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        變頻調速異步電動機的特性分析

        2011-08-11 07:10:14劉萬太李永堅謝衛(wèi)才
        關鍵詞:磁密異步電機變頻

        劉萬太,彭 曉,李永堅,謝衛(wèi)才

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

        0 引 言

        近些年來,變頻調速異步電機的應用越來越廣泛.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)與頻率的變化關系,并根據(jù)變頻調速系統(tǒng)的控制特點,對恒磁通狀態(tài)下的轉矩特性做了論述.在理論分析的基礎上,設計了一臺1.5kW的變頻調速異步電動機,并對樣機做了試驗分析.

        1 變頻調速異步電機的參數(shù)分析

        1.1 變頻調速異步電機的基本參數(shù)分析

        變頻調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的影響,則電阻與電源頻率無關,電抗與電源頻率成正比.

        當電源頻率改變時,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.

        集膚效應會對電機定子電阻造成一定影響,頻率越高,集膚效應越明顯,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,集膚效應的影響可以忽略.

        1.1.3 轉子電阻R2和轉子電抗X2

        式中 R2N為額定頻率時的轉子電阻值;

        X′2σN為額定頻率時的轉子漏抗值.

        轉子電阻值R2隨頻率的變化關系與R1相同.

        1.2 變頻電機的轉矩特性

        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矩特性如下:

        在恒磁通狀態(tài)電機的電磁轉矩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為轉差頻率;

        L′2σ為轉子繞組漏抗.

        電機主磁通不變時的電磁轉矩最大值Tm為

        有上式可以看出,電磁最大轉矩僅與轉子漏電感有關.

        為求電機的輸出轉矩,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差率.

        電機附加損耗取為

        Pe為電磁轉矩,則可以得到電機的輸出功率P2

        電機的輸出轉矩T2為

        式中 Ω=2πf1(1-s)/p;

        電機最大輸出轉矩為

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

        2 樣機設計

        2.1 變頻調速異步電動機的主要尺寸設計

        本文設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,定子內徑67mm,轉子內徑26mm,電機鐵心長度105mm.

        變頻電機的定子槽數(shù)為24,轉子采用閉口梨形槽,槽數(shù)為18.在設計變頻電機槽形時,將轉子槽形設計的相對短而寬,這樣可以減小集膚效應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浸漬,槽楔厚為2mm,槽底絕緣為0.3mm.

        2.2 變頻調速異步電機的電磁設計

        1.5 kW、380V變頻電機在基準頻率150Hz時的電磁設計結果如下:

        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

        起動轉矩倍數(shù):Ist/Tn=1.84

        最大轉矩倍數(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)

        額定轉矩:Tn=1.62N·m

        額定轉速:n=8830r/m

        線負荷:A=109.1A/cm

        轉子電流: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)最大轉矩點

        最大轉矩點轉速:Nm=3087r/m

        最大轉矩點轉差率:sm=0.657

        最大轉矩: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

        轉子齒部磁密:Btr=1.0123T

        轉子軛部磁密: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

        轉子齒部磁密:Btr=0.9915T

        轉子軛部磁密:Bjr=0.8517T

        (3)電路參數(shù)

        定子電阻:R1=0.0152

        轉子電阻:R2=0.0150

        定子漏抗:X1=0.0461

        轉子漏抗: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是變頻調速試驗系統(tǒng)照片.

        將試驗結果繪成了曲線圖,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系.當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子轉速的變化曲線圖,變頻電機的定子銅耗是隨著轉速的增加而有所減小.

        圖3 定子銅耗隨轉速的變化關系曲線

        變頻電機的運行效率隨頻率的變化關系如圖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子轉速的關系曲線

        變頻電機功率因數(shù)與運行頻率的變化關系如下圖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)隨轉子轉速的關系曲線

        變頻電機定子電流的變化關系如圖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系曲線

        4 小 結

        本文分析了變頻電機在不同頻率點運行時參數(shù)變化關系,并設計了一臺1.5kW兩極的變頻調速異步電動機,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)等與頻率的關系.

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