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電氣系畢業(yè)設計論文--三相交流變頻電動機設計與結構分析(文件)

2024-12-25 15:39 上一頁面

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【正文】 ( 315) 所以 21!NNNUfTT U f??????? ( 316) 即 11N N NUf TU f T? ( 317) 在恒功率負載時,負載性質為 1NNfTTf? ( 318) 于是頻率變化規(guī)律為: 11NNUf ??? ( 319) 此時,電動機中的氣隙磁通為: 111NN ??? ???? ( 320) 即恒功率調速時,電動機的氣隙磁通隨運行頻率的減小而增大。 也有人進一步提出維持轉子磁鏈恒定的控制策略。 諧波對電機損耗和效率的影響 當電機由變頻器供 電時,除了基波分量產生的幾部分損耗之外,還增加了諧波分量產生的附加銅損耗,通常稱為諧波損耗,大體分為以下三項, 1)定、轉子繞組諧波電流產生的附加銅損耗 。 由于集膚效應引起轉子阻抗的變化可由下式決定: ? ?2 2 22 s in 22 c o s 2vr shr K r rch ??? ??? ? ( 324) ? ?2 2 23 2 s in 22 2 c o s 2vx shx K x v xch ??? ? ???? ? ( 325) 式中 2r 、 2vr —— 計及集膚效應前后的轉子電阻; 三相交流變頻電動機設計與結構分析 18 2x 、 2vx —— 計及集膚效應前后的轉子電抗; rK —— 集膚效應對應的電阻系數; xK —— 集膚效應對應的電抗系數; ? —— 導體的計算高度。 因此可用下式求出諧波產生的高頻銅耗 Cuvp ? ?2 2 39。一般說來,若正弦基波磁通時的鐵耗為 Fep ,則由于電源諧波影響,其鐵耗的增加量 Fep? 由下式決定: 1 .80 .2vFe Fe app v?? ? ( 328) 式中 va —— 高次諧波的含有率; v —— 高次諧波次數。Fep —— 變頻電源供電時的鐵耗; mU —— 電壓引起磁路飽和的等效電壓; 1U —— 工頻正弦電壓。其值可由下式確定: 2. 22 1. 5711vvsv s Ifpp ? ? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ? ( 331) 式中 svp —— 諧波漏磁損耗; sp —— 基波漏磁損耗; vI 、 vf —— 諧波電流及頻率; 1I 、 1f —— 基波電流及頻率。一般說來,若轉速為 n ,則: 滑動軸承的摩擦損耗正比于 。 諧波對電機效率的影響 以上分別討論了電源諧波產生的附加銅損耗 Cuvp ,附加鐵損耗 Fep? 以及附加雜散損 svp? 的計算方法。電源諧波對鐵損耗的影響較小,對定子銅損耗的影響不顯著,影響最大的是轉子銅損耗,該項損耗占電源諧波損耗的 70%以上,因此在諧波附加損耗計算中,轉子繞組諧波銅損耗的計算必須有足夠的精度。要使系統(tǒng)中電動機與變頻裝。近年來,由于矢量控制等先進技術的出現,異步電動機的變頻調速特性已可與直流調速性能相媲美。當 考慮到電源諧波的影響時,電機的效率則為 : 1/( )hkP P pP? ? ? ???(%) (334) 由于電源諧波損耗使電機效 率的降低量為: 1 h? ? ?? ? ? (335) 根據目前己有的資料統(tǒng)計,逆變器供電的異步電動機,由于電源諧波產生的附加損耗,一般可使電機的效率降低 1%~3%。 通風損耗正比于 3n 。 2)在變頻電源供電時與工頻電源供電時有很大不同。 1)諧波繞組端部漏磁損耗是由沿軸向進入定、轉子端部的高次諧波磁場在端部鐵心中產生渦流損耗。 以上結果也可以用公式近似計算: 三相交流變頻電動機設計與結構分析 19 239。1 2 1 2 1 2Cu v Cu v Cu v v v v v v v vp p p m I r m I r m I r r? ? ? ? ? ? ( 327) 式中 1Cuvp —— 定子高頻銅耗; 2Cuvp —— 轉子高頻銅耗; 一般說來,定子高頻銅耗為工頻銅耗 1Cup 的 15%,而轉子高頻銅耗已近似等于工頻轉子銅耗 2Cup 。39。 3)除上述二項外電源諧波產生的其他附加損耗,稱為諧波雜散損耗。隨著轉差率的增加,等效電阻減小,電流就線性增長,于是異步電動機的轉矩特性起了質的變化,變?yōu)橐幌盗衅叫械闹本€,而沒有極值。在拖動風機,水泵等負載轉矩隨轉速平方變化的負載時,因為: 1NNfTTf? ( 321) 此時電壓隨頻率平方關系調節(jié),即 三相交流變頻電動機設計與結構分析 17 2211NNUf ????????? ( 322) 而電動機的氣隙磁通為: 11NNff ?? ??? ( 323) 即磁通隨運行頻率的增大而增加。變頻運行中若忽略定子電阻,電動機的最大轉矩為: ? ? ? ?222139。而當運行頻率達到額定三相交流變頻電動機設計與結構分析 16 并超過額定值之后,由于調速裝置的耐壓和電動機容量的限制,電動機電壓將不再隨頻率 按比例增加,而是維持不變。當 然,在這種情況下,電動機的輸入電壓需要根據實際運行頻率和負載(絕對轉差率)的大小進行調節(jié)。 2 2 39。從充分利用異步電動機的潛力出發(fā),在 調速過程中始終保持氣隙磁場恒定的控制策略更為合理。如果磁化電流的減小大于定子電流中負載分量的增長,則就會出現定子電流隨負載增大反而減小的反?,F象。隨著頻率的降低,電動機的氣 隙磁通將增大,空載電流會顯著增加,甚至可能出現電動機負載愈輕,電流愈大的反?,F象。 異步電動機在低頻起動時的起動轉矩比額定頻率下的走動轉矩大而 起動電流較小。 為了補償定子電阻上的壓降,保持異步電動機的最大轉矩不變,定子的輸入電壓控制規(guī)律可得出,考慮 1 nff?? 的關系,求得: ? ?? ?22 2 2 39。 2 39。如果轉子相對氣隙磁場的速度一定,轉子中感應的電流及其所產生的電磁轉矩也是一定的。電阻壓降完全補償的結果,在電路中相當于電阻等于零。當然從減少損耗的角度看在低頻時可降低電壓,按 U 正比于 2f 的規(guī)律變化。 2 39。 在變頻調速情況下頻率 f 是變化的。21 1 1 22emRmp UsTRf R X Xs?? ????? ? ????????? ( 34) ? ?212239。 下面對變頻電源的控制策略 和電動機的特性進行分析。所以在分析研究異步電動機變頻調速特性時,可以從分析基波分量入手。 三相交流變頻電動機設計與結構分析 12 第 3 章 變頻調速異步電動機的特點 變頻調速的異步電動機由于起動、過載、運行效率等問題均可通過選擇變頻器合適的控制方式,如 U/f 控制、轉差矢量控制等在系統(tǒng)中得到解決。 ( 4)化工行業(yè) 除將變頻器用于供水,風機外,在化工行業(yè)中各工藝生產線,各類泵,攪拌機等用量也非常大。目前自來水行業(yè)多采用串級調速,串級調速系統(tǒng)效率只有 50%,體積大,故障多,而采用變頻調速可以得到較大的節(jié)能效果。目前,變頻調速技術已經成為現代電力傳動技術的一個主要發(fā)展方向。隨著經濟改革的不斷深入,市場競爭的不斷加?。还?jié)能降耗已成為降低生產成本、提高產品質量的重要手段之一 .而八十年代初發(fā)展起來的變頻調速技術,正是順應了工業(yè)生產自動化發(fā)展的要求,開創(chuàng)了一個全新的智能電機時代。 ? 電動機絕緣結構承受高電壓沖擊 目前中小容量變頻器,大多數采用 SPWM 的控制方式。由于電動機工作的頻率范圍寬,轉速變化范圍大,各種電磁波的頻率很難避開電動機各種結構件的固有頻率。如將普通異步電動機運行于變頻 器輸出的非正弦電源條件下,其溫升一般約增加 10%~20%。該系統(tǒng)技術先進、性能穩(wěn)定、維護工作量少。 4) 輸出電壓和電流的波形接近正弦,從而減少諧波分量,降低電動機運行時的發(fā)熱和轉矩脈動,改善了電動機的運行性能。因此,鑒于設計的選擇,這里主要介紹異步電動機的調速系統(tǒng)。 交流變頻調速系統(tǒng)的原理及特點 三相交流變頻電動機設計與結構分析 9 一、交流變頻調速系統(tǒng)的原理及構成 異 步電機的轉速方程是 : n=60f(1s)/p, ( 23) 其中 n 為電動機的轉數, f 為電源頻率, s 為轉差率, p 為定子旋轉磁場的極對數,所以從這個公式就可以看出,要想改變電動機的轉速,可以改變 f, s, p 這三個量中的任意一個,就能夠實現調速,其中改變電源頻率 f 是比較方便和有效的方法,只要改變了電源頻率 f 就能夠改變電動機的轉速,但是還有另外一個問題,先看看下面這個公式 : ??? fN KEU ( 24) 其中 u 是電源電壓, E 是定子繞組的感應電動勢, f 是電源頻率 , n 為繞組線圈匝數,K 為繞組分布系數, Φ 為磁通量,從這個公式我們可以看出,如果減小 f 的話,電源頻率 U 還不變,那么 Φ 必然變大,因為電機的磁路設計都是按照一定的飽和磁通量設計的,如果 Φ 增大,那么磁路有可能就進入了飽和狀態(tài),所以必須保證 Φ 為恒定,所以相應的也應該減小電源電壓 U ,同理, f 增大 , U也要增大,我們必須保證 U/f 為一個常量。采用矢量控制方式的目的,主要是為了提高變頻調速的動態(tài)性能。與 U/F 控制方式相比,由于轉差補償的作用,其調整精度大為提高。 2. 轉差頻率控制 在沒有任何附加措施的情況下,當處于 U/F 控制方式下運行時,如果負載變化,轉速也會隨之變化,轉速的變化量與轉差率成正比, U/F 控制的靜態(tài)調速精度顯然較差。由此可見,轉速的改變是靠改變頻率的設定值來實現的?;l以下可以實現恒轉矩調速,基頻以上可以實現恒功率調速。之后又采用了正弦波脈寬調制“ SPWM” 方式,即是使脈沖中的占空比 γ按正弦波的規(guī)律安排。但電勢 E1 的大小無法進行控制,如用近似的方法,根據電勢平衡方程式,可用U/f1 =常數 代替。它是由決定 U/f1 特性的頻率電壓“運算電路”、主電路的“ U/A 檢測電路”、電動機“速度檢測電路”、“ PWM 生成及驅動電路”以及變頻器、電動機的各種保護電路等組成。整流器是將交流全波整流為直流,濾波器濾平整流后的電壓波紋,并在負載變化時保持直流電壓平穩(wěn),逆變器是把整流后的直流電再“逆變”為頻率可調的交流電。主電路是由整流器 、三相交流變頻電動機設計與結構分析 7 儲能元件、逆變器三種器件組成的交~直和直~交兩大電路。電角度的三相交流電 。運算電路的控制信號送至 “ 驅動電路 ” 以及逆變器和電動機的 “ 保護電路 ” 。 2. 平波電路 平波電路在整流器、整流后的直流電壓中含有電源 6倍頻率脈動電壓,此外逆變器產生的脈動電流也使直流電壓變動,為了抑制電壓波動采用電感和電容吸收脈動電壓 (電流 ),一般通用變頻器電源的直流部分對主電路而言有余量,故省去電感而采用簡單電容濾波平波電路。因此,交流變頻調速已逐漸取代了過去的傳統(tǒng)滑差調速、變極調速、直流調速等調速系統(tǒng),越來越廣泛的應用于冶金、紡織、印染、煙機生產線及樓宇、供水等領域。 用來控制電機的轉數 。之后將直流電 逆變成交流電。 變頻調速的基本原理 變頻調速方法 : 是改變電動機定子電源的頻率,從而改變其同步轉速的調速方法。液力耦合器的動力轉輸能力與殼內
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