（机械制造及其自动化专业论文）普通交流异步电动机变频调速的性能研究.pdf

贵州大学硕士学位论文 摘要 普通交流异步电动机变频调速系统被广泛应用，但是，普通交流异步电动机 都是按恒频、恒压设计的，在频率改变时，电动机的参数和性能都将发生改变。 由于异步电动机本身的非线性性，加上工作频率的改变，使其建模非常困难，因 此，长期以来，在设计普通交流异步电动机变频调速系统时，只是凭借经验确定 一些重要参数。本论文计算分析了在基频以下、以恒压频比方式供电下，变频调 速时普通交流异步电动机启动电流、转矩的变化规律，并提出了根据电动机负载 确定其最佳启动频率范围的方法。然后，以具体的普通交流异步电机变频调速系 统为研究对象，重点测试了变频调速时异步电动机的各项性能数据，并据此提出 了普通交流异步电动机变频调速的最佳调速范围，从而为普通交流异步电动机变 频调速系统的设计提供了重要的理论依据。 关键词：普通交流异步电动机( t m ) 变频调速系统( t p )最佳启动频率( t m ) 最佳调速范围( t m ) 、 u 贵州大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o m m o ni n d u c t i o nm o t o rv a r i a b l ef r e q u e n c ys y s t e mi se x t e n s i v e l y a p p l i e d ，b u tc o m m o ni n d u c t i o nm o t o r sa r ed e s i g n e db yc o n s t a n tf r e q u e n c y a n dc o n s t a n tv o l t a g e ，w h e nt h ef r e q u e n c yc h a n g et h a ti n d u c t i o nm o t o rw o r k s ， t h ep a r a m e t e ra n dp e r f o r m a n c eo fc o m m o ni n d u c t i o nm o t o rw i l lc h a n g e i n d u c t i o nm o t o ri sn o n i i n e a r ，a n dm o r e ，t h ef r e q u e n c yc h a n g et h a ti tr u n s ， w h i c hi n d u c e st h em a t h e m a t i cm o d e lo fi n d u c t i o nm o t o r si sv e r yd i f f i c u l t ， s op e o p l ec o n f i r ms o m ei m p o r t a n tp a r a m e t e r sb ye x p e r i e n c ef o ral o n gt i m e w h e nd e s i g ni n d u c t i o nm o t o rv a r i a b l ef r e q u e n c ys y s t e m w ec a l c u l a t et h e s t a r t u pc u r r e n ta n dt o r q u eo fc o m m o ni n d u c t i o nm o t o rw h e ni tw o r k su n d e r c o n s t a n tvt ofg n di nt h ef r e q u e n c yt e s st h a ni n d u s t r yf r e q u e n c y ，a l s o w ep u tf o r w a r dt h em e t h o dt h a tc o n f i r mt h eo p t i m a ls t a r t u pf r e q u e n c yo f c o m m o ni n d u c t i o nm o t o r sa c c o r d i n gt ot h el o a d a n dt h e n ，w es t u d yag i v e n c o m m o ni n d u c t i o nm o t o rv a r i a b l e f r e q u e n c ys y s t e m a n dt e s t v e r y p e r f o r m a n c e se m p h a t i c a l l y ，a tl a s t ，w ep u tf o r w a r dt h eo p t i m a lt i m i n g r a n g eo fc o m m o ni n d u c t i o nm o t o rv a r i a b l ef r e q u e n c ys y s t e ma n da c c o r d i n g l y p r o v i d ei m p o r t a n tt h e o r e t i cw a r r a n t y k e yw o r d s ：c o m m o ni n d u c t i o nm o t o r ( t m ) v a r i a b l ef r e q u e n c yv a r i a b l e s p e e ds y s t e m ( t p )o p t i m a ls t a r t u pf r e q u e n c y ( t m ) o p t i m a lt i m i n gr a n g e ( t m ) i l l 贵州大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 电气传动技术的发展概况 电气传动是指以各类电动机为动力的传动装置与系统。电气传动系统通常由 电动机、控制装置和信息装置几部分组成“”。电气传动关系到合理地使用电动 机以节约电能和控制机械的运转状态( 位置、速度、加速度等) ，实现电能、机械 能的转换，达到优质、高产、低耗的目的n 0 。 电气传动按照电动机的种类划分，有直流电动机传动、交流电动机传动、步 进电动机传动、伺服电动机传动等。电气传动又可分为不调速和调速两大类，调 速又分为交流调速和直流调速”1 。直流电气传动和交流电气传动在1 9 世纪后期 先后诞生。但在2 0 世纪的大部分年代里，已形成公认的格局：约占电气传动的 8 0 不变速传动系统都采用交流传动，2 0 调速系统一般采用直流调速伸。 虽然直流电机中励磁电流和电枢电流相互独立，比交流电机具有更好的控制性 能，容易得到满意的动静态性能。而与此相反，交流电机虽然机械结构简单，但 它是一个非线性、强耦合、多变量的控制对象，调速控制复杂，实现高精度控制 较为困难。但是随着生产技术的不断发展，直流电机传动的薄弱环节逐步显露出 来：直流电机由于换向器的存在降低了功率重量的比值，限制了电机的容量和 速度，而且直流电机的大部分功率都是通过换向器流入电枢的，转予发热多，效 率低，磨损大，可靠性差。随着2 0 世纪7 0 年代计算机和微处理器技术的迅速发 展，电力电子技术的日新月异，现代控制理论和智能控制理论的成熟，交流电气 传动逐渐占据了主导地位。采用半导体变流技术、大规模集成电路和高速处理器 等实现的交流调速控制系统，加之矢量控制、直接转矩控制及智能控制等先进控 制方法的应用，交流调速控制系统逐步实现了宽的调速范围、高的稳速精度、快 一 的动态响应等良好性能，在调速性能方面可与直流调速系统相媲美n l m 。目前， 从几百瓦的家用电器到几兆瓦的工业调速装置，都可以采用交流调速方案。交流 调速系统由最初的只用于风机、水泵的软启动和开环变频调速等一般应用场合， 扩展到各种高精度、快速响应的高性能指标的电气传动控制领域“1 。目前，电气 贵州大学硕士学位论文 传动系统中新的格局已经形成：交流调速系统上升到主导地位，并将逐步取代直 流调速系统。 1 2 交流异步电动机的调速方式 异步电机的转速公式为： n = n o ( 1 一s ) = 6 0 f ( 1 - s ) p ( 1 - 1 ) 式中，订o 同步转速p 电机的极对数 s 转差率 ，定子供电频率 从转速公式可以看出，异步电动机的调速方法可分为变转差率调速、变极对 数调速和变频调速三种n 9 1 。 ， 1 2 1 变转差率调速 变转差率的调速方法，又可以通过调节转子电阻、定子电压、转差电压等 方法实现。 1 2 1 1 转子回路串电阻或阻抗调速 这种方式只适用于绕线型异步电动机，其原理是：当忽略转子回路电感时， 电机的转差率为嘲 s ，1 2 er d ( 1 2 )s 一r d( 1 2 ) u 2 。 1 2 。一电动机转子额定电流：u 2 。一电动机转子额定电压；r d 一转子回路电阻 据此，当改变转子回路电阻时，便可改变电机转速。其特点是可靠性高、投资少、 维护简单，但是当转速下调时效率随之降低。这种调速方式包括金属电阻调速方 式、液体电阻调速方式、频敏变阻器起动方式。 1 2 1 2 定子调压调速 2 贵州大学硕士学位论文 异步电动机的转矩在一定转差率下，与定子电压平方成正比，改变定子电压 将改变电动机的机械特性，从而实现电动机的调速。定子调压调速是一种比较简 便的调速方式，可以在异步电动机的定子回路中串入饱和电抗器降压、串入电阻 降压或在定子侧加调压变压器等方式来实现调压调速。在电力电子技术高速发展 的今天，可以使用“交流开关”状态的双向晶闸管来实现交流调压调速。定子调 压调速的主要优点是：方法简单，调速平滑，加上闭环控制时能达到理想的调速 精度。其主要缺点是调整范围窄，一般不能低于电动机同步转速的8 0 8 5 ”。， 电动机转子的损耗比较大等。 1 2 1 3 串级调速 在绕线式异步电动机转子回路引入一附加电势，使得电动机转子侧通过交流 装置向电网反馈或从电网吸收转差功率，从而实现电动机转速调节。串级调速可 分为两类：一类是直接使用变频电源；另一类是将不同频率的转子电压经过整流 器整流，变换为与转差成正比的直流，在其直流回路中串入一个极性相反的逆变 器来实现调速。串级调速的主要优点是：可以将滑差能量以电能的形式回馈至电 网，在整个调速范围内系统总效率较高，可达9 0 d a 上”。；调速平滑；装置容量 与速度调节范围成正比，当要求调速范围不大时，所需外加电源容量小，设备费 用较低；可靠性较高，即使附加电源出了问题，系统可甩掉附加电源，切换至转 子短接状态下运行。串极调速的主要缺点是：功率因数低，可能要低于0 6 ；晶 体管串级调速装置有谐波危害：当电网电压瞬时大幅度降低时，串级调速装置有 可能停止运行：最大力矩降低约1 7 左右。，电气制动的特性不够理想，线路相 对较复杂等。 1 2 2 变极调速 变极调速方式就是电动机的同一套绕组经控制设备把各线圈的接法进行变 换，改变电动机的极对数来改变电动机同步转速的调速方式。这是一种不连续的 调速方式，适用于极对数可以改变的多速鼠笼型异步电动机。从电机构造上看， 定子绕组有单绕组和多绕组两种，一半多为单绕组，单绕组变极电机不仅出线少， 用铜省，而且可以实现双速、三倍及倍极比、非倍极比的变极调速。变极调速是 贵州大学硕士学位论文 一种传统的调速方式，广泛应用于机床等机械的调速，变极调速的主要优点是： 无跗加转差损耗，电气传动效率高，控制线路简单，设备费用低。其主要缺点是： 不能连续调节转速嘲4 “。 1 2 3 变频调速 改变异步电动机定子的电源频率，就可以改变同步转速，从而改变电动机的 转速，这种调速方式能达到无级调速，主要用于鼠笼型异步电动机，如风机、水 泵、压风机及空调等。变频调速的主要优点：起动电流小，在异步电动机的各种 调速装置中变频调速效率最高。特别是半导体变频装置更具有设备体积小、可靠 性高、调速精度高、特性硬、省电的特点 在交流电动机的以上调速方式中，变频调速因其突出的性能，应用最为广泛， 同时也是电动机调速技术最为活跃的研究领域。随着电力电子技术和控制理论的 不断发展和完善，变频调速的技术性能不断提升，变频调速技术已成为我国企业 节约能源、提高生产过程自动化、提高产品质量和改造传统产业的主要技术手段 之一。 1 3 普通交流异步电动机变频调速调速范围的问题 当频率改变时，会对交流异步电动机产生系列的影响：损耗增加，效率下 降：在工频以下，以恒转矩方式调速时，交流异步电动机的过载能力将会下降； 在低频时交流异步电动机的散热能力变坏，交流异步电动机温度会过高等。由于 交流异步电动机本身就是一个非线性、强耦合、多变量的对象，且更为严重的是， 由于工作频率、温度和饱和效应的影响，定转子电阻、电感等参数在不同工况下 变化明显。例如在某些情况下，转子的电阻值会比其标称值增加一倍以上1 4 1 7 3 n 8 3 。因而其建模非常困难，要从理论上准确的计算出交流异步电动机在不同频 率和负载下的效率、温升，功率因数和临界转矩是十分困难的。所以，长期以来， 在设计变频调速系统时，人们只是凭借经验来确定普通交流异步电动机变频调速 的调速范围，而没有充分的理论依据呦1 1 “。 4 贵州大学硕士学位论文 1 4 论文的目的与任务 本文以普通交流异步电机和变频器组成的调速系统为研究测试对象，计算 分析在基频以下及恒压频比方式供电下，频率改变时普通交流异步电动机的启动 电流、转矩和其运行性能的变化情况，并重点研究了交流异步电动机在不同频率 下的运行性能；通过电动机测试平台，定量的测试出交流异步电动机在频率改变 时的各项性能数据，并与理论计算的结果进行比较分析，在此基础上提出普通交 流异步电动机变频调速的最佳调速范围，使电动机高效、长寿命运行，并为交流 异步电动机变频调速系统的设计提供确定参数的依据。 5 贵州大学硕士学位论文 第二章变频调速技术及其应用 2 1 变频调速技术的意义与应用 根据资料显示，各类电动机所耗电能占全部工业用电的6 0 以上，其中美 国、法国等发达国家的比重超过三分之二，在我国的几个主要电网中电动机所耗 电能的比重也在6 5 左右“。在一般的中小型工厂中，工作运行的三相异步电 动机大约在数十台到数百台之间，而在大型工厂中往往有数千台电动机在运行。 所以提高电机的工作效率，采用节能技术是其经济运行的有效途径。因此世界各 国都在研制并推广各类节能技术与设备以促进电动机的经济运行。相关数据表 明，我国各类工矿企业中风机、水泵类机械设备每年的耗电量约占全国总发电量 的三分之一左右，而变负荷运行的又占了其中的7 0 。又有实际资料显示，家 用空调、楼房供水系统、企业的各类电机在大多数情况下只有6 0 负载n ”出1 ， 因此，若采用变频调速技术，风机、水泵类电机的节能调速的潜力将非常大，每 年可以节电几百亿度。在众多调速技术中，交流变频调速技术是各类工业设各高 效率运行，节能降耗的有效手段。 2 2 异步电动机的变频变压调速( v v v f ) 在异步电动机的调速系统中，变压变频调速系统( v a r i a b l ev o l t a g e v a r i a b l ef r e q u e n c ys y s t e m ) 是控制性能最好，效率最高的系统“。异步电动 p 机中，转子转速低于气隙旋转磁场的旋转速度即同步转速，故在转子回路中，将 产生转差电动势，该电动势产生转子电流，转子电流与旋转磁场相互作用产生电 磁转矩。异步电动机定子每相绕组感应电动势有效值公式为”1 ： e i = 4 4 4 ，1 n 1 k nm 。( 2 - - 1 ) 式中，e 1 气隙磁通在定子每相绕组感应电动势的有效值( v ) ； ，1 定子供电频率( h z ) ；n 1 定子每相绕组串联匝数 五基波绕组系数；m 。每极气隙磁通量( w b ) 。 6 贵州大学硕士学位论文 因此，当电机结构参数确定时，则根据公式( 2 - 1 ) 得： o c ( 2 q ) 另外，电机的电磁转矩为： l = c r 垂。，2 c o s 妒2 ( 2 3 ) c r 与电动机有关的常数 c o s 2 转子每相电路功率因数 妒2 转子电压与电流的相位差 凡电机的电磁转矩 由式( 2 2 ) 推断，5 若：e 1 不变，当定子电源频率，1 增加，将引起气隙磁通垂。 减小：而由式( 2 3 ) 可知，西。减小又引起电动机电磁转矩丁。减小，这就出现 了频率增加，而负载能力下降的情况。在e 1 不变时，而定子电源频率，l 减小， 又将引起m 。增加，中。增加将导致磁路饱和，励磁电流升高，从而导致电动机 发热，严重时会因绕组过热而损坏电动机。由以上情况可知：变频调速时，必须 使气隙磁通不变。因此，在调节频率的同时，必须对定子电压进行协调控制，但 控制方式随运行频率在基频以下和基频以上而不同。 2 2 i 基频以下调速 由式( 2 一1 ) 可知，要保持不变，当频率，1 从额定值，向下调节时， 必须同时降低e 1 ，使一 彤1 = 常值 即采用恒定的电动势频率比的控制方式。但是，绕组中的感应电动势是内部量， 难以直接量测控制。根据异步电动机定子电压方程式嗍 u 1 = e l + 1 1 4 2 1 ( 2 - - 4 ) 7 贵州大学硕士学位论文 ，1 一定子电流z l 一定子阻抗 当运行频率较高，电动势较大时，可以忽略定子绕组漏阻抗压降1 18 2 1 ， 得e 1 一u 1 ，此时为恒压频比控制方式，即： 1 = 常值 这种调速方式在频率较高时，可以保持最大转矩不变，属于“恒转矩调速” 方式。在低频时，e 1 较小，定子压降的影响不能忽略，如果不提高u 1 加以补偿， 形。将会减小，从而使m 。减小。因此，常采用带低频定子电阻降压补偿的恒 压频比控制。 2 2 2 基频以上调速 在基频以上调速时，频率可以从额定频率，1 向上增高，但是电压却不能超 过额定电压u ，由式( 2 1 ) 可知，这将迫使磁通与频率成反比降低。在这种 调速方式下，转速升高时转矩降低，属于“恒功率调速”方式。以上的调速方式 相应的特性曲线如图( 2 1 ) 所示。 图( 2 - 1 ) 8 贵州大学硕士学位论文 注：图中曲线1 一在低频时没有定子降压补偿的压频曲线和主磁通曲线 图中曲线2 一在低频时有定子降压补偿的压频曲线和主磁通曲线 2 3 变频器的基本结构与s p w m 变频器的原理 2 3 1 变频器的基本结构 变频器的主要任务就是把恒压恒频( c o n s t a n tv o l t a g ec o n s t a n tf r e q u e n c y ， c v c f ) 的交流电转换成变压变频( v a r i a b l ev o l t a g ev a r i a b l ef r e q u e n c y ，v w f ) 的交流电，以满足交流电动机变频调速的需要。从结构上分，变频器可以分为交一 交变频器( 直接变频器) 和交一直一交变频器( 间接变频器) “1 。交一交变频器是 将恒压恒频的交流电一次变换成调压调频的交流电，它由三组可逆整流器组成， 当输入信号是一组频率和幅值均可调的三相正弦信号时，则变频器输出三相交流 电，在这种变频器供电下，电动机的输出转矩脉动小、损耗小，但是其最高输出 频率有限。交一直一交变频器是将恒压恒频的交流电通过整流电路变换成直流，然 后再经逆变器将直流变换成调压调频的交流电。这种变频器虽然多了一个中间直 流环节，但输出交流电的频率可高于电网频率。这种控制方式中，调压与调频分 别在两个环节上进行，现在普遍采用不可控整流器整流，用p w m 逆变器同时调压 调频的交一直一交变频器“”。其基本结构如图( 2 2 ) 所示： a c b c i l c ( 2 - 2 ) 交一直一交变频器的基本结构 2 3 2s p w m 变频器的原理 p w m 逆变器可以分为变幅和恒幅两种方式。目前工业上广泛采用恒幅p w m 逆 9 贵州大学硕士学位论文 变器，主要是通过对逆变电路的开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列 幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲代替正弦波或其它波形。它的优点是 主回路简单，而且可以直接地控制本身输出电压的大小、频率，使其调节速度快， 系统的动态性能好。图( 2 3 ) 为三相桥式逆变器主电路图，他由6 只大功率晶 体管v t i v t 6 ( 或其它快速功率开关器件) 和快速续留二极管v d l v d 6 组成。 这是一种交一直一交电压型逆变器，整流器是二级管组成的桥式电路，输出恒定 不变的直流电压，中间环节为电容滤波，通过调节逆变桥输出电压脉冲的宽度和 频率，实现调压调频的目的。逆变桥输出电压脉冲的宽度和频率的调节，是通过 各晶体管的基极驱动信号控制各晶体管的通断而实现的。 一r _-_一 一i v t v - v t 5 1i21 + 杰孓态 二 一 u d 2 j v d l r _ jv d 3 j v d 5 l q 、 ， + 一 l_一 二iv t 4 ， 太v t 掣去v 态 lzzl 一i u d zi u v d 6i- jv d 2 p 。v d 4 图( 2 3 ) 三相桥式逆变器主电路原理图 为了得到p w m 波形，采用基准波信号与载波信号相比较的方法。高频对称 的载波信号h c 与具有要求输出频率同步的基准波u r 比较，两个波形的交点决 定半导体器件的开关状态。在控制回路中，采用三角形载波信号u c 和正弦波的 参考信号o r 相比较，在u c 和u r 的交点处发出调制信号，去驱动图( 2 - 3 ) 所 示逆变器主回路的各晶体管的基极的方法称为正弦波脉宽调制法( s p w m ) 。其波 形生成如图( 2 - 4 ) 所示。 1 0 贵州大学硕士学位论文 ( q ) ( b ) i 妒阿 uc n 七 6 。r ， 粼。 。 ”撇 图( 卜4 ) 部分的s p w m 波形 从图中可以看出，当改变参数信号的幅值时，相电位脉冲的脉宽随之改变，从 而改变了主回路基波相电压的大小。当改变参考信号u r 的频率时，输出电压的 频率随之改变。如果同时改变参考电压的幅值和频率，就可以实现变频调速系统 【7 形：常数的调速要求。这种调制方式的特点是在半个周期内，脉冲间中心线 ，1 等距，脉冲等幅调宽，各脉冲面积之和与正弦波下的面积成比例。 贵州大学硕士学位论文 第三章普通交流异步电动机变频调速的启动性能 3 1 普通交流异步电动机的t 形等效电路 根据电机学原理，在下列假定条件下： a 忽略空间和时间谐波，各绕组的自感和互感都是线性的； ，b 忽略磁饱和： c 忽略铁损； 可以得到电动机的t 形等效电路图，由于交流异步电动机三相对称，所以 现只取a 相进行计算分析。a 相的t 形等效电路如下图所示嘲： rx 。x 0 尺： 图( 3 1 ) 电动机的t 形等效电路图 各符号表泰的参数如下： 1 一s 丁r z d 1 定子端所加电压，即电网电压。 r 1 定子每相电阻 x 1 。定子每相电抗 j 1 定子每相电流 j 。定子每相的激磁电流 r m 激磁电阻 x 。激磁电抗 e 1 定子每相感应电动势 x j 。一转子每相的归算电抗 r j 一转子每相的归算电阻 贵州大学硕士学位论文 转子每相的归算电流s 电机转差率 在转子电阻归算后，分成了两相，第一相r 2 就是转子本身的电阻，第二相 1 一s， 1 _ r ：将代表与转子所产生的机械功率相对应的等效电阻。 3 2 交流异步电动机的启动转矩 3 2 1 交流异步电动机的转矩方程 由等效电路可知 驴嚣f 警 c s 一， q s 旋转磁场的同步角速度 扎电磁转矩 m 1 电机相数 由电动机等效电路图可计算出，j 为 ，2 = 一 ( 3 2 ) c 黜c = 怍1 1 + 舟1 + 每枞。q 妇籽 电流大小为 一叫 一 一 一卟 一、兰陋 贵州大学硕士学位论文 = 蚓= ；f 丛 卜“+ c 誓1 1 2 = 将式( 3 3 ) 带入式( 3 1 ) l = 翌 ( 3 3 ) r 2 s ”堕堕 仔。， ( 舭c 肾( x 。+ c x ：。 耻丛堕 净。， 2 5 ( - z ，+ c 譬) + ( x - 。+ c j j ：。) 2 其中，2 2 z 厂1 ，x 1 。= 叻，1 = 2 z f a l l ，x ；。= 幼l ：= 2 x f l 工：， l 1 为定子在额定状态下的电感，：为转子在额定状态下的定子侧归算电感。则 输出转矩又可记为： 1 4 贵州大学硕士学位论文 耻嚣一( 3 - 6 ) 对于普通交流异步电动机，一般有z ，。二 x 。嘲，所以有 v c 一1 + ! 坦。1 、 ( 3 7 ) x 。 ， 将( 3 7 ) ，以及变频器的压频函数代入( 3 6 ) 得： 7 1 。璺堕 h h f 。 其中u 。为转矩提升电压 u 。电动机额定电压 3 2 2 交流异步电动机的启动转矩 ( 3 8 ) 当电动机刚开始启动时，转字速度很小，所以s 。1 ，将其代入式( 3 8 ) 有 t 。=( 3 9 ) 现在令 r 2 r 1 + r 2x = x 1 。+ x j 。= 2 x 5 0 x z x ( l 1 + l d c ，= 5 0 2 警 饥 将它们代入式( 3 9 ) 有啪1 七= 紫 贵州大学硕士学位论文 ， 耻瓦p r o 硒( u o + k f l ) 2 r 2 = 警端2 t s t2型! - 型2 5 0 2 ，l r 2 + ，；z 2 r 3 一a o ) 3 2 3 电动机启动转矩随频率的变化函数 首先讨论u o = 0 时启动转矩的变化情况，把u o = 0 代入式( 3 1 0 ) 得， t “0 = 此时，嚣 a 厂， 兰也i 5 爵fl r 2 + 3 l x 2 ( 3 - 1 1 ) 两0 t s t = 一丽k 硝2 c 1 。r “ 2 x 彳2 ：尸i ( 圹，3 了5 0 2 r 2 ，) a ，1 ( 5 0 2 尺2 ，。+ ，江2 fi z 2 门j 所以有 ：一竺型! i ：垩) 舷4 ( 5 护i r 2 卅2 贵州大学硕士学位论文 堕：竺坐：垩) 仔 o f 1 ( 5 0 2 歹r 2 纠2 现在令嚣- o 有， 螳：。仔m x 2 ( 5 驴要卅 职 ；一警矗褊 f 5 0r 7 ，2 1 r 瓠 0 ；r 2 。；固只要有 贝j j0 i s t 0 ，现设函数 a 厂1 一研v o ( x 尺、1 2 ，l + 学 。 y = 一j v 。o ：i ( x r 3 2 ，+ u 百。- - u o ( 3 2 9 ) 为一线性函数，? 率七= 一j v 。o ：i ( x 尺、1 2 ，现，= 。，得到在纵轴上的截距y 。 y 。2 学( 3 - 3 0 ) 再令y2 0 ，得到在横轴上的截距，。现在分别讨论转矩提升电压和簧对式 ( 3 3 1 ) 函数图形的影响。 小警谢 净3 1 ) ( 1 ) 当转矩提升电压u o 增大时，) ，o 和，o 将减小，忙i 的值将增大，如图( 3 3 所示： j ! 巡查堂堡主兰垡笙壅 刚。嘞舯，也r 1 薏r m ， 0 时，则有： + 1 + 挈仔3 3 ， 解式( 3 - 3 3 ) 得， x 2 9 1 5 ( 3 - 3 4 ) r 由此可知，在o u o 4 。，。 ，1 5 0 , 并且电动机的参数满足墨r 2 9 1 5 的冬件下，函数y 的值将始终大于零，所以旦也将大于零，这说明在该条件 af 1 下，在零频至工频范围内，启动电流，二为启动频率，1 的增函数。 现将y 1 0 0 l 1 4 电动机参数代入式( 3 2 9 ) ，并将u 。为0 ，5 v ，i o v ，1 5 v ，2 0 v ，3 0 v 贵州大学硕士学位论文 分别代入其中，并绘出其函数图，如图( 3 5 ) 所示：从图中可以看出，由于 y 1 0 0 l i - 4 电动机的鲁= 丽9 5 0 3 = 1 7 4 5j2 1 5 ，所以在工频范眠启动 电流是启动频率的单调递增函数，在不同的u o 下，启动电流随启动频率的变化 规律趋势基本相同，但是，随着u o 的增大，在相同启动频率下启动电流会有所 增大州。 图( 3 5 ) 图中曲线1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 对应的u o 分别为3 0 v ，2 0 v ，1 5 v ，1 0 v ，5 v ，0 3 4 交流异步电动机起动频率范围的确定 为了优化变频调速系统，获得良好的启动加速性能，有必要确定正确的初始 起动频率范围变频器实现电动机的软启动具有两个约束条件咖1 ( 1 ) 启动转矩应该足够的大。 ( 2 ) 启动电流尽量的小，不能高于变频器功率开关的动作电流。 根据启动转矩与启动电流相对于转矩提升电压和启动频率的变化规律，启动频 贵州大学硕士学位论文 率范围应为同时满足电动机启动转矩要求和变频器对启动电流要求的启动频率 范围矧。即： ( 1 ) 从肩动转矩与负载转矩的比值对于启动频率的曲线中找出数值大于 1 2 的频率范围。 ( 2 )从启动电流与额定电流之比值对应于启动频率的曲线中画出数值小于 1 5 的频率范围。 ( 3 )求出以上两部分的公共部分，既是所求的启动频率范围。 现以y i o o l l 4 ，u o = 0 时为例，来说明如何确定启动频率范围。若在特定工 况下y i o o l l 4 电机的启动负载为4 ( 1 1 m ) ，则启动转矩应该大于4 1 2 = 4 8 ( n m ) ，y i o o l l 4 电机的额定电流为5 0 ( a ) ，其启动电流应该小于1 5 x 5 = 7 5 ( a ) 则从电动机的启动转矩特性曲线和启动电流特性曲线中可以找出启动 转矩大于4 8 ( n ) 和启动e g b , 蔬4 、于7 5 ( a ) 的频率范围”，两者的交集即为启动 频率的范围。如图( 3 - 6 ) 所示，从图中可以看出，、电动机的最佳启动频率范围 为7 1 0 ( h z ) 。 t 图( 3 书)注： 动电流曲线2 一启动转矩曲 2 8 贵州大学硕士学位论文 第四章普通交流异步电动机变频调速的最佳调速范围 4 1 变频调速对普通交流异步电动机的影响 普通交流算参电动机囊频谪速春统是由普通交流异步电动机和变频器组成 的调速系统。变频调速与传统酌调压调速方法有本质的不同，变频调速是通过改 变定子供电频率，1 ，从而改变旋转磁场的同步转速以调节电动机的转速，同时， 为了保持主磁通不变，需要调节电源电压，使电压和频率比保持不变。但是，普 通交流异步电动机都是按恒频、恒压设计的，这就决定了它不能完全适应变频调 速的要求嘶3 。因而，在变频调速时，电动机的性能会受到一定的影响，其调速 的范围也将受到限制。 普通交流异步电动机通过变频器提供电源，因而其运行状态和性能都与变频 器提供的电源质量紧密相关。由于变频器开关元件的非线性工作特性，使得其输 出含有高次谐波，而商次谐波将引起电动机损耗的增加，主要表现在定子铜耗、 转子铜耗、铁耗及附加损耗的增加啪1 。其中影响最为显著的是转子铜耗。因为， 异步电动机是以接近于基波频率的转速旋转的，因而，对高次谐波电压来说，电机 总是以转差接近1 的状态旋转，所以转子铜耗非常大，而且在这种状态下还必须 考虑由于集肤效应所产生的实际阻抗增加而引起的铜耗，在普通异步电动机中， 为了改善起动性能设计了集肤效庆显著的转子槽形，在这时，转子铜耗的增加就 更大口3 3 。所以高次谐波引起的电动机损耗的增加将使电动机效率下降，温升增 加。 当电动熟在低频运行时，电雁随频率而下降，将使电动机的最大输1 t i 转矩变 小，过载能轰睡低，电动机的机械特性变的很软。同时对于在设计时不考虑低速 运符性能的普通菱流异步电动机，在电源频率较低时其阻抗的分配不尽理想，由 电源年的高次谐波所增加的损耗就会产生更显著的影响啪1 。而且普通异步电动 机自带凤机的冷却方式在转速降低时冷却风量与转速成比例地减少，损耗增加而 散热黪为变差，这也将使电动机的低速温升急剧增加，使之在低频下的性能变坏， 使用的寿命缩短。 贵州大学硕士学位论文 由于交流异步电动机本身就是一个非线性、强耦合、多变量的对象，同时受 温度和频率改变、磁路饱和效应以及电源高次谐波的影响，定转子电阻、电感等 参数在不同工况下变化明显，且不宜确定，因而其建模非常困难，要从理论上准 确的计算出电动机在不向频率和负载1 卞：的各种损耗，效率以及功率因数和临界转 矩也是十分困难的。所以，长期以来，在设计变频调速系统时，人们只是凭借经 验来确定普通交流异步电动机变频调速的调速范围，而没有充分的理论依据。 交流异步电动机变频调速范围的确定，主要依据是电动机在不同频率下的机 械特性，以及电动机的效率和功率因数：由于变频器供电下，电动机的参数很难 确定，所以我们想绕开负杂的理论计算，而利用理想化的t 型等效电路，推导出 电动机理想的机械特性，然后通过对变频调速系统的实际测试，得到电机实际的 机械特性和各项性能数据，并进行比较分析，为交流异步电动机变频调速系统的 设计提供理论依据，并根据电机的各项性能，得出普通交流异步电动机变频调速 的最佳调速范围。 4 2 基频以下电压、频率协调控制时的理论机械特性 交流异步电动机的同步转速为， 胪盟 ( 4 一1 ) 以0 。 11 ， p 当电机带负载时，电机的转速将会下降，转差率将会增大，转速降落为 a n ：跏。；6 0 s f 1 ( 4 2 ) 2 跏。2 了h 卅 由式( 3 - - 9 ) ，电动机在电压、频率协调控制卞的转矩方程为： 瓦2 磊赢矗瓮靠两( 4 - 3 )1 。2 万，。( sr 1 + r ：尸+ ( 2 玎s ，。) z ( 己。+ l ：) z 在s 很小的猎况卞，将上式展开，并忽略带有s 2 的项，可以得到： ( 4 4 ) l 砖 r 一+蛊 一卫堕埘 咖 贵