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变频器在变频调速时对普通异步电机的影响

2017-05-16 技术知识

变频调速时对电机及其效能产生的影响变频调速不论采用什么样的控制方法其输出到电机端上的电压脉冲是非正弦的。所以普通异步电机在非正弦波下的运行特性分析就是变频调速时对电机产生的影响。
 

主要有以下几个方面:

电机的损耗和效率非正弦电源下运行的电机,除了基波产生的正常损耗外,还将出现许多附加损耗。主要表现在定子铜损、转子铜损和铁损的增加,从而影响电机的效率。
 

1、定子铜损在定子绕组中出现的谐波电流使I2R及增加。当忽略集肤效应时,非正弦电流下的定子铜损与总电流有效值的平方成比例。如定子相数为m1,每相定子电阻为及R1,则总的定子铜损P1为把包括基波电流在内的总定子电流有效值Irms代入上式,可得式中的第二项代表谐波损耗。通过实验发现,由于谐波电流的存在和与之相应的漏磁通的出现,使漏磁通的磁路饱和程度增加,因而励磁电流增大,从而使电流的基波成分也加大。
 

2、转子铜损在谐波的频率下,一般可以认为定子绕组的电阻为常数,但对于异步电机的转子,其交流电阻却因集肤效应而大大增加。特别是深槽的笼形转子尤为严重。正弦波电源下的同步电机或磁阻电机,由于定子空间谐波磁势很小。在转子表面绕组中引起的损耗可忽略不计。当同步电机在非正弦电源下运行时.时间谐波磁势感应出转子谐波电流,就像接近其基波同步转速运行的异步电机那样。
 

反向旋转的5次谐波磁势和正向旋转的7次谐波磁势都将感应出6倍于基波频率的转子电流,在基波频率为50Hz时,转子电流频率为300Hz。同样,第11次和第13次谐波感应出12倍于基波频率,即600HZ的转子电流。在这些频率下,转子的实际交流电阻远远大于直流电阻。转子电阻实际增大多少取决于导体截面和布置导体的转子槽的几何形状。通常的长宽比为4左右的铜导体,在50Hz时交流电阻与直流电阻之比为1.56,在300Hz时比值约为2.6;600Hz时比值约为3.7。频率更高时,此比值随频率的平方根成比例增加。
 

3、谐波铁损电机中的铁心损耗也由于电源电压中出现谐波而增大;定子电流的各次谐波在气隙间建立了时间谐波磁动势。气隙中任何一点的总磁势是基波和时间谐波磁势的合成。对于一个三相6阶梯电压波形,气隙中的磁密峰值比基波值约大10%,但是由时间谐波磁通引起的铁损的增加是很小的。对于端部漏磁通和斜槽漏磁通产生的杂散损耗,在谐波频率作用下将有所增加,这一点在非正弦供电时必须考虑:端部漏磁效应在定子和转子绕组中都存在,主要是漏磁通进入端板引起的涡流损耗。由于定子磁势和转子磁势间相位差的变化,在斜槽结构中产生斜槽漏磁通,其磁势在端部最大,在定转子铁心及齿中产生损耗。
 

4、电机效率谐波损耗的大小明显地决定于外加电压的谐波含量。谐波分量大,电机损耗增加,效率降低。但是大多数静止逆变器不产生低于5次的谐波,而高次谐波的幅值较小。这种波形的电压对电机效率降低并不严重。对中等容量的异步电机进行计算和对比试验表明,其满载有效电流比基波值约增加4%。如果忽略集肤效应,则电机的铜损与总有效电流的平方成比例,谐波铜损为基波损耗的8%。考虑到由于集肤效应使转子电阻平均可增大3倍,因而电机的谐波铜损应为基波损耗的24%。如果铜损占电机总损耗的50%,则谐波铜损使整个电机的损耗增加12%。铁损的增加很难计算,因为它受电机结构和所用磁性材料的影响。
 

如果定子电压波形中的高次谐波成分相对较低,像在6阶梯波中那样,谐波铁损增加不会超过10%。如果铁损和杂散损耗占电机总损耗的40%,则谐波损耗仅占电机总损耗的4%。摩擦损耗和风阻损耗是不受影响的,因而电机的全部损耗增加小于20%。如果电机在50Hz正弦电源时的效率为90%,则由于谐波存在使电机效率只降低1%一2%。如果外加电压波形的谐波成分明显地大于6阶梯波时的谐波成分,则电机的谐波损耗将大大增加,而且可能大于基波损耗。就是在6阶梯波电源时,一个低漏抗的磁阻电机可能吸收一个很大的谐波电流,从而使电机的效率下降5%或更多。在这种情况下,为了满意地运行,就要使用12阶梯波的逆变器,或采用六相的定子绕组。电机的谐波电流和谐波损耗实际上与负载无关,因此时间谐波的损耗大小实际上可以在空载情况下用正弦电源和非正弦电源进行比较确定。以此来确定某种型式或某种结构的电机效率下降的大致范围。