变频调速异步电动机的电磁计算及设计探讨

变频调速异步电动机的电磁计算及设计探讨19990203收到稿件。(青岛大学266071)本文主要为变频调速异步电动机的设计提供一条思路。首先,对特定逆变电源供电的三相(变频调速)异步电动机进行实验,取得可靠实验数据。然后,确定电磁计算方法,并编制出与实验结果相符合的电磁计算程序。在此基础上,调整电动机参数,进行合理设计。逆变器异步电动机变频调速电磁计算1正弦波脉宽调制型(SPWM型)逆变器因其控制方便已成为目前实际应用中最为流行的一种逆变器。逆变器与异步电机的连接关系如图1所示。图1三相逆变器与三相异步电动机的连接当SPWM型逆变器有最大输出电压时,则其输出电压为180b的矩形波。由文献[4]傅里叶级数分析,A相电压为uas(t)=E]K=14EKPsinKX1t(1)A相电压中,K为谐波次数,K=1,3,5,7,,,。B相、C相分别滞后于A相2P/3、4P/3。根据/变频电机的额定电压一般应确定为逆变器的最大输出电压0之原则,式(1)就是变频调速异步电动机的额定相电压。对于对称三相异步电动机而言,相电压中的3及3的倍数次谐波电压不必考虑。当逆变器直流侧电压2E已知时,则基波相电压及各奇次谐波相电压也已知。但一般情况是已知逆变器额定输出电压,譬如为/三相交流380V0,则电机Y接时额定相电压为220V,其中基波电压及各奇次谐波电压如表1。1波次157111317192325293135电压值/V211421230111912161212141111912814713618610为简化分析,设电机磁路不饱和,于是可采用/叠加原理0分别计算逆变器输出电压中基波及各奇次谐波单独对电机的作用。2基波电压作用下变频调速异步电机的电磁计算可按文献[1]进行。至于K次谐波电压的作用,可采用图2等效电路。图2K次谐波等效电路r1K=r1x1RK=Kx1RxmK=Kxm1rc2K=rcR+rcBKxc2RK=Kxce2+Kxcd2+KxcS2¹+KxcS2ºrcR,rcBK,xce2、xcd2、xcS2¹,KxcS2º,scK分别为基波电压作用时端环电阻,考虑了K次谐波电压作用时的挤流效应之后的导条电阻,基波电压作用时的端部漏抗和谐波漏抗以及槽口部分槽漏抗,考虑了K次谐波电压作用时的挤流效应之后导条部分槽漏抗,K次谐波的转差率。sK=Kn01ºn1Kn01=(K-1)+s1K,K=7,13,19,(K+1)+s1K,K=5,11,17,为了便于编制计算程序,需对图2作些简单变换。令Zc2K=rc2KsK+jxc2RK,ZmK=jxmK第4期电工技术杂志1999年7月则Z2K=Zc2KZmKZc2K+ZmK=sKrc2Kx2mKrc2K+D(xc2RK+xmK)+jrc22KxmK+Dxc2RKxmKrc22K+D(xc2RK+xmK)=r2K+jx2K(1)式中D=s2K(x2RK+xmK)因此图2变成了图3的形式。图3K次谐波等效电路K次谐波电流IK=UK(r1K+r2K)2+(x1RK+x2K)2(2)定子绕组铜耗pCu=pCu1(基波)+3EKI2Kr1K(谐波)(3)转子绕组损耗pAl=pAl1(基波)+3EKI2Kr2K(谐波)(4)机械损耗pfw与电源电压供电波形无关,仍按文献[1]去确定。铁耗受电机的结构和磁性材料的影响很大,很难做出一般性估计。通常情况下谐波铁耗很小,可计入谐波杂散损耗中一并考虑。按文献[4],谐波杂散损耗EKpSK=EKIKI12#fKf13/2#pS1式中指数2和3/2为经验值;pS1为基波杂散损耗,可按文献[1]计算。电机杂散损耗pS=pS1(基波)+EKpSK(谐波)(5)尽管谐波铁耗已计入谐波杂散损耗中考虑,但由于磁性材料非线性和计算中不可避免的误差,因此电机总铁耗pFe并不就是基波铁耗pFe1,而应比基波铁耗略大一些,按文献[5]铁耗pFe=UNU12#pFe1(6)式(6)中,UN为额定电压,U1为基波电压,pFe1按文献[1]计算。电机总损耗Ep=pCu+pAl+pfw+pS+pFe(7)输入功率P1=P2+Ep(8)式中P2)))电机输出功率电机效率G=1-EpP13为验证上述电磁计算方法及相应计算程序的准确性,对SPWM型逆变电源BBP-J-111K及BBP-F-37K供电情况下的三相变频调速异步电机2YBP802-2111kW计算值实验值YBP225M-437kW计算值实验值定子电阻R1/87100618901150115额定电流Ie/A216321557314870174线负荷A1/(A#cm-1)203176200117264158259163电流密度$1/(A#cm-2)6164616141003187热负荷A1$11352155132311210571011004177定子铜耗pCu/W145161134117806134781190转子损耗pAl/W10313710115011621981113115铁耗pFe/W5918356166677152664136机械损耗pfw/W2215420131681147620186杂散损耗pS/W2719122107660118657195总损耗Ep/W35912633417139881493838122效率G(%)75137761709012490160功率因数cosU0184018501860187最大转矩倍数Tm216921752161216815第4期程利荣变频调速异步电动机的电磁计算及设计探讨YBP802-2111kW、YBP225M-437kW分别进行了实验及编程计算。表2是这两台电机处于额定运行(额定频率均为50Hz)、按叠加原理、奇次谐波取到35次时,有关计算结果以及与实验值的比较。表2结果显示,计算值与实验值吻合得非常好,这表明了上述电磁计算方法和所编程序的可靠性。4在已有计算程序的基础上,通过调整电机的结构参数,便可对与特定逆变器相匹配的变频调速异步电动机进行合理设计。不过,应注意要尽量避免冲模制造上的麻烦和困难。譬如不改变电机的其他参数,仅通过改变电机转子槽形就可提高变频异步电机的电磁性能,因为转子槽形对变频异步电机的性能影响很大。一般变频异步电机转子槽形的选择应遵循以下5点原则:槽面积尽可能大,槽形宜浅不宜深,槽形总体上是上宽下窄,采用半闭口槽,直槽而不采用斜槽。据此,假设转子槽形如图4所示。图4转子采用的槽形对两台电机采用图4所示转子槽形进行了大量计算,现选取各三种方案的一些结果列于表3。3Bo2Br1Br2Br3Hr0Hr1Hr2HrG/(%)TmcosUA1$1¹0123184143120134157121210771921660185127519111kWº1103184143120154167141215771121900185132017»0163114102170194188131410771621720185129015¹0186158185104101215181535109217215201869781437kWº1107188154163129152210341792112181018796513»015615818510121014121918361092142170018696918由表3可见,两台电机若采用图4所示转子槽形,则性能指标均会有较明显提高。如果侧重于效率,可取方案¹;如果侧重于最大转矩倍数,可取方案º;而方案»则兼顾效率、最大转矩倍数、热负荷等指标的平衡。另外,从转子槽形尺寸改变的大量计算过程中认识到,变频异步电动机的电磁性能对转子槽形槽口尺寸Bo2、Hr0的反应颇为敏感,所以说选择好槽口尺寸比较重要。本文YBP225M-437kW电机基本上就是由Y225M-445kW普通电机经降容后作为变频异步电动机来使用的。虽然在降容使用的同时,电机的铁心长度已经由原来的235mm缩短到现在的230mm,但从其热负荷值仍较低的情况可知,电机所留裕量较大。若为提高电机材料利用率,将铁心长度由230mm进一步降为200mm,则电机部分性能指标如表4。此时热负荷增大了,电机材料利用率提高,但电机效率有所下降。如果在缩短30mm铁心长度的同时,再采用表3转子槽形方案»,则部分性能指标如表5。4G(%)TmA1/(A#cm-1)$1/(A#cm-2)A1$1cosU881721852711424110111218201855G(%)TmA1/(A#cm-1)$1/(A#cm-2)A1$1cosU9015219276193319510931870184这与原实际电机相比,效率几乎没有变化,而仅仅是热负荷稍上升了一些,便节省下30mm铁心,且最大转矩倍数由2168提高到2196。当然,热负荷究竟能提高到多大,电机材料利用率能达到多高,这主要还是取决于电机所采用的冷却结构方式及绝缘等级,需要通过温升计算才能确定。1上海电器科学研究所1中小型三相异步电动机电磁计算程序1197112陈世坤主编1电机设计1北京:机械工业出版社,198313尹风鸣1交流变频调速(VVVF)的谐波问题1计算机工16电工技术杂志1999年7月p研究与开发p新型电参数综合测试与分析仪的应用研究19981211收到稿件。(浙江大学310027)介绍一种智能型、多功能的电参数测试与分析仪。相对于同类产品而言,本仪器具有测试速度快、精度高、功能强大、用户界面友好和易于进一步组成大型测试系统等诸方面优点。本文从仪器的硬/软件两方面出发,着重论述了在设计时采用的一些硬件技术、结构及其相应的背景资料以及软件编程技术。谐波同步采样双CPU双RAM技术全方位隔离FFT算法1在电力系统的电参数测试中,电压、电流和功率是三个最为基本的检测量。随着电力工业的不断发展,电力电子装置和其他非线性设备的使用,大量的谐波电流注入电网,使电力系统的电压和电流正弦波形发生严重畸变。这对于电力系统本身和广大的电力用户来说,均会造成不良的影响和危害。因此,进行有效的电力参数测试、监控与分析,已成为一项迫切而又重要的任务。目前,国内的电参数测试仪器普遍存在着测试精度较低、响应速度较慢、界面不友好、抗干扰能力差等问题。为克服上述缺陷,我们成功地研制出了一种新型的多功能三相电力参数测试与分析仪。该仪器在硬件设计上采用了同步采样锁相装置,双CPU双RAM技术,全方位隔离结构和图形液晶显示方式等;在软件设计上充分利用单片微机和PC机的强大数据处理能力,以及液晶显示器件的图形显示功能,编写了适用于智能仪器的智能算法程序,如FFT汇编程序、实时信号波形显示程序与信号频谱棍图显示程序等。因此,相对于同类产品而言,本系统具有测试速度快、精度高、功能强、用户界面友好、抗干扰能力强和易于进一步组成大型测试系统等诸方面优点。本文从仪器的硬/软件两个方面,着重论述仪器在设计和开发过程中所采用的一些硬件上的先进技术、结构及其相应的背景资料以及软件编程技术,并给出了仪器实际使用效果。2整个测试仪器主要由三相电压/电流前置分压/分流电路,六路可程控的三相电压/电流前置放大电路,六路采样保持电路,两路A/D转换电路,程学报,1991(2)4臧英杰1交流电机的变频调速1北京:中国铁道出版社,198415KlmanG.B1Harmoniceffectsinpulsewidthmodulatedinvert2erinductionmotordrives.IEEEIASAnnualmeeting1972.ElectromagneticComputingandDesignCon2siderationforAsynchronousMotorofVariableFrequencyVariableSpeedChengLirong(QingdaoUniversity266071China)AbstractAnideaofdesignisprovidedforasynchronousmotorofvariablefrequencyvariablespeedinthispapermainly.First,de2p