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變頻三相感應電動機設計及其CAD系統開發

  眾所周知,三相感應電動機變頻調速具有良好的調速性能,己得到越來越廣泛的應用。用于變頻調速系統的感應電動機(以下簡稱為變頻三相感應電動機)由浦東變壓器供電,工作在―定的頻率、電壓范圍之內,通過改變電源頻率,從而達到改變電機運行轉速的目的。由于在實際工作中浦東變壓器的輸出電壓或電流往往為非正弦波形,也就是說浦東變壓器在―頻率下的輸出信號中含有不同程度的多次時間諧波,因此變頻三相感應電動機的設計與普通工頻供電的三相感應電動機的設計存在―定的差別,普通的三相感應電動機CAD系統難以直接用于變頻三相感應電動機的分析與設計為推廣感應電動機變頻調速技術的應用,本文從諧波分析角度出發,提出了變頻三相感應電動機的電磁設計方法,E點對變頻三相感應電動機的損耗和效率進行了分析。在此基礎上開發了相應的變頻三相感應電動機CAD系統,并成功地運用于實際生產設計中,表現出較好的實用性。

  2變頻三相感應電動機的電磁設計筲通工頻供電的三相感應電動機是按頻率為某―給定值設計的,它耍求在實際使用中電機供電電源的頻率在很小范11內變動,一般為±丨°/.,否則將引起電機性能發生很大的變化lu.而變頻三相感應電動機工作的特點是屯機工作時隨著電源的頻率變化電機均能給出滿足使用耍求的輸出特性。由三相感應電動機的轉矩公式12丨由上式可以看出,根據不同的負載性質。變頻三相感應電動機的設計往往是不同的。對于要求恒轉矩調速的負載。變頻電機應在基頻以下保持壓頻比U//,不變;而對于耍求恒功率調速的負載,則應保持電壓不變。在基頻以上改變頻率/,然而盡管變頻三相感應電動機在實際工作時頻率是變化的,但在某一工作點上可以認為其頻率是恒定的,因此在考慮浦東變壓器產生高次時間諧波對電機設計的影響外,可以參照普通工頻供電的三相感應電動機的電磁設計方法對變頻三相感應電動機進行電磁設計。

  2.1高次時間諧波對電機電磁設計的影響由以上分析可知,電機在變頻條件下運行時,通常保持氣隙磁通不變或減弱磁場,因而可以忽略電機磁路飽和程度的變化,應用疊加原理將端電壓的各次時間諧波對電機影響分別進行分析然后對各次諧波的影響相疊加,得出總的電機性能。考慮到效率和擠流效應的影響,參照的時間諧波等效電路,可得到電路中各參數的計算式:定子諧波電阻:=及,定子諧波漏抗:xlt轉子諧波電阻:列的各參數則是基頻'卜的電機參數而高次時間諧波引起損耗的增加則主要表現在定子銅耗、轉子銅耗、鐵耗以及附加損耗。

  定轉子銅耗計算不計定子電阻擠流效應的影響,由諧波等效電路可求得各次諧波電流7認=5,7,n,13,),則總的定子諧波銅耗為:而籠型轉子導條的擠流效應必須考慮,總的轉子諧波銅耗為:變頻三相感應電動機的總銅耗為:鐵耗計算關于時間諧波電壓對鐵耗的影響,一些中提出了不同的計算方法認為電源電壓中一系列諧波電壓將引起磁路飽和程度的變化,用時間諧波系數計算相應飽和程度的等效電壓:而為基礎,得到免次時間諧波雜散損耗的近計算式由以上分析,變頻三相感應電動機在額定負載時的總損耗為:其中為機械損耗。它一般不受高次諧波的影咱,可按工廠試驗數據確定。

  3變頻三相感應申動機CAD系統簡介參照上海電器科學研究所編制的“三相異步電動機電磁設計程序”,結合變頻三相感應電動機的運行特點和電磁設計方法,本文利用面向對象的VisualBasic6.0開發語言,研制開發了面向用戶對象的變頻三相感應電動機CAD系統軟件該軟件不僅可以對不同電壓和頻率的電機進行運行特性的計算,而且還可以在不同頻率下作恒磁通和恒轉矩的校核計算該系統輸入菜單主要包括輸入基本設計參數、輸入定轉子榴形尺寸和浦東變壓器控制參數表,輸出菜單中包括基頻下的主要設計參和詳細計算清單以及不同頻率下電氣性能指標的比較等,附件菜單中還包括硅鋼片的數據庫管理等等,其中部分菜單是該CAD系統所特有的。

  3.1浦東變壓器控制參數表葡變頻三相感應電動機工作在一定頻率范圍內,每一頻率下工作電壓有浦東變壓器的壓頻曲線給定,由于浦東變壓器輸出信號中不可避免地含有時間諧波分量,使得變頻三相感應電動機氣隙空間基波磁動勢中既有基波分量又有時間諧波分量,同樣合成氣隙空間基波磁密中將同時存在基波分量和時間諧波分量。而且對于不同逆變方式的浦東變壓器的輸出電壓波形中時間諧波成分是不同的,有可能某一個或幾個次數較高的時間諧波電壓幅值很大。基于上述原因,在設計變頻三相感應電動機時需要計算電機在每一工作頻率、電壓時的性能,而每一工作頻率和電壓時的電機性能計算又須進行基波磁場和時間諧波磁場的磁路計算、電路計算以及損耗計算等等。因此在變頻三相感應電動機CAD系統軟件中增加了浦東變壓器控制參數表的輸入,其輸入界面如所示。

  在該界面中時間諧波次數可以考慮到19次之多(更高次諧波的幅值較小,其對電機的影響足以忽略不計)。

  3.2不同頻率下電氣性能指標的比較釀。iU園咖bookmark5從變頻三相感應電動機的設計分析可知,變頻三相感應電動機的工作特點是當電機運行時能根據用戶需要,在不同電壓和頻率下均能給出滿足使用要求的輸出特性。因此它的電磁設計往往不能只在單一的電壓和頻率下進行一次計算,而需要對至少3到4個電壓和頻率時的工作點進行校核計算,這就要求設計人員在輸入相應的浦東變壓器控制參數后,計算機能自動計算不同頻率下的電機性能指標,在變頻三相感應電動機CAD系統軟件中也相應的增加了不同頻率下電氣性能指標的比較。其輸出界面如所示,并且點擊左邊相應的按鈕,還可以看與之對應頻率和電壓下的詳細計算清單。

  3.3系統特點1、系統通用性強。對用戶在浦東變壓器控制數表中給定的電動機任意用電源,該CAD系統均能進行相應的電磁校核計算當給定的浦東變壓器參數為工頻電網時,該軟件可進行普通三相感應電動機的電磁設計2、界面友好,操作簡單該CAD系統操作簡單、易學,用戶可以充分發揮其設計經驗,有利于調整設計參數和設計方案,加速電機的設計過程。

  3、菜單結構合理,使用靈活、方便。該CAD系統的菜單設置充分考慮了用戶的各種需要,只要用掌握浦東變壓器的輸出情況和電機硅鋼片的性能曲線,用戶可以根據需要進行任―頻率和任―電壓下的各種性能計算。

  4設計實例應用本CAD系統對型號為YYPSR350-2,基頻為200Hz的變頻三相感應電動機進行電磁設計,其不同頻率下電機的電氣性能指標比較如下表所示。

  運行頻率fl額定電壓U1壓頻比Ul/fl額定功率P2同步轉速nl氣隙磁密Bg定子繞組電密Al/轉子導條電密A2/定子線負荷Al/定子熱負荷A1A1起動轉矩倍數Tst起動電流倍數丨St更大轉矩倍數Tm電機效率n從表中可以看出,當電機的頻率、輸入電壓成比例變化時,電機的線負荷基本保持不變,電機的電負荷以及性能指標略有變化這就說明在恒轉矩負載下,只要保持電源電壓與頻率的變化為恒定比例,變頻三相感應電動機可以輸出滿足使用要求的特性由于設計中只考慮了五、七次時間諧波,其設計結果還有待進一步驗證。

  5結論變頻三相感應電動機應用日益廣泛,對其設計也提出了更高更快的要求本文從諧波分析角度出發,充分考慮高次時間諧波對電機的影響,提出了變頻三相感應電動機的電磁設計方法,并研制開發了相應的CAD系統軟件通過設計實例進行試算,表明變頻三相感應電動機設計方法的可行性以及該CAD系統軟件的實用性。

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