变频调速技术及电机设计(4)

在分析电动机处于很低频率下运行时，近似的谐波等值电路(图3—2)可能不太适用，因为低频时绕组的电阻已是一个不可忽略的因素。通常，基波频率超过10Hz时，简化电路是合理的。

(二)谐波电流

从前面的分析中可知，谐波转差率sk在电动机从零至同步转速范围内接近于1，正像式(3—3)表示的那样，sk与转速无关。从等值电路(图3—lb)中可以看出，谐波电流的大小与负载无关，也就是说电动机从空载到满载的情况下，谐波电流基本上不变。由于基波的定子电流大小决定了电动机的负载，因此电动机电流的相对谐波含量在轻载时要比满载时大得多。这样，对于在非正弦电源下运行时，与在正弦波电网上运行相比，电动机的空载损耗显著增加，而满载时损耗增加得相对较少。

如图3—2b所示的高次谐波等值电路与计算正弦波异步电动机堵转时的电路相似，电动机的电流同样受漏抗(X1+X2)的限制。因此用正弦波电压下异步电动机的堵转特性和启动性能也可以衡量电动机的谐波性能。如果电动机的启动电流大，则在非正弦电压下工作时也将吸收较大的谐波电流。同样磁阻电动机或同步电动机的漏抗也决定其谐波电流值。如果所设计的电动机的漏抗很小，则电动机的谐波电流会比较大，谐波损耗将大大增加。

如果以Vk表示电源电压的k次谐波分量，则相应的定子电流谐波为Ik?VkZk，这里

zk是k次谐波的输入阻抗。对于正序和负序谐波，图3-2的等值电路图是适用的，而且Zk?k(X1?X2)，则

Ik?对于零序谐波，Zk?kX0，因而 IK?Vk （3—4）

k(X1?X2)VkkV0 (3—5)

在非正弦电压波形的谐波含量已知时，用这些公式就可以很快地计算出由非正弦电压引起的谐波电流。通常的变频器没有零序谐波和偶次谐波，因此，总的谐波电流有效值可由下式给出

Ihar?I?I?I?I???I?25272112132k?I5?2k (3—6)

如果为电动机定子基波电流有效值，则包括基波电流在内的总定子电流有效值为

2222Irms?I12?I5?I7?I11???Ik2?I12?Ihat (3—7)

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对于给定的电压波形，定子电流相应的谐波成分与电动机的标幺电抗Xpu有关，标幺电抗是基波频率下漏抗与基值电抗Xbase的比值。基值电抗为

Xbase?VrI

FL式中VR——正弦波额定相电压；

IFL——满载时的额定电流。所以

XPU(X1?X2)IFLIFL??(X1?X2)??sin?s (3—8)

XbaseVRIs式中Is——电动机的基波起动电流；

?s——电动机起动时的功率因数角。VK?V1k

对于通常具有6个和12个阶梯的电压波形，谐波电压的大小与谐波的次数成反比，因此，代入式（3—4）则可得谐波电流为

IK?V1 (3—9) 2k(X1?X2)如果基波相电压V1等于正弦波额定电压VR，则由式3-8得 V1?VR?(X1?X2)IFL Xpu将上式代入式(3—9)得出以满载额定电流为基值的谐波电流标幺值

Ikpu=

Ik1 (3—10) ?2IFLkXpu第四章 变频调速异步机的设计特点

变频调速异步电动机是运用于变频调速系统中的专用电动机，因此设计时必须充分考虑到该类电动机由变频电源供电时的问题，进行针对性设计，以适应电源波形的非正弦和从低频到高频的宽频范围、宽调速比的运行状况。

由于在调速系统中，异步电动机一变频电源一控制单元是密切相关的，构成一个相对独立的整体。因此如何根据机电一体化的观点，从调速系统的总体性能指标出发，求得异步电动机与变频电源的最佳匹配，是变频调速异步电动机设计时应解决的又一基本问题。尤其是在电动机参数的选取时，不再是仅仅在电动机内部综合考虑，而应就整个调速系统通盘考虑。这是因为在变频调速系统内，电动机的参数不仅影响到电动机自身的性能指标，而且影响到整个系统，它的取值对系统的技术经济指标有着重大影响。因此，设计时应根据变频器和电动机两者的技术和经济的合理性综合分析，从总体的最佳要求来确定。 由变频电源供电的专用电动机的设计虽然受到了一些制约，但同时也解除了一些约

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束。变频调速电动机既然由专用的逆变电源供电，这就避免了以往直接由工频电网供电的各种限制，因此其参数配置和性能要求在许多方面也就不再受工频运行的制约。电动机的频率、电压及效率等额定值的选取，不再受工频电网的限制，仅仅根据机电一体化原则，在系统内通盘考虑决定。系统起动时总是采用降频降压的软起动方式，这样不必考虑工频起动特性。因此，设计中不存在工频时的起动性能指标对设计的限制及对其它指标的约束，也不会出现高转差频率运行。因此，可尽量减少转子电阻，必要时还可增大定、转子漏抗。在采用矢量控制等情况下，由于运行中保持转子磁通不变，电动机的机械特性是一条直线，不存在最大转矩倍数对设计中漏抗取值的限制。

4.1 变频电源供电对电动机的影响

应用交流变频调速技术的主要目的，一是节能；二是高精度的转矩转速控制；三是现高速驱动。变频调速中变频电源供电的电动机与传统工频正弦波供电的电动机的主要区别在于：前者，一方面是从低频到高频的宽频范围内运行，另一方面电源波形是非正弦的。由于以上特点，因而带来以下一系列问题：

(1)损耗增加，效率降低 由于变频电源的输出中含有大量的高次谐波，这些谐波会产生相应的铜损耗和铁损耗，降低运行效率。即便是目前广泛采用的SPWM正弦脉宽技术，也只是抑制了低次谐波，降低了电动机的脉动转矩，从而扩展了电动机低速下的平稳运行范围。而高次谐波不仅没有降低，反而大大增加了。一般说来，与工频正弦电源供电相比，效率要下降1％一3％，功率因数下降4％一10％，因此，变频电源供电下电动机的谐波损耗是一个很大的问题。

(2)产生电磁振动和噪声 由于一系列高次谐波的存在，还会产生电磁振动和噪声。如何降低振动和噪声，对正弦波供电的电动机来讲已经是一个难题了。而对于由变频电源供电的电动机来讲，由于电源的非正弦性，就使问题变得更为复杂和棘手。

(3)低速时出现低频脉动转矩，影响低速稳定运行 即使是采用SPWM调制方式，但与工频正弦供电相比，仍然会出现一定程度的低次谐波，从而在低速运行时产生脉动转矩，影响电动机低速稳定运行。

(4)出现浪涌电压和电晕现象，损害电动机绝缘 电动机运行时，外加电压经常与变频装置中元器件换流时产生的浪涌电流相迭加，有时浪涌电压较高，致使线圈受到反复电冲击，绝缘加速老化。此外，有时还伴有电晕现象产生，致使线圈对地绝缘损坏。 (5)产生轴电压和轴电流，缩短轴承寿命 轴电压的产生主要是由于磁路不平衡和静电感应现象的存在，这在普通电动机中并不严重，但在变频电源供电的电动机中则较为突出。若轴电压过高，轴和轴承间油膜的润滑状态遭到破坏，轴承寿命将大大缩短。 (6)低速运行时散热效果降低 由于变频调速电动机调速范围大，常常在低频率下低速运行。这时，由于转速很低，普通电动机所采用的自扇冷却方式所提供的冷却风量已大

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大减小，散热效果大大降低，必须采用其它的冷却方式。

(7)容易产生共振干扰 一般来说，任何机械装置都会产生共振现象。但工频恒定转速运行的电动机，要避免与50Hz的电频率响应的机械固有频率发生共振比较容易。而变频调速运行时的电动机运行频率变化范围广，加之各个部件都有各自的固有频率，这就极易使它在某一频率下发生共振，

综上所述，异步电动机在由变频电源供电运行时将会面临诸多的特殊问题。因此针对问题，进行变频调速异步电动机的专门设计已成必要。

4.2 变频调速异步机的电磁设计特点

变频调速异步电动机的电磁设计有一般异步电动机电磁设计的特点，如主要尺寸及电磁负荷的选取、极对数的确定，也有满足“变频调速要求”的特殊点。先分别讨论：

4.2.1变频调速异步电动机的电磁设计一般特点

一、主要尺寸及电磁负荷的选取

对于小型变频变压调速异步电动机，国家标准规定了统一的机座号及中心高，已成一专门系列，故其主要的外形尺寸不必再行确定。但在已确定的主要尺寸中，如何根据变频变压调速的特点来确定相应的电磁负荷，仍然是一需要特殊考虑的设计问题。

此外，对其它中大型的或一些特殊需要的小型变频变压调速电动机，则首先得确定其主要尺寸，然后决定电磁负荷的大小。

众所周知，电动机的主要尺寸D与Lef由以下电动机设计公式决定： D2Lef?CT (4—1) B?A式中 D一电枢直径； Lef——电枢计算长度； C——设计常数； T——输出转矩； A——电负荷； B?——气隙磁通密度。

可见，在变频调速电动机设计中，当输出转矩T取连续运行、在某转速下输出标称功率条件下输出最大额定转矩时，主要尺寸Def由B?及A值决定。 (一)选取B?和A的决定因素

B?与A的取值，在变频调速电动机中主要考虑以下因素： 1．效率与温升

变频调速系统运行时，国家标准对其运行效率有一定的要求。但在变频电源供电情况下，由于电源时间谐波的影响，比工频电源供电时，铁耗、铜耗及其它损耗均有较大的增

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2加。

(1)铁耗 一般说来，若正弦基波磁通时的铁耗为pFe，则由于电源谐波影响，其铁耗的增加量?pFe，由下式决定：

av1.8 ?pFe?pFe?0.2 (4—2)

v式中 av——第次谐波的含有率；

——高次谐波次数。

若正弦基波磁通时的转子铁心表面损耗为ps，则由于电源谐波影响，其表面损耗的增加量?ps，由下式决定：

av2 ?ps?ps?0.5 (4—3)

v这两部分铁损耗增加的结果，使变频电源供电时比工频供电时铁耗总体增大 10％～20％。

以上结果也可以用公式近似计算： pFe?pFe(''Um2) (4—4) U1 式中 pFe——变频电源供电时的铁耗； Um——电压引起磁路饱和的等效电压； U1——工频正弦电压。

(2)铜耗 由于高次谐波电流的集肤效应，引起电流分布不均匀，而使交流电阻增大，铜耗增加。

由于集肤效应引起转子阻抗的变化可由下式决定： r2v?Krr2?? x2v?Kxx2?sh2??sin2?r2 (4—5)

(ch2??co2s?)3sh2??sin2?vx

2?(ch2??cos2?)2 式中r2、r2v——计及集肤效应前后的转子电阻； x2、x2v——计及集肤效应前后的转子电抗； Kr——集肤效应对应的电阻系数； Kx——集肤效应对应的电抗系数； ?——导体的计算高度。

由高次谐波引起定子电流Iv可由下式决定：

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