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在变频调速的过程中会对普通异步电机产生哪些影响?

变频器的变频调速技术对电机及其效率的影响无论采用何种控制方式,其输出到电机端的电压脉冲都是非正弦的。因此,分析普通异步电动机在非正弦波下的运行特性,就是变频调速对电动机的影响。

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主要有以下几个方面:

电机的损耗和效率在非正弦电源下运行的电机,除了基波引起的正常损耗外,还会有许多附加损耗。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、定子铜损定子绕组中的谐波电流使得I2R增大。当忽略趋肤效应时,非正弦电流下的定子铜损与总电流有效值的平方成正比。若定子相数为m1,每相定子电阻为R1,则总定子铜损P1为包括基波电流在内的总定子电流有效值Irms代入上述公式,可得公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相应漏磁通的出现,漏磁通磁路的饱和度增加,从而励磁电流增加,因此电流的基波分量也增加。

2.转子铜损在谐波频率下,定子绕组的电阻一般可以认为是常数,但对于异步电动机的转子,由于集肤效应,其交流电阻大大增加。尤其是深槽的笼型转子尤为严重。正弦波电源下的同步电机或磁阻电机,定子空间谐波磁势小。转子表面绕组引起的损耗可以忽略不计。当同步电机在非正弦电源下运行时,时间谐波磁势会感应出转子谐波电流,就像异步电机在接近其基波同步转速下运行一样。

反向旋转的5次谐波磁位和正向旋转的7次谐波磁位都会感应出6倍基频的转子电流。当基频为50Hz时,转子电流频率为300Hz。类似地,11次和13次谐波感应出12倍于基频的转子电流,即600HZ。在这些频率下,转子的实际交流电阻远大于DC电阻。转子电阻的实际增加取决于导体横截面和导体所在的转子槽的几何形状。通常,对于纵横比约为4的铜导体,在300±50Hz时,交流电阻与DC电阻之比约为2.6。该比值在600赫兹时约为3.7。在更高的频率下,该比率与频率的平方根成比例增加。

3.由于电源电压中的谐波,谐波铁损电机中的铁芯损耗也会增加;定子电流的谐波在气隙之间建立了时间谐波磁动势。气隙中任一点的总磁势是基波和时间谐波磁势的组合。对于三相六阶电压波形,气隙中的峰值磁密比基波值大10%左右,但时间谐波磁通引起的铁损增加很小。端部漏磁通和斜槽漏磁通引起的杂散损耗在谐波频率作用下会增大,在非正弦供电时必须考虑:定子和转子绕组都存在端部漏磁通效应,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之间相位差的变化,斜槽结构中出现斜槽漏磁通,其磁势在末端达到最大值,造成定子和转子铁芯和齿中的损耗。

4.电机效率的谐波损耗显然取决于施加电压的谐波含量。谐波分量大,电机损耗增加,效率下降。然而,大多数静态逆变器不会产生低于5阶的谐波,而高次谐波的幅度很小。这种波形的电压不会严重降低电机的效率。中等容量异步电动机的计算和对比试验表明,其满载有效电流比基波值高4%左右。如果忽略趋肤效应,电机的铜损与总有效电流的平方成正比,谐波铜损为基波损耗的8%。考虑到集肤效应可使转子电阻平均增加3倍,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%,谐波铜损会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分量相对较低,则谐波铁损不会像6阶波那样增加10%以上。如果铁损和杂散损耗占电机总损耗的40%,那么谐波损耗只占电机总损耗的4%。摩擦和风阻损耗不受影响,所以电机总损耗增加不到20%。如果在50Hz正弦电源下电机效率为90%,由于谐波的存在,电机效率只会下降1%-2%。如果外加电压波形的谐波分量明显大于6阶波的谐波分量,电机的谐波损耗将大大增加,并可能大于基波损耗。在6步供电的情况下,具有低泄漏阻抗的磁阻电机可能吸收大的谐波电流,从而使电机的效率降低5%或更多。在这种情况下,为了令人满意地运行,有必要使用12级逆变器或六相定子绕组。电机的谐波电流和谐波损耗实际上与负载无关,所以实际上可以通过比较正弦电源和非正弦电源在空载情况下的谐波损耗来确定。这样就可以确定某一类型或结构的电机效率下降的大致范围。

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