4极变频电动机设计(编辑修改稿)

4极变频电动机设计(编辑修改稿)内容摘要：

图 电压型与电流型交 交变频器 电压型交一交变频器如图 （ a） 所示，图中并没有接入滤波电容器但供电整流器 逆变器 整流器 逆变器 正组变流器 负组变流器 负载 正组变流器 负组变流器 负载 变频电动机的研究 12 电网相对于负载具有低阻抗，也具有电压源性质。 电流型交一交变频器如图 （ b） 所示。 两组变流器都经过很大的波电感与电网相连，强制输出电流为矩形波，从而具有电流源性质。 电压型与电流型交一直一交变频器主要特点比较见表2所示： 类型 比较项目 电压型交 交变频器 电流型交 交变频器 直流回路滤波环节 电容器 电抗器 输出电压波形 矩形波 决定于负载，对异步电动机负载近似为正弦波 输出电流波形 决定于负载功率因数有较大的谐波分量 矩形波 输出阻抗 大 小 回馈制动 须在电源侧反井联逆变器 主电路不需附加设备 调速动态响应 较慢 快 对晶闸管的要求 关断时间要短，对耐矿井要求一般较低 耐压高，对关断时间无特殊要求 适用范围 电机拖动，稳频稳压电源 单电机拖动，可逆拖动 表 2 电压型与电流型交一直一交变频器主要特点比较 变 频器的特性 1．输入侧的额定值 主要是电压和相数。 在我国，中小容量变频器中，输入电压的额定值有以下几种 (均为线电压 )： (1)380V， 3相 这是绝大多数。 (2)220V， 3相 主要用于某些进口设备中。 (3)220V，单相 主要用于家用小容量变频器中。 此外，对输入侧电源电压的频率也都作了规定，通常都是工频 50Hz 或60Hz。 2．输出侧的额定值 变频电动机的研究 13 (1)输出电压 nU 变频 器在变频的同时也要变压，所以输出电压的额定值是指输出电压中的最大值。 在大多数情况下，它就是输出频率等于电动机额定频率时的输出电压值。 通常，输出电压的额定值总是和输入电压相等的。 (2)输出电流 NI 是指允许长时间输出的最大电流，是用户在选择变频器时的主要依据。 (3)输出容量 nS nS 取决于 nU 和 nI 的乘积。 3S U In n n 3. 频率指标 (1)频率范围 即变频器输出的最高频率和最低频率。 各种变频器规定的频率范围不尽相同。 通常最低工作频率约为 ~1hz；最高频率约为 200~500hz (2)频率精度 指变频器输出频率的准确程度。 由变频器的实际输出频率与给定频率之间的最大误差与最高工作频率之比的百分数来表示。 (3)频率分辨率 指输出频率的最小改变量，即每相邻两档频率之间的最小差值。 例如： 当工作频率为 f=25hz 时，如频率器的分辨率为 ，则上一挡 的最小频率为 39。 ( 2 5 0 .0 1 ) 2 5 .0 1f H z H z   对于变频器的给定频率和输出频率的概念有必要做如下的区分： 给定频率 —— 与给定信号对应的频率。 给定信号不变：；给定频率也不变。 输出频率 —— 变频器实际输出的频率。 在转差补偿控制和矢量控制时，为了使拖动系统的转速保持恒定，变频器的输出频率是随着负载的变化而经常被调整的，因而是经常变动的、不固定的。 频率的给定 方法 1．面板给定 利用面板上键盘的数字增加键 (^键 )和数字减小键 (V 键 )来进行频率的数字量给定和调整。 早期的变频器是用面板上的电位器来进行模拟量给定和调整的，故无键盘。 2．预置给定 通过程序预置的方法预置给定频率。 起动时，按运行键 (RUN或 FWD 或 REV键 )，变频器即自行升速至预置的给定额率为止。 3．外接给定 从控制接线端上，引入外部的电压或电流信号，进行频率给定。 这种方法常用于远程控制的情况下。 变频电动机的研究 14 变频器的外接给定配置 所有的变频器都为用户提供了可以进行外接给定的 控制信号输入端。 以 FRE500 系列变频器为例，其接线情况如图。 今说明如下： 1．外接电压给定信号端 (VRFGND) 当外接给定信号是电压信号时，将外接信号线接到此接线端上。 不同的频率器对外接电给定信号的规定也不相同。 主要有以下几种： 0~10v： 0~5v 等几种。 外接电压给定信号又有两种给定方式： A 直接输入电压信号，通常用于和计算机或其他控制装置配用的情况。 B 利用变频器的内部控制电压，由外接电位器取出电压给定信 号。 2．外接电流给定信号端 (IRFGND) 当外接给定信号为电流信号时，将外接信号线接到此接线端。 电流给定信号由于不受线路电压降，接触电阻极其压降，杂散的热电效应以及感应噪声等的影响，具有较强的抗干扰能力。 所以在控制距离较远时，采用电流给定方式为好。 电流给定信号的取值范围通常时 420mA，这是为了区分零信号和无信号。 零信号：信号的大小为“零” —— 信号的最小值。 无信号：因系统处于未工作状态或故障状态而没有信号（电流为 0） 外接电位器的选择 各种变频器的说明书上对外接电位器 的阻值和瓦数都有规定。 但用户一时 图 变频器的给定信号端 变频电动机的研究 15 买不到与说明书要求相符的电位器的情况时有发生，于是就提出了现有电位器能否代用的问题。 对于代用电位器，大体上应遵循以下几条原则： (1)阻值只可增大而不宜减小。 因为阻值小了，将增加变频器内部控制电源的电流。 在不了解变频器内部电路的情况下，应尽量避免这种情况。 (2)阻值太大，电位器取用的电流太小，在控制距离较远时，会使抗干扰能力变差。 此外，也有一个和变频器内部电路的匹配问题，故电位器的阻值一般以不大于 10kΩ为宜。 (3)由于外接电位器在工作过程中调节比较频繁，必须考虑其 内部触点的耐磨性，故电位器的瓦数宜大不宜小。 一般应按实际消耗功率的 10 倍以上来选择。 例如，电源电压为 10V、电位器阻值为 2k，则电位器消耗的功率为2 1 20P U R w，应选电位器的功率为 1/2 以上的。 此外，如果现有电位器的阻值小于说明书的规定值时，则可使电位器串联一个附加电阻 aR ，使 ( a RPRR )大于规定值即可。 具体 接法如图。 但在这种情况下，必须对频率增益进行正确设定，使电 位器旋至最大位置时，能够得到所需要的最高频率。 外接控制的电路结构 1. 变频器的外接输入电路 如图所示，外部的控制信号通常是由开关来传递的。 控制开关的通，短信息，通过变频器的输入电路的光耦合器而传递到内部的控制电路中。 2. 外接输入开关的结构 外接输入开关可以是有触点的，如 继电器、按钮、行程开关等；也可以是无触点的开关电路 ,如 :接近开关、可编程序控制器 (PLC}图 电位器和附加电阻串联 变频电动机的研究 16 等的输出电路。 无触点开关电路总是有自己的电源的，于是又有两种情形： (1) 无触点开关电路的输出级为光耦合器，其电源和变频器内部控制电路的电源间互相隔离，如图 所示。 2)无触点开关电路的输出级为晶体管，从而其输出电路和变频器的输入电路间不可能完全隔离。 如图 所示。 变频器的谐波干扰及其对电机运行的影响 变频器的输入和输出电流中，都含有很多谐波成分。 除上述的能构成电源无功损耗的较低次谐波外，也还有许多频率很 高的谐波成分。 它们将以各种方式把自己的能量传播出去，形成对其他设备的干扰信号。 干扰信号的传播方式主要有以下几种： (1)空中辐射方式 即以电磁波的方式向外辐射。 (2)电磁感应方式 即通过线间电感而感应。 (3)静电感应方式 即通过线间电容而感应。 当变频调速系统的容量足够大时，所产生的高频，信号将足以对周围各种电子设备的工作形成干扰，其主要后果有： (1)影响无线电设备的正常接收。 (2)影响周围机器设备的正常工作，使它们因接收错误信号而产生误动作，或因影响传感器电路的检测而引起错误判断。 图 输入控制信号电路 图 的隔离 变频电动机的研究 17 第 3 章变频器电源谐波对电机运行性能的影响 随着近代交流调速技术的广泛应用，采用电力半导体变频器供电的交流电 机越来越多。 由于变频器的输出电压和电流中包含一系列的高次谐波，将给电 机的性能带来许多不利的影响。 电源谐波分量的确定 电源谐波分量与变频器的类型，电机绕组的接线方式以及电机的运行状态等因素有关。 下面以目前广泛采用的几种典型的变频器供电方式为例，分析供电电源中可能存在的电压和电流谐波分量。 1. 电压源 PWM 逆变器电压源 PWM 逆变器的脉宽调制方法种类很多，通常采用的是等腰三角形调制方法。 为了使逆变器的输出电压接近正弦波，一般采用一个基准正弦波电压与等腰三角形调制信号进行比较，以获得一系列脉宽不等的电压脉冲，如图 所示。 三角波与基准正弦波的频率之比 N 称为载波比，而基准正弦波的幅值 A5 与等腰三角波幅值 At 之比称为调幅比， * /A A As s t。 图 所示为载波比 N=调幅比 *As = 时的脉宽调制波形。 图 （ b）中逆变器输出电压 Au 为奇函数，可以展成正弦级数 si n( )1A kw tb kku  (31) 其中 2 s in ( ) ( )0 kw t d w tb k   (32) Au 可以看成一个在 0 区间内 Ud与脉冲个数为 i 幅值为 2Ud而宽度不等的脉冲序列相叠加。 由于载波比 N一般为奇数，故 i= (N1) /2，而脉冲的宽度 分别为 _ _ _a a a a a a2 1。 4 3。 2 i 2 i 1。 因此，式 (32)可表示为 : 2 a 2{ s in ( ) ( ) 2 [ s in ( ) ( )0 a1k w t d w t k w t d w tbUkd   变频电动机的研究 18 aa4 2 is in ( ) ( ) s in ( ) ( ) ] }3 2 i 1k w t d w t k w t d w t 4 [ 1 ( c o s c o s ) ]aa2 j 1 2 j1i kku dk j    (33) 图 如果输出电压用标么值表示，取 **/(4 / )u u uA A d  ，将式 (33)代入式 (31)后可得 1* [ 1 ( c o s c o s ) ] s i naa2 j 1 2 j11 i k k k w tu A kkj    （ 34） 其中第 k次 谐波电压幅值的标么值1* / ( 4 / ) [ 1 ( c o s c o s ) ]aa2 j 1 2 j1iu kkb dk b kk j     （ 35） 如果已知载波比 N及调幅比 *As ， 21aj ， 和 a2j ，的求法如图。 本例中 N=7，则 i=(N一 1)/2=3，需要求 6个 a值。 变频电动机的研究 19 图 32调制脉宽的确定 由图 : /a 1* sin a 1/( 2 )NA sN / 3 / ( 2 )a1NN 2/ a 2* sin a 2/( 2 )NA sN 3 / ( 2 ) 2 /a2NN 3/a 3* sin a 3/( 2 )NA sN 3 / 7 / ( 2 )a3NN 写成一般表达式则有 * si n [ ( 2 1 ) / ] / [ / ( 2 )aa2j 1 2j 1 j N NA s    (36) * s i n [ / ] / [ / ( 2 )]a a a2 j 2 j 2 jNNA s  (37) 其中 j=1, 2，„„ j 根据给定调幅比 *As 值，由式 (36)和 (37)直接解出 a2j 和 a2j1 值比较 困难，但可以采用相反的办法，先假定 a2j 和 a2j1 值，用式 (36)和 (37)求 出相应的 *5A 值。 对应于一系列 a2j 和 a2j1 值，可求得 * ()2fAs a j 和 * ()21fAs a j  函 数曲线，然后再由值 *As 查取对应的 a2j 和 a2j。