【正文】 如何降低振動和噪聲，對正弦波供電的電動機來說已經(jīng)是一個難題了 ，而對于由變?nèi)嘟涣髯冾l電動機設(shè)計與結(jié)構(gòu)分析 21 頻電源供電的電動機來講，由于電源的非正弦性，就使問題變得更為復雜和棘手。即便是目前廣泛采用的 SPWM 正弦脈寬技術(shù)，也只是抑制了低次諧波，降低了電動機的脈動轉(zhuǎn)矩，從而擴展了電動機低速下的平穩(wěn)運行范圍。要使系統(tǒng)中電動機與變頻裝置很好的匹配，就必須了解在變頻裝置供電時異步電動機將面臨的問題。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(zhuǎn)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(zhuǎn)子繞組諧波銅損耗的計算必須有足夠的精度。 諧波對電機效率的影響 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? 的計算方法。一般說來，若轉(zhuǎn)速為 n ，則： 滑動軸承的摩擦損耗正比于 。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。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。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?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)。 因此可用下式求出諧波產(chǎn)生的高頻銅耗 Cuvp ? ?2 2 39。 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 —— 計及集膚效應(yīng)前后的轉(zhuǎn)子電阻； 三相交流變頻電動機設(shè)計與結(jié)構(gòu)分析 18 2x 、 2vx —— 計及集膚效應(yīng)前后的轉(zhuǎn)子電抗； rK —— 集膚效應(yīng)對應(yīng)的電阻系數(shù)； xK —— 集膚效應(yīng)對應(yīng)的電抗系數(shù)； ? —— 導體的計算高度。 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(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，通常稱為諧波損耗，大體分為以下三項， 1）定、轉(zhuǎn)子繞組諧波電流產(chǎn)生的附加銅損耗 。 也有人進一步提出維持轉(zhuǎn)子磁鏈恒定的控制策略。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） 在恒功率負載時，負載性質(zhì)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(diào)速時，電動機的氣隙磁通隨運行頻率的減小而增大。 為了確保電動機在恒功率運行時具有不變的過載能力 /mTT?? ，不同性質(zhì)負載時電壓和頻率之間應(yīng)有不同的關(guān)系。實際應(yīng)用中還有一種按恒功率進行調(diào)速運行的方式，即在轉(zhuǎn)速低時要求輸出轉(zhuǎn)矩大，在轉(zhuǎn)速高時要求輸出轉(zhuǎn) 矩小，如車輛中使用的牽引電動機就有這種運行要求。24 Nm NmpUT fX?? （ 313） 它的最大轉(zhuǎn)矩幾乎可 以比只補償定子電阻上壓降時提高一倍左右。在這種情況下，相當于 110, 0RX??，可以求出電動機的電磁轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩分別 為： ? ?239。 以上分析的最大轉(zhuǎn)矩恒定控制方式，是在補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?？蛰d時電動勢 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，電動機磁路處于高度飽和狀態(tài)，磁化電流就大幅度增長，甚至可能超過額定電流的大小。如優(yōu)先起動頻率，使起動時正好 max??? ，則電動機將以最大轉(zhuǎn)矩和較小的電流起動 ，可以顯著地改善異步電動機的起動特性，這是異步電動機采用變頻調(diào)速的重要優(yōu)點之一。1 1 1 21111NR R X X QUU QR R X X? ????? ??? ? ??? ?????? ???? ? ? ? ???? ? ? ???? （ 310） 或221 21111NQUU Q?????? ?? （ 311） 式中， 39。124 Nm Nmp UT f X X???? ? （ 39） 由上兩式看出，在忽略或補償定子 電阻的情況下，恒電壓 /頻率比變頻運行時異步電動機的轉(zhuǎn)矩特性曲線將是一組沿水平軸（轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 n）平移的特性曲線，其在不同運行頻率下電動機的最大轉(zhuǎn)矩 mT 是不變的，而且均發(fā)生同樣大小的絕對轉(zhuǎn)差下，即出現(xiàn)最大轉(zhuǎn)矩的絕對轉(zhuǎn)差率 mS =常數(shù)。 在定子電阻壓降完全補償?shù)那闆r下，電動機的電磁轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩可由上節(jié)的式中令 1R =0 求 得： ? ? ? ?239。唯一的差異只是在變頻運行的情況下，決定電動機特性的不是相對轉(zhuǎn)差率 s， 而是絕對轉(zhuǎn)差率 ? ，亦即實際的旋轉(zhuǎn)磁場三相交流變頻電動機設(shè)計與結(jié)構(gòu)分析 14 切割轉(zhuǎn)子導體的轉(zhuǎn)差速度： 1nn? 。 最大轉(zhuǎn)矩保持恒定的控制方式 在電壓 /頻率比恒定的控制方式中，電動機的最大轉(zhuǎn)矩有隨頻率的上升而下降的趨勢，主要是由于定子電阻 1R 的影響所引起的。1 1 1 24NmNmp UTf R R X X???? ??? ? ????? （ 37） 在正常運行時由于轉(zhuǎn)差率 /s ??? 之值很小，通常可以忽略，則對應(yīng)于一定轉(zhuǎn)矩下的絕對轉(zhuǎn)差率，即旋轉(zhuǎn)磁場對轉(zhuǎn)子的相對運動不變。在 /Uf=常數(shù)的情況下異步電動機變頻運行時的電磁轉(zhuǎn)矩和最大 轉(zhuǎn)矩為： ? ?239。2R 、 39。2 21239。 可見，在異步電動機變頻調(diào)速的過程中，為了使電動機的磁通能維持在恰當?shù)乃剑妱訖C的電壓必須隨頻率而變化。 變頻器供電的異步電動機的機械特性 異步電動機在由變頻裝置供電時，一般來說，電壓和電流中均含有諧波分量。 （ 5）紡織印染行業(yè) 紡織印染行業(yè)對變頻調(diào)速有大量的需求，除大量的風機外，精紡機，粗紡機，整經(jīng)機，經(jīng)編機以及印染設(shè)備均可采用變頻調(diào)速技術(shù)。 （ 2）鋼鐵行業(yè) 變頻調(diào)速精度高，節(jié)電效果好，可頻繁起抽動作用，控制靈活，易構(gòu)成閉環(huán)，因此在軋機輥道，轉(zhuǎn)爐，圓盤給料機、風機等多處得到應(yīng)用。 交流變頻調(diào)速性能良好，因而已在供水，冶金，紡織，造紙，化工，建材等行業(yè)廣泛采用并大力推廣。八十年代末，變頻調(diào)速技術(shù)引入我國并得到推廣。另外，由 PWM 變頻器產(chǎn)生的矩形斬波沖擊電壓疊加在電動機運行電壓上，會對電動機的對地絕緣形成威脅，對地絕緣在高電壓的反復沖擊下會加速老化。 ? 低速時的冷卻效果差 在電源頻率較低時，因普通異步電動機的阻抗不盡理想，使電源中高次諧波所引起的損耗增大。變頻器電源中含有的高次時間諧波與電動機電磁部分的固有空間諧波相互干涉，形成各種電磁振動力。以當前比較普遍使 用的正弦波 PWM 變頻器為例，其低次諧波基本上為零，剩下的是比載波頻率（晶體管開關(guān)頻率）大一倍左右的高次諧波分量。 6) 變頻調(diào)速節(jié)能效 果明顯，有時可高達 30%~50%。 2) 使用二極管整流器，交流電網(wǎng)的功率因數(shù)與逆變器輸出電壓的大小無關(guān)而且接近 1；如有數(shù)臺裝置，可由同一臺不可控整流器供電。 交流電機主要分為異步電機和同步電機兩大類。 在矢量控制方式中，磁場電流和轉(zhuǎn)矩電流可以根據(jù)可測定的電動機定子電壓和電流的實際值用計算方法求得。 上述的 U/F 控制方式和轉(zhuǎn)差頻率的控制思想，都建立在異步電動機的靜態(tài)數(shù)學模型上，因此動態(tài)性能指標不高。根據(jù)速度傳感器的檢測，可以求出轉(zhuǎn)差角頻率，再把它與速度設(shè)定值相疊加，以該疊加值作為逆變器的頻率設(shè)定值，就實現(xiàn)了轉(zhuǎn)差補償。故常用于速度精度要求不十分嚴格或負載變動較小的場合。逆變器的脈沖發(fā)生器同時受控于頻率指令和電壓指令，而它們之間的關(guān)系是 U/F 曲線發(fā)生器決定的。從轉(zhuǎn)矩的響應(yīng)特性和過渡特性上看，大體分為 U/f 恒定控制 (又稱 VVVF 控制 )、轉(zhuǎn)差頻 率控制和轉(zhuǎn)差矢量控制。故在調(diào)頻的同時也要調(diào)壓，為反映這兩種同時調(diào)節(jié)的情況，常用 VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)符號代表變頻器（在頻率上升時磁通不會飽和，也可以不調(diào)整電壓）。這是因為當頻率改變時，電動機內(nèi)的阻抗壓降、定子的電勢都要改變，以致引起磁通 m? 變化，這樣在高速運轉(zhuǎn)時會造成電動機的電磁轉(zhuǎn)矩不足 ,低速時，則磁通 m? 會過大，使磁路過于飽和，引起勵磁電流增大，造成電動機的功率因數(shù) ?cos 及效率 η顯著下降。可見逆變管是變頻器的核心元件?？刂齐娐肥翘峁┬盘枺⒂幸?guī)則的控制逆變器導通與截止，使之向異步電動機提供頻率、電壓都可調(diào)的交流電源，以驅(qū)動電動機的運行。現(xiàn)以后者為例說明變頻的基本原理。 4． 逆變電路 逆變電路同整流電路相 反，逆變電路是將直流電壓變換為所要頻率的交流電壓，以所確定的時間使上橋、下橋的功率開關(guān)器件導通和關(guān)斷。 變頻器是輸出電壓和頻率可調(diào)的調(diào)速裝置。 1. 整流電路 整流電路的功能是把交流電源轉(zhuǎn)換成直流電源。 變頻器廣泛用于交流電機的調(diào)速中 。 并設(shè)一個可調(diào)頻率的裝置 。 它首先是將交流電變?yōu)橹绷麟?。 本方法適用于風機、水泵的調(diào)速。 液力耦合器調(diào)速方法 液力耦合器是一種液力傳動裝置，一般由泵輪和渦輪組成，它們統(tǒng)稱工作輪，放在密封殼體中。當電樞與磁極均為靜止時，如勵磁繞組通以直流，則沿氣隙圓周表面將形成若干對 N、 S 極性交替的磁極，其磁通經(jīng)過電樞。直流勵磁電源功率較小，通常由單相半波或全波晶閘管整流器組成，改變晶閘管三相交流變頻電動機設(shè)計與結(jié)構(gòu)分析 5 的導通角，可以改變勵磁電流的大小。調(diào)壓調(diào)速的 主要裝置是一個能提供電壓變化的電源，目前常用的調(diào)壓方式有串聯(lián)飽和電抗器、自耦變壓器以及晶閘管調(diào)壓等幾種。 定子調(diào)壓調(diào)速方法 當改變電動機的定子電壓時，可以得到一組不同的機械特性曲線，從而獲得不同轉(zhuǎn)速。 轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方法 繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子串入附加電阻，使電動機的轉(zhuǎn)差率加大，電動機在較低的轉(zhuǎn)速下運行。 變頻調(diào)速方法 變頻調(diào)速是改變電動機定子電源的頻率，從而改變其同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方 法。 串級調(diào)速方法 串級調(diào)速是指繞線式電動機轉(zhuǎn)子回路中串入可調(diào)節(jié)的附加電勢來改變電動機的轉(zhuǎn)差，達到調(diào)速的目的。還有改變定子電壓、頻率的變頻調(diào)速。分析變頻器供電時的異步電動機的機械特性、變頻電源中的諧波成分對電機的影響和變頻調(diào)速異步電動機的設(shè)計特點。變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速和起制動性能，高效率、高功率因數(shù)和節(jié)電效果，廣泛的適用范圍及其它許多優(yōu)點而被國內(nèi)外公認為最有發(fā)展前途的調(diào)速方式。因此僅就目前的市場容量考慮，約有 6000 萬 kW 的調(diào)速電機市場。它與傳統(tǒng)的交流拖動系統(tǒng)相比 ,利用變頻器對交流電動機進行調(diào)速控制 ,有許多優(yōu)點 ,如節(jié)電 ,容易實現(xiàn)對現(xiàn)有電動機的調(diào)速控制 ,可以實現(xiàn)大范圍內(nèi)的高效連續(xù)調(diào)速控制 ,容易實現(xiàn)電動機