【正文】 要使系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)與變頻裝。近年來，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。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。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%。 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。 通風(fēng)損耗正比于 3n 。一般說來，若轉(zhuǎn)速為 n ，則： 滑動(dòng)軸承的摩擦損耗正比于 。 2）在變頻電源供電時(shí)與工頻電源供電時(shí)有很大不同。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。 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在端部鐵心中產(chǎn)生渦流損耗。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。 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。一般說來，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)。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； 一般說來，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 。 因此可用下式求出諧波產(chǎn)生的高頻銅耗 Cuvp ? ?2 2 39。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(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。 3）除上述二項(xiàng)外電源諧波產(chǎn)生的其他附加損耗，稱為諧波雜散損耗。 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 。隨著轉(zhuǎn)差率的增加，等效電阻減小，電流就線性增長，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€，而沒有極值。 也有人進(jìn)一步提出維持轉(zhuǎn)子磁鏈恒定的控制策略。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。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。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。 為了確保電動(dòng)機(jī)在恒功率運(yùn)行時(shí)具有不變的過載能力 /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。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。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，如車輛中使用的牽引電動(dòng)機(jī)就有這種運(yùn)行要求。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)。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。 2 2 39。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。從充分利用異步電動(dòng)機(jī)的潛力出發(fā)，在 調(diào)速過程中始終保持氣隙磁場恒定的控制策略更為合理。 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。如果磁化電流的減小大于定子電流中負(fù)載分量的增長，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?？蛰d時(shí)電動(dòng)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(dòng)機(jī)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。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。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。 異步電動(dòng)機(jī)在低頻起動(dòng)時(shí)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩比額定頻率下的走動(dòng)轉(zhuǎn)矩大而 起動(dòng)電流較小。1 1 1 21111NR R X X QUU QR R X X? ????? ??? ? ??? ?????? ???? ? ? ? ???? ? ? ???? （ 310） 或221 21111NQUU Q?????? ?? （ 311） 式中， 39。 為了補(bǔ)償定子電阻上的壓降，保持異步電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩不變，定子的輸入電壓控制規(guī)律可得出，考慮 1 nff?? 的關(guān)系，求得： ? ?? ?22 2 2 39。124 Nm Nmp UT f X X???? ? （ 39） 由上兩式看出，在忽略或補(bǔ)償定子電阻的情況下，恒電壓 /頻率比變頻運(yùn)行時(shí)異步電動(dòng)機(jī)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(yùn)行頻率下電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩 mT 是不變的，而且均發(fā)生同樣大小的絕對(duì)轉(zhuǎn)差下，即出現(xiàn)最大轉(zhuǎn)矩的絕對(duì)轉(zhuǎn)差率 mS =常數(shù)。 2 39。 在定子電阻壓降完全補(bǔ)償?shù)那闆r下，電 動(dòng)機(jī)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。如果轉(zhuǎn)子相對(duì)氣隙磁場的速度一定，轉(zhuǎn)子中感應(yīng)的電流及其所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩也是一定的。唯一的差異只是在變頻運(yùn)行的情況下，決定電動(dòng)機(jī)特性的不是相對(duì)轉(zhuǎn)差率 s， 而是絕對(duì)轉(zhuǎn)差率 ? ，亦即實(shí)際的旋轉(zhuǎn)磁場三相交流變頻電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)分析 14 切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體的轉(zhuǎn)差速度： 1nn? 。電阻壓降完全補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果，在電路中相當(dāng)于電阻等于零。 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(dòng)機(jī)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。當(dāng)然從減少損耗的角度看在低頻時(shí)可降低電壓，按 U 正比于 2f 的規(guī)律變化。1 1 1 24NmNmp UTf R R X X???? ??? ? ????? （ 37） 在正常運(yùn)行時(shí)由于轉(zhuǎn)差率 /s ??? 之值很 小，通?？梢院雎?，則對(duì)應(yīng)于一定轉(zhuǎn)矩下的絕對(duì)轉(zhuǎn)差率，即旋轉(zhuǎn)磁場對(duì)轉(zhuǎn)子的相對(duì)運(yùn)動(dòng)不變。 2 39。在 /Uf=常數(shù)的情況下異步電動(dòng)機(jī)變頻運(yùn)行時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩為： ? ?239。 在變頻調(diào)速情況下頻率 f 是變化的。2R 、 39。21 1 1 22emRmp UsTRf R X Xs?? ????? ? ????????? （ 34） ? ?212239。2 21239。 下面對(duì)變頻電源的控制策略 和電動(dòng)機(jī)的特性進(jìn)行分析。 可見，在異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的過程中，為了使電動(dòng)機(jī)的磁通能維持在恰當(dāng)?shù)乃剑妱?dòng)機(jī)的電壓必須隨頻率而變化。所以在分析研究異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速特性時(shí)，可以從分析基波分量入手。 變頻器供電的異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性 異步電動(dòng)機(jī)在由變頻裝置供電時(shí)，一般來說， 電壓和電流中均含有諧波分量。 三相交流變頻電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)分析 12 第 3 章 變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn) 變頻調(diào)速的異步電動(dòng)機(jī)由于起動(dòng)、過載、運(yùn)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(zhuǎn)差矢量控制等在系統(tǒng)中得到解決。 （ 5）紡織印染行業(yè) 紡織印染行業(yè)對(duì)變頻調(diào)速有大量的需求，除大量的風(fēng)機(jī)外，精紡機(jī)，粗紡機(jī)，整經(jīng)機(jī)，經(jīng)編機(jī)以及印染設(shè)備均可采用變頻調(diào)速技術(shù)。 （ 4）化工行業(yè) 除將變頻器用于供水，風(fēng)機(jī)外，在化工行業(yè)中各工藝生產(chǎn)線，各類泵，攪拌機(jī)等用量也非常大。 （ 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(dòng)作用，控制靈活，易構(gòu)成閉環(huán)，因此在軋機(jī)輥道，轉(zhuǎn)爐，圓盤給料機(jī)、風(fēng)機(jī)等多處得到應(yīng)用。目前自來水行業(yè)多采用串級(jí)調(diào)速，串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)效率只有 50%，體積大，故障多，而采用變頻調(diào)速可以得到較大的節(jié)能效果。 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。目前，變頻調(diào)速技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代電力傳動(dòng)技術(shù)的一個(gè)主要發(fā)展方向。八十年代末，變頻調(diào)速技術(shù)引入我國并得到推廣。隨著經(jīng)濟(jì)改革的不斷深入，市場