《变频调速三相异步电动机在设计中应注意的几个问题2》由会员分享，可在线阅读，更多相关《变频调速三相异步电动机在设计中应注意的几个问题2（6页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、变频调速三相异步电动机在设计中应注意的几个问题变频调速三相异步电动机在设计中应注意的几个问题 2 2收稿日期:1999-09-21。魏 敏 女,1968 年生;毕业于哈尔滨机电专科学校。变频调速三相异步电动机在设计中应注意的几个问题魏 敏 代 戈 宋长生摘 要 从分析 V/f 控制变频调速电动机的原理入手,对变频器为电机电源的转矩特性、噪声、振动及其它性能影响进行分析并提出相应的对策。关键词 变频调速 电压补偿 高次谐波1 前 言随着电气领域的不断发展,变频调速三相异步电动机的应用越来越广泛。过去,在要求快速、高精度的电力拖动调速系统中都采用直流电动机拖动,但是由于直流电动机具有机械换向易损坏
2、这一致命缺点,致使直流电动机制造成本高,维护不方便。与之相比交流异步电动机具有制造成本低、结构简单、坚固、维护方便、可适用于恶劣环境工作等特点。目前,我国将变频调速技术应用于产品上逐年增多,也是今后电力传动技术改造的一项重要内容,因而变频调速三相异步电动机将是日常生活、工业生产等所依赖的基本技术之一。三相异步电动机调速传动时,需要根据电动机的特性对供电电压、电流、频率进行适当控制。变频器具有这种控制功能,但采用不同的控制方式所得到的调速性能、特性及用途是不同的。变频器控制方式可分为两种,即开环控制和闭环控制,后者进行电动机速度反馈。作为开环控制有 V/f 方式,闭环控制有转差频率控制、矢量控制
3、方式。本文将对 V/f 控制方式下变频调速电动机转矩特性、噪声、振动及其它性能进行分析,并提出在设计适应这种控制方式的变频器供电交流电动机应采取的措施。2 V/f=C 控制原理从异步电动机转速公式 n=60fp(1-s)可知,改变电机频率和极数可以改变电机的转速。所以,改变电动机频率就可以实现调速运转。当忽略定子绕组漏阻抗 Z1(见图 1),Z1=r1+jX1 时,电势方程式为:U1=E1=4.44f1W1kW1m(1)其中:kW1定子绕组系数m气隙磁通m=V14.44f1W1kW1=CU1f1(2)其中:C=14.44W1kW1图 1 异步电动机等值电路U1 定子相电压 E1 定子感应电势I
4、1 定子电流 I2 转子电流(定子换算值)r1 定子电阻 r2 转子电阻rm 激磁电阻抗 Xm 激磁电抗X1 定子漏抗 X2 转子漏抗(定子换算值)s 转差率由(2)式分析可知:2.1 若 f1 下降,U1 不变,则气隙磁通 m 上升,电机出现过激磁,使励磁电流增加,导致铁损急剧增加,电动机 cos降低,这是不允许的。2.2 若 f1 下降,而 U1 下降过多,则 m 下降,电动机出现欠励磁,由异步电动机转矩公式:10防爆电机 (EXPLOSION-PROOFELECTRICMACHINE) 2000 年第 1 期(总第 102 期)2000 年 3 月 31 日出版 M=CrmI2cos2(
5、3)可知,其转矩决定于气隙磁通 m,则电磁转矩降低。电机的功率得不到充分利用而造成浪费,同时,电机的最大转矩也将降低,严重时会使电机堵转。由以上分析可知,由于电机的转矩是与气隙磁通和转子电流有功分量乘积成正比,见公式(3),因此为得到与直流机相似的基本转速以下的恒转矩特性,必须在调速过程中保持气隙磁通不变;由式(2)可知,在减少 f1 调速时,定子端电压 U1 不能保持恒定,但也不能降低太多,须达到 V1/f1=C 才能保持气隙磁通恒定。3 V/f 控制下转矩特性分析V/f 一定时,速度转矩特性曲线如图 2 所示,在低速区转矩减小,这主要是由于当定子供电频率降低时,要保持 V/f=C 比例控制
6、,外加端电压随之降低,此时定子阻抗压降相对于定子电压不能忽略,使得产生气隙磁通感应电势减小,造成气隙磁通减弱,使电磁转矩降低。要保持低频时恒转矩输出,在电磁计算时就要考虑采用补偿电压方法。有电压补偿时其速度转矩特性曲线如图 3 所示。图 2 速度转矩特性(V/f 一定)图 3 速度转矩特性(有电压补偿时)一般地我们所说的电压补偿是指对端电压 U1进行补偿,实际上是由于感应电动势 E1 为电动机内部电压,不能直接控制,并且不易测量,所以只能控制电动机的端电压 U1,以简单获得与 E1/f1 一定控制相近的特性。电压补偿值的选定应根据估计的负载模式和电压模式来控制变频器输出电压。一般变频器电压模式
7、如图 4 所示。在电机设计时,电压补偿值一般为额定电压的 3%10%。图 4 V/f 控制电压发生模式(恒转矩负载)补偿后电机端电压经验公式:U=K(f-f0)+U0(4)其中 U频率为 f 时的端电压U1电机额定电压f1电机额定频率K为常数 K=U1-U0f1-f0U0电压补偿量 3%10%U1f0电压补偿频点的频率4 噪声和振动对于变频器供电电机的结构设计,应把振动和噪声问题放在一个很重要的位置上。4.1 噪 声电机的噪声大致可分为电磁噪声、通风噪声和机械噪声。通风噪声以风扇的叶片音和通风道的共鸣音为代表。在高速驱动的状态下,用变频器供电电机将产生很大的风扇噪声。当电机同轴的外风扇噪声几乎
8、是以(5)式所示的值增加,有时还会发生能级极高的噪声。SPL2=SPL1+(5055)log(N1/N2) (dB)(5)式中,SPL1转速 N1 的噪声能级(dB)SPL2转速 N2 的噪声能级(dB)电磁噪声是作用于定、转子间的周期性电磁力112000 年第 1 期(总第 102 期)2000 年 3 月 31 日出版 (EXPLOSION-PROOFELECTRICMACHINE) 防爆电机影响定子铁心、机壳和其它结构部分而产生的振动音,也是由于转子不平衡、气隙不均匀引起的电磁力和槽齿高次谐波引起的电磁力而产生的。变频器供电时,由于输出电压、电流中含有高次谐波分量,气隙的高次谐波磁通增加
9、,所以噪声变大。变频器供电时,电动机产生的电磁噪声有以下特征:(1)由于变频器输出中较低次的高次谐波分量与转子固有频率的谐振,在转子固有频率附近的噪声增大。(2)由于变频器输出中高次谐波分量与铁心机壳、轴承架等的谐振,在其固有频率附近的噪声将增大。4.2 振 动电机振动原因可分为电磁与机械两种。(1)电磁原因变频器供电时,由于输出波形含有高次谐波分量的影响,电磁力增大、振动增大。其原因在于较低高次谐波分量与转子的谐振,其固有频率附近振动分量增加;其次由于高次谐波产生的脉动转矩的影响发生振动,特别是当脉动转矩的频率同电机转子与负载构成的轴系扭转固有频率一致时将发生谐振,有大转矩作用在轴上。(2)
10、机械原因由于匹配机械安装部分刚性不足,电机轴上有外伸重量等,轴系统的固有频率降低时,如果电机高速旋转且旋转频率与轴系统固有频率接近,则振动加剧。另外,转子残余不平衡引起的离心力与速度的平方成比例增加,致使振动加大。(3)设计电机时减少噪声、振动对策减少气隙磁通密度,增大气隙,降低谐波电磁力。提高定、转子的气隙偏心精度。采用磁性槽楔。采用高弹性橡胶联轴节,降低轴系扭转共振频率。建议用户控制系统在变频器输出侧设置 AC电抗器。5 使用变频器对电机其它性能影响通常作为粗略估计电机额定运转时(额定电压、额定频率、额定输出功率)变频器作为电源供电与普通电源供电相比电流约增加 10%左右,温升约增加20%
11、左右。参考文献1 邓想珍,赖寿宏编著.异步电动机变频调速系统及其应用.华中理工大学出版社.2 三菱电机株式会社编.许振茂译.变频调速器使用手册.兵器出版社.3 陈世坤主编.电机设计.北京:机械工业出版社.ConsiderationsinDesignofVariable-FrequencyAdjustable-speedThree-phaseACInductionMotorsWeiMin DaiGe SongChangshengAbstract ThispaperbeginningwithanalysingtheprincipleofV/fcontrolvariable-frequencyadj
12、ustable-speedmotor,analysesthetorquecharacteritic,noise,vibrationandotherPerformancesofconverter-fedmotors,andputsforwardsomecorrespondingcounter-measures.Keywords Variable-frequencyadjustable-speed,Voltagecompesation,High-orderharmonic.12防爆电机 (EXPLOSION-PROOFELECTRICMACHINE) 2000 年第 1 期(总第 102 期)2000 年 3 月 31 日出版
