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变频调速转子异步电机效能提升研究

冯德传 方 丽

(1.莒南县涝坡水利服务中心，山东 莒南 276600;2.莒南县岭泉水利服务中心，山东 莒南 276600)

据统计，我国每年的耗电量中，工业耗电量占总耗电量的70%，而电机系统的耗电量则占工业总耗电量的60%～70%。从电机自身看，我国电机效率平均水平比国外低3%～5%，目前在用的高效电机仅占3%左右；从电机系统看，因匹配不合理、调节方式落后等原因，电机系统运行效率比国外先进水平低10%～20%。莒南县近期打算建设涝坡、文疃、石莲子、筵宾、岭泉、道口、大店七个片区，新建泵站13座，

从电机的控制方式来看，变频调速电机由于其结构简单、制造方便、价格低廉、坚固耐用、运行可靠、维护简单等优点，已被普遍应用于现代水利的各领域，在高转速、高可靠性以及防污染、防爆等方面有着明显的优势。变频调速电机具有高效的驱动性能和良好的控制特性，还可以节约大量电能。

工频转子电机虽然在效率上有了明显提高，但其启动电流变大，启动转矩变小，有时甚至超出了异步电机设计标准的容差范围。传统的变频调速异步电机在不同频段的响应上也存在明显不足，通过实际频率响应实验发现，传统铸铝转子电机的转子电阻随着频率的提高呈线性增加的趋势，这使得电机在高频段发热严重。理想的异步电机转子电阻在低频和高频段应该比较低，从而减少转子损耗；在中频段或额定频段，转子电阻则应比较高，用于增加电机旋转力矩，通过对变频调速转子异步电机的电磁进一步研究改进，可以有效解决铸铜转子启动电流大、启动转矩小、电机损耗高等问题。

1 电磁设计

变频调速转子电机的电磁设计与普通异步电机的设计存在很大差异，对于变频调速转子电机而言，利用传统异步电机的电磁设计方法很难使电机性能达到最佳。造成这种差异的原因主要有两个方面。一方面，变频调速转子电机的供电电压和电流为非正弦，其中的谐波分量对电机的运行性能会产生显著影响。电机中谐波的存在会引起电机的定子铜耗、铁耗和附加损耗的增加，这些损耗的增加又将导致电机温度升高和磁路变化，进而影响电机磁负荷和电负荷等参数的选取和设计。另一方面，对转子重新设计后，由于电机参数之间存在相互耦合，并呈复杂的非线性关系，个别材料参数发生了变化，使得电机电流密度、磁通密度、热负荷等重要参数也随之发生变化，进而直接影响到整个电机的磁场分布和整体电磁性能。因此，为得到最优的电机性能，对变频调速转子电机的电磁参数设计需要进行更加细致的考虑。

1.1 磁路计算

通过磁路计算可以校核电机各部分磁通密度的选择是否合理，进而指导电机磁负荷的选取。对于变频调速铸铜转子异步电机，由于定子绕组中含有一系列的高次谐波，电机气隙中将同时存在基波和一系列的时间谐波磁势。基波磁势和谐波磁势共同合成的气隙磁密可用式(1)

Bm(φ,ωt)=Bm1cos(φ-ωt)+Bm5cos(φ+5ωt)

+Bm7cos(φ-7ωt)+…+Bmkcos(φ±kωt)

(1)

式中：φ为沿气隙圆周的位移角，rad；Bm1、Bmk分别为基波和k次谐波磁密幅值，A。

由式(1)可知，合成气隙磁密的幅值沿气隙圆周方向不再是常数，而是随φ和ωt变化的。当合成气隙磁密大于基波磁密时，必然会导致电机主磁路饱和程度增加。此外，谐波漏磁通还会使漏磁路饱和程度增加，基波漏抗明显降低，激磁电抗减小，激磁电流增大。

针对变频调速转子异步电机的电磁特点，充分考虑谐波因素对电机磁路的影响，引入“等效磁通”来进行磁路计算。

将φ=ωt=0代入式(1)中，可得

Bm(0,0)=Bm1+Bm5+Bm7+…+Bmk

(2)

即

Φ=Φ1+Φ5+Φ7+Φ11+…+Φk

(3)

由于

U≈E=4.44fNKdpΦ

(4)

式中：f为电流频率，Hz；N为电枢绕组每相串联匝数；U为电枢绕组相电压，V；Kdp为电枢绕组系数。

则k次谐波磁通可以表示为

(5)

式中：Φ1为基波电压形成的每极磁通，Wb；U1、Uk分别为基波电压和k次谐波电压，V。

将式(5)代入式(3)中，并引入修正系数ε，便可得到等效磁通的计算公式

(6)

因此，变频调速转子异步电机的磁负荷(气隙磁密)可表示为

(7)

式中：α′p为计算极弧系数；lef为电枢计算长度,m；τ为极距。

1.2 电流计算

电机电磁设计的另一个重要参数为线负荷，线负荷的取值与电机电流有着密切的关系。变频调速转子异步电机电压中含有较强的高次谐波分量，在给定电压下，电机的电流由等值电路的参数和转差率及电压频率决定。

变频调速转子异步电机的等值电路见图1。