变频调速技术及电机设计(5)

Iv?Uv(r1v?r2v)?(x1v?x2v)'2'2 (4—6)

式中Uv——高次谐波电压；

r1v、x1v——计及集肤效应后的定子电阻及电抗。 因此可用下式求出谐波产生的高频铜耗pcuv

pCuv?pCu1v?pCu2v?mIvr1v?mIvr2v?mIv(r1v?r2v) (4—7) 式中pCuv1——定子高频铜耗； pCu2v——转子高频铜耗； m——相数。

一般说来，定子高频铜耗为工频铜耗pCuv1的15％，而转子高频铜耗已近似等于工频转子铜耗pCu2

(3)谐波绕组端部漏磁损耗 与正弦基波一样，高次谐波也同样在定转子端部引起端部漏磁损耗。只是由于高次谐波的频率更高，故其数值更大。其值可由下式确定：

22'2'Ifpsv?ps(v)2.22(v)1.57 （4—8）

I1f1 式中psv——谐波漏磁损耗； ps--基波漏磁损耗； Iv、fv——谐波电流及频率； I1、f1——基波电流及频率。

一般认为定转子谐波漏磁损耗大致相等，故电动机内由于谐波引起的端部总损耗

?psv?2psv。

(4)其它损耗 摩擦损耗与通风损耗，在变频电源供电时与 工频电源供电时有很大不同。这主要是变频调速运行时，电动机在很大的转速范围内变速运行，而这些损耗均与转速有关。一般说来，若转速为n则： （1）滑动轴承的摩擦损耗正比于n1.5 （2）滚动轴承的摩擦损耗正比于n （3）通风损耗正比于n3

此外，还有一些杂散损耗的增加等等。

总之，由于电源谐波的影响，总损耗约增加30％左右，导致效率降低1％～3％，甚至更多。

同时，由于以上损耗的增加，故使温升增高。在同样的输出和相同的散热条件下，变频电源供电时的温升要比工频供电时高出10％一15％。

因此，为了保持必要的效率和允许的温升，在相同绝缘结构及冷却条件下，应选用较

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低的B?和A值。

此外还应指出的是，对于转子绕组磁链保持常数的运行方式，为了补偿转子绕组漏磁通，气隙磁通密度必须随着负载转矩的增加而相应地提高。同样，当定子绕组电流增加时，定子槽漏

磁通的增加会引起定子齿及轭部磁通密度的上升。因此，在根据额定运行状态进行电动机设计时，气隙及定子铁心磁通密度的选取应留有适当的余地，以免过载运行时磁路过分饱和。

最后还应指出的是，电动机的最大效率出现在铜耗和铁耗相等的时候，而铜耗和铁耗分别与A、B?成正比。因此选择A与B?比值，应使最大效率和功率因数出现在常运行点处。

2．变频电源的类型

众所周知，在交一直一交变频调速系统中，由于直流环节的基本功能及滤波方式的不同，逆变器分为电压型和电流型两种基本类型。

(1)电压型逆变器 对于由电压型逆变器供电的电动机，脉动转矩及谐波电流取决于电动机的漏抗X值。出于限制脉动转矩及谐波电流的考虑，希望定转子漏抗大一些。因此，为了使总谐波电流相对值小于20%，应使额定频率下的漏电抗标幺值大于0，25，励磁电流标幺值小于0．2。

由于X?AB?，为了保持一定的X值，应选较大的AB?值，特别是在频率较高时，降低A／月J，可降低磁轭及齿部的铁耗。因此此时更应选取较大的AB?之值。 此外，由于 Im??B? (4—9) ?pA 式中 Im——空载励磁电流； ?——有效气隙长度； ?p——极距。

可见，在一定的?和?p下，B?A越小，则空载电流越小，功率因数越高。故从这一角度出发，也应取较大的AB?值。

从另一角度说，当AB?值一定，为了减小Im应减小气隙长度?。也就是说它与普通异步电动机一样，应在结构要求和生产工艺所允许的范围内选最小气隙。但由于变频调速电动机可能承受比普通电动机更大的转矩冲击和振动，电动机的轴承要留有适当的轴向窜动量和径向间隙。若气隙选得过小，在运行中可能发生定转子铁心擦碰的所谓“扫膛”现象。因此在这种情况下，所选的最小气隙应比同容量普通异步电动机稍大一些。 (2)电流型逆变器 对于由电流型逆变器供电的电动机，情况正好相反。为了减小最

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大的换流时间，限制换流时逆变器和电动机中出现的过电压，要求换流电路中的总电感越小越好。由于电动机的漏电感是换流回路电感的一部份，故要求电动机的漏电感越小越好。 此外，电动机的漏抗越小，电流型逆变器输出一定量电流谐波所产生的电压谐波也就越小。也就是说，从抑制电压谐波的角度考虑，也希望减小电动机的漏电抗。

因此，对于由电流型逆变器供电的电动机，漏抗标幺值应小于0．15，励磁电流标幺值应大于0．35。

由于以上原因，由电流型逆变器供电的电动机，应选取较小的AB?值。与电压型逆变器供电时情况相反，为了增大励磁电流，减小漏电抗，除了取较小的AB?值外，还应增大气隙?当然尽管增大气隙不受结构要求和生产工艺的限制，但也有另外一个限制，也就是受功率因数的制约。气隙越大，功率因数越低，这是此时应考虑的主要因素。 最后该指出的是，电动机的最大效率出现在电动机运行时的铜耗和铁耗相等时，而铜耗正比于A，铁耗正比于B?，因此在确定A与B?之比值时，应考虑运行时的效率及功率因数。

(二)D与Lef之比的确定

B?与A之值确定后，D2Lef之积便可由式(3—1)定出，也就是说电动机体积已定。下面便是在体积一定的情况下，确定D与LefLef之比了。一般说来，D2Lef之值由下式确定：

极对数p?2时：D2Lef= 0．4—0．6； p?3时：D2Lef=0．5～0．8。

也就是说，对变频调速电动机，宜选较小的直径D。这是因为：

1)转子表面线速度v??Dnm (nm为运行时最高转速)，故v与D成正比。因此，较小的D便产生较小的离心力。这对于常常进入高速运行区的变频调速电动机尤为有利。 2)D较小，则转子惯量较小，也即减小了电动机的机械过渡过程的时间常数，其动态性能更优。这对于常常处于调速状态的变频调速电动机更为重要。

3)D小Lef大，绕组的端部短，端部漏抗、端部杂散损耗、端部铜耗及端部机械应力小。

4)D小Lef大，可增大定子铁心与机座间的接触面积，改善散热条件，这对于可能产生较大损耗和较高温升的变频凋速电动机是有利的。 5)减小D的尺寸，可减小机械噪声。

当然D小Lef大，也带来一些弊端。比如会增大槽漏抗，减小转子磁轭面积等等。但综合考虑，尤其就变频调速电动机而言，毕竟利大于弊。 三、额定电压及极对数的确定 (一)额定电压的确定

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单就电动机本身而言，根据电动机设计一般知识可知，电动机容量一定时，选取电压高者较好。这是因为电压越高，电动机用铜越省，单位容量耗材料低，价格便宜，也就是说，就电动机本身而言，设计电压高一些，其设计的经济指标好一些。

但是，额定电压不只是电动机设计的主要依据，同时也是变频调速系统中联系电动机与变频器的基本中间参量。因此根据机电一体化的观点，电动机额定电压的确定，还应根据变频装置自身的特点及其在经济合理的条件下所能提供的电压综合考虑。

在异步电动机矢量控制系统或转差控制系统中，为了保持转子磁通或气隙磁通不随负载而变化，要求逆变器输出电压随负载变化而调节其大小，以补偿定子绕组漏阻抗压降；另一方面，逆变器的输出电压受直流环节电压的限制(直流环节电压又受工频电网电压及整流线路的限制)，不可能超过其最大值。也就是说，异步电动机额定电压的取值受到电动机的控制方式、漏阻抗数值、系统的过载倍数及逆变器最高输出电压等因素的制约。此外，额定电压的高低，还直接影响额定电流的数值和电力半导体器件的容量与价格。 因此，在决定电动机额定电压时，应从技术和经济两方面对电动机和逆变器，即对整个变频系统作全面分析，综合考虑，使电动机和逆变器都处于合理的技术经济水准。 综上所述，经理论推导，得出决定电动机额定电压U1N的计算公式如下：

U1N?6U （4—10） 21?Km(1?)2?K2tan?2fsN(1?12)?tan?2sN式中 U——供给整流器的三相工频交流电源线电压(V)； Km——系统转矩过载倍数； sN——额定运行时转差率； ·

Kf——最大负载与额定负载时定子频率比；

X1?(1??? tanX1)X2'XmX(1?1)r2'Xm——由参数决定的计算常数，式中Xm为电动机励磁电抗。

在由系统允许的谐波电流含量(电压型逆变器)，或允许的电流脉冲峰值(电流型逆变器)决定出X1?(1?X1)X'之后，根据电动机的预期效率或机械特性硬度可预测出sN及r2'，Xm于是由式(3—10)便可确定电动机的额定电压。

由于漏电抗与绕组匝数的平方成正比，当电动机额定功率一定时，电压越高则电流越小，绕组匝数越多，绕组漏抗越大。如前所述，电压型逆变器供电的电动机要求有较大的

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漏抗，故应选取较高的额定电压。电流型逆变器供电的电动机则正好相反，应选取较低的额定电压。如电力机车用变频调速异步电动机多采用电压型逆变器供电，其一台700kW的电动机额定相电压为750V；而地铁电动车用变频调速异步电动机多采用电流型逆变器供电，其一台80kW电动机额定相电压仅为145V。

中小型变频变压调速异步电动机一般采用电压型逆变器供电，因此理所当然要求较高的额定电压。但如前所述，其额定电压受工频电网电压及逆变器直流环节电压的限制，不可能超过工频电网电压，工频电网电压为380V，考虑到变频器内各种器件的压降，故一般设计在50Hz输出标称功率时的额定电压为360～370V，空载电压为380V。 (二)极对数的确定

根据“电机学”的知识可知，异步电动机的同步转速n0?60f1p。因此，当所需最高转速确立后，供电电源频率f1与电动机极对数p之比就已确定。也就是说，欲选择逆变电源的频率，需先确定电动机的极对数。

在设计中，确定电动机极对数p应考虑以下因素：

1)若p较大，则在相同外径D的情况下，可缩短绕组端部长度，减小定子用铜量，减小铜耗，减小绕组端部机械应力。与p=1相比，还可获得较大的绕组系数。

2)在变频调速方式中，有一个调速范围的技术指标，它是最高转速与最低转速之比。在同一台电动机中，由于极数是确定的，因此它便是最高转速时的基波工作频率与最低转速时的基波工作频率之比。但若换流频率太低，换流时转子电流过分衰减，因而引起较大脉动转矩，所以低速时基波工作频率有一个下限。这样，为了扩大调速范围，就必须增大高速时的基波工作频率。而增大极对数p，就可增大高速时的工作频率。这样，相同的下 限工作频率下，最高与最低工作频率比增大，调速范围扩大。例如，一台电动机p=1，为了达到接近于3000r／min的最高转速，应使fmax?50Hz，若其最低转速时的允许频率

fmin?3Hz，则调速范围即为以上两频率之比，即50／3=16．7。但若将极对数增至p?3，

为了达nm=3000r／min的最高转速，这时应使最高频率fmax=150Hz，最低频率fmin应受限制不能变，故这时的调速范围扩大到150／3，扩大到原来的3倍。可见，增大极对数p可增大调速范围。 3)电动机磁通量中??'DLB，在相同的D、B?、L条件下，增加p便可减小?，若p?维持一定轭部磁通密度，则可减小定子及转子的轭部高度。故在相同的D下，增大户可减小定子外径，节省硅钢片及机座材料、减轻重量、减小加工工时。同时，由于转子轭部厚度减薄，减轻了转子重量，因此减小了转子转动惯量，改善了动态性能。此外，由于转子与转轴之间距离的增加，可增大转子通风孔的面积，改善通风散热条件。

4)在允许的功率管最大电流条件下，电动机的最大转矩Mm?1(p?)，因此在一定的

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