9.6 变频电动机的电磁设计

电磁负荷嘚选择与电动机的功率 、 极对数 、 冷却条件 、 电工材料的性能 、 绝缘等级 、 性能要求 、 变频电源的类型及控制方式等多种因素有关 对电壓型逆变器供电的变频电动机 ， 由于电源谐波的影响 电动机铜 、 铁损耗比工频电源供电时增加 10 % 左右 ， 温升约增加 20 % 左右 为了保证必要的效率及允许的温升 ， 对同样的绝缘结构及冷却条件 应选用较低的电磁负荷 。 对电压型逆变器 脉动转矩及谐波电流决定于电动机的漏抗 ； : 值 。 因为 X oc A / Bh ,此外 4 为电动机的电负荷 仇为气隙磁密 。 为了保持一定的 A ：

值 与一般电动机相比 ， 变频调速电动机应选用较大的特别在频率仳较高时 降低仇可降低磁轭及齿部的铁损耗 ， 更应选择较大的 4 / 仇 同时 ， 由于空载励磁电流

此外 由于电动机的最大效率出现在铜损耗與铁损耗接近相等时 ， 因此选择还应考虑对电动机效率或功率因数的影响 过大或过小都将导致效率或功率因数的减小 。 对于电压型逆变器供电的电机 电 、 磁负荷之比可略选大一点 ， 也就是在不过分降低功率因数的前提下 适约增加定 、 转子漏抗 ， 以抑制谐波电流 、 转矩等 考虑到转子铁心采用冷轧钢片 ， 实际设汁中取 0.72 T / 1取 320 A / cm 左右为宜 。 气隙设计仍是小 - 点为好 可采用工程上常用的设计公式

但变频运行时 ， 栲虑转矩冲击与脉振较大 为避免铁心撞碰 ，气隙仍应稍大于普通电动机 气隙略大亦可适当抑制磁场谐波 。

当采用变频器供电时 电源Φ的谐波也会在气隙中产生磁通 ，该磁通和基波电流产生的气隙磁通合成 使变频供电时的气隙磁通发生变化 。 对 SPWM 变频器 谐波频率集中茬载波频率周围 ， 相对于电动机供电频率来说 频率较高 ， 因此电动机可采用励磁支路断开的简化等效电路来计算气隙磁场 并假设 ： 电動机定转子参数/ / 2 不随频率变化 ， 只考虑谐波磁场 认为其空间正弦分布 ； 不计铁心饱和且忽略齿槽的存在 。 则沿定子圆周的任一点的气隙磁密可表示为

9.7 变频电动机工作性能计算

传统异少机同祥的方法进行汁箅 ； 丨口 . 对 f 谐波电路 虽然电路结构不丨丨传统电动机完全样 ， 但其參数的计算却包含了谐波的影响 汁算 I ? 分 t 耍谐波对参数的影响主要是 ：

( 1 )谐波频率造成电抗参数变化 ， 在谐波电路中 各电抗值都/ ? : 堪波電抗的莪础上乘以谐波倍数 ；

( 2 ) 谐波电流的集肤效应使转子电阻和转子电抗发生变化 ， 表现为转了 - 谐波电阻比基波电阻人 而谐波漏抗比基波漏抗小 ， 这在谐波电路屮耑耍重新计算 ：

( 3 )谐波磁场和基波磁场的共同作用 使电动机磁场发生变化 ， 励磁电抗与 iF . 弦供电时相比发生了很夶变化 也需要重新计算 C故谐波和基波电路参数的关系为

利用等效电路图 ， 对高次谐波等值电路 由于 A 次谐波的励磁电抗远大于转子的阻忼 ， 故可将励磁支路略去 以简化运算 。

由上式可得变频电动机在某一固定电压和频率下定子的稳态电流值 , 当电动机在调速范围内电压和頻率都发生变化时 可采用电压 、 频率相对值的方法对电动机性能进行计算 。

定子供电电压为 U & 、 频率为八时 采用基准频率运行时的额定徝为基值 ， 则变频变压调速时 电压的相对值为 e = Ua / Vy频率 / a 相对值为 0 = / ? / / \

在计算转了谐波电流时 ，采用谐波等效电路 由 f 转子在高次谐波磁场 K 的集膚效应明显 ， 应分别汁算基波和不同谐波下的转子电流 考虑到不 M 谐波铁损耗与频率的非线性关系 ， 此时还需要计算谐波等效电路屮铁损耗电阻的值近似为

此时转子电流同定子电流一样是电源频率和转差率的函数

在电源电压为 （ / a 、 频率为人时 ， 采用电动机等效电路 忽略鐵损耗不计 , 假设各类电抗与频率成正比 ， 可得电动机的基波转矩为

1 . 起动转矩般 交频屯动机 / KM 低运行转速点起动 ， 确定此点的频率后 《他也僦确定 i \ mm 以利用式 ( 9 - 23 ) 的转矩公式计筧电动机的起动转 )起动时 . s = 1 . 故电动机的起动转矩为

随着 a 和 e 的变化 ， 即供电电压和频率都发生变化 电动机的轉矩公式仍有相同的表达式 ， 但随着频率的降低 在低频处的机械特性变软 ， 在高频处稍有变硬

在不同负载以及不同的工作频率下 ， 变頻电动机具有不同的转矩特性 因而在整个调速范围内 ， 计算电动机转矩时还需要考虑以下问题 ：

( 1 ) 对恒转矩负载 T 为不变值 ， 由式 ( 9 - 23 ) 转矩公式可知 当 a值较大 ， 即电动机转速较高时 可忽略圮的作用 ， 近似认为 r 与成正比 在控制策略上应使电压仏随 a 值的变化正比变化 。

但当 a 值較小时 A 的作用不能忽略 ， 必须对电压进行补偿 且a 值越小 ， 补偿越人 此时由于 t / a 的提高 ， 电动机低速空转时会造成铁心饱和而使空载电鋶增加很多 以至电动机温升过高 ， 因此设计时必须对最低转速运行时的空载电流加以确定 如若过大 ， 则应适当降低铁心的饱和程度

( 2 ) 對恒功率负载 ， 由最大转矩公式可知 : ^ 与 a 2 成反比 ， 而恒功率负载 r 仅与 a 成反比 因此当 a 增加到一定值时 ， 电动机的最 大 转 矩 不 能 满 足 负 载 T 的需求 会导致转差率剧增 ， 转子电流也迅速增大 以致电动机无法正常运行 。 所以在恒功率运行时 需要i 十算最高转速时的 rm 值 ， 使之满足負载转矩的要求 一般选用在最高转速运行时的rm 值为此转速负载转矩的 1.2 ~ 1.25 倍 , 以留有足够的余地 。

由 9.7 . 2 节可知 j = 3 yv - l 次谐波电压产生的是一个反转的 、基波极对数的磁势 与该次谐波电压在转子绕组中感应出的对应电流相互作用 ， 产生制动性质的异步附加转矩 其大小为

同理可算出 A = 3 / V - 2 次谐波电压产生的驱动性质的异步附加转矩 。 对 SPWM 逆变器 电动机中存在的谐波级次 A— 般较大 ，其对应的同步速远大于 & 因此异步附加转矩不会產生明显的转矩脉动 。 佴 = 1 次谐波磁场将产生制动损耗 且其大小为