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變頻器變頻調速對異步電機的影響
來源: 發表時間:2018-05-28

      調速電機就其設計初衷而言是專為交流調速而用的,但是變頻調速的興起最直接的原因就是普通異步電機簡單的結構、低廉的成本和方便的調速。如果說變頻調速必須要配用變頻專用電機的話,那么就產生了一個矛盾,變頻調速固有的簡單、堅固、耐用性不是沒有了嗎?
??變頻調速時對電機及其效能產生的影響變頻調速不論采用什么樣的控制方法其輸出到電機端上的電壓脈沖是非正弦的。所以普通異步電機在非正弦波下的運行特性分析就是變頻調速時對電機產生的影響。
??主要有以下幾個方面:
??電機的損耗和效率非正弦電源下運行的電機,除了基波產生的正常損耗外,還將出現許多附加損耗。主要表現在定子銅損、轉子銅損和鐵損的增加,從而影響電機的效率。
??1、定子銅損在定子繞組中出現的諧波電流使I2R及增加。當忽略集膚效應時,非正弦電流下的定子銅損與總電流有效值的平方成比例。如定子相數為m1,每相定子電阻為及R1,則總的定子銅損P1為把包括基波電流在內的總定子電流有效值Irms代入上式,可得式中的第二項代表諧波損耗。通過實驗發現,由于諧波電流的存在和與之相應的漏磁通的出現,使漏磁通的磁路飽和程度增加,因而勵磁電流增大,從而使電流的基波成分也加大。
??2、轉子銅損在諧波的頻率下,一般可以認為定子繞組的電阻為常數,但對于異步電機的轉子,其交流電阻卻因集膚效應而大大增加。特別是深槽的籠形轉子尤為嚴重。正弦波電源下的同步電機或磁阻電機,由于定子空間諧波磁勢很小。在轉子表面繞組中引起的損耗可忽略不計。當同步電機在非正弦電源下運行時。時間諧波磁勢感應出轉子諧波電流,就像接近其基波同步轉速運行的異步電機那樣。
??反向旋轉的5次諧波磁勢和正向旋轉的7次諧波磁勢都將感應出6倍于基波頻率的轉子電流,在基波頻率為50Hz時,轉子電流頻率為300Hz。同樣,第11次和第13次諧波感應出12倍于基波頻率,即600HZ的轉子電流。在這些頻率下,轉子的實際交流電阻遠遠大于直流電阻。轉子電阻實際增大多少取決于導體截面和布置導體的轉子槽的幾何形狀。通常的長寬比為4左右的銅導體,在50Hz時交流電阻與直流電阻之比為1.56,在300Hz時比值約為2.6;600Hz時比值約為3.7。頻率更高時,此比值隨頻率的平方根成比例增加。
??3、諧波鐵損電機中的鐵心損耗也由于電源電壓中出現諧波而增大;定子電流的各次諧波在氣隙間建立了時間諧波磁動勢。氣隙中任何一點的總磁勢是基波和時間諧波磁勢的合成。對于一個三相6階梯電壓波形,氣隙中的磁密峰值比基波值約大10%,但是由時間諧波磁通引起的鐵損的增加是很小的。對于端部漏磁通和斜槽漏磁通產生的雜散損耗,在諧波頻率作用下將有所增加,這一點在非正弦供電時必須考慮:端部漏磁效應在定子和轉子繞組中都存在,主要是漏磁通進入端板引起的渦流損耗。由于定子磁勢和轉子磁勢間相位差的變化,在斜槽結構中產生斜槽漏磁通,其磁勢在端部最大,在定轉子鐵心及齒中產生損耗。
??4、電機效率諧波損耗的大小明顯地決定于外加電壓的諧波含量。諧波分量大,電機損耗增加,效率降低。但是大多數靜止逆變器不產生低于5次的諧波,而高次諧波的幅值較小。這種波形的電壓對電機效率降低并不嚴重。對中等容量的異步電機進行計算和對比試驗表明,其滿載有效電流比基波值約增加4%。如果忽略集膚效應,則電機的銅損與總有效電流的平方成比例,諧波銅損為基波損耗的8%。考慮到由于集膚效應使轉子電阻平均可增大3倍,因而電機的諧波銅損應為基波損耗的24%。如果銅損占電機總損耗的50%,則諧波銅損使整個電機的損耗增加12%。鐵損的增加很難計算,因為它受電機結構和所用磁性材料的影響。
??如果定子電壓波形中的高次諧波成分相對較低,像在6階梯波中那樣,諧波鐵損增加不會超過10%。如果鐵損和雜散損耗占電機總損耗的40%,則諧波損耗僅占電機總損耗的4%。摩擦損耗和風阻損耗是不受影響的,因而電機的全部損耗增加小于20%。如果電機在50Hz正弦電源時的效率為90%,則由于諧波存在使電機效率只降低1%一2%。如果外加電壓波形的諧波成分明顯地大于6階梯波時的諧波成分,則電機的諧波損耗將大大增加,而且可能大于基波損耗。就是在6階梯波電源時,一個低漏抗的磁阻電機可能吸收一個很大的諧波電流,從而使電機的效率下降5%或更多。在這種情況下,為了滿意地運行,就要使用12階梯波的逆變器,或采用六相的定子繞組。電機的諧波電流和諧波損耗實際上與負載無關,因此時間諧波的損耗大小實際上可以在空載情況下用正弦電源和非正弦電源進行比較確定。以此來確定某種型式或某種結構的電機效率下降的大致范圍。

  

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