变频调速电动机的应用分析 yinWord 文档 7.docx

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变频调速电动机的应用分析yinWord文档7

一、引言

交流电动机特别是异步电动机由于结构简单、价格便宜、维修方便等优点被广泛使用。

但其调速性能在以前赶不上直流电动机，所以交流电动机的调速技术一直是世界各国研究的课题。

20世纪60年代以后，随着电力电子技术的发展，半导体变流技术应用到交流调速系统中，特别是大规模集成电路和计算机控制技术的发展，以及现代控制理论的应用，都为交流调速的进一步发展创造了条件。

人们研究出很多类型的交流调速系统，其中有些方法的调速性能已可与直流调速系统相媲美。

因此，交流调速得到日益广泛的应用，目前在调速传动领域交流电动机已有取代直流电动机的趋势。

早期的交流电动机调速方法，如采用绕线式异步电动机转子串电阻调速、笼型异步电动机变极调速，在定子绕组串电抗器调速等都存在效率低，不经济等缺点。

交流变频调速的优越性早在20世纪20年代就已被人们认识，但受到元器件的限制，当时只能用闸流管构成逆变器，由于技资大，效率低，体积大而未能推广。

20世纪50年代中期，晶闸管的研制成功，开创了电力电子技术发展的新时代。

由于晶闸管具有体积小、重量轻、响应快、管压低等一系列优点，交流电动机调速技术有了飞跃发展，出现了交流异步电动机调压调速、串级调速等系统。

20世纪70年代发展起来的变频调速，比上述两种调速方式效率更高，性能更好，在近30年得到了迅速发展。

　摘　要：

分析了变频调速异步电动机的转矩转速特性，指出变频电压调速对电机效率、电机工作温度、电动机绝缘结构承受冲击电压的能力、谐波电磁噪声与震动、电动机对频繁起制动的适应能力、低速时的冷却等影响较大，提出应减小定子电阻、提高转子电阻、合理设计漏电感应主磁路以改善电动机对非正弦电源波形的适应能力；改善电动机结构以减小非正弦波对电动机的绝缘结构、震动、噪音、冷却方式的影响。

关键词：

变频调速；三相异步电动机调速；电磁参数；

ApplicationAnalysisofFrequency-variableandSpeed-regulativeMotor

Abstract：

Analysesthecharacteristicsoftorqueandrotatingspeedoffrequency-variableandspeed-regulativeasynchronousmotors,pointsouttheinfluencesofvariablefrequencyspeedcontrolontheefficiency,theservicetemperature,theabilitytoendureshockvoltageofinsulatingstructure,electromagneticharmonicandvibrationofmotors,aswellastheadaptabilitytofrequentstartandstop,andcoolingatlowrevolutionofthemotors.Asaresult,itputsforwardreducingtheresistanceofrotatorandincreasingtheresistanceofstator,reasonablydesigningthestructureofmaininductivemagneticcircuitofthemotorssoastoincreasethesuitabilityofmotorstononsinusoidalvoltage,improvingthestructureofmotorstodecreasetheinfluenceofnonsinusoidalvoltageontheirinsulatingstructure,vibration,noiseandmodeofcooling.

Keywords：

variablefrequencyandspeedregulation;3phaseasynchronousmotor;electromagneticparameter

第一章：

三相异步电机发展方向和设计特点　

1：

三相异步电动机的发展方向。

1.1:

在电机调速方面，目前的发展趋势是交流调速正在逐步取代直流调速；在交流调速方面，变频调速又正在取代其他调速方式。

因此，变频调速电机在今后将会有更大的发展和应用。

在发达国家，变频调速电机己占调速电机份额的50%以上，而在我国还不到10%。

1.2:

在品种方面，国外除了基本系列的变频调速电机以外，还有高速变频电机、低噪声变频电机、防爆变频电机、车辆用变频电机等，现在则更进一步开发了变频器和电机合二为一的一体化变频电机及与各种专用电机配套的专用变频器。

1.3:

智能化电动机的概念是美国在本世纪初提出来的，随着微电子学、微处理器和功率电子学的发展，全方位改善了电子驱动的能力和可靠性，因此可以预期这类电动机最终会和驱动器合在一起。

智能化电机产品可分为转速／转矩结合型和位置处理应用型两大类。

国内对智能化电机的研究尚在起步阶段，预计今后会有较大的发展。

2:

电机设计特点

对于异步电机，其设计必须与逆变器、机械传动装置相匹配共同满足传动系统的机械特性，如何从调速系统的总体性能指标出发，求得电机与逆变器的最佳配合，是变频电机设计的特点。

设计理论依据交流电机设计理论，供电电源的非正弦以及全调速频域内达到满意的综合品质因数是变频电机设计中需要着重注意的两个问题，设计中参数的选取应做特别的考虑。

与传统异步电机相比，

2.1.用于变频调速的异步电动机要求其工作频率在一定范围内可调，所以设计电机时不能仅仅考虑某单一频率下的运行特性，而要求电机在较宽的频率范围内工作时均有较好的运行性能。

如目前大多调速异步电动机的工作频率在5Hz~10Hz内可调，设计时要全面考虑。

　2.2.变频电机在低速时降低供电频率，可以把最大转矩调到起动点，获得很好的起动特性，因而在设计变频电机时不需要对起动性能作特别的考虑，转子槽不必设计为深槽，从而可以重点进行其它方面的优化设计。

　2.3.变频电机通过调节电压和频率，在每一个运行点都可以有多种运行方式，对应多种不同的转差频率，因而总能找到最佳的转差频率，使电机的效率或功率因数在很宽的调速范围内都很高。

因而，变频电机的功率因数和效率可以设计得更高，功率密度得以进一步提高。

现有数据表明：

在额定工作点，逆变器供电下的异步电机效率比普通电机高2%~3%，功率因数高10%~20%。

　　2.4.变频电机采用变频装置供电，输入电流中含有较多的高次谐波，产生电机局部放电和空间电荷，增大了介质损耗发热和电磁振动力，加速了绝缘材料的老化，所以应加强电机绝缘和提高整体机械强度，变频电机的绝缘强度一般要达到F级以上。

　2.5.变频供电时产生的轴电压和轴电流会使电机轴承失效，缩短轴承使用寿命，必须在设计上要加以考虑。

对较小的轴电流，可以适当增大电机气隙和选用专用润滑脂；另外，增加轴承的电气绝缘或者将电机轴通过电刷接地，可以有效解决轴承损坏问题；对过高轴电压，应设法隔断轴电流的回路，如采用陶瓷滚子轴承或实现轴承室绝缘。

同时，在逆变器输出端增加滤波环节，降低脉冲电压dU/dt也是一种有效的方法。

　　2.6变频调速控制线路

变频调速的功能是将电网电压提供的恒压恒频交流电变换为变压变频的交流电，它是通过平滑改变异步电动机的供电频率f来调节异步电动机的同步转速n0。

从而实现异步电动机的无级调速。

这种调速方法由于调节同步转速n0，故可以由高速到低速保持有限的转差率，效率高、调速范围大，精度高，是交流电动机一种比较理想的调速方法。

由于电动机每极气隙主磁通￠m要受到电源频率f的影响，所以实际调速控制方式中要保持定子电压U1与其频率f为常数这一基本原则。

由于变频调速技术日趋成熟，故把实现交流电动机调速装置做成产品即变频器。

按变频器的变频原理可分为：

交—交变频器和交—直—交变频器。

随着现代通信载波技术及电力电子技术的发展，PMW（输出电压调宽不调幅）变频器已成为当今变频器的主流。

。

第二章：

三相异步电机变频调速的分析

2.1变频调速对电机的影响

在变频电机调速控制系统中，采用电力电子变压变频器作为供电电源，供电系统中电压除基波外不可避免含有高次谐波分量，对外表现为非正弦性，谐波对电机的影响主要体现在磁路中的谐波磁势和电路中的谐波电流上，不同振幅和频率的电流和磁通谐波将引起电动机定子铜耗、转子铜（铝）耗、铁耗及附加损耗的增加，最为显著的是转子铜（铝）耗。

这些损耗都会使电动机效率和功率因数降低。

同时，这些损耗绝大部分转变成热能，引起电机附加发热，导致变频电机温升的增加。

如将普通三相异步电动机运行于变频器输出的非正弦电源条件下，其温升一般要增加10%～20%。

同时这些谐波磁动势与转子谐波电流合成又产生恒定的谐波电磁转矩和振动的谐波电磁转矩，恒定谐波电磁转矩的影响可以忽略，振动谐波电磁转矩会使电动机发出的转矩产生脉动，从而造成电机转速（主要是低速时）的振荡，甚至引起系统的不稳定。

谐波电流还增加了电机峰值电流，在一定的换流能力下，谐波电流降低了逆变器的负载能力。

对于变频电机，如何在设计过程中采取合理措施避免或减小应用变频器所带来的影响，以求得系统最佳经济技术效果，是本文讨论的重点。

2.2电动机的效率和升温问题

　　不论何种型式的变频器，在工作中均会产生不同程度的谐波电压和谐波电流，使异步电动机在非正弦电流下运动。

以目前比较普遍使用的正弦波PWM变频器为例，其低次谐波基本上为零，剩下的是比载波频率（晶体管开关频率）高1倍左右的高次谐波分量2μ+1（μ为调制比）。

高次谐波会引起定子铜耗、转子铝耗、铁耗及附加损耗的增加，其中最为显著的是转子损耗。

因为异步电动机是以接近于基波频率所对应的同步转速旋转的，因而高次谐波电压以较大的转差切割转子导条后便产生很大的转子损耗。

除此以外，还必须考虑到因集肤效应所产生的附加铜耗。

若是异步电动机为改善起动性能而采用了深槽、刀形槽或瓶形槽等转子槽形时，转子铝耗的增加将更大。

这些损耗都会使电机额外发热，效率降低，输出下降，如将普通异步电动机运行于变频器输出的非正弦电源条件下，其升温一般约增加10%～12%。

2.3电动机绝缘结构承受冲击电压的能力

　　目前中小容量变频器绝大多数采用PWM控制方式。

其载波频率约为几kHz到十几kHz，这就使电动机线圈需要承受很高的电压上升率，即dU/dt值很高，相当于电动机线圈上反复施加电压陡度极大的冲击电压，使电机匝间绝缘承受考验。

　另外，由PWM变频器产生的矩形斩波冲击电压叠加在电动机运行电压上，会对电机的对地绝缘形成威胁，在高电压的反复冲击下加速老化

2.4谐波电磁噪声与震动

　　当采用变频器供电时，普通异步电动机上由电磁机械和通风等原因所引起的震动和噪音将变得更加复杂。

变频器电源中含有的各次谐波与电机电磁部分的固有谐波相互干扰，形成各种电磁激震力，当电磁力波的频率和结构件的固有震动频率一致或接近时，将产生共振现象，加大噪声。

由于电机工作的频率范围宽，转速变化的范围大，各种电磁力波的频率很难避开电机各种结构件的固有频率。

普通异步电动机用变频器供电时的噪声，比用电网供电时一般约增加1015dB左右。

2.5电动机对频繁起制动的适应能力

　　采用变频器供电后，电动机可以在很低的频率和电压下以无冲击电流的方式起动，并可以利用变频器所提供的各种制动方式进行快速制动，为实现频繁起制动创造了良好的条件。

例如：

应用在钢厂辊道上及转炉倾动上的变频电动机，起制动或正反转的次数可达到数百上千次，因而，电动机的结构系统和电磁系统处于循环交变的作用下，给电动机的机械结构和绝缘结构带来疲劳和加速老化问题。

2.6低速时的冷却问题　　

在电源频率较大时，因普通异步电动机的阻抗不尽理想，使电源中高次谐波所引起的损耗较大；其次，自带风扇的普通异步电动机在转速降低时，冷却风量将与转速的3次方成比例减少，这必将使电动机的低速温升急剧增加，而难以实现恒转矩输出。

第三章：

变频调速三相异步电动机的改进

3.1电磁特性的改进

　　对于恒频恒电压供电的普通异步电动机，在电磁设计中，主要考虑的性能参数是过载能力、起动特性、效率和功率因数。

在变频调速的异步电动机中，由于临界转差与电源频率成反比，因此只要选择转子参数r′2、L′2，就可降低频率，在临界转差接近于1时直接起动，从而提高电动机对非正弦电源波形的适应能力。

为此，可以考虑：

（1）降低定子电阻，提高转子电阻。

降低定子电阻既可以减少基波铜耗，以弥补高次谐波引起的铜耗增加，又可减小低速时的定子电阻压降，使最大转矩有所上升。

此外，变频电机采用较大的转子电阻不但可以减少由基波和高次谐波所产生的转子铝耗，还可以依靠L2/r2的加大，在一定程度上抑制低速时的转矩脉动。

（2）目前一般市售通用变频器，以电压型居多，为抑制电流中的高次谐波，需要适当增加电机的电感量。

但由于电机转子槽有漏抗较大的槽形，集肤效应也大，故高次谐波铜耗也增大。

而且，从式

（2）可知,具有较大转子电感的电动机,在恒功率调速区域,最大转矩将随电源频率的增加而降低,有可能使电机难以维持恒功率运行。

因此,电机漏电感的大小要兼顾到整个调速范围内阻抗匹配的合理性。

（3）变频调速异步电动机的主磁路设计一般均不十分饱和。

这一方面是考虑到电源中的高次谐波会加深磁路饱和；另一方面也考虑到低频时为了提高输出转矩而适当提高变频器的输出电压。

3.2结构改进

由于电源的非正弦波特性对变频电动机的绝缘结构、震动、噪音、冷却方式等多有影响，因此，在结构设计中必须考虑：

（1）在把电动机耐热等级提高的基础上，还必须对地绝缘强度和导线匝间绝缘的耐冲击电压能力有充分的考虑。

（2）在震动和噪声的问题上，除了选择合适的定、转子槽配合之外，对定转子部件的加工和装配精度也应有较高的要求，以提高气隙均匀度、转子的动平衡精度和电磁对称性，对结构件要充分考虑刚性问题。

3.3-电机降压调速方法的改进

（1）若要求拖动恒转矩负载且调速范围要求较宽的场合，可采用高转差率型双鼠笼型或深槽型的鼠笼电机（表现出高转子电阻）（参阅其他书籍）；对于采用绕线式异步电动机，可在转子回路串入电阻。

其机械特性如图5.32

所示。

由于低速下转子发热严重，多采用绕线式异步电动机，使大部分转差功率消耗在电机外部的电阻上。

（2）若要求低速时机械特性较硬，即在一定静差率下有较宽的调速范围，又保证电机具有一定的过载能力，可采用转速负反馈降压调速闭环控制系统，其原理框图及静特性如图5.33所示。

                图5.32

高转子电阻电机降压调速机械特性

       （a）原理框图                             （b）静特性

      图5.33   转速负反馈降压调速闭环控制系统

当电动机运行于

点时，对于的负载转矩为

系统处于平衡状态。

由于某种原因，如负载增大到

，若无转速负反馈，则转速会下降。

采用转速负反馈降压调速系统后，则电机定子电压会自动调节到

，使电动机运行于

点。

同理，若负载减小到

，则电机定子电压会自动调节到

，使电动机运行于

点，将三个工作点

、，

，

联接起来便是闭环控制系统的静特性。

3.4改进效果

总结：

，变频调速具有效率高、调速范围宽、调节平滑等优点，可实现软起，避免对电网产生冲击，一套变频器可以对多台电机调速，发生故障可以切换到工频电源继续工作而不影响生产等，而且发挥着提升工艺控制水平和提高生产效率的显著作用，是最理想的调速装置。

尤其是具备矢量控制和能量回馈等功能的高性能高压变频器，被广泛应用于如轧钢机、矿井提升机、电气机车牵引系统、船舶驱动等工业用途和高端军事用途，以实现更为复杂的精密电机调速和工艺控制，达到改善生产工艺的目的。

参考资料：

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机械工业出版社，2002

[2]  杨长能主编，电力拖动基础，  重庆：

重庆大学出版社，1994

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[5]  王毓东主编，电机学（上、下册），  杭州：

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[8]沈本荫.牵引电机.成都：

西南交通大学出版社，1990.

[9]孟朔.适用于变频调速系统的异步电机设计与分析方法的研究[D].清华大学，2000.

致谢

经过半年的忙碌和工作，本次毕业设计已经接近尾声，作为一个专科生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周的地方，如果没有导师的督促指导，以及一起工作的同学们的支持，想要完成这个设计对于我是比较困难的。

在这里首先要感谢我的导师邱霖，邱老师平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，从外出实习到查阅资料，设计草案的确定和修改，中期检查，后期详细设计等整个过程中都给予了我悉心的指导。

我的设计较为复杂烦琐，但是，邱老师仍然细心地纠正论文中各个模块中的错误。

除了敬佩邱老师的专业水平外，他的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，督促我今后的学习和工作。

然后还要感谢大学三年来所有的老师，为我们打下计算机专业知识的基础；同时还要感谢所有的同学们，正是因为有了你们的支持和鼓励。

此次毕业设计才会顺利完成。