變頻調(diào)速異步電動機的特性分析

劉萬太，彭 曉，李永堅，謝衛(wèi)才

（1.湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，株洲412008；2.湖南工程學(xué)院 電氣信息學(xué)院，湘潭411101）

0 引 言

近些年來，變頻調(diào)速異步電機的應(yīng)用越來越廣泛.因此分析變頻電機在不同頻率段的運行特性也成為一項重要工作.傳統(tǒng)的異步電機在工頻電源下額定運行時具有不變的特性.但是在變頻調(diào)速系統(tǒng)下的電動機，由于運行頻率的改變，電機的運行性能也發(fā)生了很大變化.

變頻電機運行于不同頻率點時，電機的效率、功率因數(shù)、轉(zhuǎn)矩等性能參數(shù)會隨著頻率的變化而變化.本文主要分析了電機等效電路中各參數(shù)與頻率的變化關(guān)系，并根據(jù)變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制特點，對恒磁通狀態(tài)下的轉(zhuǎn)矩特性做了論述.在理論分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一臺1.5kW的變頻調(diào)速異步電動機，并對樣機做了試驗分析.

1 變頻調(diào)速異步電機的參數(shù)分析

1.1 變頻調(diào)速異步電機的基本參數(shù)分析

變頻調(diào)速異步電機等效電路中的部分參數(shù)會隨著運行頻率、電機溫升、電流、磁勢等因素的變化而變化.如果不考慮集膚效應(yīng)的影響，則電阻與電源頻率無關(guān)，電抗與電源頻率成正比.

當(dāng)電源頻率改變時，變頻電機的某些參數(shù)也將發(fā)生變化.

1.1.1 勵磁電阻和勵磁電抗的變化規(guī)律

變頻電機等效電路中的勵磁電流為：

則勵磁電阻可以表示為：

式中E1為頻率f1時的感應(yīng)電動勢；

pFe為頻率f1時的鐵耗.

如果頻率一定時，電機的鐵耗又可近似表示為：

pFeN為額定頻率時的鐵耗；

E1N為額定頻率時的感應(yīng)電動勢；

將上式整理后可以得到勵磁電阻表達式為：

式中RmN為額定頻率時的勵磁電阻.

從上式可以看出，勵磁電阻與頻率近似成線性關(guān)系.

勵磁電抗可以表示為：

式中Lm為勵磁電感，忽略磁路飽和時Lm為常數(shù)，所以勵磁電抗與頻率成正比.

1.1.2 定子電阻R1和每相漏電抗X1σ

等效電路中的定子電阻和每相漏抗可分別表示為：

式中R1N為額定頻率時的定子有效電阻；

L1σ為定子漏抗.

同樣，在不計磁路飽和的情況下L1σ為常數(shù)，所以定子漏抗與電源頻率成正比.

集膚效應(yīng)會對電機定子電阻造成一定影響，頻率越高，集膚效應(yīng)越明顯，定子電阻值會有所增加.隨著頻率的減小，電阻值有所減少.在正弦電源下，由于不存在諧波電流，集膚效應(yīng)的影響可以忽略.

1.1.3 轉(zhuǎn)子電阻R2和轉(zhuǎn)子電抗X2

式中 R2N為額定頻率時的轉(zhuǎn)子電阻值；

X′2σN為額定頻率時的轉(zhuǎn)子漏抗值.

轉(zhuǎn)子電阻值R2隨頻率的變化關(guān)系與R1相同.

1.2 變頻電機的轉(zhuǎn)矩特性

變頻電機運行于基準頻率以下時，為獲得良好的輸出特性，磁通處于恒定狀態(tài).運用電機等效電路圖分析電機電磁轉(zhuǎn)矩特性如下：

在恒磁通狀態(tài)電機的電磁轉(zhuǎn)矩Te為

式中p為極對數(shù)；

E1為電機反電動勢；

f1為定子頻率；

f2為轉(zhuǎn)差頻率；

L′2σ為轉(zhuǎn)子繞組漏抗.

電機主磁通不變時的電磁轉(zhuǎn)矩最大值Tm為

有上式可以看出，電磁最大轉(zhuǎn)矩僅與轉(zhuǎn)子漏電感有關(guān).

為求電機的輸出轉(zhuǎn)矩，首先討論電機的各項損耗，電機的鐵耗pFe由上式（11）決定.

電機的機械損耗可以表示為

sN為電機額定運行時的轉(zhuǎn)差率；

pfwN為額定輸出時的機械損耗值；

s為電機實際運行時的轉(zhuǎn)差率.

電機附加損耗取為

Pe為電磁轉(zhuǎn)矩，則可以得到電機的輸出功率P2

電機的輸出轉(zhuǎn)矩T2為

或

式中 Ω＝2πf1（1－s）／p；

電機最大輸出轉(zhuǎn)矩為

由以上分析不難看出，電機的電磁轉(zhuǎn)矩最大值與頻率無關(guān)，而電機的最大輸出轉(zhuǎn)矩與定子頻率f1、轉(zhuǎn)差頻率f2等有密切關(guān)系.

2 樣機設(shè)計

2.1 變頻調(diào)速異步電動機的主要尺寸設(shè)計

本文設(shè)計的變頻電機是建筑機械用的高頻振動器，基準頻率為150Hz，兩極的三相異步電動機.電機的額定輸出功率為1.5kW，因為變頻電機氣隙要比同規(guī)格異步電機的氣隙稍大些，所以氣隙取值3.5mm.定子外徑為120mm，定子內(nèi)徑67mm，轉(zhuǎn)子內(nèi)徑26mm，電機鐵心長度105mm.

變頻電機的定子槽數(shù)為24，轉(zhuǎn)子采用閉口梨形槽，槽數(shù)為18.在設(shè)計變頻電機槽形時，將轉(zhuǎn)子槽形設(shè)計的相對短而寬，這樣可以減小集膚效應(yīng)對電機運行性能的影響.該樣機絕緣等級為F級，定子采用真空壓力浸漆技術(shù)浸漬，槽楔厚為2mm，槽底絕緣為0.3mm.

2.2 變頻調(diào)速異步電機的電磁設(shè)計

1.5 kW、380V變頻電機在基準頻率150Hz時的電磁設(shè)計結(jié)果如下：

2.2.1 主要性能參數(shù)：

效率：η＝87.33%

功率因數(shù)：cosφ＝0.87

額定相電壓：Un＝220V

額定相電流：In＝2.99A

起動電流倍數(shù)：Ist／In＝8.29

起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)：Ist／Tn＝1.84

最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)：Tmax／Tn＝2.86

熱負荷系數(shù)：AJ＝369.06

基準頻率：f＝150Hz

（1）額定點參數(shù)

額定轉(zhuǎn)矩：Tn＝1.62N·m

額定轉(zhuǎn)速：n＝8830r／m

線負荷：A＝109.1A／cm

轉(zhuǎn)子電流：I2＝106.34A

電流密度：J1＝3.386A／mm2

J2＝3.25A／mm2Jr＝2.92A／mm2

勵磁電流：Im＝1A

定子銅耗：Pcus＝39.3W

轉(zhuǎn)子銅耗：Pcur＝39.7W

定子鐵耗：Pfe＝79.7W

雜散損耗：Ps＝37.5W

機械損耗：Pfw＝30W

總損耗：ΣP＝217.2W

反電動勢系數(shù)：Ke＝0.9539

（2）空載點參數(shù)

空載相電流：I0＝1.03A

空載功率：P0＝214.2A

（3）最大轉(zhuǎn)矩點

最大轉(zhuǎn)矩點轉(zhuǎn)速：Nm＝3087r／m

最大轉(zhuǎn)矩點轉(zhuǎn)差率：sm＝0.657

最大轉(zhuǎn)矩：Tm＝4.64N·m

2.2.2 磁路參數(shù)

（1）空載點磁密

氣隙磁密：Bg＝0.5685T

定子齒磁密：Bts＝1.0642T

定子軛部磁密：Bjs＝1.0739T

轉(zhuǎn)子齒部磁密：Btr＝1.0123T

轉(zhuǎn)子軛部磁密：Bjr＝0.869T

（2）負載點磁密

氣隙磁密：Bg＝0.559T

定子齒磁密：Bts＝1.0642T

定子軛部磁密：Bjs＝1.0513T

轉(zhuǎn)子齒部磁密：Btr＝0.9915T

轉(zhuǎn)子軛部磁密：Bjr＝0.8517T

（3）電路參數(shù)

定子電阻：R1＝0.0152

轉(zhuǎn)子電阻：R2＝0.0150

定子漏抗：X1＝0.0461

轉(zhuǎn)子漏抗：X2＝0.1093

總漏電抗：ΣX＝0.1554

勵磁電抗：Xm＝2.155

勵磁電阻：Rm＝24.268

（4）電機重量

鐵重：12.157kg／臺；定子銅重：1.476kg／臺

轉(zhuǎn)子鋁重：0.173kg／臺

3 樣機分析

通過對電機參數(shù)的分析，本文對所設(shè)計的樣機進行了試驗及分析.圖1是ZF150－150變頻異步電動機的照片，圖2是變頻調(diào)速試驗系統(tǒng)照片.

將試驗結(jié)果繪成了曲線圖，如圖3～圖6所示.樣機基準頻率為150Hz，額定電壓380V.變頻電機在低頻時完成起動，然后以恒轉(zhuǎn)矩狀態(tài)運行至額定頻率點，在此區(qū)間電壓和頻率近似成線性關(guān)系.當(dāng)運行頻率高于額定點時處于恒功率運行狀態(tài).

圖3是變頻電機定子銅損耗隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化曲線圖，變頻電機的定子銅耗是隨著轉(zhuǎn)速的增加而有所減小.

圖3 定子銅耗隨轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系曲線

變頻電機的運行效率隨頻率的變化關(guān)系如圖4所示，變頻電機的效率是隨著運行頻率的增加而逐步增大.在運行頻率達到或接近額定頻率點時，效率的變化趨于平穩(wěn).

圖4 異步電機的效率隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線

變頻電機功率因數(shù)與運行頻率的變化關(guān)系如下圖5所示，功率因數(shù)隨運行頻率的升高而逐步降低.進入恒功率區(qū)后，下降趨勢變緩，趨于平穩(wěn).

圖5 變頻電機的功率因數(shù)隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線

變頻電機定子電流的變化關(guān)系如圖6所示，定子電流隨著運行頻率的升高而逐漸減小.

從以上性能曲線可以看出，當(dāng)電機的運行頻率變化時，電機的各個參數(shù)及電機的運行指標都有很大的改變，分析這些參數(shù)的變化規(guī)律對電機的設(shè)計與性能分析很有價值.

圖6 變頻電機的定子電流隨運行頻率的關(guān)系曲線

4 小 結(jié)

本文分析了變頻電機在不同頻率點運行時參數(shù)變化關(guān)系，并設(shè)計了一臺1.5kW兩極的變頻調(diào)速異步電動機，隨后對樣機試驗的試驗數(shù)據(jù)做了分析，給出了電機的部分特性曲線，即電機效率、電流、功率因數(shù)等與頻率的關(guān)系.

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