变频调速三相异步电动机在设计中应注意的几个问题
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=4.44f1W1kW1Φm(1)
其中:kW1—定子绕组系数
Φm—气隙磁通
Φm=V14.44f1W1kW1=C′U1f1(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
I1 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Φm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Φm下降,电动
机出现欠励磁,由异步电动机转矩公式:
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防爆电机 (EXPLOSION-PROOFELECTRICMACHINE) 2000年第1期(总第102期)2000年3月31日出版 M=CrΦmI2cos
2(3)
可知,其转矩决定于气隙磁通Φm,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,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-f0
U0—电压补偿量 3%~10%U1
f0—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+(50~55)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
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2000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,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)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
①减少气隙磁通密度,增大气隙,降低谐波电磁
力。
②提高定、转子的气隙偏心精度。
③采用磁性槽楔。
④采用高弹性橡胶联轴节,降低轴系扭转共振
频率。
⑤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%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-Frequency
Adjustable-speedThree-phaseACInductionMotors
WeiMin DaiGe SongChangsheng
Abstract ThispaperbeginningwithanalysingtheprincipleofV/fcontrolvariable-frequencyadjustable-speedmotor,analysesthe
torquecharacteritic,noise,vibrationandotherPerformancesofconverter-fedmotors,andputsforwardsomecorrespondingcounter-measures.
Keywords Variable-frequencyadjustable-speed,Voltagecompesation,High-orderharmonic.
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防爆电机 (EXPLOSION-PROOFELECTRICMACHINE) 2000年第1期(总第102期)2000年3月31日出版