【導(dǎo)讀】工作及取得的研究成果；得其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位而使用過(guò)的材料；交流變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)在工業(yè)領(lǐng)域有廣泛的用途。畢業(yè)設(shè)計(jì)中要求學(xué)生熟悉及掌握該技術(shù)領(lǐng)域的相。關(guān)知識(shí)，通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)為學(xué)生今后的工作打下良好的基礎(chǔ)。2．基本掌握變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)分析；3．熟悉變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)工作原理，結(jié)構(gòu)及應(yīng)用；1．2月23日至3月15日：查閱資料；撰寫(xiě)文獻(xiàn)綜述和開(kāi)題報(bào)告；確定總體方案。1）4月6日-4月19日：完成變頻器和變頻調(diào)速系統(tǒng)的基本原理的分析；3）5月4日-5月17日：完成變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì)。

　　

【正文】 設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)分析 15 流功率因數(shù)較高，所以較小的轉(zhuǎn)子電流就能產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩。如優(yōu)先起動(dòng)頻率，使起動(dòng)時(shí)正好 max??? ，則電動(dòng)機(jī)將以最大轉(zhuǎn)矩和較小的電流起動(dòng)，可以顯著地改善異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)特性，這是異步電動(dòng)機(jī)采用變頻調(diào)速的重要優(yōu)點(diǎn)之一。電動(dòng)機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)定子電流，要比產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩時(shí)的電流小得多，所以實(shí)際上在一般情況下，定子電阻壓降處在過(guò)補(bǔ)償狀態(tài)。隨著頻率的降低，電動(dòng)機(jī)的氣 隙磁通將增大，空載電流會(huì)顯著增加，甚至可能出現(xiàn)電動(dòng)機(jī)負(fù)載愈輕，電流愈大的反?，F(xiàn)象。 由于低頻時(shí)定子電阻壓降比漏抗壓降大得多，以致空載和滿(mǎn)載時(shí)電動(dòng)機(jī)內(nèi)電動(dòng)勢(shì)的大小有很大的變化?？蛰d時(shí)電動(dòng)勢(shì) 1E 數(shù)值很大，幾乎等于外施電壓 1U ，使得氣隙磁通增加很多，電動(dòng)機(jī)磁路處于高度飽和狀態(tài)，磁化電流就大幅度增長(zhǎng)，甚至可能超過(guò)額定電流的大小。而當(dāng)負(fù)載增加以后，因?yàn)檗D(zhuǎn)子電流 和氣隙電動(dòng)勢(shì) 1E 相位比較接近，氣隙電動(dòng)勢(shì)將顯著減小，因而在負(fù)載增大時(shí)磁化電流將大幅度下降。如果磁化電流的減小大于定子電流中負(fù)載分量的增長(zhǎng)，則就會(huì)出現(xiàn)定子電流隨負(fù)載增大反而減小的反?，F(xiàn)象。為了克服這種不希望的情況出現(xiàn)，可以采用反饋控制的方法使輕載時(shí)輸入電壓適當(dāng)降低。 以上分析的最大轉(zhuǎn)矩恒定控制方式，是在補(bǔ)償定子電阻壓降以保持定子繞組磁鏈恒定的基礎(chǔ)上得到的。隨著負(fù)載的變化，氣隙磁場(chǎng)仍然有相當(dāng)?shù)淖兓某浞掷卯惒诫妱?dòng)機(jī)的潛力出發(fā)，在 調(diào)速過(guò)程中始終保持氣隙磁場(chǎng)恒定的控制策略更為合理。這就是說(shuō)應(yīng)該把定子電阻和漏抗上的壓降全部加以補(bǔ)償。在這種情況下，相當(dāng)于 110, 0RX??，可以求出電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩分別 為： ? ?239。239。 2 2 39。 2222 Nem Nm p U RT f R X???? ? （ 312） 239。24 Nm NmpUT fX?? （ 313） 它的最大轉(zhuǎn)矩幾乎可 以比只補(bǔ)償定子電阻上壓降時(shí)提高一倍左右。這種控制方式對(duì)于起動(dòng)轉(zhuǎn)矩特別高的情況是十分有利的。當(dāng) 然，在這種情況下，電動(dòng)機(jī)的輸入電壓需要根據(jù)實(shí)際運(yùn)行頻率和負(fù)載（絕對(duì)轉(zhuǎn)差率）的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)。 輸出功率保持恒定的控制方式 以上分析是在電動(dòng)機(jī)氣隙磁通保持不變的條件下進(jìn)行，適合于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。實(shí)際應(yīng)用中還有一種按恒功率進(jìn)行調(diào)速運(yùn)行的方式，即在轉(zhuǎn)速低時(shí)要求輸出轉(zhuǎn)矩大，在轉(zhuǎn)速高時(shí)要求輸出轉(zhuǎn)矩小，如車(chē)輛中使用的牽引電動(dòng)機(jī)就有這種運(yùn)行要求。此外，在異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速運(yùn)行中，一般在額定頻率以下按恒轉(zhuǎn)矩方式運(yùn)行。而當(dāng)運(yùn)行頻率達(dá)到額定三相交流變頻電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)分析 16 并超過(guò)額定值之后，由于調(diào)速裝置的耐壓和電動(dòng)機(jī)容量的限制，電動(dòng)機(jī)電壓將不再隨頻率 按比例增加，而是維持不變。這樣，電動(dòng)機(jī)的磁通就將隨頻率的上升而下降，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩減小，電動(dòng)機(jī)進(jìn)入近似恒功率的運(yùn)行方式，轉(zhuǎn)矩和頻率呈反比關(guān)系。 為了確保電動(dòng)機(jī)在恒功率運(yùn)行時(shí)具有不變的過(guò)載能力 /mTT?? ，不同性質(zhì)負(fù)載時(shí)電壓和頻率之間應(yīng)有不同的關(guān)系。下面以恒功率負(fù)載及轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速平方成比例的風(fēng)機(jī)、水泵類(lèi)負(fù)載為例分析。變頻運(yùn)行中若忽略定子電阻，電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩為： ? ? ? ?222139。39。11 2 1 244NNmNNmp U mp U UTK ff X X f X X??? ? ? ? ????? ?????? （ 314） 代入 /mTT?? ， 則有 2211UUKT ff? ? ? ? ???? ? ? ?? ? ? ? （ 315） 所以 21!NNNUfTT U f??????? （ 316） 即 11N N NUf TU f T? （ 317） 在恒功率負(fù)載時(shí)，負(fù)載性質(zhì)為 1NNfTTf? （ 318） 于是頻率變化規(guī)律為： 11NNUf ??? （ 319） 此時(shí)，電動(dòng)機(jī)中的氣隙磁通為： 111NN ??? ???? （ 320） 即恒功率調(diào)速時(shí)，電動(dòng)機(jī)的氣隙磁通隨運(yùn)行頻率的減小而增大。所以，在設(shè)計(jì)拖動(dòng)恒功率負(fù)載的電動(dòng)機(jī)時(shí)，應(yīng)按運(yùn)行中的最低頻率來(lái)考慮它的磁路狀態(tài)。在拖動(dòng)風(fēng)機(jī)，水泵等負(fù)載轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速平方變化的負(fù)載時(shí)，因?yàn)椋? 1NNfTTf? （ 321） 此時(shí)電壓隨頻率平方關(guān)系調(diào)節(jié)，即 三相交流變頻電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)分析 17 2211NNUf ????????? （ 322） 而電動(dòng)機(jī)的氣隙磁通為： 11NNff ?? ??? （ 323） 即磁通隨運(yùn)行頻率的增大而增加。這說(shuō)明風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)負(fù)載的電動(dòng)機(jī)應(yīng)按運(yùn)行中最高頻率的運(yùn)行狀態(tài)來(lái)設(shè)計(jì)它的磁 路。 也有人進(jìn)一步提出維持轉(zhuǎn)子磁鏈恒定的控制策略。在轉(zhuǎn)子磁鏈保持恒定的情況下，轉(zhuǎn)子等效電路中只有電阻，沒(méi)有電抗。隨著轉(zhuǎn)差率的增加，等效電阻減小，電流就線(xiàn)性增長(zhǎng)，于是異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性起了質(zhì)的變化，變?yōu)橐幌盗衅叫械闹本€(xiàn)，而沒(méi)有極值。從表面上看這似乎可以大大提高電動(dòng)機(jī)的負(fù)載能力，但是實(shí)際上這是有限的，隨著負(fù)載的過(guò)度增加，電動(dòng)機(jī)氣隙磁場(chǎng)會(huì)不斷增強(qiáng)，電動(dòng)機(jī)鐵心將進(jìn)入嚴(yán)重飽和狀態(tài)，定子電流會(huì)達(dá)到不能允許的程度，所以保持轉(zhuǎn)子磁鏈恒定的控制方法是受到一定限制的。 諧波對(duì)電機(jī)損耗和效率的影響 當(dāng)電機(jī)由變頻器供 電時(shí)，除了基波分量產(chǎn)生的幾部分損耗之外，還增加了諧波分量產(chǎn)生的附加銅損耗，通常稱(chēng)為諧波損耗，大體分為以下三項(xiàng)， 1）定、轉(zhuǎn)子繞組諧波電流產(chǎn)生的附加銅損耗 。 2）電源諧波產(chǎn)生的附加鐵損耗 。 3）除上述二項(xiàng)外電源諧波產(chǎn)生的其他附加損耗，稱(chēng)為諧波雜散損耗。 下面逐項(xiàng)分析這些諧波損耗的計(jì)算方法 : 附加銅損耗 電源中的諧波在電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生諧波電流，由于高次諧波電流的集膚效應(yīng)，引起電流分布不均勻，而使交流電阻增大，從而產(chǎn)生附加諧波銅損耗。 由于集膚效應(yīng)引起轉(zhuǎn)子阻抗的變化可由下式?jīng)Q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(jì)及集膚效應(yīng)前后的轉(zhuǎn)子電阻； 三相交流變頻電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)分析 18 2x 、 2vx —— 計(jì)及集膚效應(yīng)前后的轉(zhuǎn)子電抗； rK —— 集膚效應(yīng)對(duì)應(yīng)的電阻系數(shù)； xK —— 集膚效應(yīng)對(duì)應(yīng)的電抗系數(shù)； ? —— 導(dǎo)體的計(jì)算高度。 由高次諧波引起定子電流 vI 可由下式?jīng)Q定： ? ? ? ?02239。39。1 2 1 2v v v v vUI r r x x? ? ? ? （ 326） 式中 vU —— 高次諧波電壓； 1vr 、 1vx —— 計(jì)及集膚效應(yīng)后的定子電阻及電抗。 因此可用下式求出諧波產(chǎn)生的高頻銅耗 Cuvp ? ?2 2 39。 2 39。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(zhuǎn)子高頻銅耗； 一般說(shuō)來(lái)，定子高頻銅耗為工頻銅耗 1Cup 的 15%，而轉(zhuǎn)子高頻銅耗已近似等于工頻轉(zhuǎn)子銅耗 2Cup 。 附加鐵損耗 電源諧波不僅在電機(jī) 繞組中產(chǎn)生附加銅損耗，而且會(huì)在定、轉(zhuǎn)子鐵心中產(chǎn)生附加鐵損耗。一般說(shuō)來(lái)，若正弦基波磁通時(shí)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?jīng)Q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(shù)。 若正弦基波磁通時(shí)的轉(zhuǎn)子鐵心表面損耗為 sp ，則由于電源諧波影響，其表面損耗的增加量 sp? 由下式?jīng)Q定： 2 v?? ? （ 329） 這兩部分鐵損耗增加的結(jié)果，使變頻電源供電時(shí)比工頻供電時(shí)鐵耗總體增大10%~20%。 以上結(jié)果也可以用公式近似計(jì)算： 三相交流變頻電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)分析 19 239。1mFe Fe UppU??? ???? （ 330） 式中 39。Fep —— 變頻電源供電時(shí)的鐵耗； mU —— 電壓引起磁路飽和的等效電壓； 1U —— 工頻正弦電壓。 附加雜散損耗 除了上述諧波銅損耗和鐵損耗之外，還要考慮電源諧波產(chǎn)生的附加雜散損耗，主要包括諧波繞組端部漏磁損耗，摩擦損耗和通風(fēng)損耗。 1）諧波繞組端部漏磁損耗是由沿軸向進(jìn)入定、轉(zhuǎn)子端部的高次諧波磁場(chǎng)在端部鐵心中產(chǎn)生渦流損耗。只是由于高次諧波的頻率更高，故其數(shù)值更大。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。 一般認(rèn)為定、轉(zhuǎn)子諧波漏磁損耗大致相等，故電動(dòng)機(jī)內(nèi)由于諧波引起的端部總損耗2sv svpp?? 。 2）在變頻電源供電時(shí)與工頻電源供電時(shí)有很大不同。這主要是變頻調(diào)速運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)在 很大轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)變速運(yùn)行，而這些損耗均與轉(zhuǎn)速有關(guān)。一般說(shuō)來(lái)，若轉(zhuǎn)速為 n ，則： 滑動(dòng)軸承的摩擦損耗正比于 。 滾動(dòng)軸承的摩擦損耗正比于 n 。 通風(fēng)損耗正比于 3n 。 此外，還有一些雜散損耗的增加 等等。 諧波對(duì)電機(jī)效率的影響 以上分別討論了電源諧波產(chǎn)生的附加銅損耗 Cuvp ，附加鐵損耗 Fep? 以及附加雜散損 svp? 的計(jì)算方法。總的諧波損耗 k Cuv F e svp p p p? ? ?? ? ? (332) 正弦波電 源供電無(wú)諧波損耗時(shí)電機(jī)的效率為 ? ?11/P P P? ??? (333) 三相交流變頻電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)分析 20 其中 P為電動(dòng)機(jī)的輸出功率， 1P? 為正弦波電源供電時(shí)電機(jī)的總損耗。當(dāng) 考慮到電源諧波的影響時(shí)，電機(jī)的效率則為 ： 1/( )hkP P pP? ? ? ???(%) (334) 由于電源諧波損耗使電機(jī)效 率的降低量為： 1 h? ? ?? ? ? (335) 根據(jù)目前己有的資料統(tǒng)計(jì)，逆變器供電的異步電動(dòng)機(jī)，由于電源諧波產(chǎn)生的附加損耗，一般可使電機(jī)的效率降低 1%~3%。 對(duì)于不同容量、不同供電方式和運(yùn)行工況的電機(jī)，效率降低情況是很不相同的。電源諧波對(duì)鐵損耗的影響較小，對(duì)定子銅損耗的影響不顯著，影響最大的是轉(zhuǎn)子銅損耗，該項(xiàng)損耗占電源諧波損耗的 70%以上，因此在諧波附加損耗計(jì)算中，轉(zhuǎn)子繞組諧波銅損耗的計(jì)算必須有足夠的精度。 變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn) 由于交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的輸出特性能較好地適應(yīng)負(fù)載機(jī)械特性，不僅有助于節(jié)能，而且還對(duì)自動(dòng)控制領(lǐng)域的發(fā)展起了極大的促進(jìn)作用。近年來(lái)，由于矢量控制等先進(jìn)技術(shù)的出現(xiàn)，異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速特性已可與直流調(diào)速性能相媲美。但是，交流變頻系統(tǒng)性能的改進(jìn)，不僅與控制方法和變頻裝置等有關(guān)，還與所用的電動(dòng)機(jī)有很大關(guān)系。要使系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)與變頻裝