四极变频电机设计正文终稿毕业论文.doc

毕业设计说明书题 目： 4极变频电动机设计 目 录摘要： IAbstractII第1章 绪论11.1 交流调速系统的优点11.2 变频电机基本原理11.3 变频调速技术发展及应用21.4 变频电机发展前景及意义3第2章 变频调速系统的原理分析52.1 变频调速的原理52.2变频器的基本结构52.3 变频器的控制方式7第3章 变频调速异步电动机的特点93.1变频器供电下交流电动机所面临的问题103.2变频电机的谐波分析与影响113.2.1气隙磁势谐波113.2.2 谐波性能153.3变频调速异步电动机的电磁设计特点203.3.1变频电动机电磁设计的一般特点213.3.2变频调速异步电动机的电磁设计特殊考虑29第4章 变频电机结构和电磁参数计算324.1额定数据和主要尺寸324.2参数计算394.3工作性能计算444.4工作性能计算454.5起动性能计算48第5章 电机发热与冷却概述51结束语53参 考 文 献54附录554极变频电动机设计摘要： 变频电机随着电力电子技术、微电子技术的快速发展而快速发展，并且采用“专用频感应电机十变频器”的交流调速方式，正以其卓越的性能、可靠性和经济性，在调领域中引导了一场取代传统调速方式的变革。本文主要介绍了变频调速系统的基本概况和发展趋势；变频电机的调速原理及其应用，同时也对变频器的工作原理及其控制策略和调控方式做了分析；变频器供电交流电机的设计特点；对变频电机定转子进行设计，同时考虑变频调速过程中输入电压电流多为非正弦波形中，含有大量的高次谐波，故在设计过程中，必须减小定转子的电阻，来降低定转子铜损耗，以弥补高次谐波带来的定转子杂散损耗，因此应在设计过程中对于定转子的电阻有关的电机尺寸，给予重点考虑。另外还要考虑电机定转子槽配合，槽型等变化产生的谐波磁场加深磁路饱和，必须把气隙宽度适当放宽，同时考虑高次谐波会加深磁路饱和，故变频电机主磁路一般设计成不饱和状态，同时为了提高电机在低频低速运行输出转矩，要适当提高变频器的输出电压。本课题设计过程中，应用了计算公式、经验公式，本文中是以YGP200L-4 15KW电机为例进行电磁设计；最后进行设计分析。本课题变频电机设计完成后，必须对温升计算和通风设计进行考虑，受到输入电源的非正弦波形影响，通过增加电感对高次谐波抑制后，变频电机的温升比普通异步电机的温升高10到20%，因此变频电机通风采用强制通风的形式，对电机温升做定性分析，并选用最优的风路设计。关键词：变频电机、变频器、谐波、电磁设计及分析Design of 6 frequency conversion electrical machineryAbstract: With the development of science and technology, the latest technology have been used to design about motor product . digitization , information technology, networking is a growing impact on our lives, also affected the design of the motor technology and change.The application of variablefrequency motor is increasing rapidly broadThe capacity of single machine is graduany raisedThis text introduce frequency conversion transfer speed systematic overview and development trend , frequency conversion electrical machinery transfer speed principle and his application mainly; Brief introduction of the frequency converter; Frequency converter supply power design characteristic to exchange electrical machinery; Then take YGP200L-4 15kw electrical machinery as an example to design electromagnetically; Design analysing finally.This toPie frequeney conversion motor，it is neeessary to designture aftercompletion of caleulation and the ventilation design by considering the input Power of a nonsinusoidal wave effects，of high times by increasing the inductance after hartem Petatu-re，frequeney eonversion motor than general asynchlonous motor tenlperatureinereases10%-20%，therefore frequeney eonversion motor by the form of ventilation foreedventilation，temperature of the motor qualitative analysis is done，and select the optimaldesign of the wind path. Frequeney conversion motor design parameters，the exehange aftersPeed system is modeled，and the speed of eonstant pressure frequeney open loop thansPeed-adjusting system simulation，will integrate simulation eurve，and the simulation resultsare analyzed.Keyword: Electrical machinery of frequency conversion , frequency converter , wave in harmony , designing and analysing electromagnetically第1章 绪论三相异步电动机结构简单,运行可靠，使用方便，因此长期以来人们对交流无级调速一直保持着极大兴趣。近年来随着电力电子技术的飞速发展为交流电动机变频调速开辟了广阔的前景。目前世界发达国家也普遍采用了SPWM正弦脉宽调制技术来调节电动机的电源电压和频率，从而出现了有交流变频电动机与SPWM装置共同组成的新型变频调速系统，并广泛运用于恒转矩调速和驱动水泵，风机等场合。由于交流变频调速系统的输出特性能较好的适应负载机械性能特性，不仅有助于节能，而且对自动控制领域的发展起了很大的促进作用。由于矢量控制等先进控制技术的出现，异步电动机的变频调速特性亦可与直流调速性能相媲美。但是，交流变频系统性能的改进，不仅与控制方法和变频装置有关，还与所选用的电动机有很大的关系。1.1 交流调速系统的优点电力拖动系统分为恒速拖动系统和调速拖动系统。调速拖动系统又可分为直流调速系统和交流调速系统。随着电力电子技术的发展，近年来交流调速获得飞跃的发展，采用交流电机拖动方式逐步占据了主要地位。交流调速具有下面几个优点:(1)交流电机特别是笼型异步电动机的价格远低于直流电动机。(2)交流电机不易出现故障，维修简单。(3)使用场合没有限制。(4)电机的单机容量远大于直流电机。随着交流调速的发展，交流调速性能已可与直流调速系统技术相媲美，已有取代直流调速系统的趋势，从而进入交流调速系统时代。变频电机随着电力电子技术、微电子技术的快速发展，变频电机采用“专用变频感应电机+变频器”的交流调速方式，正在以其卓越的性能、可靠性和经济性，在调速领域中引导了一场取代传统调速方式的的变革。1.2 变频电机基本原理变频调速电机是一种变更供电频率，达到电机调速的目的，它依据的原理（公式）：n=60f/p 由上述公式看出，当电机极数（p）一定时，频率变更，电机每分钟转速（n）必然变更（成正比）， 通过变频器一般频率变更在10-60HZ（赫兹）之间，但也可延伸至5-100HZ。 变频电机必须与变频器配合使用。目前国际上普遍采用变频调速，因为变频调速有以下优点： (1)效率高、节能显著； (2)调速平滑能在5-100HZ范围内无级调速。 (3)低频起动时力矩参负载冲击小； (4)起动电流小，不用附加起动设备； (5)体积小、重量轻、安装尺寸和Y系列相同； (6)在风罩内装有轴流风机，在各种转速下，均有良好的冷却效果； (7)应用范围广，在50HZ以下可作恒转矩运行，在50HZ以上作恒功率运行； (8)较电磁调速电机结构简单，使用可靠，维修方便。1.3 变频调速技术发展及应用电机变频调速技术是电子技术在电力拖动上的应用。它不仅安全可靠,而且还达到了提高工作效率,提高产品质量,节约电能30%以上的综合经济效益。特别是上世纪80年代以来,该项技术发展更为迅速,应用更为广泛。纵观电力传动的发展过程,交、直流两种传动方式共存于各个生产领域,随着工业技术的发展,它们相互竞争,相互促进。过去,由于直流调速系统的性能指标优于交流调速系统,因此直流调速系统一直在调速领域内居首位。但由于直流电动机具有机械整流器和电刷,因而存在着维护保养工作量大、电动机安装环境受到限制和难以向大容量、高转速及高电压方向发展等缺点。随着电子技术和自动控制技术的迅速发展以及各种高性能电力电子元器件产品的出现,历来阻碍交流调速技术发展的一些因素相继被克服,原直流调速系统领先的一些技术性能,如宽广的调速范围、较高的稳速精度、快速的动态响应和四象限运行等方面,都能与直流调速系统相媲美。又由于交流电动机本身具有结构简单、坚固耐用、运行可靠和惯性小等优点,还适用于直流调速无法比拟的场合,如化纤纺丝机等高精度、高速化的生产机械,泵、空压机和电梯等无齿轮化的生产机械以及冶金等大容量的生产机械。因此,交流调速在电气传动领域中越来越占有重要的地位,它已成为机电一体化的电气传动技术。目前,交流调速技术在节能方面已获得了广泛的应用,把一些原有的恒速交流电力传动系统改造成为转速可调的交流调速系统,可以取得明显的节电效果。因此,交流调速已成为节能方面的一项关键技术,它在工业中的应用将有广阔的前景。当前,国际上应用电力电子技术的交流调速已经成熟(上世纪70年代基本普及),由于它比直流调速有着较大的优越性,目前正普及至工业的各个领域,大功率的有如日本安川38MW、富士0.03720MW、美国EMERSOMAS510047973kW、罗斯希尔(ROSSHILL)0.31.5MW、德国AEG公司CC/CSI6MW、西门子公司SIMOVERTS2.516MW。如我国冶金工业从上世纪80年代后半期起陆续引进10台用于大型扎钢机主传动的交流调速系统以及大容量风机的调速和启动装置,在生产中运行良好,性能优越节电效果显著。同时国内也研制了各类型交流调速装置。如冶金自动化开发交流调速技术十多年,1993年正式投入生产的包钢扎梁厂的2.5MW同步电机交变频调速系统是国内自行制造的容量最大的一套,并在此基础上为天津中板厂开发容量为5MW的数字控制的变频调速系统。在其它各企业中还有许多不同型式、容量的交流调速设备投入运行。在众多的调速技术中,变频调速之所以在能源危机中应运而生,是因为它能根据电机负载的变化实现自动、平滑的增速和减速,从而大幅度的提高其工作效率。尤其是用于风机和水泵,节电率在40%左右。目前已广泛用于国民经济的各个领域,在众多产品的生产中,除节约用电外,还能明显提高产品质量及运行安全性。1.4 变频电机发展前景及意义变频电机与逆变器作为一个整体，随着电力电子技术、计算机和控制技术的迅速发展而发展，其发展前景为:(1)系统化。即为电力电子元件、电机及控制技术一体化。国外主要变频电机生产公司早己迅速摆脱了单一电机生产制造模式，而大大扩展了电机的外延和内涵，以成套调速系统的机电产品形式走向市场。(2)集成化和智能化。电机的高新技术附加含量越来越多。调速系统中不仅仅包含变频电机，而且内含电力电子元器件及各种控制线路，使得电力电子、电动机、控制不仅在运行上形成一体，在外观上亦融为一体，具有相当高的“智慧”称之为“SmartMotor”(智慧电机)。(3)高性能和可靠性。由于变频电机及控制系统制造成本远远低于其运行成本，所以高性能及高可靠性成为衡量变频电机及其调速系统优劣的首要标准。高效率、高功率因子、宽频调速范围及高故障容错能力成为现代交流调速系统的重要标志。(4)新材料、新结构不断拓新。变频电机中的导电、导磁及绝缘材料已有了很大的变化。高性能材料的成本价格不断下降，使得变频电机的性价比不断下降，同时，电力电子元器件材料亦不断更新，为变频电机的控制提供了先决的物质条件。(5)通用性和互换性。变频电机通用性非常好，安装尺寸符合IEC标准，与一般标准型电机具备可互换性。值得注意的是:正是在与电力电子逆变器和控制技术有机地结合起来，传统电机产品才真正得以改造和更新，形成新一代高新技术产品，使之获得高性能、高可靠性、高质量，同时节约能源和原材料，降低消耗和污染，从而适应现代化市场的需要，增强变频交速系统的市场竞争能力和占有率。尤其铁路电气化时代，针对变频牵引电机的电磁设计技术还不是很完善。近年来我国不断引进、吸收国外先进的交流传动技术，自主创新的同时，不断要求高效、完善的电磁设计方案，以适应中国全新的高速列车时代。在这样的背景下，选择课题具备很强的现实意义。第2章 变频调速系统的原理分析2.1变频调速的原理在上一章中，我们知道交流电动机的同步转速表达式为：n60 f(1s)/p (2-1)由式可知，转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在050Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。与传统的交流施动系统相比，利用变频器对交流电动机进行调速控制的交流施动系统有节能、容易实现对现有电动机的调速控制、可实现大范围内的高效连续调速控制、容易实现电动机的正反转切换、可进行高额度的起停运转、可进行电气制动、可适应各种工作环境可以用一台变频器对多台电动机进行调速控制等诸多优点。变频电机的变频调速电路如图2-1所示:2.2变频器的基本结构变频器是异步电动机变频调速系统中的关键设备。变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。变频装置有多种类型，常用的有交流-直流-交流和交流-交流两类，现以使用较广泛的交-直-交变频器为例，它首先是将交流电变为直流电，然后用电子元件对直流电进行开关变为交流电，一般功率较大的变频器用可控硅并设一个可调频率的装置，使频率在一定范围内可调用来控制电机的转数，使转数在一定的范围内可调。变频器的构成如图2-1所示，一般分为整流电路、平波电路、控制电路、逆变电路等几大部分。 变频器 DCAC AC电机AC电源逆变器整流器控制电路图2-1 变频电机控制原理图1.整流器 电网侧的变流器1是整流器，它的作用是把三相交流整流成直流电。2.逆变器 负载侧的变流器2为逆变器。最常见的结构形式是利用六个半导体主开关器件组成的三相桥式逆变器电路。有规律地控制逆变器中主开关器件的通与断，可以得到任意频率的三相交流输出。3.中间直流环节 由于逆变器的负载为异步电机，属于感性负载。无论电动机处于电动或发电制动状态，其功率因数总不会为1.因此，在中间直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换。这种无功能量要靠中间直流环节的储能元件来缓冲。所以有常称中间直流环节为中间直流储能环节。4.控制电路 控制电路常由运算电路、检测电路、控制信号的输入、输出电路和驱动电路等构成。其主要任务是完成对逆变器的开关控制、对整流器的电压控制以及完成各种保护佛那个能等，控制方法可以采用模拟控制或数字控制。高性能的变频器目前已经要靠软件来完成各种功能。由于软件的灵活性，数值控制方式靠可以完成模拟控制方式难以完成的功能。变频器广泛用于交流电机的调速中，变频调速技术是现代电力传动技术重要发展的方向，随着电力电子技术的发展，交流变频技术从理论到实际逐渐走向成熟。变频器不仅调速平滑，范围大，效率高，启动电流小，运行平稳，而且节能效果明显。因此，交流变频调速已逐渐取代了过去的传统滑差调速、变极调速、直流调速等调速系统，越来越广泛的应用于冶金、纺织、印染、烟机生产线及楼宇、供水等领域。现着重对使用广泛的交-直-交变频器进行分析，交-直-交变频器又称逆变器。它是将交流电整流为可控直流电压,然后由逆变器将直流电逆变成交流电。显然输出的电压频率不受电网频率的影响,而是取决于逆变器的切换频率。为了提高功率因数,可以不采用可控整流获得直流电压,而采用不可控整流再经斩波器或脉宽调制逆变器来调压。我用SPWM变频调速器。在SPWM型逆变器中必须添加强迫换相电路。晶闸管SPWM型逆变器主电路如图22所示。在此电路中由VTlVT6和VDlVD6组成逆变器，VT7VTl0和L，C构成换相电路，VTll，VTl2和Cp及只R1，R2组成过载断路开关电路。晶闸管SPWM逆变器同样可以使用各种脉宽调制方法。我们现在来说明一下此电路的工作过程，图24表示出此逆变器的工作过程，图中表示出6只主晶闸管的控制脉冲以及换相晶闸管的工作方式。在此图中，控制脉冲为正时，上桥臂VT!或VT3，VT5导通，控制脉冲为负时，下桥臂VT4或VT6，VT2导通，波形最下面的VT7、VT8和VT9，VTl0表示换相回路中被触发导通的晶闸管。以晶闸管VTl强迫关断为例来说明换相过程：当VTl导通时，设换相电容器已经充好电，极性为左正右负，触发VT7，VT8换相晶闸管，使之导通，电容C上的电压通过VT7，VT8及VD4加到主晶闸管VTl上，使VTl受反压而关断。电容C放电后接着反向充电，为下一次双序号晶闸管关断作好准备，换相电流过零时，VT7，VT8自行关断，其他晶闸管的关断情况与此类似。晶闸管VTl，VT3，VT5 强迫关断过程相同，而晶闸管VT4，VT6，VT2强迫关断过程相同。直流电路中的电抗L的作用是避免经反馈二极管VDlVD6而使晶闸管VTlVT6的反馈电流被直流短路，并限制电流上升率。VD7，VD8为续流二极管，防止逆变管两端出现过高电压。图2-2 晶闸管SPWM型逆变器过载断路开关电路在逆变器正常工作时，导通VT11，VTl2处于截止状态，电容Cp充满电，极性为上正下负。一旦发生过电流，触发导通VTl2，Cp经r1，只：放电，给VTll加反压而使之关断，从而切断主电路，实现过电流保护。2.3 变频器的控制方式在交流变频器中使用的非智能控制方式有V/f协调控制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制等。 1V/f控制 V/f控制是为了得到理想的转矩-速度特性，基于在改变电源频率进行调速的同时，又要保证电动机的磁通不变的思想而提出的，通用型变频器基本上都采用这种控制方式。V/f控制变频器结构非常简单，但是这种变频器采用开环控制方式，不能达到较高的控制性能，而且，在低频时，必须进行转矩补偿，以改变低频转矩特性。 2转差频率控制 转差频率控制是一种直接控制转矩的控制方式，它是在V/f控制的基础上，按照知道异步电动机的实际转速对应的电源频率，并根据希望得到的转矩来调节变频器的输出频率，就可以使电动机具有对应的输出转矩。这种控制方式，在控制系统中需要安装速度传感器，有时还加有电流反馈，对频率和电流进行控制，因此，这是一种闭环控制方式，可以使变频器具有良好的稳定性，并对急速的加减速和负载变动有良好的响应特性。 3矢量控制 矢量控制是通过矢量坐标电路控制电动机定子电流的大小和相位，以达到对电动机在d、q、0坐标轴系中的励磁电流和转矩电流分别进行控制，进而达到控制电动机转矩的目的。通过控制各矢量的作用顺序和时间以及零矢量的作用时间，又可以形成各种PWM波，达到各种不同的控制目的。例如形成开关次数最少的PWM波以减少开关损耗。目前在变频器中实际应用的矢量控制方式主要有基于转差频率控制的矢量控制方式和无速度传感器的矢量控制方式两种。基于转差频率的矢量控制方式与转差频率控制方式两者的定常特性一致，但是基于转差频率的矢量控制还要经过坐标变换对电动机定子电流的相位进行控制，使之满足一定的条件，以消除转矩电流过渡过程中的波动。因此，基于转差频率的矢量控制方式比转差频率控制方式在输出特性方面能得到很大的改善。但是，这种控制方式属于闭环控制方式，需要在电动机上安装速度传感器，因此，应用范围受到限制。 无速度传感器矢量控制是通过坐标变换处理分别对励磁电流和转矩电流进行控制，然后通过控制电动机定子绕组上的电压、电流辨识转速以达到控制励磁电流和转矩电流的目的。这种控制方式调速范围宽，启动转矩大，工作可靠，操作方便，但计算比较复杂，一般需要专门的处理器来进行计算，因此，实时性不是太理想，控制精度受到计算精度的影响。 4直接转矩控制 直接转矩控制是利用空间矢量坐标的概念，在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩，通过检测定子电阻来达到观测定子磁链的目的，因此省去了矢量控制等复杂的变换计算，系统直观、简洁，计算速度和精度都比矢量控制方式有所提高。即使在开环的状态下，也能输出100%的额定转矩，对于多拖动具有负荷平衡功能。 第3章 变频调速异步电动机的特点变频调速异步电动机是运用于变频调速系统中的专用电动机，因此设计时必须充分考虑到该类电动机由变频电源供电时的问题，进行针对性设计，以适应电源波形的非正弦和从低频到高频的宽频范围、宽调速比的运行状况。 由于在调速系统中，异步电动机变频电源控制单元是密切相关的，构成一个相对独立的整体。因此如何根据机电一体化的观点，从调速系统的总体性能指标出发，求得异步电动机与变频电源的最佳匹配，是变频调速异步电动机设计时应解决的又一基本问题。尤其是在电动机参数的选取时，不再是仅仅在电动机内部综合考虑，而应就整个调速系统通盘考虑。这是因为在变频调速系统内，电动机的参数不仅影响到电动机自身的性能指标，而且影响到整个系统，它的取值对系统的技术经济指标有着重大影响。因此，设计时应根据变频器和电动机两者的技术和经济的合理性综合分析，从总体的最佳要求来确定。由变频电源供电的专用电动机的设计虽然受到了一些制约，但同时也解除了一些约束。变频调速电动机既然由专用的逆变电源供电，这就避免了以往直接由工频电网供电的各种限制，因此其参数配置和性能要求在许多方面也就不再受工频运行的制约。电动机的频率、电压及效率等额定值的选取，不再受工频电网的限制，仅仅根据机电一体化原则，在系统内通盘考虑决定。系统起动时总是采用降频降压的软起动方式，这样不必考虑工频起动特性。因此，设计中不存在工频时的起动性能指标对设计的限制及对其它指标的约束，也不会出现高转差频率运行。因此，可尽量减少转子电阻，必要时还可增大定、转子漏抗。在采用矢量控制等情况下，由于运行中保持转子磁通不变，电动机的机械特性是一条直线，不存在最大转矩倍数对设计中漏抗取值的限制。3.1变频器供电下交流电动机所面临的问题 应用交流变频调速技术的主要目的，一是节能；二是高精度的转矩转速控制；三是现高速驱动。变频调速中变频电源供电的电动机与传统工频正弦波供电的电动机的主要区别在于：一方面是从低频到高频的宽频范围内运行，另一方面电源波形是非正弦的。由于以上特点，因而带来以下一系列问题： (1)损耗增加，效率降低 由于变频电源的输出中含有大量的高次谐波，这些谐波会产生相应的铜损耗和铁损耗，降低运行效率。即便是目前广泛采用的SPWM正弦脉宽技术，也只是抑制了低次谐波，降低了电动机的脉动转矩，从而扩展了电动机低速下的平稳运行范围。而高次谐波不仅没有降低，反而大大增加了。一般说来，与工频正弦电源供电相比，效率要下降13，功率因数下降410，因此，变频电源供电下电动机的谐波损耗是一个很大的问题。 (2)产生电磁振动和噪声 由于一系列高次谐波的存在，还会产生电磁振动和噪声。如何降低振动和噪声，对正弦波供电的电动机来讲已经是一个难题了。而对于由变频电源供电的电动机来讲，由于电源的非正弦性，就使问题变得更为复杂和棘手。 (3)低速时出现低频脉动转矩，影响低速稳定运行 即使是采用SPWM调制方式，但与工频正弦供电相比，仍然会出现一定程度的低次谐波，从而在低速运行时产生脉动转矩，影响电动机低速稳定运行。 (4)出现浪涌电压和电晕现象，损害电动机绝缘 电动机运行时，外加电压经常与变频装置中元器件换流时产生的浪涌电流相迭加，有时浪涌电压较高，致使线圈受到反复电冲击，绝缘加速老化。此外，有时还伴有电晕现象产生，致使线圈对地绝缘损坏。 (5)产生轴电压和轴电流，缩短轴承寿命 轴电压的产生主要是由于磁路不平衡和静电感应现象的存在，这在普通电动机中并不严重，但在变频电源供电的电动机中则较为突出。若轴电压过高，轴和轴承间油膜的润滑状态遭到破坏，轴承寿命将大大缩短。 (6)低速运行时散热效果降低 由于变频调速电动机调速范围大，常常在低频率下低速运行。这时，由于转速很低，普通电动机所采用的自扇冷却方式所提供的冷却风量已大大减小，散热效果大大降低，必须采用其它的冷却方式。 (7)容易产生共振干扰 一般来说，任何机械装置都会产生共振现象。但工频恒定转速运行的电动机，要避免与50Hz的电频率响应的机械固有频率发生共振比较容易。而变频调速运行时的电动机运行频率变化范围广，加之各个部件都有各自的固有频率，这就极易使它在某一频率下发生共振，综上所述，异步电动机在由变频电源供电运行时将会面临诸多的特殊问题。因此针对问题，进行变频调速异步电动机的专门设计已成必要。 3.2变频电机的谐波分析与影响由于变频电机是有变频器供电的，而变频器输出的电压或电流中含有比工频电网多的多的谐波，所以再设计时必须给予考虑，下面是对谐波的一些相关分析。3.2.1气隙磁势谐波 通常的三相电动机有三组在空间相差分布的定子线圈。正常使用时每一组线圈若流入一个正弦电流，这个电流将产生一个脉动的磁势。假定每一相仅建立自己的磁势而与另外两相无关。由于相绕组通常是在铁心表面均匀分布的，所以磁势在空间的分布是非正弦的。但是实际的磁势分布可以分解为基波和一系列的高次空间谐波。现在只考虑基波分量，电动机的气隙中有三个正弦分布的磁势波，它们在空间相差。当每一相的电流变化时，其相应磁势随电流的变化而，变化，但保持其正弦形的空间分布。 用F1表示绕组1在某一时刻磁动势波的幅值，则空间磁势的分布可用下式表示。 （31）式中 表示在电枢表面上的角位移，原点选在绕组1的轴线上，由于绕组1中的电流正弦变化，幅值几也成比例地变化，于是产生一个磁势驻波。 幅值F1的瞬时值为 （32）式中 相应于绕组中电流峰值时F1的最大幅值，时间原点取在绕组1中电流为零的瞬间。 把式(31)和式(32)联立，就得出线圈1在时间时的磁势空间分布 （33）绕组2的磁势波形，在空间上和时间上相对于位移，因此 同样对于绕组3 把三相的磁势相加，即为全部绕组产生的合成气隙磁势。 = （34） 该式代表幅值为常数的正弦分布磁势，它以均匀的角速度沿着角增加的方向移动。可以理解为正弦波在时间内移动了距离，因此，位移随时间均匀地增大。换句话说，可以认为随波形移动的某一点P上的磁动势在任何时间都是常数，对于这点的为常数，因而常数。对时间微分则得出0也就是。从而证明了由平衡的三相正弦电流励磁产生一个以同步转速旋转的基波磁势。 如果相电流是非正弦的，则气隙中出现附加的谐波磁势，谐波磁势可以用分析基波磁势的方法证明。一、时间谐波磁势 时间谐波磁势是由相绕组中的电流谐波产生的。例如相电流中的5次谐波分量对于每一相建立一个与基波有同样空间分布的磁势驻波，以5倍于基波频率脉动，则绕组1中的5次谐波磁势为 式中 为5次谐波电流产生的空间基波磁势最大幅值。同样 把三个磁势相加可得合成磁势为： （35） 式(35)说明5次谐波电流产生一个旋转磁势，旋转速度为。意味着这个磁势波是以5倍的同步转速沿着与基波磁势相反的方向移动。 同样可以证明，7次谐波电流产生一个7倍于同步转速而方向与基波方向相同的旋转磁势。通常谐波次数的电流产生正向旋转的磁势波(这里n0，1，2，3)，而当谐波次数时，则产生反向旋转的磁势波。时间谐波的转速总是倍于同步转速。 二、空间谐波磁势 前面分析时我们假定每一个相基波电流只建立空间基波磁势，而忽略了更高的奇次空间谐波。实际上多相绕组由正弦电流励磁时，由于磁势空间谐波分布的组合又形成旋转的谐波磁势。绕组1中基波电流产生的5次空间谐波磁势为 同样对和可以写出相应的表达式，把三个磁势相加后其结果为 (36) 此式证明存在5次空间谐波磁势，它以的同步转速反向旋转。同样可以证明7次空间谐波以的同步转速正向旋转。 当整数槽绕组各相中存在谐波电流时，上面谈到的时间和空间谐波磁势将同时出现。由于相电流中各次时间谐波形成磁势空间谐波分布，故产生各次附加旋转磁势波。某一次谐波的存在同样可以由三相作用相加的方法得到证实。例如，在三相的每一相中，5次谐波电流产生下列7次空间谐波磁势：由以上三式相加，得 （37）从而证明了存在7次空间谐波磁势，它以的同步转速反向旋转。全部磁势成分的证明结果概括在表31中，所有的转速都表示为同步转速的倍数。同步转速则以“+1”表示。“”号表示谐波的转向与基波转向相同，而“一”号表示反向旋转的谐波。表中第一行表示已分析过的时间谐波磁势。第一列表示由相电流基波所产生的空间谐波磁势。 表31 三相电枢绕组的磁动势成分空间谐波时 间 谐 波 1357911131+1-5+7-11+133135-1/5+1-7/5+11/5-13/57+1/7-5/7+1-11/7+13/791/3111-1/11+5/11-7/11+1-13/1113+1/13-5/13+7/13-11/13+1151/53/5三、磁势谐波的幅值 对于任一外加电压波形，相对于基波的谐波磁势幅值决定于所用绕组的布置方式。对于三相绕组，由电流的次时间谐波产生的次空间谐波旋转磁势幅值可用下式表示 (安匝极) (38)式中 h次空间谐波绕组系数， 每相串联匝数； 极对数； 是次谐波电流的有效值。 对于基波旋转磁势，其幅值为 (安匝极)式中 基波绕组系数； 基波相电流有效值。 谐波磁势与基波磁势之比值为 (39) 对于正常设计的三相电动机，谐波绕组系数远远小于，因此空间谐波磁势的幅值可以忽略不计。因此以后的分析只考虑基波空间分布的时间谐波磁势。四、正序、负序和零序谐波 如表31所示的第一列，由3n+1(n等于零和整数)次谐波电流产生的时间谐波磁势，其旋转方向与主磁场转向相同，而次谐波电流则产生反向旋转的磁势波。次谐波电流与基波电流同相序，产生磁势波与主磁场同转向，称为正序谐波。次谐波电流与基波电流相反，产生磁势波与主磁场相反，称为负序谐波。次谐波电流不产生任何基波气隙磁势，在三相绕组的每一相中，它们在时间上是完全同相的，这就叫零序电流谐波。3.2.2 谐波性能 当交流电动机在非正弦电源下运行时，定子电压可以分解为基波分量和一系列谐波分量。如果忽略磁饱和的影响，电动机可以当作一个线性元件采用叠加原理来分析。也就是可以对基波电压和各次谐波电压进行分别分析，即可把谐波响应曲线相加得出非正弦电压下总的响应曲线。这样电动机的电流或转矩等于电源波形中各电压分量的电流或转矩之和。为了分析方便，把电动机的电流或转矩用标么值来表示。(一)谐波等值电路 正弦电压下异步电动机一相的等值电路图如图31a）所示。在此电路图中，忽略了铁损和磁路饱和影响。 图31 异步电动机的等值电路图a) 基波频率等值电路 b)次谐波等值电路 相对于基波旋转磁场的转子转差率以s表示，则 （310）式中 n旋转磁场的同步转速； n转子实际转速。相电流的k次谐波产生转速为kn的正向旋转或反向旋转的时间谐波磁动势。正向旋转谐波磁场的转子转差率为 而反向旋转磁场的转差率为 因此通常的表达式应为 （311）式中“-”号为正序谐波，“+”号为负序谐波。把式(310)的n代入式(311)，谐波转差率可以用表示，则得 （312）图31a所示的基波等值电路可改成适应于k次谐波电压和电流的等值电路，如图31b所示。谐波转差率代替了基波转差率，所有的电抗增大了k倍。定子和转子电阻也由于谐波频率下的集肤效应而增大。严格地说，转子的漏抗也因集肤效应而有所改变，这在精确计算时必须加以考虑。 由式(312)可知，电动机正常运行时，的变化很小。如果电动机的转速由同步转速下降到0，基波转差率由0增加到1，但5次谐波的转差率，仅从0.8增加到1，的相应变化为0.8571，对更高次谐波更接近1。图31b所示的谐波等值电路，略去电阻后可简化为图32a。由于电感随频率的增加而成线性增长，而转子电阻因集肤效应随频率的增加较少，因而作上述简化是可行的。由于接近于1，在谐波频率下电路电阻与电抗相比也可以忽略不计。通常，并联的励磁电抗远远大于转子的漏抗，所以可将并联支路省略，变成图32b的形式。因此，电动机的谐波电流阻抗近似为k(+)，这里的和分别为电源基波频率下定子和转子的漏抗。图3-2 用于谐波电流近似计算的等值电路由于零序电流只有在电源和负载间有中性线的情况下才存在，否则零序电流没有回路。对于静止变流器供电的变频调速电动机，一般都没有零序电压，因此不存在零序谐波的影响。在分析电动机处于很低频率下运行时，近似的谐波等值电路(图32)可能不太适用，因为低频时绕组的电阻已是一个不可忽略的因素。通常，基波频率超过10Hz时，简化电路是合理的。(二)谐波电流从前面的分析中可知，谐波转差率在电动机从零至同步转速范围内接近于1，正像式(312)表示的那样，与转速无关。从等值电路(图3lb)中可以看出，谐波电流的大小与负载无关，也就是说电动机从空载到满载的情况下，谐波电流基本上不变。由于基波的定子电流大小决定了电动机的负载，因此电动机电流的相对谐波含量在轻载时要比满载时大得多。这样，对于在非正弦电源下运行时，与在正弦波电网上运行相比，电动机的空载损耗显著增加，而满载时损耗增加得相对较少。如图32b所示的高次谐波等值电路与计算正弦波异步电动机堵转时的电路相似，电动机的电流同样受漏抗(+)的限制。因此用正弦波电压下异步电动机的堵转特性和启动性能也可以衡量电动机的谐波性能。如果电动机的启动电流大，则在非正弦电压下工作时也将吸收较大的谐波电流。同样磁阻电动机或同步电动机的漏抗也决定其谐波电流值。如果所设计的电动机的漏抗很小，则电动机的谐波电流会比较大，谐波损耗将大大增加。如果以表示电源电压的次谐波分量，则相应的定子电流谐波为，这里是次谐波的输入阻抗。对于正序和负序谐波，图3-2的等值电路图是适用的，而且，则 （313）对于零序谐波，因而 （314）在非正弦电压波形的谐波含量已知时，用这些公式就可以很快地计算出由非正弦电压引起的谐波电流。通常的变频器没有零序谐波和偶次谐波，因此，总的谐波电流有效值可由下式给出 （315）如果为电动机定子基波电流有效值，则包括基波电流在内的总定子电流有效值为 （316） 对于给定的电压波形，定子电流相应的谐波成分与电动机的标幺电抗X有关，标幺电抗是基波频率下漏抗与基值电抗X的比值。基值电抗为式中 正弦波额定相电压； 满载时的额定电流。所以 （317）式中 电动机的基波起动电流； 电动机起动时的功率因数角。 对于通常具有6个和12个阶梯的电压波形，谐波电压的大小与谐波的次数成反比，因此，代入式(313)则可得谐波电流如果基波相电压等于正弦波额定电压，则由式(317)得 将上式代入式(318)得出以满载额定电流为基值的谐波电流标么值 （318）（三）谐波电流 由于在电动机的气隙中存在时间谐波磁动势，从而导致在电动机转子上产生附加的谐波转矩。这些转矩有两种类型：(a)稳定谐波转矩；(b)脉动谐波转矩。 1稳定谐波转矩 稳定的或称恒定的转矩是由气隙谐波磁通和相同次数的转子电流谐波相互作用产生的。但是，这些稳定谐波转矩是额定转矩很小的一部分。可以由谐波等值电路来计算此转矩的大小。由图31b所示的第次谐波等值电路得 （319）式中 第次谐波转矩； 极对数； 定子绕组相数； 谐波次数； 定子电流基波频率； k次谐波转子电流； 转子电阻； k次谐波转差率。 对于接近同步转速的正常满载运行，基波转差率很小，因此由式(312)可得则 （320）式中对正向谐波转矩用“+”号，而反向谐波转矩用“-”号。这里转子电阻必须考虑谐波频率下的集肤效应使阻值增加而进行的修正。总的电磁转矩是基波转矩和谐波转矩的代数和。以一台运行于50Hz、6阶梯波供电的小型电动机为例，通过计算发现第5次谐波转矩仅为基波转矩的0.125，计算时假设转子电阻因谐波集肤效应增加3倍。因此可以看出高次谐波转