變頻器在變頻調(diào)速時(shí)對(duì)普通異步電機(jī)的影響

調(diào)速電機(jī)就其設(shè)計(jì)初衷而言是專為交流調(diào)速而用的，但是變頻調(diào)速的興起最直接的原因就是普通異步電機(jī)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)、低廉的成本和方便的調(diào)速。如果說(shuō)變頻調(diào)速必須要配用變頻專用電機(jī)的話，那么就產(chǎn)生了一個(gè)矛盾，變頻調(diào)速固有的簡(jiǎn)單、堅(jiān)固、耐用性不是沒(méi)有了嗎？

變頻調(diào)速時(shí)對(duì)電機(jī)及其效能產(chǎn)生的影響變頻調(diào)速不論采用什么樣的控制方法其輸出到電機(jī)端上的電壓脈沖是非正弦的。所以普通異步電機(jī)在非正弦波下的運(yùn)行特性分析就是變頻調(diào)速時(shí)對(duì)電機(jī)產(chǎn)生的影響。

主要有以下幾個(gè)方面：

電機(jī)的損耗和效率非正弦電源下運(yùn)行的電機(jī)，除了基波產(chǎn)生的正常損耗外，還將出現(xiàn)許多附加損耗。主要表現(xiàn)在定子銅損、轉(zhuǎn)子銅損和鐵損的增加，從而影響電機(jī)的效率。

1、定子銅損在定子繞組中出現(xiàn)的諧波電流使I2R及增加。當(dāng)忽略集膚效應(yīng)時(shí)，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(shù)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(nèi)的總定子電流有效值Irms代入上式，可得式中的第二項(xiàng)代表諧波損耗。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，由于諧波電流的存在和與之相應(yīng)的漏磁通的出現(xiàn)，使漏磁通的磁路飽和程度增加，因而勵(lì)磁電流增大，從而使電流的基波成分也加大。

2、轉(zhuǎn)子銅損在諧波的頻率下，一般可以認(rèn)為定子繞組的電阻為常數(shù)，但對(duì)于異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子，其交流電阻卻因集膚效應(yīng)而大大增加。特別是深槽的籠形轉(zhuǎn)子尤為嚴(yán)重。正弦波電源下的同步電機(jī)或磁阻電機(jī)，由于定子空間諧波磁勢(shì)很小。在轉(zhuǎn)子表面繞組中引起的損耗可忽略不計(jì)。當(dāng)同步電機(jī)在非正弦電源下運(yùn)行時(shí).時(shí)間諧波磁勢(shì)感應(yīng)出轉(zhuǎn)子諧波電流，就像接近其基波同步轉(zhuǎn)速運(yùn)行的異步電機(jī)那樣。

反向旋轉(zhuǎn)的5次諧波磁勢(shì)和正向旋轉(zhuǎn)的7次諧波磁勢(shì)都將感應(yīng)出6倍于基波頻率的轉(zhuǎn)子電流，在基波頻率為50Hz時(shí)，轉(zhuǎn)子電流頻率為300Hz。同樣，第11次和第13次諧波感應(yīng)出12倍于基波頻率，即600HZ的轉(zhuǎn)子電流。在這些頻率下，轉(zhuǎn)子的實(shí)際交流電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于直流電阻。轉(zhuǎn)子電阻實(shí)際增大多少取決于導(dǎo)體截面和布置導(dǎo)體的轉(zhuǎn)子槽的幾何形狀。通常的長(zhǎng)寬比為4左右的銅導(dǎo)體，在50Hz時(shí)交流電阻與直流電阻之比為1.56，在300Hz時(shí)比值約為2.6；600Hz時(shí)比值約為3.7。頻率更高時(shí)，此比值隨頻率的平方根成比例增加。

3、諧波鐵損電機(jī)中的鐵心損耗也由于電源電壓中出現(xiàn)諧波而增大；定子電流的各次諧波在氣隙間建立了時(shí)間諧波磁動(dòng)勢(shì)。氣隙中任何一點(diǎn)的總磁勢(shì)是基波和時(shí)間諧波磁勢(shì)的合成。對(duì)于一個(gè)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(shí)間諧波磁通引起的鐵損的增加是很小的。對(duì)于端部漏磁通和斜槽漏磁通產(chǎn)生的雜散損耗，在諧波頻率作用下將有所增加，這一點(diǎn)在非正弦供電時(shí)必須考慮：端部漏磁效應(yīng)在定子和轉(zhuǎn)子繞組中都存在，主要是漏磁通進(jìn)入端板引起的渦流損耗。由于定子磁勢(shì)和轉(zhuǎn)子磁勢(shì)間相位差的變化，在斜槽結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生斜槽漏磁通，其磁勢(shì)在端部最大，在定轉(zhuǎn)子鐵心及齒中產(chǎn)生損耗。

4、電機(jī)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(jī)損耗增加，效率降低。但是大多數(shù)靜止逆變器不產(chǎn)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(duì)電機(jī)效率降低并不嚴(yán)重。對(duì)中等容量的異步電機(jī)進(jìn)行計(jì)算和對(duì)比試驗(yàn)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(yīng)，則電機(jī)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%?？紤]到由于集膚效應(yīng)使轉(zhuǎn)子電阻平均可增大3倍，因而電機(jī)的諧波銅損應(yīng)為基波損耗的24%。如果銅損占電機(jī)總損耗的50%，則諧波銅損使整個(gè)電機(jī)的損耗增加12%。鐵損的增加很難計(jì)算，因?yàn)樗茈姍C(jī)結(jié)構(gòu)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(duì)較低，像在6階梯波中那樣，諧波鐵損增加不會(huì)超過(guò)10%。如果鐵損和雜散損耗占電機(jī)總損耗的40%，則諧波損耗僅占電機(jī)總損耗的4%。摩擦損耗和風(fēng)阻損耗是不受影響的，因而電機(jī)的全部損耗增加小于20%。如果電機(jī)在50Hz正弦電源時(shí)的效率為90%，則由于諧波存在使電機(jī)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(shí)的諧波成分，則電機(jī)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(shí)，一個(gè)低漏抗的磁阻電機(jī)可能吸收一個(gè)很大的諧波電流，從而使電機(jī)的效率下降5%或更多。在這種情況下，為了滿意地運(yùn)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(jī)的諧波電流和諧波損耗實(shí)際上與負(fù)載無(wú)關(guān)，因此時(shí)間諧波的損耗大小實(shí)際上可以在空載情況下用正弦電源和非正弦電源進(jìn)行比較確定。以此來(lái)確定某種型式或某種結(jié)構(gòu)的電機(jī)效率下降的大致范圍。