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电压型逆变器供电的变频异步电动机设计初探

供稿:中国工控网 2016/4/1 16:08:39

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  • 关键词: 异步电动 逆变器 电压型逆变器 变频异步电动机设计
  • 摘要:研制适合变频调速系统的变频电机成为交流调速领域的最重要的课题。但变频异步电动机的设计难度较大,因为:一是调速系统所采用的模式各不相同,如SPWM、空间矢量、六阶梯波、多重化技术等,而且每种模式还有许多变形,逆变器种类又有电压型和电流型之分,因此变频异步电动机的运行条件可谓千差万别

  随着各种电力电子器件的不断更新以及计算机运算速度的提高,交流变频调速得到了飞速发展,其优良的调速性能、节能特性和较高的可靠性使其应用领域越来越广泛,现正全面取代直流调速系统,而且逐步扩大到定速系统中。目前交流调速系统在工业各领域,甚至家用电器等各方面得到全面的应用。但作为变频调速的执行机异步电动机,绝大多数系统仍采用普通的异步电机。就系统而言,采用变频调速的目的是充分利用异步电动机的结构简单、价格低廉、安全可靠、维护方便等优点,通过改变供电频率的技术克服异步电动机起动困难、调速性能差的缺点。随着变频器及调速系统的发展,目前,采用普通异步电动机作为变频调速系统的执行元件已成为影响系统性能的瓶颈,性能的提高越来越难。

  研制适合变频调速系统的变频电机成为交流调速领域的最重要的课题。但变频异步电动机的设计难度较大,因为:一是调速系统所采用的模式各不相同,如SPWM、空间矢量、六阶梯波、多重化技术等,而且每种模式还有许多变形,逆变器种类又有电压型和电流型之分,因此变频异步电动机的运行条件可谓千差万别。二是变频方式运行对异步电机的性能究竟有何影响,人们只知道变频运行将会改善起动与调速性能,同时会使得电机损耗加大,转矩脉动增加,散热出现困难,电流、电压、磁场谐波成分增加,但缺乏可靠的定量计算。本文给出了变频运行方式下异步电动机产生的谐波电流、转矩、损耗的定量计算公式,并把普通异步电动机设计的6个约束条件降为变频异步电动机设计的3个,大大解放了变频电机设计。

  1变频运行方式对异步电机运行产生的影响变频运行方式对异步电机运行产生的影响是多方面的,对这种影响的定量分析对于电机的设计是必要的。由于电流型逆变器与电压型逆变器供电的交流调速系统有较大的差别,并考虑到后者是中小型交流调速系统的主流,因此这里分析的是电压型逆变器供电时的异步电动机性能。

  2.1异步电机谐波电流与磁势变频运行时三相异步电机谐波电流可由公由于一般PWM波具有三相对称性,变频器输出的是线电压,故电机中不含有3的整数倍次电压谐波、电流谐波(即使有,只要对称空间,合成磁场亦为零)。因此在PWM波生成时,应使PWM波具有对称性是很重要的。

  显然,式(3)表示的是一个正弦分布、同步速为-im,极对数为0的空间基波反转磁势;转差率为+-1/1n,产生的异步转矩为制动转矩。

  该磁势是一个正弦分布、同步速为!的正转空间基波磁势,当!

  =1,=1时即为基频电压产生的基波电势=3-2次空间基波磁势对应的转差率为%产生拖动性转矩。

  2.2异步附加转矩由,但功率因素低、磁通小,使得起动转矩小,因此,传统异步机设计为了满足恒转矩负载的要求,使用深而窄的槽形或双笼,极大限制了体积的减小,从而造成材料的浪费,同时也增加了加工成本。

  由逆变器供电给变频电机设计带来了解放,传统异步电动机的设计6个约束条件,起动转矩和起动电流可不再考虑实际上最大转矩作为约束条件也没有必要存在,因为作为变频器其电流过载能力十分有限,瞬时承受最大转矩能力一般也就在17倍额定转矩,远小于普通电机的22~28倍。这样,变频电机设计时只需考虑温升、效率、功率因素。因此可以在以下几方面进行优化:转子槽不需设计为深槽,可以对电机整体尺寸进行优化,以减小体积和成本转子槽形的优化可以使转子齿、轭节省空间;在降低电机整体尺寸、降低成本的基础上,效率和功率因素均可设计得更高一些。

  31极数与额定频率的选择电机的转速是由用户给定的,是一个给定量。在速度一定的前提下,设计时首先要确定电机的极数和额定频率电机极数的多少与电机的基本尺寸、效率、功率因素有关,是电机的一个重要参数,在设计中是较早需要确定的。和普通电机设计不同,由于频率可调,因此,极数的选择便有了较大的灵活性,一般来说在转速相同的前提下,极数少的电机效率高、功率因素高,但绕组端部较大,用铜量增加,漏抗增加,每极磁通增加,定子轭部增高、定子铁芯外径增大;极数多则相反。由于转速是按用户提出确定的,不同于普通电机设计,变频电机可以通过改变供电频率而改变同步转速,从而可很方便保持额定速度不变。一般来说以极数在4 ~10极为宜。在电机极数确定之后,依下式即可确定额定频率。值得一提的是额定频率应选在变频器的输出频率范围内。

  这里要指出的是,大多数交流电机调速运行,是固定在某一转速上运行或大多数时间运行于这一转速上的。我们这里讨论的是这种定速运行的电机设计,而对于那些需在较为宽广的速度范围内运行的电机,其设计基本原理相同,设计也就是寻求在运行范围内的性价比的优化。当然二者的目的不同,结果也就不同。正因为如此,今后电机也将由过去的通用型为主逐3.2电磁负荷与气隙的选择电机的最大效率出现在铜耗与铁耗接近相等时,因此选择电磁负荷应适当控制电、磁负荷的比值,比值过大或过小将导致效率或功率因素的减少。对于电压型逆变器供电的电机,电、磁负荷之比可略选大一点,也就是在不过份降低功率因素的前提下,适当增加定、转子漏抗,以谐制谐波电流、转矩等,考虑到转子铁芯采用的也是冷轧钢片,实际设计中取0.72T,而")320A/cm,对气隙的选择则仍是小一点为好,但由于变频运行时,转矩冲击与脉振较大,因此为避免铁芯撞碰,气隙仍应稍大于普通电机。气隙略大亦可适当抑制磁场谐波。

  3.3槽形的选择由于变频起动时起动转矩较大而起动电流可控制较小,设计中可首选转子平行槽,这样可使转子磁路更加合理,减少槽深,增大转子导条的截面,减少损耗,改善电机的输出特性和提高运行性能,这一点在普通电机设计中是做不到的。同时,对变频电机转子是否需要斜槽有不同的看法。普通异步电机斜槽的目的是对寄生于基本磁场的齿谐波予以削弱,克服齿谐波产生的同步附加转矩对起动的影响;削弱齿谐波产生的附加损耗等不利影响。各类变频调速运行模式都丝毫不能削弱齿谐波,但采用变频技术之降压。频/之后,同步附加转矩对起动的影响已甚小,从这一点来说也可不采用斜槽,但齿谐波造成的不利影响还有如损耗加大、电机噪音加大等,综合考虑还是宜采用斜槽。

  3.4电机的温升与散热变频电机尽管有较大的谐波电流、谐波转矩,会带来附加损耗的增加,但只要在设计中留有一定的裕量,减少基本铁耗与铜耗,在主要尺寸降低的同时,效率不会低于普通电机。尽管如此,由于其额定频率较低,对一般自扇冷的电机来说,转速愈低,散热效果愈差,温升与散热的矛盾就越大。对于恒转矩负载,额定运行速度较低的电机应采用强化散热措施,额定转速在500r/min以下的电机应采用独立的风机。

  3.5设计结果基于以上各方面考虑,我们设计了一台额定功率与额定频率为7. 5KW、25Hz的变频异步电动机,其额定转速为720r/min,4极。相对于同样额定转速的50Hz普通异步电动机来说,额定效率增加1个百分点,功率因素增加3个百分点,总体积有所下降,制造成本降低。

  4结语目前,国外各大公司非常注重变频电机的开发与生产,并与变频器配套,发展迅速,以日本东芝为例,推出200KVA以下的变频电机就有8个系列(通用、精密、单相、主轴、高速、机电一体化及经济型/.因此,发展变频调速电机,用各种专用电机来取代原有的通用电机以替代进口已成为我国机电行业的十五“期间的产品结构调整重点。在我国由于对变频电机的设计理论缺乏研究,至今没有成熟的变频电机产品。正是在这一背景下,我们开展了对变频调速电机的设计进行了初步探讨。由于变频电机设计的约束条件相比于传统异步电机来说减少一半,因此,给电机设计留下了丰富的空间,相信在此基础上,我国变频电机的设计与生产会很快得以发展。

审核编辑(王雪)
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