，就能够实现调速，其中改变电源频率f是比较方便和有效的方法，只要改变了电源频率f就能够改变电动机的转速，但是还有另外一个问题，先看看下面这个公式 ： （2-4）其中u是电源电压，E是定子绕组的感应电动势，f是电源频率，n为绕组线圈匝数，K为绕组分布系数，为磁通量，从这个公式我们可以看出，如果减小f的话，电源频率U还不变，那么必然变大，因为电机的磁路设计都是按照一定的饱和磁通量设计的，如果增大，那么磁路有可能就进入了饱和状态，所以必须保证为恒定，所以相应的也应该减小电源电压U ，同理，f增大，U也要增大，我们必须保证U/f为一个常量。 交流变频调速系统由变频器极其配套的变频调速电机构成。交流电机主要分为异步电机和同步电机两大类。因为异步电动机与其他电动机相比，有着无可比拟的优点：结构简单坚固，易于维护。因此，鉴于设计的选择，这里主要介绍异步电动机的调速系统。 二、VVVF装置的特点1) 既可分别调频调压，也可调频调压由逆变器统一完成，且均仅有一个可控功率级，从而简化了主电路和控制电路的结构，使装置的体积小，重量轻，造价低，可靠性高。2) 使用二极管整流器，交流电网的功率因数与逆变器输出电压的大小无关而且接近1；如有数台装置，可由同一台不可控整流器供电。3) 输出频率和电压都在逆变器内控制和调节，其响应速度取决于电子控制电路，与直流回路的滤波参数无关，所以调节速度快且可使调节过程中频率和电压相配合，以获得好的动态性能。4) 输出电压和电流的波形接近正弦，从而减少谐波分量，降低电动机运行时的发热和转矩脉动，改善了电动机的运行性能。5) SPWM逆变器要求有高的载波频率，因此开关元件工作频率高，开关损耗和换流损耗大。6) 变频调速节能效果明显，有时可高达30%50%。调速系统机械特性硬，无附加转差损耗，而且频率精度高，能保证电动机转速高精度、宽范围无级调速，可实现软起动（1.5），易于实现生产过程自动控制。该系统技术先进、性能稳定、维护工作量少。 三、交流变频调速系统存在的问题v 谐波引起电动机的效率下降和温升提高 在逆变器电路变流过程中，其输出电压或电流为阶梯波，因此含有丰富的谐波，致使异步电动机在非正弦电压电流下运行。以当前比较普遍使用的正弦波PWM变频器为例，其低次谐波基本上为零，剩下的是比载波频率（晶体管开关频率）大一倍左右的高次谐波分量。高次谐波会引起定子铜耗、转子铝耗、铁耗及附加损耗的增加，最为显著的是转子铝耗。如将普通异步电动机运行于变频器输出的非正弦电源条件下，其温升一般约增加10%20%。v 谐波引起电磁噪声与振动当采用变频器供电时，普通异步电动机上由电磁、机械和通风等原因所引起的振动和噪声，将变得更加复杂。变频器电源中含有的高次时间谐波与电动机电磁部分的固有空间谐波相互干涉，形成各种电磁振动力。当电磁力波的频率和结构件固有振动频率一致或接近时，将产生共振现象因而噪声增大。由于电动机工作的频率范围宽，转速变化范围大，各种电磁波的频率很难避开电动机各种结构件的固有频率。普通异步电动机用变频器供电时的噪声，比用工频电网供电时一般约增加1015dB左右。v 低速时的冷却效果差 在电源频率较低时，因普通异步电动机的阻抗不尽理想，使电源中高次谐波所引起的损耗增大。再者，自冷式普通异步电动机在转速降低时，冷却风量将按转速的三次方成比例地减小，这必将使电动机的低速温升急剧增加而难以实现恒转矩运行。v 电动机绝缘结构承受高电压冲击目前中小容量变频器，大多数采用SPWM的控制方式。它的载波频率约为几KHz到十几KHz，这就使电动机线圈需要承受很高的电压上升率。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，会对电动机的对地绝缘形成威胁，对地绝缘在高电压的反复冲击下会加速老化。2.3 变频调速系统的应用范围 在工业生产和产品加工制造业中，风机、泵类设备应用范围广泛；其电能消耗诸如阀门、挡板相关设备的节流损失以及维护、维修费用占到生产成本的7%25%，是一笔不小的生产费用开支。随着经济改革的不断深入，市场竞争的不断加剧；节能降耗已成为降低生产成本、提高产品质量的重要手段之一.而八十年代初发展起来的变频调速技术，正是顺应了工业生产自动化发展的要求，开创了一个全新的智能电机时代。一改普通电动机只能以定速方式运行的陈旧模式，使得电动机及其拖动负载在无须任何改动的情况下即可以按照生产工艺要求调整转速输出，从而降低电机功耗达到系统高效运行的目的。八十年代末，变频调速技术引入我国并得到推广。现已在电力、冶金、石油、化工、造纸、食品、纺织等多种行业的电机传动设备中得到实际应用。目前，变频调速技术已经成为现代电力传动技术的一个主要发展方向。卓越的调速性能、显著的节电效果，改善现有设备的运行工况，提高系统的安全可靠性和设备利用率，延长设备使用寿命等优点随着应用领域的不断扩大而得到充分的体现。交流变频调速性能良好，因而已在供水，冶金，纺织，造纸，化工，建材等行业广泛采用并大力推广。（1）城市供水及高楼供水 城市及市内大型建筑如宾馆等的供水，关系着工业生产和人民生活。目前自来水行业多采用串级调速，串级调速系统效率只有50%，体积大，故障多，而采用变频调速可以得到较大的节能效果。另外，若采用变频调速系统通过压力变送器、流量变送器等检测设备和PID控制形成闭环，控制效果将更好，供水水压恒定，可实现无人值守。（2）钢铁行业 变频调速精度高，节电效果好，可频繁起抽动作用，控制灵活，易构成闭环，因此在轧机辊道，转炉，圆盘给料机、风机等多处得到应用。（3）炼油行业 炼油行业对变频调速有广泛的需要，如各类泵，锅炉引风机，送风机，输煤，送水以及污水处理系统等，均有着显著的经济效益。（4）化工行业 除将变频器用于供水，风机外，在化工行业中各工艺生产线，各类泵，搅拌机等用量也非常大。该技术的应用可大大消除事故隐患，减少维护量，且操作简单方便，同液力耦合调速相比，节电40%以上。 （5）纺织印染行业 纺织印染行业对变频调速有大量的需求，除大量的风机外，精纺机，粗纺机，整经机，经编机以及印染设备均可采用变频调速技术。传统印染设备的直流调速系统长期工作在高湿度场合，维修量很大，用变频调速托动异步电机，不仅具有良好的调速性能，而且系统简单，运行可靠。第3章 变频调速异步电动机的特点变频调速的异步电动机由于起动、过载、运行效率等问题均可通过选择变频器合适的控制方式，如U/f控制、转差矢量控制等在系统中得到解决。因此变频电机则主要应从变频调速系统由低频到高频的宽频范围出发，着重考虑如何扩大调速范围和如何改善电动机在整个调速范围内的运行特性。3.1 变频器供电的异步电动机的机械特性异步电动机在由变频装置供电时，一般来说，电压和电流中均含有谐波分量。但是异步电动机的转矩和转速主要还是决定于基波分量，而谐波主要是引起附加损耗和产生转矩脉动，其作用毕竟是次要的。所以在分析研究异步电动机变频调速特性时，可以从分析基波分量入手。异步电动机的端电压和电动机气隙磁通与频率f之间如有下关系： （3-1）式中每组绕组串联匝数； 基波绕组系数。可见，在异步电动机变频调速的过程中，为了使电动机的磁通能维持在恰当的水平，电动机的电压必须随频率而变化。考虑到异步电动机的电磁转矩与磁通和电流的乘积成正比，即： （3-2）从电动机损耗最小的角度出发，当负载变化时，最好使电动机的磁通和电流也能随着转矩的变化而同时作相应的增减，即： （3-3）这就是说在恒转矩负载下，希望磁场和电流基本保持恒定， 此U/f=常数；在恒功率负载下，由于电动机的转矩应与转速（频率）成反比，为此；而在带风机，水泵类负载运行时，由于负载转矩和电动机的转速平方成正比，所以磁通应正比于频率变化，即比较合适。下面对变频电源的控制策略和电动机的特性进行分析。3.1.1恒电压/频率比控制时的机械特性当异步电动机运行在固定频率及电压下，忽略励磁电流时，电磁转矩和最大转矩可分别由以下两式表示： （3-4） （3-5）式中 、定子绕组电阻、漏电抗； 、折算到定子侧的转子绕组电阻、漏电抗。在变频调速情况下频率f是变化的。只考虑基波效应，如实际工作频率，用它与额定频率 的比值来表示，即： 则电抗可表示成额定频率时的电抗值乘以比值。在=常数的情况下异步电动机变频运行时的电磁转矩和最大转矩为： （3-6） （3-7） 在正常运行时由于转差率之值很小，通常可以忽略，则对应于一定转矩下的绝对转差率，即旋转磁场对转子的相对运动不变。恒电压/频率比的运行方式用于恒转矩负载时，随着转速的降低，其过载能力逐渐下降，它只适用于调速范围不大，或转矩随转速的降低而减少的负载。当然从减少损耗的角度看在低频时可降低电压，按U正比于的规律变化。但实用上因风机、水泵的调速范围不大，不可能在低频下运行，所以实际上也常按恒电压/频率比方式进行控制。3.1.2最大转矩保持恒定的控制方式在电压/频率比恒定的控制方式中，电动机的最大转矩有随频率的上升而下降的趋势，主要是由于定子电阻的影响所引起的。如果我们采取适当的方法，提高输入电压，把电阻上电压降落完全予以补偿，那么异步电动机最大转矩就不会随工作频率下降而减少。电阻压降完全补偿的结果，在电路中相当于电阻等于零。电动机的最大转矩与额定电压、额定频率运行时的等效电路形式几乎完全相同。唯一的差异只是在变频运行的情况下，决定电动机特性的不是相对转差率s，而是绝对转差率，亦即实际的旋转磁场切割转子导体的转差速度：。在定子电阻被完全补偿，内电动势与频率成正比变化的情况下，电动机内部的定子磁链和气隙磁场大小是恒定的。如果转子相对气隙磁场的速度一定，转子中感应的电流及其所产生的电磁转矩也是一定的。这反映到定子上，定子电流的大小、相位、功率因数等都不会发生变化，而与工作频率无关。在定子电阻压降完全补偿的情况下，电动机的电磁转矩和最大转矩可由上节的式中令=0求得： （3-8） （3-9）由上两式看出，在忽略或补偿定子电阻的情况下，恒电压/频率比变频运行时异步电动机的转矩特性曲线将是一组沿水平轴（转子转速n）平移的特性曲线，其在不同运行频率下电动机的最大转矩是不变的，而且均发生同样大小的绝对转差下，即出现最大转矩的绝对转差率=常数。这种最大转矩保持恒定的特性适宜托动转矩恒定的负载，可保持电动机在变频调速过程中的过载能力不变。为了补偿定子电阻上的压降，保持异步电动机的最大转矩不变，定子的输入电压控制规律可得出，考虑的关系，求得： （3-10） 或 （3-11）式中， 考虑到电动机的参数（Q）值不同，因而为补偿定子电阻压降，以维持定子绕组磁链恒定所需的定子电压U1随运行频率和电动机参数变化而变化。异步电动机在低频起动时的起动转矩比额定频率下的走动转矩大而起动电流较小。这是因为在低频起动时转子回路中感应的电动势频率较低，电抗作用较小，因而转子电流功率因数较高，所以较小的转子电流就能产生较大的转矩。如优先起动频率，使起动时正好，则电动机将以最大转矩和较小的电流起动，可以显著地改善异步电动机的起动特性，这是异步电动机采用变频调速的重要优点之一。电动机在正常运行时定子电流，要比产生最大转矩时的电流小得多，所以实际上在一般情况下，定子电阻压降处在过补偿状态。随着频率的降低，电动机的气隙磁通将增大，空载电流会显著增加，甚至可能出现电动机负载愈轻，电流愈大的反常现象。由于低频时定子电阻压降比漏抗压降大得多，以致空载和满载时电动机内电动势的大小有很大的变化。空载时电动势数值很大，几乎等于外施电压，使得气隙磁通增加很多，电动机磁路处于高度饱和状态，磁化电流就大幅度增长，甚至可能超过额定电流的大小。而当负载增加以后，因为转子电流和气隙电动势相位比较接近，气隙电动势将显著减小，因而在负载增大时磁化电流将大幅度下降。如果磁化电流的减小大于定子电流中负载分量的增长，则就会出现定子电流随负载增大反而减小的反常现象。为了克服这种不希望的情况出现，可以采用反馈控制的方法使轻载时输入电压适当降低。以上分析的最大转矩恒定控制方式，是在补偿定子电阻压降以保持定子绕组磁链恒定的基础上得到的。随着负载的变化，气隙磁场仍然有相当的变化。从充分利用异步电动机的潜力出发，在调速过程中始终保持气隙磁场恒定的控制策略更为合理。这就是说应该把定子电阻和漏抗上的压降全部加以补偿。在这种情况下，相当于，可以求出电动机的电磁转矩和最大转矩分别为： （3-12） （3-13） 它的最大转矩几乎可以比只补偿定子电阻上压降时提高一倍左右。这种控制方式对于起动转矩特别高的情况是十分有利的。当然，在这种情况下，电动机的输入电压需要根据实际运行频率和负载（绝对转差率）的大小进行调节。3.1.3输出功率保持恒定的控制方式以上分析是在电动机气隙磁通保持不变的条件下进行，适合于恒转矩负载。实际应用中还有一种按恒功率进行调速运行的方式，即在转速低时要求输出转矩大，在转速高时要求输出转矩小，如车辆中使用的牵引电动机就有这种运行要求。此外，在异步电动机的变频调速运行中，一般在额定频率以下按恒转矩方式运行。而当运行频率达到额定并超过额定值之后，由于调速装置的耐压和电动机容量的限制，电动机电压将不再随频率按比例增加，而是维持不变。这样，电动机的磁通就将随频率的上升而下降，导致转矩减小，电动机进入近似恒功率的运行方式，转矩和频率呈反比关系。 为了确保电动机在恒功率运行时具有不变的过载能力，不同性质负载时电压和频率之间应有不同的关系。下面以恒功率负载及转矩与转速平方成比例的风机、水泵类负载为例分析。变频运行中若忽略定子电阻，电动机的最大转矩为： （3-14）代入， 则有 （3-15）所以 （3-16） 即 （3-17）在恒功率负载时，负载性质为 （3-18）于是频率变化规律为： （3-19）此时，电动机中的气隙磁通为： （3-20）即恒功率调速时，电动机的气隙磁通随运行频率的减小而增大。所以，在设计拖动恒功率负载的电动机时，应按运行中的最低频率来考虑它的磁路状态。在拖动风机，水泵等负载转矩随转速平方变化的负载时，因为： （3-21）此时电压随频率平方关系调节，即 （3-22）而电动机的气隙磁通为： （3-23）即磁通随运行频率的增大而增加。这说明风机、泵类负载的电动机应按运行中最高频率的运行状态来设计它的磁路。也有人进一步提出维持转子磁链恒定的控制策略。在转子磁链保持恒定的情况下，转子等效电路中只有电阻，没有电抗。随着转差率的增加，等效电阻减小，电流就线性增长，于是异步电动机的转矩特性起了质的变化，变为一系列平行的直线，而没有极值。从表面上看这似乎可以大大提高电动机的负载能力，但是实际上这是有限的，随着负载的过度增加，电动机气隙磁场会不断增强，电动机铁心将进入严重饱和状态，定子电流会达到不能允许的程度，所以保持转子磁链恒定的控制方法是受到一定限制的。3.2 谐波对电机损耗和效率的影响当电机由变频器供电时，除了基波分量产生的几部分损耗之外，还增加了谐波分量产生的附加铜损耗，通常称为谐波损耗，大体分为以下三项，1）定、转子绕组谐波电流产生的附加铜损耗;2）电源谐波产生的附加铁损耗;3）除上述二项外电源谐波产生的其他附加损耗，称为谐波杂散损耗。下面逐项分析这些谐波损耗的计算方法:3.2.1附加铜损耗电源中的谐波在电机的定子和转子绕组中产生谐波电流，由于高次谐波电流的集肤效应，引起电流分布不均匀，而使交流电阻增大，从而产生附加谐波铜损耗。由于集肤效应引起转子阻抗的变化可由下式决定： （3-24） （3-25）式中 、计及集肤效应前后的转子电阻； 、计及集肤效应前后的转子电抗； 集肤效应对应的电阻系数； 集肤效应对应的电抗系数； 导体的计算高度。由高次谐波引起定子电流可由下式决定： （3-26）式中 高次谐波电压； 、计及集肤效应后的定子电阻及电抗。因此可用下式求出谐波产生的高频铜耗 （3-27）式中 定子高频铜耗； 转子高频铜耗；一般说来，定子高频铜耗为工频铜耗的15%，而转子高频铜耗已近似等于工频转子铜耗。 3.2.2附加铁损耗电源谐波不仅在电机绕组中产生附加铜损耗，而且会在定、转子铁心中产生附加铁损耗。一般说来，若正弦基波磁通时的铁耗为，则由于电源谐波影响，其铁耗的增加量由下式决定： （3-28）式中 高次谐波的含有率； 高次谐波次数。若正弦基波磁通时的转子铁心表面损耗为，则由于电源谐波影响，其表面损耗的增加量由下式决定： （3-29）这两部分铁损耗增加的结果，使变频电源供电时比工频供电时铁耗总体增大10%20%。以上结果也可以用公式近似计算： （3-30）式中 变频电源供电时的铁耗； 电压引起磁路饱和的等效电压； 工频正弦电压。3.2.3附加杂散损耗除了上述谐波铜损耗和铁损耗之外，还要考虑电源谐波产生的附加杂散损耗，主要包括谐波绕组端部漏磁损耗，摩擦损耗和通风损耗。1）谐波绕组端部漏磁损耗是由沿轴向进入定、转子端部的高次谐波磁场在端部铁心中产生涡流损耗。只是由于高次谐波的频率更高，故其数值更大。其值可由下式确定： （3-31）式中 谐波漏磁损耗； 基波漏磁损耗； 、谐波电流及频率； 、基波电流及频率。一般认为定、转子谐波漏磁损耗大致相等，故电动机内由于谐波引起的端部总损耗。2）在变频电源供电时与工频电源供电时有很大不同。这主要是变频调速运行时，电动机在很大转速范围内变速运行，而这些损耗均与转速有关。一般说来，若转速为，则：滑动轴承的摩擦损耗正比于。滚动轴承的摩擦损耗正比于。通风损耗正比于。此外，还有一些杂散损耗的增加等等。3.2.4谐波对电机效率的影响以上分别讨论了电源谐波产生的附加铜损耗，附加铁损耗以及附加杂散损的计算方法。总的谐波损耗 (3-32)正弦波电源供电无谐波损耗时电机的效率为 (3-33)其中P为电动机的输出功率，为正弦波电源供电时电机的总损耗。当考虑到电源谐波的影响时，电机的效率则为 ： (3-34)由于电源谐波损耗使电机效率的降低量为： (3-35)根据目前己有的资料统计，逆变器供电的异步电动机，由于电源谐波产生的附加损耗，一般可使电机的效率降低1%3%。对于不同容量、不同供电方式和运行工况的电机，效率降低情况是很不相同的。电源谐波对铁损耗的影响较小，对定子铜损耗的影响不显著，影响最大的是转子铜损耗，该项损耗占电源谐波损耗的70%以上，因此在谐波附加损耗计算中，转子绕组谐波铜损耗的计算必须有足够的精度。3.3 变频调速异步电动机的设计特点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等有关，还与所用的电动机有很大关系。要使系统中电动机与变频装置很好的匹配，就必须了解在变频装置供电时异步电动机将面临的问题。3.3.1变频电源供电情况下电动机应用所面临的问题应用交流变频调速技术的主要目的，