型三相交流變頻電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)分析

1、 、畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)題 目： YVF OOL-4型三相交流變頻電動(dòng)機(jī) 設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)分析 院： 電氣信息學(xué)院 專業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化 班級(jí)：電氣工程學(xué)號(hào)：學(xué)生姓名： 導(dǎo)師姓名： 完成日期： 誠 信 聲 明本人聲明：1、本人所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）是在老師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果；2、據(jù)查證，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中不包含其他人已經(jīng)公開發(fā)表過的研究成果，也不包含為獲得其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位而使用過的材料；3、我承諾，本人提交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中的所有內(nèi)容均真實(shí)、可信。作者簽名： 日期： 年 月 日畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書 題目： YVF OOL-4型三相交流變頻電

2、動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)分析 33333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333 姓名 學(xué)院 電氣信息學(xué)院 專業(yè) 電氣工程及其自動(dòng)化班級(jí) 電氣工程學(xué)號(hào) 指導(dǎo)老師 職稱 教 教研室主任 一、 基本任務(wù)及要求： 交流變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)在工業(yè)領(lǐng)域有廣泛的用途。畢業(yè)設(shè)計(jì)中要求學(xué)生熟悉及掌握該技術(shù)領(lǐng)域的相關(guān)知識(shí)，通過畢業(yè)設(shè)計(jì)為學(xué)生今后的工作打下良好的基礎(chǔ)。 設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容如下： 1分析各類調(diào)速方法，特點(diǎn)及基本原理； 2基

3、本掌握變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)分析； 3熟悉變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)工作原理，結(jié)構(gòu)及應(yīng)用； 4完成一臺(tái)變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì)。 二、 進(jìn)度安排及完成時(shí)間：12月23日至3月15日：查閱資料；撰寫文獻(xiàn)綜述和開題報(bào)告；確定總體方案。 2. 3月16日至3月22日：完成分析各類調(diào)速方法、特點(diǎn) 。 3. 3月23日至4月5日：畢業(yè)實(shí)習(xí)、撰寫實(shí)習(xí)報(bào)告。 44月6日-5月17日： 畢業(yè)設(shè)計(jì)。 1）4月6日-4月19日： 完成變頻器和變頻調(diào)速系統(tǒng)的基本原理的分析； 2）4月20日-5月3日： 完成變頻調(diào)速電機(jī)的原理及結(jié)構(gòu)分析； 3）5月4日-5月17日： 完成變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì)。 4. 5月18日至 5月

4、31日：撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 。 5. 6月1日至6月7日：指導(dǎo)老師評(píng)閱、電子文檔上傳FTP。 6. 6月8日至6月10日：畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯。 7. 6月11日至6月14日：畢業(yè)設(shè)計(jì)成績?cè)u(píng)定。 8. 6月15日至6月19 日：畢業(yè)設(shè)計(jì)資料歸檔 。 目 錄摘 要IAbstractII第1章 緒論11.1 本課題的提出和意義11.2 本課題的主要任務(wù)2第2章 變頻調(diào)速系統(tǒng)的基本原理32.1 交流調(diào)速技術(shù)的類別3變極對(duì)數(shù)調(diào)速方法3串級(jí)調(diào)速方法3變頻調(diào)速方法4轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方法4定子調(diào)壓調(diào)速方法4電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法4液力耦合器調(diào)速方法52.2 變頻調(diào)速的基本原理5變頻器的基本原理5變頻器控制策略和調(diào)速控制

5、方式7交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的原理及特點(diǎn)82.3 變頻調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用范圍10第3章 變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)123.1 變頻器供電的異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性12恒電壓/頻率比控制時(shí)的機(jī)械特性12最大轉(zhuǎn)矩保持恒定的控制方式13輸出功率保持恒定的控制方式153.2 諧波對(duì)電機(jī)損耗和效率的影響17附加銅損耗17附加鐵損耗18附加雜散損耗19諧波對(duì)電機(jī)效率的影響193.3 變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)20變頻電源供電情況下電動(dòng)機(jī)應(yīng)用所面臨的問題20電磁設(shè)計(jì)21結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)22變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)223.4 變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用范圍23第4章 1.5KW變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì)244.1 概述244.2 電磁

6、方案設(shè)計(jì)26頻率為50Hz時(shí)的電磁設(shè)計(jì)方案26其他頻率時(shí)電磁參數(shù)的比較424.3 電磁設(shè)計(jì)中的某些特殊考慮47結(jié)束語50參考文獻(xiàn)51致 謝52摘 要簡要的描述了交流變頻調(diào)速電機(jī)的意義。分析了各種交流調(diào)速方法，得出變頻調(diào)速是目前最理想的交流調(diào)速方法的結(jié)論。介紹了交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的基本原理及其應(yīng)用，其中包括變頻器的工作原理及其控制策略和調(diào)速控制方式。研究了變頻電機(jī)的機(jī)械特性，分析變頻電源中的諧波對(duì)電機(jī)損耗和效率的影響。探討了變頻調(diào)速電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)方案，并選取一種型號(hào)的變頻電機(jī)進(jìn)行電磁部分的計(jì)算。并討論了不同頻率時(shí)變頻電機(jī)主要參數(shù)的變化情況。關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速系統(tǒng) ；變頻器；變頻電機(jī)；電磁設(shè)計(jì)Abst

7、ract A brief description of the AC variable frequency motor speed control significance. Analysis of the exchange of a variety of speed control method is derived VVVF AC Drive the best way to conclusion. Introduced the AC variable frequency speed regulation system of the basic principles, application

8、s, including the working principle of frequency converter and its control strategy and speed control. Studied the mechanical characteristics of the motor frequency, frequency analysis of harmonic power losses and efficiency of the electrical impact. Frequency of the electromagnetic motor design, and

9、 select a type of variable frequency electromagnetic motor part of the calculation. And discussed at different frequencies of the main parameters of the electrical frequency changes. 第1章 緒論在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸、國防軍事設(shè)施以及日常生活中廣泛地應(yīng)用著電機(jī)傳動(dòng)。其中許多機(jī)械有調(diào)速的要求：如車輛、電梯、機(jī)床、造紙機(jī)械、紡織機(jī)械等等，為了滿足運(yùn)行、生產(chǎn)、工藝的要求需要調(diào)速；另一類設(shè)備如風(fēng)機(jī)，水泵等為了減少運(yùn)行損耗

10、，節(jié)約電能也需要調(diào)速。但是直流電動(dòng)機(jī)本身在結(jié)構(gòu)上存在嚴(yán)重的問題，以及對(duì)環(huán)境的要求也高和維護(hù)檢修不便的問題。所以采用交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速，因?yàn)樗Y(jié)構(gòu)簡單，制造方便，價(jià)格低廉，而且堅(jiān)固耐用，慣量小，運(yùn)行可靠，很少需要維護(hù)，可用于惡劣環(huán)境。上世紀(jì)20年代，人們認(rèn)識(shí)到變頻調(diào)速是交流電動(dòng)機(jī)的一種最好調(diào)速方法。它既能在寬廣的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，而且可以獲得良好的超動(dòng)和運(yùn)行特性。1.1 本課題的提出和意義近年來，隨著各種技術(shù)迅速發(fā)展，交流調(diào)速取代直流調(diào)速和計(jì)算機(jī)數(shù)字控制取代模擬控制已成為發(fā)展趨勢(shì)!電機(jī)交流變頻調(diào)速技術(shù)是當(dāng)今節(jié)電，改善工藝流程以提高產(chǎn)品質(zhì)量和改善不斷惡化的環(huán)境，推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步的一種主要手段! 因此研究

11、變頻調(diào)速技術(shù)對(duì)于能源利用和我國的工業(yè)節(jié)能有重要意義! 變頻調(diào)速技術(shù)主要向著兩個(gè)方向發(fā)展：一是實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)、高效率、無諧波干擾，研制具有良好電磁兼容性能的“綠色電器”；二是向變頻器應(yīng)用的深度和廣度發(fā)展!隨著變流器應(yīng)用領(lǐng)域深度和廣度的不斷開拓，變頻調(diào)速技術(shù)將越來越清楚地展示它在一個(gè)國家國民經(jīng)濟(jì)中的重要性! 可以預(yù)料，現(xiàn)代控制理論和人工智能技術(shù)在變頻調(diào)速技術(shù)中的應(yīng)用和推廣，將賦予它更強(qiáng)的生命力和更高的技術(shù)含量!其發(fā)展方向具體有如下幾項(xiàng)：(1)實(shí)現(xiàn)高水平的控制；(2)開發(fā)清潔電能的變流器；(3)縮小裝置的尺寸；(4)高速度的數(shù)字控制；(5)模擬與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD技術(shù)。在我國為實(shí)現(xiàn)2010年奮斗目

12、標(biāo)而必須進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整、實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)增長方式轉(zhuǎn)變中，節(jié)能降耗是實(shí)現(xiàn)少投入、高效益的重要途徑。因此，必須把推進(jìn)變頻調(diào)速等高效節(jié)電技術(shù)作為今后節(jié)能工作的重點(diǎn)之一，花大力氣，加大推廣運(yùn)用工作力度。同時(shí)，也要看到變頻調(diào)速器在我國巨大市場(chǎng)潛力。要把變頻器的開發(fā)、推廣、應(yīng)用、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展作為新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)來培育。從國外情況看，變頻器生產(chǎn)已成為一些國家的先導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。而我國這方面的基礎(chǔ)還很薄弱，我們有理由認(rèn)為：推進(jìn)我國變頻器產(chǎn)業(yè)化是國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的一個(gè)有力推動(dòng)點(diǎn)，必將帶動(dòng)和促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)共同發(fā)展。交流調(diào)速傳動(dòng)的客觀發(fā)展趨勢(shì)已表明，它完全可以和直流傳動(dòng)相媲美、相抗衡，并有取代的趨勢(shì)。變頻器技術(shù)是一門綜合性的技術(shù)。它建立在

13、控制技術(shù)、電子電力技術(shù)、微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上。它與傳統(tǒng)的交流拖動(dòng)系統(tǒng)相比,利用變頻器對(duì)交流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制,有許多優(yōu)點(diǎn),如節(jié)電,容易實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制,可以實(shí)現(xiàn)大范圍內(nèi)的高效連續(xù)調(diào)速控制,容易實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)切換,可以進(jìn)行高頻度的起停運(yùn)轉(zhuǎn),可以進(jìn)行電氣制動(dòng),可以對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行高速驅(qū)動(dòng),可以適應(yīng)各種環(huán)境,可以用一臺(tái)變頻器對(duì)多臺(tái)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制,電源功率因素大,所需容量小,可以組成高性能的控制系統(tǒng)等。近十多年來，中國政府致力于推廣電動(dòng)機(jī)調(diào)速技術(shù)，各行各業(yè)都在一定程度上采用了電動(dòng)機(jī)調(diào)速。據(jù)石油、電力、建材、鋼鐵、有色、煤炭、化工、造紙、紡織等部門最近對(duì)企業(yè)抽樣調(diào)查結(jié)果，石油、建

14、材、化工行業(yè)電動(dòng)機(jī)調(diào)速應(yīng)用較好。在目前4億kW的電機(jī)負(fù)載中，約有50%是負(fù)載變動(dòng)的，其中的51%可以通過電機(jī)調(diào)速解決其負(fù)載變動(dòng)問題。因此僅就目前的市場(chǎng)容量考慮，約有6000萬kW的調(diào)速電機(jī)市場(chǎng)。根據(jù)以上內(nèi)容可以了解，交流調(diào)速電機(jī)對(duì)提高電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行性能和節(jié)約能源具有重要意義。因此，進(jìn)行三相交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)與研究是非常必要的。交流電機(jī)調(diào)速作為節(jié)約能源的一個(gè)重要手段，理應(yīng)受到足夠的重視。變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速和起制動(dòng)性能，高效率、高功率因數(shù)和節(jié)電效果，廣泛的適用范圍及其它許多優(yōu)點(diǎn)而被國內(nèi)外公認(rèn)為最有發(fā)展前途的調(diào)速方式。深入了解交流傳動(dòng)與控制技術(shù)的走向，具有十分積極的意義1.2 本課題的主要

15、任務(wù)簡單的敘述了交流變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)的意義。分析了各種交流調(diào)速方法，得出變頻調(diào)速是目前最理想的交流調(diào)速方法的結(jié)論。介紹了交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的基本原理、構(gòu)成，其中包括變頻器的工作原理，變頻器控制策略和調(diào)速控制方式和交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn)。分析變頻器供電時(shí)的異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性、變頻電源中的諧波成分對(duì)電機(jī)的影響和變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。探討了適合變頻調(diào)速系統(tǒng)的電機(jī)電磁設(shè)計(jì)的主要尺寸公式。最后探討了變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方法及不同頻率時(shí)的參數(shù)變化。第2章 變頻調(diào)速系統(tǒng)的基本原理在生產(chǎn)機(jī)械中廣泛使用不改變同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法有繞線式電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、斬波調(diào)速、串級(jí)調(diào)速以及應(yīng)用電磁轉(zhuǎn)差離合器、液力偶合

16、器、油膜離合器等調(diào)速方法。還有改變定子電壓、頻率的變頻調(diào)速。2.1 交流調(diào)速技術(shù)的類別三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速公式為： n=60f/p(1-s) （2-1）從上式可見，改變供電頻率f、電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)p及轉(zhuǎn)差率s均可達(dá)到改變轉(zhuǎn)速的目的。變極對(duì)數(shù)調(diào)速方法這種調(diào)速方法是用改變定子繞組的連接方式來改變籠型電動(dòng)機(jī)定子極對(duì)數(shù)達(dá)到調(diào)速目的，特點(diǎn)如下： 1）具有較硬的機(jī)械特性，穩(wěn)定性良好；2）無轉(zhuǎn)差損耗，效率高；3）接線簡單、控制方便、價(jià)格低； 4）有級(jí)調(diào)速，級(jí)差較大，不能獲得平滑調(diào)速；5）可以與調(diào)壓調(diào)速、電磁轉(zhuǎn)差離合器配合使用，獲得較高效率的平滑調(diào)速特性。 本方法適用于不需要無級(jí)調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械，如金屬切削機(jī)床、升

17、降機(jī)、起重設(shè)備、風(fēng)機(jī)、水泵等。 串級(jí)調(diào)速方法串級(jí)調(diào)速是指繞線式電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路中串入可調(diào)節(jié)的附加電勢(shì)來改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差，達(dá)到調(diào)速的目的。大部分轉(zhuǎn)差功率被串入的附加電勢(shì)所吸收，再利用產(chǎn)生附加的裝置，把吸收的轉(zhuǎn)差功率返回電網(wǎng)或轉(zhuǎn)換能量加以利用。根據(jù)轉(zhuǎn)差功率吸收利用方式，串級(jí)調(diào)速可分為電機(jī)串級(jí)調(diào)速、機(jī)械串級(jí)調(diào)速及晶閘管串級(jí)調(diào)速形式，多采用晶閘管串級(jí)調(diào)速，其特點(diǎn)為： 1）可將調(diào)速過程中的轉(zhuǎn)差損耗回饋到電網(wǎng)或生產(chǎn)機(jī)械上，效率較高； 2）裝置容量與調(diào)速范圍成正比，投資省，適用于調(diào)速范圍在額定轉(zhuǎn)速7090的 生產(chǎn)機(jī)械上；3）調(diào)速裝置故障時(shí)可以切換至全速運(yùn)行，避免停產(chǎn)； 4）晶閘管串級(jí)調(diào)速功率因數(shù)偏低，諧波影響

18、較大。 本方法適合于風(fēng)機(jī)、水泵及軋鋼機(jī)、礦井提升機(jī)、擠壓機(jī)上使用。 變頻調(diào)速方法變頻調(diào)速是改變電動(dòng)機(jī)定子電源的頻率，從而改變其同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法。變頻調(diào)速系統(tǒng)主要設(shè)備是提供變頻電源的變頻器，變頻器可分成交流直流交流變頻器和交流交流變頻器兩大類，目前國內(nèi)大都使用交直交變頻器。其特點(diǎn)： 1）效率高，調(diào)速過程中沒有附加損耗； 2）應(yīng)用范圍廣，可用于籠型異步電動(dòng)機(jī)； 3）調(diào)速范圍大，特性硬，精度高； 4）技術(shù)復(fù)雜，造價(jià)高，維護(hù)檢修困難。 本方法適用于要求精度高、調(diào)速性能較好場(chǎng)合。 轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方法繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串入附加電阻，使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率加大，電動(dòng)機(jī)在較低的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。串入的電阻越大，電動(dòng)機(jī)

19、的轉(zhuǎn)速越低。此方法設(shè)備簡單，控制方便，但轉(zhuǎn)差功率以發(fā)熱的形式消耗在電阻上。屬有級(jí)調(diào)速，機(jī)械特性較軟。定子調(diào)壓調(diào)速方法當(dāng)改變電動(dòng)機(jī)的定子電壓時(shí)，可以得到一組不同的機(jī)械特性曲線，從而獲得不同轉(zhuǎn)速。由于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩與電壓平方成正比，因此最大轉(zhuǎn)矩下降很多，其調(diào)速范圍較小，使一般籠型電動(dòng)機(jī)難以應(yīng)用。為了擴(kuò)大調(diào)速范圍，調(diào)壓調(diào)速應(yīng)采用轉(zhuǎn)子電阻值大的籠型電動(dòng)機(jī)，如專供調(diào)壓調(diào)速用的力矩電動(dòng)機(jī)，或者在繞線式電動(dòng)機(jī)上串聯(lián)頻敏電阻。為了擴(kuò)大穩(wěn)定運(yùn)行范圍，當(dāng)調(diào)速在2：1以上的場(chǎng)合應(yīng)采用反饋控制以達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速目的。調(diào)壓調(diào)速的主要裝置是一個(gè)能提供電壓變化的電源，目前常用的調(diào)壓方式有串聯(lián)飽和電抗器、自耦變壓器以及晶閘管調(diào)

20、壓等幾種。晶閘管調(diào)壓方式為最佳。調(diào)壓調(diào)速的特點(diǎn)： 1）調(diào)壓調(diào)速線路簡單，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制； 2）調(diào)壓過程中轉(zhuǎn)差功率以發(fā)熱形式消耗在轉(zhuǎn)子電阻中，效率較低。 電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)由籠型電動(dòng)機(jī)、電磁轉(zhuǎn)差離合器和直流勵(lì)磁電源（控制器）三部分組成。直流勵(lì)磁電源功率較小，通常由單相半波或全波晶閘管整流器組成，改變晶閘管的導(dǎo)通角，可以改變勵(lì)磁電流的大小。電磁轉(zhuǎn)差離合器由電樞、磁極和勵(lì)磁繞組三部分組成。電樞和后者沒有機(jī)械聯(lián)系，都能自由轉(zhuǎn)動(dòng)。電樞與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子同軸聯(lián)接稱主動(dòng)部分，由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)；磁極用聯(lián)軸節(jié)與負(fù)載軸對(duì)接稱從動(dòng)部分。當(dāng)電樞與磁極均為靜止時(shí)，如勵(lì)磁繞組通以直流，則沿氣隙圓周表面將形成若干對(duì)

21、N、S極性交替的磁極，其磁通經(jīng)過電樞。當(dāng)電樞隨拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于電樞與磁極間相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因而使電樞感應(yīng)產(chǎn)生渦流，此渦流與磁通相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，帶動(dòng)有磁極的轉(zhuǎn)子按同一方向旋轉(zhuǎn)，但其轉(zhuǎn)速恒低于電樞的轉(zhuǎn)速，變動(dòng)轉(zhuǎn)差離合器的直流勵(lì)磁電流，便可改變離合器的輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)的調(diào)速特點(diǎn)： 1）裝置結(jié)構(gòu)及控制線路簡單、運(yùn)行可靠、維修方便； 2）調(diào)速平滑、無級(jí)調(diào)速； 3）對(duì)電網(wǎng)無諧影響； 4）速度失大、效率低。 本方法適用于中、小功率，要求平滑動(dòng)、短時(shí)低速運(yùn)行的生產(chǎn)機(jī)械。液力耦合器調(diào)速方法 液力耦合器是一種液力傳動(dòng)裝置，一般由泵輪和渦輪組成，它們統(tǒng)稱工作輪，放在密封殼體中。殼中充入一定量的工作液

22、體，當(dāng)泵輪在原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)時(shí)，處于其中的液體受葉片推動(dòng)而旋轉(zhuǎn)，在離心力作用下沿著泵輪外環(huán)進(jìn)入渦輪時(shí)，就在同一轉(zhuǎn)向上給渦輪葉片以推力，使其帶動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)。液力耦合器的動(dòng)力轉(zhuǎn)輸能力與殼內(nèi)相對(duì)充液量的大小是一致的。在工作過程中，改變充液率就可以改變耦合器的渦輪轉(zhuǎn)速，作到無級(jí)調(diào)速，其特點(diǎn)為： 1）功率適應(yīng)范圍大，可滿足從幾十千瓦至數(shù)千千瓦不同功率的需要； 2）結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，使用及維修方便，且造價(jià)低； 3）尺寸小，容量大； 4）控制調(diào)節(jié)方便，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。 本方法適用于風(fēng)機(jī)、水泵的調(diào)速。 現(xiàn)在變頻調(diào)速產(chǎn)業(yè)逐漸壯大，是主流的調(diào)速方式。2.2 變頻調(diào)速的基本原理變頻調(diào)速方法：是改變電動(dòng)機(jī)定子電

23、源的頻率，從而改變其同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法。變頻器的基本原理（1）變頻器控制策略和調(diào)速控制方式交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的原理及特點(diǎn) 異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速方程是： n=60f(1-s)/p， （2-3）其中n為電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)，f為電源頻率，s為轉(zhuǎn)差率，p為定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的極對(duì)數(shù)，所以從這個(gè)公式就可以看出，要想改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以改變f，s，p這三個(gè)量中的任意一個(gè)，就能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)速，其中改變電源頻率f是比較方便和有效的方法，只要改變了電源頻率f就能夠改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，但是還有另外一個(gè)問題，先看看下面這個(gè)公式 ： （2-4）其中u是電源電壓，E是定子繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，f是電源頻率，n為繞組線圈匝數(shù)，K為繞組分布系數(shù)，為磁

24、通量，從這個(gè)公式我們可以看出，如果減小f的話，電源頻率U還不變，那么必然變大，因?yàn)殡姍C(jī)的磁路設(shè)計(jì)都是按照一定的飽和磁通量設(shè)計(jì)的，如果增大，那么磁路有可能就進(jìn)入了飽和狀態(tài)，所以必須保證為恒定，所以相應(yīng)的也應(yīng)該減小電源電壓U ，同理，f增大，U也要增大，我們必須保證U/f為一個(gè)常量。 二、VVVF裝置的特點(diǎn)1) 既可分別調(diào)頻調(diào)壓，也可調(diào)頻調(diào)壓由逆變器統(tǒng)一完成，且均僅有一個(gè)可控功率級(jí)，從而簡化了主電路和控制電路的結(jié)構(gòu)，使裝置的體積小，重量輕，造價(jià)低，可靠性高。2) 使用二極管整流器，交流電網(wǎng)的功率因數(shù)與逆變器輸出電壓的大小無關(guān)而且接近1；如有數(shù)臺(tái)裝置，可由同一臺(tái)不可控整流器供電。3) 輸出頻率和電壓

25、都在逆變器內(nèi)控制和調(diào)節(jié)，其響應(yīng)速度取決于電子控制電路，與直流回路的濾波參數(shù)無關(guān)，所以調(diào)節(jié)速度快且可使調(diào)節(jié)過程中頻率和電壓相配合，以獲得好的動(dòng)態(tài)性能。4) 輸出電壓和電流的波形接近正弦，從而減少諧波分量，降低電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，改善了電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能。5) SPWM逆變器要求有高的載波頻率，因此開關(guān)元件工作頻率高，開關(guān)損耗和換流損耗大。6) 變頻調(diào)速節(jié)能效果明顯，有時(shí)可高達(dá)30%50%。調(diào)速系統(tǒng)機(jī)械特性硬，無附加轉(zhuǎn)差損耗，而且頻率精度高，能保證電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高精度、寬范圍無級(jí)調(diào)速，可實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)（<1.5），易于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動(dòng)控制。該系統(tǒng)技術(shù)先進(jìn)、性能穩(wěn)定、維護(hù)工作量少。 三、交流變

26、頻調(diào)速系統(tǒng)存在的問題v 諧波引起電動(dòng)機(jī)的效率下降和溫升提高 在逆變器電路變流過程中，其輸出電壓或電流為階梯波，因此含有豐富的諧波，致使異步電動(dòng)機(jī)在非正弦電壓電流下運(yùn)行。以當(dāng)前比較普遍使用的正弦波PWM變頻器為例，其低次諧波基本上為零，剩下的是比載波頻率（晶體管開關(guān)頻率）大一倍左右的高次諧波分量。高次諧波會(huì)引起定子銅耗、轉(zhuǎn)子鋁耗、鐵耗及附加損耗的增加，最為顯著的是轉(zhuǎn)子鋁耗。如將普通異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行于變頻器輸出的非正弦電源條件下，其溫升一般約增加10%20%。v 諧波引起電磁噪聲與振動(dòng)當(dāng)采用變頻器供電時(shí)，普通異步電動(dòng)機(jī)上由電磁、機(jī)械和通風(fēng)等原因所引起的振動(dòng)和噪聲，將變得更加復(fù)雜。變頻器電源中含有的高

27、次時(shí)間諧波與電動(dòng)機(jī)電磁部分的固有空間諧波相互干涉，形成各種電磁振動(dòng)力。當(dāng)電磁力波的頻率和結(jié)構(gòu)件固有振動(dòng)頻率一致或接近時(shí)，將產(chǎn)生共振現(xiàn)象因而噪聲增大。由于電動(dòng)機(jī)工作的頻率范圍寬，轉(zhuǎn)速變化范圍大，各種電磁波的頻率很難避開電動(dòng)機(jī)各種結(jié)構(gòu)件的固有頻率。普通異步電動(dòng)機(jī)用變頻器供電時(shí)的噪聲，比用工頻電網(wǎng)供電時(shí)一般約增加1015dB左右。v 低速時(shí)的冷卻效果差 在電源頻率較低時(shí)，因普通異步電動(dòng)機(jī)的阻抗不盡理想，使電源中高次諧波所引起的損耗增大。再者，自冷式普通異步電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速降低時(shí)，冷卻風(fēng)量將按轉(zhuǎn)速的三次方成比例地減小，這必將使電動(dòng)機(jī)的低速溫升急劇增加而難以實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行。v 電動(dòng)機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)承受高電壓沖擊目

28、前中小容量變頻器，大多數(shù)采用SPWM的控制方式。它的載波頻率約為幾KHz到十幾KHz，這就使電動(dòng)機(jī)線圈需要承受很高的電壓上升率。另外，由PWM變頻器產(chǎn)生的矩形斬波沖擊電壓疊加在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行電壓上，會(huì)對(duì)電動(dòng)機(jī)的對(duì)地絕緣形成威脅，對(duì)地絕緣在高電壓的反復(fù)沖擊下會(huì)加速老化。2.3 變頻調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用范圍 在工業(yè)生產(chǎn)和產(chǎn)品加工制造業(yè)中，風(fēng)機(jī)、泵類設(shè)備應(yīng)用范圍廣泛；其電能消耗諸如閥門、擋板相關(guān)設(shè)備的節(jié)流損失以及維護(hù)、維修費(fèi)用占到生產(chǎn)成本的7%25%，是一筆不小的生產(chǎn)費(fèi)用開支。隨著經(jīng)濟(jì)改革的不斷深入，市場(chǎng)競(jìng)爭的不斷加??；節(jié)能降耗已成為降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量的重要手段之一.而八十年代初發(fā)展起來的變頻調(diào)速技術(shù)

29、，正是順應(yīng)了工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化發(fā)展的要求，開創(chuàng)了一個(gè)全新的智能電機(jī)時(shí)代。一改普通電動(dòng)機(jī)只能以定速方式運(yùn)行的陳舊模式，使得電動(dòng)機(jī)及其拖動(dòng)負(fù)載在無須任何改動(dòng)的情況下即可以按照生產(chǎn)工藝要求調(diào)整轉(zhuǎn)速輸出，從而降低電機(jī)功耗達(dá)到系統(tǒng)高效運(yùn)行的目的。八十年代末，變頻調(diào)速技術(shù)引入我國并得到推廣。現(xiàn)已在電力、冶金、石油、化工、造紙、食品、紡織等多種行業(yè)的電機(jī)傳動(dòng)設(shè)備中得到實(shí)際應(yīng)用。目前，變頻調(diào)速技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代電力傳動(dòng)技術(shù)的一個(gè)主要發(fā)展方向。卓越的調(diào)速性能、顯著的節(jié)電效果，改善現(xiàn)有設(shè)備的運(yùn)行工況，提高系統(tǒng)的安全可靠性和設(shè)備利用率，延長設(shè)備使用壽命等優(yōu)點(diǎn)隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大而得到充分的體現(xiàn)。交流變頻調(diào)速性能良好，因

30、而已在供水，冶金，紡織，造紙，化工，建材等行業(yè)廣泛采用并大力推廣。（1）城市供水及高樓供水 城市及市內(nèi)大型建筑如賓館等的供水，關(guān)系著工業(yè)生產(chǎn)和人民生活。目前自來水行業(yè)多采用串級(jí)調(diào)速，串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)效率只有50%，體積大，故障多，而采用變頻調(diào)速可以得到較大的節(jié)能效果。另外，若采用變頻調(diào)速系統(tǒng)通過壓力變送器、流量變送器等檢測(cè)設(shè)備和PID控制形成閉環(huán)，控制效果將更好，供水水壓恒定，可實(shí)現(xiàn)無人值守。（2）鋼鐵行業(yè) 變頻調(diào)速精度高，節(jié)電效果好，可頻繁起抽動(dòng)作用，控制靈活，易構(gòu)成閉環(huán)，因此在軋機(jī)輥道，轉(zhuǎn)爐，圓盤給料機(jī)、風(fēng)機(jī)等多處得到應(yīng)用。（3）煉油行業(yè) 煉油行業(yè)對(duì)變頻調(diào)速有廣泛的需要，如各類泵，鍋爐引風(fēng)機(jī)，

31、送風(fēng)機(jī)，輸煤，送水以及污水處理系統(tǒng)等，均有著顯著的經(jīng)濟(jì)效益。（4）化工行業(yè) 除將變頻器用于供水，風(fēng)機(jī)外，在化工行業(yè)中各工藝生產(chǎn)線，各類泵，攪拌機(jī)等用量也非常大。該技術(shù)的應(yīng)用可大大消除事故隱患，減少維護(hù)量，且操作簡單方便，同液力耦合調(diào)速相比，節(jié)電40%以上。 （5）紡織印染行業(yè) 紡織印染行業(yè)對(duì)變頻調(diào)速有大量的需求，除大量的風(fēng)機(jī)外，精紡機(jī)，粗紡機(jī)，整經(jīng)機(jī)，經(jīng)編機(jī)以及印染設(shè)備均可采用變頻調(diào)速技術(shù)。傳統(tǒng)印染設(shè)備的直流調(diào)速系統(tǒng)長期工作在高濕度場(chǎng)合，維修量很大，用變頻調(diào)速托動(dòng)異步電機(jī)，不僅具有良好的調(diào)速性能，而且系統(tǒng)簡單，運(yùn)行可靠。第3章 變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)3.1 變頻器供電的異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性異

32、步電動(dòng)機(jī)在由變頻裝置供電時(shí)，一般來說，電壓和電流中均含有諧波分量。但是異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速主要還是決定于基波分量，而諧波主要是引起附加損耗和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，其作用畢竟是次要的。所以在分析研究異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速特性時(shí)，可以從分析基波分量入手。異步電動(dòng)機(jī)的端電壓和電動(dòng)機(jī)氣隙磁通與頻率f之間如有下關(guān)系： （3-1）式中每組繞組串聯(lián)匝數(shù)； 基波繞組系數(shù)?？梢?，在異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的過程中，為了使電動(dòng)機(jī)的磁通能維持在恰當(dāng)?shù)乃?，電?dòng)機(jī)的電壓必須隨頻率而變化?？紤]到異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與磁通和電流的乘積成正比，即： （3-2）從電動(dòng)機(jī)損耗最小的角度出發(fā)，當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，最好使電動(dòng)機(jī)的磁通和電流也能隨著轉(zhuǎn)矩的

33、變化而同時(shí)作相應(yīng)的增減，即： （3-3）這就是說在恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載下，希望磁場(chǎng)和電流基本保持恒定， 此U/f=常數(shù)；在恒功率負(fù)載下，由于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩應(yīng)與轉(zhuǎn)速（頻率）成反比，為此；而在帶風(fēng)機(jī)，水泵類負(fù)載運(yùn)行時(shí)，由于負(fù)載轉(zhuǎn)矩和電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速平方成正比，所以磁通應(yīng)正比于頻率變化，即比較合適。下面對(duì)變頻電源的控制策略和電動(dòng)機(jī)的特性進(jìn)行分析。恒電壓/頻率比控制時(shí)的機(jī)械特性當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在固定頻率及電壓下，忽略勵(lì)磁電流時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩可分別由以下兩式表示： （3-4） （3-5）式中 、定子繞組電阻、漏電抗； 、折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子繞組電阻、漏電抗。在變頻調(diào)速情況下頻率f是變化的。只考慮基波效應(yīng)，如實(shí)際工作

34、頻率，用它與額定頻率 的比值來表示，即： 則電抗可表示成額定頻率時(shí)的電抗值乘以比值。在=常數(shù)的情況下異步電動(dòng)機(jī)變頻運(yùn)行時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩為： （3-6） （3-7） 在正常運(yùn)行時(shí)由于轉(zhuǎn)差率之值很小，通?？梢院雎?，則對(duì)應(yīng)于一定轉(zhuǎn)矩下的絕對(duì)轉(zhuǎn)差率，即旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)對(duì)轉(zhuǎn)子的相對(duì)運(yùn)動(dòng)不變。恒電壓/頻率比的運(yùn)行方式用于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速的降低，其過載能力逐漸下降，它只適用于調(diào)速范圍不大，或轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的降低而減少的負(fù)載。當(dāng)然從減少損耗的角度看在低頻時(shí)可降低電壓，按U正比于的規(guī)律變化。但實(shí)用上因風(fēng)機(jī)、水泵的調(diào)速范圍不大，不可能在低頻下運(yùn)行，所以實(shí)際上也常按恒電壓/頻率比方式進(jìn)行控制。最大轉(zhuǎn)矩保持恒定的控制

35、方式在電壓/頻率比恒定的控制方式中，電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩有隨頻率的上升而下降的趨勢(shì)，主要是由于定子電阻的影響所引起的。如果我們采取適當(dāng)?shù)姆椒ǎ岣咻斎腚妷?，把電阻上電壓降落完全予以補(bǔ)償，那么異步電動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩就不會(huì)隨工作頻率下降而減少。電阻壓降完全補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果，在電路中相當(dāng)于電阻等于零。電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩與額定電壓、額定頻率運(yùn)行時(shí)的等效電路形式幾乎完全相同。唯一的差異只是在變頻運(yùn)行的情況下，決定電動(dòng)機(jī)特性的不是相對(duì)轉(zhuǎn)差率s，而是絕對(duì)轉(zhuǎn)差率，亦即實(shí)際的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體的轉(zhuǎn)差速度：。在定子電阻被完全補(bǔ)償，內(nèi)電動(dòng)勢(shì)與頻率成正比變化的情況下，電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的定子磁鏈和氣隙磁場(chǎng)大小是恒定的。如果轉(zhuǎn)子相對(duì)氣隙磁場(chǎng)

36、的速度一定，轉(zhuǎn)子中感應(yīng)的電流及其所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩也是一定的。這反映到定子上，定子電流的大小、相位、功率因數(shù)等都不會(huì)發(fā)生變化，而與工作頻率無關(guān)。在定子電阻壓降完全補(bǔ)償?shù)那闆r下，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩可由上節(jié)的式中令=0求得： （3-8） （3-9）由上兩式看出，在忽略或補(bǔ)償定子電阻的情況下，恒電壓/頻率比變頻運(yùn)行時(shí)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性曲線將是一組沿水平軸（轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n）平移的特性曲線，其在不同運(yùn)行頻率下電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩是不變的，而且均發(fā)生同樣大小的絕對(duì)轉(zhuǎn)差下，即出現(xiàn)最大轉(zhuǎn)矩的絕對(duì)轉(zhuǎn)差率=常數(shù)。這種最大轉(zhuǎn)矩保持恒定的特性適宜托動(dòng)轉(zhuǎn)矩恒定的負(fù)載，可保持電動(dòng)機(jī)在變頻調(diào)速過程中的過載能力不變。為了補(bǔ)償

37、定子電阻上的壓降，保持異步電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩不變，定子的輸入電壓控制規(guī)律可得出，考慮的關(guān)系，求得： （3-10） 或 （3-11）式中， 考慮到電動(dòng)機(jī)的參數(shù)（Q）值不同，因而為補(bǔ)償定子電阻壓降，以維持定子繞組磁鏈恒定所需的定子電壓U1隨運(yùn)行頻率和電動(dòng)機(jī)參數(shù)變化而變化。異步電動(dòng)機(jī)在低頻起動(dòng)時(shí)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩比額定頻率下的走動(dòng)轉(zhuǎn)矩大而起動(dòng)電流較小。這是因?yàn)樵诘皖l起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子回路中感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)頻率較低，電抗作用較小，因而轉(zhuǎn)子電流功率因數(shù)較高，所以較小的轉(zhuǎn)子電流就能產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩。如優(yōu)先起動(dòng)頻率，使起動(dòng)時(shí)正好，則電動(dòng)機(jī)將以最大轉(zhuǎn)矩和較小的電流起動(dòng)，可以顯著地改善異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)特性，這是異步電動(dòng)機(jī)采用變頻調(diào)速的

38、重要優(yōu)點(diǎn)之一。電動(dòng)機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)定子電流，要比產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩時(shí)的電流小得多，所以實(shí)際上在一般情況下，定子電阻壓降處在過補(bǔ)償狀態(tài)。隨著頻率的降低，電動(dòng)機(jī)的氣隙磁通將增大，空載電流會(huì)顯著增加，甚至可能出現(xiàn)電動(dòng)機(jī)負(fù)載愈輕，電流愈大的反?，F(xiàn)象。由于低頻時(shí)定子電阻壓降比漏抗壓降大得多，以致空載和滿載時(shí)電動(dòng)機(jī)內(nèi)電動(dòng)勢(shì)的大小有很大的變化?？蛰d時(shí)電動(dòng)勢(shì)數(shù)值很大，幾乎等于外施電壓，使得氣隙磁通增加很多，電動(dòng)機(jī)磁路處于高度飽和狀態(tài)，磁化電流就大幅度增長，甚至可能超過額定電流的大小。而當(dāng)負(fù)載增加以后，因?yàn)檗D(zhuǎn)子電流和氣隙電動(dòng)勢(shì)相位比較接近，氣隙電動(dòng)勢(shì)將顯著減小，因而在負(fù)載增大時(shí)磁化電流將大幅度下降。如果磁化電流的減小大

39、于定子電流中負(fù)載分量的增長，則就會(huì)出現(xiàn)定子電流隨負(fù)載增大反而減小的反?，F(xiàn)象。為了克服這種不希望的情況出現(xiàn)，可以采用反饋控制的方法使輕載時(shí)輸入電壓適當(dāng)降低。以上分析的最大轉(zhuǎn)矩恒定控制方式，是在補(bǔ)償定子電阻壓降以保持定子繞組磁鏈恒定的基礎(chǔ)上得到的。隨著負(fù)載的變化，氣隙磁場(chǎng)仍然有相當(dāng)?shù)淖兓?。從充分利用異步電?dòng)機(jī)的潛力出發(fā)，在調(diào)速過程中始終保持氣隙磁場(chǎng)恒定的控制策略更為合理。這就是說應(yīng)該把定子電阻和漏抗上的壓降全部加以補(bǔ)償。在這種情況下，相當(dāng)于，可以求出電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩分別為： （3-12） （3-13） 它的最大轉(zhuǎn)矩幾乎可以比只補(bǔ)償定子電阻上壓降時(shí)提高一倍左右。這種控制方式對(duì)于起動(dòng)轉(zhuǎn)矩特別

40、高的情況是十分有利的。當(dāng)然，在這種情況下，電動(dòng)機(jī)的輸入電壓需要根據(jù)實(shí)際運(yùn)行頻率和負(fù)載（絕對(duì)轉(zhuǎn)差率）的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)。輸出功率保持恒定的控制方式以上分析是在電動(dòng)機(jī)氣隙磁通保持不變的條件下進(jìn)行，適合于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。實(shí)際應(yīng)用中還有一種按恒功率進(jìn)行調(diào)速運(yùn)行的方式，即在轉(zhuǎn)速低時(shí)要求輸出轉(zhuǎn)矩大，在轉(zhuǎn)速高時(shí)要求輸出轉(zhuǎn)矩小，如車輛中使用的牽引電動(dòng)機(jī)就有這種運(yùn)行要求。此外，在異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速運(yùn)行中，一般在額定頻率以下按恒轉(zhuǎn)矩方式運(yùn)行。而當(dāng)運(yùn)行頻率達(dá)到額定并超過額定值之后，由于調(diào)速裝置的耐壓和電動(dòng)機(jī)容量的限制，電動(dòng)機(jī)電壓將不再隨頻率按比例增加，而是維持不變。這樣，電動(dòng)機(jī)的磁通就將隨頻率的上升而下降，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩減小，

41、電動(dòng)機(jī)進(jìn)入近似恒功率的運(yùn)行方式，轉(zhuǎn)矩和頻率呈反比關(guān)系。 為了確保電動(dòng)機(jī)在恒功率運(yùn)行時(shí)具有不變的過載能力，不同性質(zhì)負(fù)載時(shí)電壓和頻率之間應(yīng)有不同的關(guān)系。下面以恒功率負(fù)載及轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速平方成比例的風(fēng)機(jī)、水泵類負(fù)載為例分析。變頻運(yùn)行中若忽略定子電阻，電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩為： （3-14）代入， 則有 （3-15）所以 （3-16） 即 （3-17）在恒功率負(fù)載時(shí)，負(fù)載性質(zhì)為 （3-18）于是頻率變化規(guī)律為： （3-19）此時(shí)，電動(dòng)機(jī)中的氣隙磁通為： （3-20）即恒功率調(diào)速時(shí)，電動(dòng)機(jī)的氣隙磁通隨運(yùn)行頻率的減小而增大。所以，在設(shè)計(jì)拖動(dòng)恒功率負(fù)載的電動(dòng)機(jī)時(shí)，應(yīng)按運(yùn)行中的最低頻率來考慮它的磁路狀態(tài)。在拖動(dòng)風(fēng)機(jī)，水

42、泵等負(fù)載轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速平方變化的負(fù)載時(shí)，因?yàn)椋?（3-21）此時(shí)電壓隨頻率平方關(guān)系調(diào)節(jié)，即 （3-22）而電動(dòng)機(jī)的氣隙磁通為： （3-23）即磁通隨運(yùn)行頻率的增大而增加。這說明風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載的電動(dòng)機(jī)應(yīng)按運(yùn)行中最高頻率的運(yùn)行狀態(tài)來設(shè)計(jì)它的磁路。也有人進(jìn)一步提出維持轉(zhuǎn)子磁鏈恒定的控制策略。在轉(zhuǎn)子磁鏈保持恒定的情況下，轉(zhuǎn)子等效電路中只有電阻，沒有電抗。隨著轉(zhuǎn)差率的增加，等效電阻減小，電流就線性增長，于是異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性起了質(zhì)的變化，變?yōu)橐幌盗衅叫械闹本€，而沒有極值。從表面上看這似乎可以大大提高電動(dòng)機(jī)的負(fù)載能力，但是實(shí)際上這是有限的，隨著負(fù)載的過度增加，電動(dòng)機(jī)氣隙磁場(chǎng)會(huì)不斷增強(qiáng)，電動(dòng)機(jī)鐵心將進(jìn)入嚴(yán)重飽

43、和狀態(tài)，定子電流會(huì)達(dá)到不能允許的程度，所以保持轉(zhuǎn)子磁鏈恒定的控制方法是受到一定限制的。3.2 諧波對(duì)電機(jī)損耗和效率的影響當(dāng)電機(jī)由變頻器供電時(shí)，除了基波分量產(chǎn)生的幾部分損耗之外，還增加了諧波分量產(chǎn)生的附加銅損耗，通常稱為諧波損耗，大體分為以下三項(xiàng)，1）定、轉(zhuǎn)子繞組諧波電流產(chǎn)生的附加銅損耗;2）電源諧波產(chǎn)生的附加鐵損耗;3）除上述二項(xiàng)外電源諧波產(chǎn)生的其他附加損耗，稱為諧波雜散損耗。下面逐項(xiàng)分析這些諧波損耗的計(jì)算方法:3.2.1附加銅損耗電源中的諧波在電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生諧波電流，由于高次諧波電流的集膚效應(yīng)，引起電流分布不均勻，而使交流電阻增大，從而產(chǎn)生附加諧波銅損耗。由于集膚效應(yīng)引起轉(zhuǎn)子阻抗

44、的變化可由下式?jīng)Q定： （3-24） （3-25）式中 、計(jì)及集膚效應(yīng)前后的轉(zhuǎn)子電阻； 、計(jì)及集膚效應(yīng)前后的轉(zhuǎn)子電抗； 集膚效應(yīng)對(duì)應(yīng)的電阻系數(shù)； 集膚效應(yīng)對(duì)應(yīng)的電抗系數(shù)； 導(dǎo)體的計(jì)算高度。由高次諧波引起定子電流可由下式?jīng)Q定： （3-26）式中 高次諧波電壓； 、計(jì)及集膚效應(yīng)后的定子電阻及電抗。因此可用下式求出諧波產(chǎn)生的高頻銅耗 （3-27）式中 定子高頻銅耗； 轉(zhuǎn)子高頻銅耗；一般說來，定子高頻銅耗為工頻銅耗的15%，而轉(zhuǎn)子高頻銅耗已近似等于工頻轉(zhuǎn)子銅耗。 3.2.2附加鐵損耗電源諧波不僅在電機(jī)繞組中產(chǎn)生附加銅損耗，而且會(huì)在定、轉(zhuǎn)子鐵心中產(chǎn)生附加鐵損耗。一般說來，若正弦基波磁通時(shí)的鐵耗為，則由于電

45、源諧波影響，其鐵耗的增加量由下式?jīng)Q定： （3-28）式中 高次諧波的含有率； 高次諧波次數(shù)。若正弦基波磁通時(shí)的轉(zhuǎn)子鐵心表面損耗為，則由于電源諧波影響，其表面損耗的增加量由下式?jīng)Q定： （3-29）這兩部分鐵損耗增加的結(jié)果，使變頻電源供電時(shí)比工頻供電時(shí)鐵耗總體增大10%20%。以上結(jié)果也可以用公式近似計(jì)算： （3-30）式中 變頻電源供電時(shí)的鐵耗； 電壓引起磁路飽和的等效電壓； 工頻正弦電壓。3.2.3附加雜散損耗除了上述諧波銅損耗和鐵損耗之外，還要考慮電源諧波產(chǎn)生的附加雜散損耗，主要包括諧波繞組端部漏磁損耗，摩擦損耗和通風(fēng)損耗。1）諧波繞組端部漏磁損耗是由沿軸向進(jìn)入定、轉(zhuǎn)子端部的高次諧波磁場(chǎng)在端

46、部鐵心中產(chǎn)生渦流損耗。只是由于高次諧波的頻率更高，故其數(shù)值更大。其值可由下式確定： （3-31）式中 諧波漏磁損耗； 基波漏磁損耗； 、諧波電流及頻率； 、基波電流及頻率。一般認(rèn)為定、轉(zhuǎn)子諧波漏磁損耗大致相等，故電動(dòng)機(jī)內(nèi)由于諧波引起的端部總損耗。2）在變頻電源供電時(shí)與工頻電源供電時(shí)有很大不同。這主要是變頻調(diào)速運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)在很大轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)變速運(yùn)行，而這些損耗均與轉(zhuǎn)速有關(guān)。一般說來，若轉(zhuǎn)速為，則：滑動(dòng)軸承的摩擦損耗正比于。滾動(dòng)軸承的摩擦損耗正比于。通風(fēng)損耗正比于。此外，還有一些雜散損耗的增加等等。3.2.4諧波對(duì)電機(jī)效率的影響以上分別討論了電源諧波產(chǎn)生的附加銅損耗，附加鐵損耗以及附加雜散損的計(jì)算

47、方法?？偟闹C波損耗 (3-32)正弦波電源供電無諧波損耗時(shí)電機(jī)的效率為 (3-33)其中P為電動(dòng)機(jī)的輸出功率，為正弦波電源供電時(shí)電機(jī)的總損耗。當(dāng)考慮到電源諧波的影響時(shí)，電機(jī)的效率則為 ： (3-34)由于電源諧波損耗使電機(jī)效率的降低量為： (3-35)根據(jù)目前己有的資料統(tǒng)計(jì)，逆變器供電的異步電動(dòng)機(jī)，由于電源諧波產(chǎn)生的附加損耗，一般可使電機(jī)的效率降低1%3%。對(duì)于不同容量、不同供電方式和運(yùn)行工況的電機(jī)，效率降低情況是很不相同的。電源諧波對(duì)鐵損耗的影響較小，對(duì)定子銅損耗的影響不顯著，影響最大的是轉(zhuǎn)子銅損耗，該項(xiàng)損耗占電源諧波損耗的70%以上，因此在諧波附加損耗計(jì)算中，轉(zhuǎn)子繞組諧波銅損耗的計(jì)算必須有足夠的精度。3.3 變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)由于交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的輸出特性能較好地適應(yīng)負(fù)載機(jī)械特性，不僅有助于節(jié)能，而且還對(duì)自動(dòng)控制領(lǐng)域的發(fā)展起了極大的促進(jìn)作用。近年來，由于矢量控制等先進(jìn)技術(shù)的出現(xiàn)，異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速特性已可與直流調(diào)速性能相媲美。但是，交流變頻系統(tǒng)性能的改進(jìn)，不僅與控制方法和變頻裝置等有關(guān)，還與所用的電動(dòng)機(jī)有很大關(guān)系。要使系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)與變頻裝置很好的匹配，就必須了解在變頻裝置供電時(shí)異步電動(dòng)機(jī)將面臨的問題。變頻電源供電情況下電動(dòng)機(jī)應(yīng)