【正文】 滾動(dòng)軸承的摩擦損耗正比于 通風(fēng)損耗正比于 此外，還有一些雜散損耗的增加等等。 由高次諧波引起定子電流可由下式?jīng)Q定： (3—26)式中 ——高次諧波電壓； 、——計(jì)及集膚效應(yīng)后的定子電阻及電抗。 可見，在變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中，當(dāng)輸出轉(zhuǎn)矩T取連續(xù)運(yùn)行、在某轉(zhuǎn)速下輸出標(biāo)稱功率條件下輸出最大額定轉(zhuǎn)矩時(shí)，主要尺寸由及A值決定。在變速傳動(dòng)中，這個(gè)下限值的大小，決定于傳動(dòng)系統(tǒng)的慣性和負(fù)載性質(zhì)。 同樣，定子電流的第7次諧波也產(chǎn)生一個(gè)6倍于基波頻率的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩。因此可以看出高次諧波轉(zhuǎn)矩可忽略不計(jì)。 1．穩(wěn)定諧波轉(zhuǎn)矩 穩(wěn)定的或稱恒定的轉(zhuǎn)矩是由氣隙諧波磁通和相同次數(shù)的轉(zhuǎn)子電流諧波相互作用產(chǎn)生的。如果所設(shè)計(jì)的電動(dòng)機(jī)的漏抗很小，則電動(dòng)機(jī)的諧波電流會(huì)比較大，諧波損耗將大大增加。(二)諧波電流從前面的分析中可知，諧波轉(zhuǎn)差率在電動(dòng)機(jī)從零至同步轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)接近于1，正像式(3—12)表示的那樣，與轉(zhuǎn)速無關(guān)。由于電感隨頻率的增加而成線性增長(zhǎng)，而轉(zhuǎn)子電阻因集膚效應(yīng)隨頻率的增加較少，因而作上述簡(jiǎn)化是可行的。正向旋轉(zhuǎn)諧波磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差率為 而反向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)差率為 因此通常的表達(dá)式應(yīng)為 （3—11）式中——“”號(hào)為正序諧波，“+”號(hào)為負(fù)序諧波。如果忽略磁飽和的影響，電動(dòng)機(jī)可以當(dāng)作一個(gè)線性元件采用疊加原理來分析。 對(duì)于基波旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)，其幅值為 (安匝／極)式中 ——基波繞組系數(shù)； ——基波相電流有效值。例如，在三相的每一相中，5次諧波電流產(chǎn)生下列7次空間諧波磁勢(shì)：由以上三式相加，得 （3—7）從而證明了存在7次空間諧波磁勢(shì)，它以的同步轉(zhuǎn)速反向旋轉(zhuǎn)。時(shí)間諧波的轉(zhuǎn)速總是倍于同步轉(zhuǎn)速。從而證明了由平衡的三相正弦電流勵(lì)磁產(chǎn)生一個(gè)以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的基波磁勢(shì)。 用F1表示繞組1在某一時(shí)刻磁動(dòng)勢(shì)波的幅值，則空間磁勢(shì)的分布可用下式表示。 由于變頻電機(jī)是有變頻器供電的，而變頻器輸出的電壓或電流中含有比工頻電網(wǎng)多的多的諧波，所以再設(shè)計(jì)時(shí)必須給予考慮，下面是對(duì)諧波的一些相關(guān)分析。 (5)產(chǎn)生軸電壓和軸電流，縮短軸承壽命 軸電壓的產(chǎn)生主要是由于磁路不平衡和靜電感應(yīng)現(xiàn)象的存在，這在普通電動(dòng)機(jī)中并不嚴(yán)重，但在變頻電源供電的電動(dòng)機(jī)中則較為突出。而高次諧波不僅沒有降低，反而大大增加了。系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)總是采用降頻降壓的軟起動(dòng)方式，這樣不必考慮工頻起動(dòng)特性。 由于在調(diào)速系統(tǒng)中，異步電動(dòng)機(jī)——變頻電源——控制單元是密切相關(guān)的，構(gòu)成一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的整體。基于轉(zhuǎn)差頻率的矢量控制方式與轉(zhuǎn)差頻率控制方式兩者的定常特性一致，但是基于轉(zhuǎn)差頻率的矢量控制還要經(jīng)過坐標(biāo)變換對(duì)電動(dòng)機(jī)定子電流的相位進(jìn)行控制，使之滿足一定的條件，以消除轉(zhuǎn)矩電流過渡過程中的波動(dòng)。 1．V/f控制 V/f控制是為了得到理想的轉(zhuǎn)矩速度特性，基于在改變電源頻率進(jìn)行調(diào)速的同時(shí)，又要保證電動(dòng)機(jī)的磁通不變的思想而提出的，通用型變頻器基本上都采用這種控制方式。以晶閘管VTl強(qiáng)迫關(guān)斷為例來說明換相過程：當(dāng)VTl導(dǎo)通時(shí)，設(shè)換相電容器已經(jīng)充好電，極性為左正右負(fù)，觸發(fā)VT7，VT8換相晶閘管，使之導(dǎo)通，電容C上的電壓通過VT7，VT8及VD4加到主晶閘管VTl上，使VTl受反壓而關(guān)斷。為了提高功率因數(shù),可以不采用可控整流獲得直流電壓,而采用不可控整流再經(jīng)斬波器或脈寬調(diào)制逆變器來調(diào)壓。高性能的變頻器目前已經(jīng)要靠軟件來完成各種功能。最常見的結(jié)構(gòu)形式是利用六個(gè)半導(dǎo)體主開關(guān)器件組成的三相橋式逆變器電路。變頻器就是通過改變電動(dòng)機(jī)電源頻率實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的，是一種理想的高效率、高性能的調(diào)速手段。高性能材料的成本價(jià)格不斷下降，使得變頻電機(jī)的性價(jià)比不斷下降，同時(shí)，電力電子元器件材料亦不斷更新，為變頻電機(jī)的控制提供了先決的物質(zhì)條件。(2)集成化和智能化。如冶金自動(dòng)化開發(fā)交流調(diào)速技術(shù)十多年,并在此基礎(chǔ)上為天津中板廠開發(fā)容量為5MW的數(shù)字控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)。隨著電子技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展以及各種高性能電力電子元器件產(chǎn)品的出現(xiàn),歷來阻礙交流調(diào)速技術(shù)發(fā)展的一些因素相繼被克服,原直流調(diào)速系統(tǒng)領(lǐng)先的一些技術(shù)性能,如寬廣的調(diào)速范圍、較高的穩(wěn)速精度、快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和四象限運(yùn)行等方面,都能與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美。目前國(guó)際上普遍采用變頻調(diào)速，因?yàn)樽冾l調(diào)速有以下優(yōu)點(diǎn)： 　 (1)效率高、節(jié)能顯著； 　　(2)調(diào)速平滑能在5100HZ范圍內(nèi)無級(jí)調(diào)速。交流調(diào)速具有下面幾個(gè)優(yōu)點(diǎn):(1)交流電機(jī)特別是籠型異步電動(dòng)機(jī)的價(jià)格遠(yuǎn)低于直流電動(dòng)機(jī)。近年來隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展為交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速開辟了廣闊的前景。另外還要考慮電機(jī)定轉(zhuǎn)子槽配合，槽型等變化產(chǎn)生的諧波磁場(chǎng)加深磁路飽和，必須把氣隙寬度適當(dāng)放寬，同時(shí)考慮高次諧波會(huì)加深磁路飽和，故變頻電機(jī)主磁路一般設(shè)計(jì)成不飽和狀態(tài)，同時(shí)為了提高電機(jī)在低頻低速運(yùn)行輸出轉(zhuǎn)矩，要適當(dāng)提高變頻器的輸出電壓。關(guān)鍵詞：變頻電機(jī)、變頻器、諧波、電磁設(shè)計(jì)及分析Design of 6 frequency conversion electrical machineryAbstract: With the development of science and technology, the latest technology have been used to design about motor product . digitization , information technology, networking is a growing impact on our lives, also affected the design of the motor technology and application of variable—frequency motor is increasing rapidly broad．The capacity of single ma—chine is graduany raised．This text introduce frequency conversion transfer speed systematic overview and development trend , frequency conversion electrical machinery transfer speed principle and his application mainly。由于矢量控制等先進(jìn)控制技術(shù)的出現(xiàn)，異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速特性亦可與直流調(diào)速性能相媲美。(4)電機(jī)的單機(jī)容量遠(yuǎn)大于直流電機(jī)。它不僅安全可靠,而且還達(dá)到了提高工作效率,提高產(chǎn)品質(zhì)量,節(jié)約電能30%以上的綜合經(jīng)濟(jì)效益。目前,交流調(diào)速技術(shù)在節(jié)能方面已獲得了廣泛的應(yīng)用,把一些原有的恒速交流電力傳動(dòng)系統(tǒng)改造成為轉(zhuǎn)速可調(diào)的交流調(diào)速系統(tǒng),可以取得明顯的節(jié)電效果。尤其是用于風(fēng)機(jī)和水泵,節(jié)電率在40%左右。(3)高性能和可靠性。值得注意的是:正是在與電力電子逆變器和控制技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來，傳統(tǒng)電機(jī)產(chǎn)品才真正得以改造和更新，形成新一代高新技術(shù)產(chǎn)品，使之獲得高性能、高可靠性、高質(zhì)量，同時(shí)節(jié)約能源和原材料，降低消耗和污染，從而適應(yīng)現(xiàn)代化市場(chǎng)的需要，增強(qiáng)變頻交速系統(tǒng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力和占有率。變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。無論電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)或發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)，在中間直流環(huán)節(jié)和電動(dòng)機(jī)之間總會(huì)有無功功率的交換。變頻器不僅調(diào)速平滑，范圍大，效率高，啟動(dòng)電流小，運(yùn)行平穩(wěn)，而且節(jié)能效果明顯。晶閘管SPWM型逆變器主電路如圖2—2所示。直流電路中的電抗L的作用是避免經(jīng)反饋二極管VDl～VD6而使晶閘管VTl～VT6的反饋電流被直流短路，并限制電流上升率。這種控制方式，在控制系統(tǒng)中需要安裝速度傳感器，有時(shí)還加有電流反饋，對(duì)頻率和電流進(jìn)行控制，因此，這是一種閉環(huán)控制方式，可以使變頻器具有良好的穩(wěn)定性，并對(duì)急速的加減速和負(fù)載變動(dòng)有良好的響應(yīng)特性。 無速度傳感器矢量控制是通過坐標(biāo)變換處理分別對(duì)勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，然后通過控制電動(dòng)機(jī)定子繞組上的電壓、電流辨識(shí)轉(zhuǎn)速以達(dá)到控制勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流的目的。這是因?yàn)樵谧冾l調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)，電動(dòng)機(jī)的參數(shù)不僅影響到電動(dòng)機(jī)自身的性能指標(biāo)，而且影響到整個(gè)系統(tǒng)，它的取值對(duì)系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有著重大影響。在采用矢量控制等情況下，由于運(yùn)行中保持轉(zhuǎn)子磁通不變，電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性是一條直線，不存在最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)中漏抗取值的限制。如何降低振動(dòng)和噪聲，對(duì)正弦波供電的電動(dòng)機(jī)來講已經(jīng)是一個(gè)難題了。這時(shí)，由于轉(zhuǎn)速很低，普通電動(dòng)機(jī)所采用的自扇冷卻方式所提供的冷卻風(fēng)量已大大減小，散熱效果大大降低，必須采用其它的冷卻方式。假定每一相僅建立自己的磁勢(shì)而與另外兩相無關(guān)。 把式(3—1)和式(3—2)聯(lián)立，就得出線圈1在時(shí)間時(shí)的磁勢(shì)空間分布 （3—3）繞組2的磁勢(shì)波形，在空間上和時(shí)間上相對(duì)于位移，因此 同樣對(duì)于繞組3 把三相的磁勢(shì)相加，即為全部繞組產(chǎn)生的合成氣隙磁勢(shì)。例如相電流中的5次諧波分量對(duì)于每一相建立一個(gè)與基波有同樣空間分布的磁勢(shì)駐波，以5倍于基波頻率脈動(dòng)，則繞組1中的5次諧波磁勢(shì)為 式中 ——為5次諧波電流產(chǎn)生的空間基波磁勢(shì)最大幅值。繞組1中基波電流產(chǎn)生的5次空間諧波磁勢(shì)為 同樣對(duì)和可以寫出相應(yīng)的表達(dá)式，把三個(gè)磁勢(shì)相加后其結(jié)果為 (3—6) 此式證明存在5次空間諧波磁勢(shì)，它以的同步轉(zhuǎn)速反向旋轉(zhuǎn)。“”號(hào)表示諧波的轉(zhuǎn)向與基波轉(zhuǎn)向相同，而“一”號(hào)表示反向旋轉(zhuǎn)的諧波。四、正序、負(fù)序和零序諧波 如表3—1所示的第一列，由＝3n+1(n等于零和整數(shù))次諧波電流產(chǎn)生的時(shí)間諧波磁勢(shì)，其旋轉(zhuǎn)方向與主磁場(chǎng)轉(zhuǎn)向相同，而次諧波電流則產(chǎn)生反向旋轉(zhuǎn)的磁勢(shì)波。為了分析方便，把電動(dòng)機(jī)的電流或轉(zhuǎn)矩用標(biāo)么值來表示。定子和轉(zhuǎn)子電阻也由于諧波頻率下的集膚效應(yīng)而增大。因此，電動(dòng)機(jī)的諧波電流阻抗近似為k(+)，這里的和分別為電源基波頻率下定子和轉(zhuǎn)子的漏抗。這樣，對(duì)于在非正弦電源下運(yùn)行時(shí)，與在正弦波電網(wǎng)上運(yùn)行相比，電動(dòng)機(jī)的空載損耗顯著增加，而滿載時(shí)損耗增加得相對(duì)較少。通常的變頻器沒有零序諧波和偶次諧波，因此，總的諧波電流有效值可由下式給出 （3—15）如果為電動(dòng)機(jī)定子基波電流有效值，則包括基波電流在內(nèi)的總定子電流有效值為 （3—16） 對(duì)于給定的電壓波形，定子電流相應(yīng)的諧波成分與電動(dòng)機(jī)的標(biāo)幺電抗X有關(guān)，標(biāo)幺電抗是基波頻率下漏抗與基值電抗X的比值。由圖3—1b所示的第次諧波等值電路得 （3—19）式中 ——第次諧波轉(zhuǎn)矩； ——極對(duì)數(shù)； ——定子繞組相數(shù)； ——諧波次數(shù)； ——定子電流基波頻率； ——k次諧波轉(zhuǎn)子電流； ——轉(zhuǎn)子電阻； ——k次諧波轉(zhuǎn)差率。因此總的來說，電源諧波的全部影響是使電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定轉(zhuǎn)矩略有減小。以上這兩個(gè)6倍于基波頻率的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩一起使電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩發(fā)生波動(dòng)。變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì)有一般異步電動(dòng)機(jī)電磁設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，如主要尺寸及電磁負(fù)荷的選取、極對(duì)數(shù)的確定，也有滿足“變頻調(diào)速要求”的特殊點(diǎn)。 (1)鐵耗 一般說來，若正弦基波磁通時(shí)的鐵耗為，則由于電源諧波影響，其鐵耗的增加量，由下式?jīng)Q定： (3—22)式中 ——第次諧波的含有率； ——高次諧波次數(shù)。只是由于高次諧波的頻率更高，故其數(shù)值更大。在同樣的輸出和相同的散熱條件下，變頻電源供電時(shí)的溫升要比工頻供電時(shí)高出10％～15％。 (1)電壓型逆變器 對(duì)于由電壓型逆變器供電的電動(dòng)機(jī)，脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩及諧波電流取決于電動(dòng)機(jī)的漏抗X值。 從另一角度說，當(dāng)值一定，為了減小應(yīng)減小氣隙長(zhǎng)度。 此外，電動(dòng)機(jī)的漏抗越小，電流型逆變器輸出一定量電流諧波所產(chǎn)生的電壓諧波也就越小。下面便是在體積一定的情況下，確定D與之比了。 (3)D小大，繞組的端部短，端部漏抗、端部雜散損耗、端部銅耗及端部機(jī)械應(yīng)力小。 但是，額定電壓不只是電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的主要依據(jù)，同時(shí)也是變頻調(diào)速系統(tǒng)中聯(lián)系電動(dòng)機(jī)與變頻器的基本中間參量。 由于漏電抗與繞組匝數(shù)的平方成正比，當(dāng)電動(dòng)機(jī)額定功率一定時(shí)，電壓越高則電流越小，繞組匝數(shù)越多，繞組漏抗越大。也就是說，欲選擇逆變電源的頻率，需先確定電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)。這樣，相同的下限工作頻率下，最高與最低工作頻率比增大，調(diào)速范圍擴(kuò)大。 (4)在允許的功率管最大電流條件下，電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩，因此在一定的下增加極對(duì)數(shù)，可減小氣隙，使勵(lì)磁電流減小、功率因數(shù)提高。因此，在一般情況下，對(duì)于變頻電動(dòng)機(jī)盡量取1。(一)各種諧波轉(zhuǎn)矩及其對(duì)電動(dòng)機(jī)的影響由于電流中諧波磁場(chǎng)的存在，不僅會(huì)在電動(dòng)機(jī)中產(chǎn)生一系列諧波損耗，影響效率和溫升，還會(huì)產(chǎn)生一系列諧波轉(zhuǎn)矩。每一氣隙諧波磁通，均可和與它次數(shù)不同的任一次轉(zhuǎn)子諧波電流作用產(chǎn)生一交變諧波轉(zhuǎn)矩。因此為了減小電動(dòng)機(jī)中的諧波轉(zhuǎn)矩，必須在電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)采取一些特殊措施。理論和實(shí)踐證明，電動(dòng)機(jī)容量越大，軸電壓的值也就越大。由于軸電流是在軸與軸承部分局部范圍內(nèi)循環(huán)的，因此加強(qiáng)軸承金屬或軸承座的絕緣是毫無意義的。通常采用吸收管，減振器及過電壓削波器等對(duì)浪涌電壓加以吸收或抑制。 6)采用H或F級(jí)絕緣，提高電動(dòng)機(jī)溫升等級(jí)