小型普通交流异步电动机变频调速性能研究

1、 小型普通交流异步电动机变频调速性能研究摘要:变频器和普通交流异步电机组成的调速系统被广泛使用,但人们还只是根据经验确定电机的最佳变频调速范围。本文通过测试普通交流异步电机在频率改变时的输出转矩转速和效率曲线,定量的研究了在频率改变时其性能的变化,在此基础上提出了交流异步电机变频调速的最佳频率范围。关键词:变频调速普通交流异步电机最佳调速范围Abstract:The system that ismade from common alternate electricalasynchronousmotorand inverter is extensively used. Butpeo-p

2、le still certain the scope ofsuperior frequency thatcommon alternate electricalasynchronousmotorworksby experience. Author testedthe curves of rotation number, torque and efficiencywhen common alternate electrical asynchronousmotorworks at different frequen-cies. On the base, we bring forward the sc

3、ope of superior frequency that common alternate electrical asynchronousmotor.Key words:adjusting the speed by changing frequency; common alternate electrical asynchronousmotor; optmi um scope that com-mon alternate electrical asynchronousmotorworks变频调速是一种典型的交流电动机调速方法,交流电动机采用变频调速技术不仅能够实现无级调速,而且可以根据负载

4、的不同,通过适当调节电压和频率的关系,使电机始终在高效率区运行,并且保证良好的动态性能,因而被广泛使用1。目前,世界上有60%左右的发电量是通过电动机消耗的。据统计,我国各类电动机的装机容量已超过4亿kW,其中异步电动机约占90%,拖动风机、水泵及压缩机类机械的电动机约1.3亿kW。在目前4亿kW的电动机负载中,约有50%的负载是变动的,其中的30%可以使用电动机调速2, 3。虽然,有专门为变频调速系统而设计的变频调速电机,但是由于变频调速电机价格较贵,所以在大多数有调速要求的系统中都是变频器和普通交流异步电机组成的调速系统4。但是,在实际生产中,还只是凭借经验确定交流异步电机运行的频率范围,

5、而对普通交流异步电机在频率改变时,电机的各项性能指标的大小和变化情况还没有定量研究。在本文中,我们以Y100L1-4普通三相交流异步电机和松下VF-8X变频器组成的变频调速系统为测试对象,测试普通交流异步电机在频率改变时的各项性能指标,以这些实验数据为依据,进而分析确定普通交流异步电机变频调速的最佳调速范围。在测试中所有的实验均按照国标中三相异步电机型式实验的相关规定进行。1频率改变时电机的实际性能测试在测试中,电机采用恒压频比控制方式,为了实际测得电机在不同频率下运行时,电机的输出转矩、转速和效率的变化,需要进行电机在不同频率下的负载实验。为了保护电机,首先根据电机参数,计算出电机在各个频率

6、和转矩提升电压下的转矩转速理论曲线,进而根据其做电机负载实验。最后,利用MATERLAB对测得的离散数据进行处理,将其用光滑曲线连接,并与理论的曲线进行比较分析。1. 1频率变化时转矩转速理论和实际测得曲线的比较根据电机的T形等效电路图,可以得出电机的转矩转速方程为:下的转矩转速(转差率)曲线。从图可知,电机在不同频率下的转矩转速理论曲线是一组相互平行的曲线,电机的最大转矩随频率的降低而降低。实际测得的转矩转速曲线和理论转矩转速存在有落差,这主要是由电机的各种损耗引起的,并且,随着电机负载的增加,电机实际转速相对于理论转速的落差越大,当达到或接近电机最大转矩时,转速会急剧降落5。另外,实际转矩

7、转速曲线之间并不平行,而是随着频率降低曲线变得越陡,也就是说电机的机械特性变得越来越软。可以看出在频率为10Hz时,电机转矩转速实际曲线和理论曲线相差较大,电机的机械特性变得很软,过载能力变得很低。虽然,当电压提升时,电机在低频时的性能会得到一定的改善,例如,实际测试中,在f=20 Hz时,提升电压从0增加到30 V时,电机实际测得的最大转矩从19.5(N·m)增加到了28·5(N.m)。但是,在f=10 Hz时,其过载能力改善并不理想,理论最大转矩能达到31. 2 (N·m),但是实际测试只有18(N·m),而且,由于机械特性太软,导致转速太低,散热能

8、力变差,同时由于转矩提升电压过高,将引起电机铁心的过分饱和,励磁电流急剧增加,导致绕组过分发热,从而损坏电机,实际能够长期稳定拖动的最大负载只能达到10(N·m)左右。1. 2频率变化时实际测得的效率变化曲线电机的效率是电机性能的重要参数之一,电机的效率可由下式计算得出:=1-Pcu1+Pfe+Pcu2+P+PP1Pcu1=3I21R1Pfe=3I2mRmPcu2=3I22R2式中:效率,Pcu1定子铜耗,Pfe电机铁耗,Pcu2转子铜耗,P机械损耗,P杂散损耗,Rm励磁电阻,I1定子电流,Im励磁电流,I2转子归算电流。实验中可测出定转子的电流值,根据温升可修正电机的定转子电阻值,

9、进而计算出电机定转子铜耗和电机铁耗,另外,电机机械损耗和杂散损耗取其推荐值,从而计算出电机的理论效率。而电机实际效率则是由测得的电机输出功率直接除以测得的电机定子侧输入功率得到10。从测试结果可知,当频率大于30 Hz时,电机的效随提升电压的增高变化不大,甚至会有所降低,在低频运行时,电机的效率会随提升电压的升高而升高,尽管这样,电机在低频下运行的效率还是很低,在频率为20 Hz时,电机的效率开始有比较大的降落,最大效率下降到60%左右,而在10 Hz时,电机效率急剧下降,最大效率只有40%左右11。这是由于频率降低时,电机机械特性变得很软,随着负载的增加,电机的转差率快速增大,从而使定转子电

10、流急剧增大,电机铁耗和铜耗增大,从而使效率降低。当转矩提升电压增大时,在低频下电机的效率有一定的提高,这是因为,电压升高,一方面会使定子电流增大,但是同时也会使在相同负载下电机的转速升高,转差率减小,定转子电流减小,这样实际的定转子电流变化不大,既铜耗和铁耗变化不大。所以在相同负载下时,电机的转速升高,输出功率变大,同时损耗基本不变,因而效率升高。2结论从实测数据和以上的分析可知,当频率小于20 Hz时,普通交流异步电机的过载能力会变得过低,当转矩提升电压增加时,其实际的过载能力提升也不尽理想,而且当频率小于20 Hz时,电机的效率太低,电机的发热量大,散热差,温升过高,因此,小型普通交流异步

11、电机变频调速的最佳范围为20Hz50Hz。参考资料1陈伯时,陈敏逊编著·交流调速系统·机械工业出版社,19982常进·感应电机恒功率因数控制的研究·中国电机工程学报,2002,113电机工程手册(电机卷)·机械工业出版社,19964辜承林编著·机电动力系统分析·华中理工大学出版社,19985崔纳新·变频调速异步电动机效率优化控制的研究进展·电工技术学报,2004,56汤蕴缪,史乃编著·电机学M.机械工业出版社,2002年8月(第一版)7王益全,张炳义等编著·电机测试技术M.科学技术出版

12、社,2004年1月(第一版)8Eugene A. K·Polyphase Induction Motor Performance and Losses onNonsinusoidalVoltage Source·IEEE. Trans. on PAS, NO. 3, pp625-63419689 B. J. Chalmers·Induction-motor Losses Due to Nonsinusoidal SupplyWaveforms.PROC, IEE. vo.l 115,NO.12,PP1777-1782,196810 S.D. T. Robertson and K.M.Hebbar·Torque Pulsation in InductionMotorswith InverterDrivers, IEEE Trans. Ind.Gen.App,l vo,l IGA-7,PP318-323,197111 BroeckHW VD, SkudelnyH-C·Analysis andRealization ofaPulseWidthModulatorBase onVoltage Space