三相異步電動機特性及其變頻調(diào)速分析

楊雪林

（一重集團大連工程建設(shè)有限公司，遼寧大連，116600）

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三相異步電動機特性及其變頻調(diào)速分析

楊雪林

（一重集團大連工程建設(shè)有限公司，遼寧大連，116600）

摘要：電動機是目前應(yīng)用最為廣泛的電氣傳動裝置，針對三相異步電動機，利用電工理論，深入分析了其等值電路，將轉(zhuǎn)子回路折算到定子側(cè)，形成一個完整的統(tǒng)一回路，在等值電路的基礎(chǔ)上分析了各種方程式，方程式對電動機的能量傳遞過程有了深刻直觀的體現(xiàn)，根據(jù)方程式繪制了工作特性曲線。各種電動機控制方法大有不同，針對三相異步鼠籠型電動機，本文分析了現(xiàn)代最流行的驅(qū)動系統(tǒng)，即變頻驅(qū)動，分析了變頻器應(yīng)用時的相關(guān)注意事項及變頻調(diào)速的優(yōu)良特性。

關(guān)鍵詞：電動機；傳動；變頻器；調(diào)速系統(tǒng)

引言

按電源性質(zhì)可以把電動機分為直流電動機和交流電動機。

直流電動機按供磁方式分為勵磁電動機和永磁電動機，勵磁電動機有三種勵磁方式，即他勵、串勵、復(fù)勵，永磁電動機一般都是小功率的電動機[1]。交流電動機分為異步電動機和同步電動機，異步電動機按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可分為鼠籠型電動機（轉(zhuǎn)子）和繞線型轉(zhuǎn)子電動機，異步電動機定子由三個在空間互隔120°電角度、對稱排列的結(jié)構(gòu)完全相同繞組連接而成，這些繞組的各個線圈按一定規(guī)律分別嵌放在定子各槽內(nèi)。

同步電動機有三類，具有勵磁式或永磁式的普通同步電動機、無換向器同步電動機、磁阻同步電動機。交流異步電動機就是常提到的感應(yīng)電動機，感應(yīng)電動機除分為鼠籠感應(yīng)電動機和繞線型感應(yīng)電動機外，按定子電源相數(shù)又分為單相、兩相（屬于單相）、三相感應(yīng)電動機。

1　三相感應(yīng)電動機方程式

分析三相感應(yīng)電動機的方程式，首先分析電動機的等值電路，如圖1所示。電動機通過電磁感應(yīng)的方式將電能轉(zhuǎn)換為機械能，由轉(zhuǎn)子的輸出帶動負載運轉(zhuǎn)。

圖1　三相感應(yīng)電動機等值電路

U1、E1、E'2、I1、I'2、R1、R'2、X1、X'2、Im、Rm、Xm、S分別為定子繞組的相電壓、定子繞組相電動勢、轉(zhuǎn)子折算到定子側(cè)的相電動勢、定子繞組相電流、轉(zhuǎn)子折算到定子側(cè)的相電流、定子繞組相電阻、轉(zhuǎn)子折算到定子側(cè)的相電阻、定子繞組相電抗、轉(zhuǎn)子折算到定子側(cè)的相電抗、勵磁電流、勵磁電阻、勵磁電抗、轉(zhuǎn)差率。三相感應(yīng)電動機等值電路簡化了電動機工作電路原理，優(yōu)化了電磁轉(zhuǎn)換抽象過程，形成一個整體的直觀電工電路。利用電工理論對等值電路進行分析，電源輸入三相總有功功率[3-4]:

cosφ1為電源功率因數(shù)，定子三相銅耗:

消耗于電動機鐵芯中三相鐵耗:

因為有功功率只消耗在電阻上，整個電路只有定子回路電阻、勵磁電阻、轉(zhuǎn)子回路電阻，電源輸入的有功功率扣除定子銅耗、鐵芯中鐵耗就得到折算后的轉(zhuǎn)子回路電阻上的總有功功率，即電磁功率:

cosφ2是轉(zhuǎn)子回路功率因數(shù)，轉(zhuǎn)子折算到定子側(cè)轉(zhuǎn)子三相銅耗:

電磁功率減去定子側(cè)轉(zhuǎn)子三相銅耗就得到可以利用的總機械功率:

總機械功率公式通過變形轉(zhuǎn)換可以表示為:

（功率為轉(zhuǎn)矩N.m與機械角速度rad/s之積），轉(zhuǎn)子機械角速度:

等效轉(zhuǎn)子電角速度此處定義為:

p電動機機對數(shù)，f是電源頻率。電動機的損耗還包括軸承、風(fēng)扇等運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的摩擦損耗（機械損耗），定轉(zhuǎn)子磁動勢中含有高次諧波磁動勢，這部分磁動勢將產(chǎn)生損耗（附加損耗），電動機軸輸出功率:

將以上所有分析歸納起來:

通過該公式可以清楚的看到電動機輸出功率與其它各種損耗之間的關(guān)系。以上主要針對電動機各種功率進行了分析，接下來對電動機的轉(zhuǎn)矩進行分析，電磁轉(zhuǎn)矩:

即電磁轉(zhuǎn)矩為空載轉(zhuǎn)矩與輸出轉(zhuǎn)矩之和，電磁轉(zhuǎn)矩也可表示為:

為電源電磁（同步）機械角速度，n1為電源電磁轉(zhuǎn)速（同步轉(zhuǎn)速），CT感應(yīng)電動機的轉(zhuǎn)矩常數(shù)，Φm電動機的主磁通幅值。由于感應(yīng)電動機的勵磁阻抗很大，就可以忽略勵磁回路，那么電磁轉(zhuǎn)矩表達式可進一步表示為:

由等值電路圖得到定子繞組電流相量表達式為:

通過推導(dǎo)可得電動機轉(zhuǎn)子電流頻率:

通過以上分析，電動機幾乎所有的計算都基于這些方程式，為做進一步分析及電動機控制選型等奠定了堅實基礎(chǔ)。比如運用這些方程式可以分析電動機的各種特性曲線。

2　三相感應(yīng)電動機特性

三相感應(yīng)電動機的工作特性主要指各種參數(shù)與輸出功率的關(guān)系，特別重要的有電源側(cè)功率因數(shù)、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)差率）、效率、電磁轉(zhuǎn)矩、電源側(cè)電流等，如圖2所示。

圖2　三相感應(yīng)電動機特性

轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)差率:

電動機啟動后，空載時，轉(zhuǎn)子沒有輸出，此時可以近似認為轉(zhuǎn)子沒有電流，即PCu2為零，轉(zhuǎn)差率為零，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速近似等于同步轉(zhuǎn)速；當(dāng)有負載后，負載逐漸變大，輸出功率逐漸變大，轉(zhuǎn)子電流逐漸變大，此時轉(zhuǎn)差率也會逐漸變大，就導(dǎo)致轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速比空載時的轉(zhuǎn)速略下滑。

定子電流表達式在上節(jié)已進行了分析，表達式為一個相量表達式，空載時轉(zhuǎn)子電流為零，隨負載逐漸變大，轉(zhuǎn)子電流逐漸變大就致使定子電流也會逐漸變大。

當(dāng)負載逐漸變大時，轉(zhuǎn)子電流的有功分量逐漸變大，定子電流的有功分量隨之也會逐漸變大，這就使得定子功率因數(shù)逐漸變大，當(dāng)接近額定負載時，定子側(cè)功率因數(shù)能達到最大，如果負載繼續(xù)變大，轉(zhuǎn)子電流中的無功分量會反而變大，反而導(dǎo)致定子側(cè)功率因數(shù)變小。

電磁轉(zhuǎn)矩為空載轉(zhuǎn)矩與輸出轉(zhuǎn)矩之和，隨負載逐漸變大，輸出轉(zhuǎn)矩必定逐漸變大，而空載轉(zhuǎn)矩幾乎不變，那么電磁轉(zhuǎn)矩就會隨負載變大而變大。

在空載到滿載過程中，電動機的鐵損及機械損耗變化很小，定義為不變損耗，定子銅耗及轉(zhuǎn)子銅耗和附加損耗是隨負載變化而變化的，定義為可變損耗，通過數(shù)學(xué)運算，利用導(dǎo)數(shù)求取最值的方法，得到不變損耗與可變損耗相等時，效率達到最大，當(dāng)繼續(xù)加大負載，效率反而會隨負載變大而變小，效率曲線近似為開口向下的凸曲線。

3　三相交流電動機調(diào)速

交流異步電動機的轉(zhuǎn)速公式:

交流同步電動機轉(zhuǎn)速公式:

按調(diào)速方法可分為變頻、變轉(zhuǎn)差率、變極對數(shù)。按調(diào)速效率可分為高效、低效率。按調(diào)速平滑性可分為有級、無級。按調(diào)速裝置所在位置可分為定子側(cè)、轉(zhuǎn)子側(cè)、轉(zhuǎn)子軸上。按使用的電動機分異步電動機，即鼠籠型及繞線轉(zhuǎn)子型、同步電動機。常用的有級調(diào)速有變極對數(shù)調(diào)速，高效，定子側(cè)，異步電動機；轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)轉(zhuǎn)差率，低效，轉(zhuǎn)子側(cè)，繞線轉(zhuǎn)子異步電動機。無級調(diào)速可以分為三大類，第一類定子側(cè)，定子側(cè)調(diào)壓，變轉(zhuǎn)差率，低效，異步電動機，定子側(cè)變頻，變電源頻率，高效，異步電動機或同步電動機。第二類轉(zhuǎn)子側(cè)，轉(zhuǎn)子側(cè)串級向下調(diào)速，變轉(zhuǎn)差率，高效，繞線轉(zhuǎn)子異步電動機，轉(zhuǎn)子側(cè)雙饋上下調(diào)速，調(diào)轉(zhuǎn)差率，高效，繞線轉(zhuǎn)子異步電動機。第三類轉(zhuǎn)子軸上，液力耦合器，調(diào)轉(zhuǎn)差率，低效，異步電動機或同步電動機，電磁轉(zhuǎn)差離合器，調(diào)轉(zhuǎn)差率，低效，異步電動機或同步電動機。

4　三相交流異步電動機變頻調(diào)速

目前，國內(nèi)對鼠籠異步電動機調(diào)速用得最多的是變頻調(diào)速方法，變頻調(diào)速是改變電動機定子電源的頻率，從而改變轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法。變頻調(diào)速系統(tǒng)主要設(shè)備是提供變頻電源的變頻器，變頻器可分成交流－直流－交流變頻器和交流－交流變頻器兩大類，目前國內(nèi)大都使用交－直－交變頻器。本方法適用于要求精度高、調(diào)速性能較好場合。

要進行變頻調(diào)速的鼠籠異步電動機需要專用的變頻電機，變頻電機是可以根據(jù)工作需要，通過改變電機的的頻率來達到所要的轉(zhuǎn)速要求，增加了強冷風(fēng)扇，用來保證電機在低轉(zhuǎn)速下的冷卻，變頻電機從電磁和結(jié)構(gòu)設(shè)計上講與普通電機有不同之處，更能適應(yīng)電源頻率的變化，專門制作的變頻電機，其作用實際上可理解為電抗器加普通電機。另外，由PWM變頻器產(chǎn)生的矩形斬波沖擊電壓疊加在電動機運行電壓上，會對電動機對地絕緣構(gòu)成威脅，對地絕緣在高壓的反復(fù)沖擊下會加速老化等。

變頻器的輸入端最好只接斷路器，如果接接觸器，也是拿它當(dāng)上電開關(guān)用，不能當(dāng)起停電機的控制用，控制電機的啟動停止，采用對變頻器的控制，決不要采用切斷與接通變頻器的輸入電源的控制方法，變頻器輸入端每次上電都是對器件的損傷。如果電源側(cè)加接觸器，其使用目的是，電源一旦斷電，自動將變頻器與電源脫開，以免在外部端子控制狀態(tài)下重新供電時變頻器自行工作，以保護設(shè)備的安全及人身安全，在變頻器內(nèi)部保護功能起作用時，通過接觸器使變頻器與電源脫開。輸入端加接觸器，只要不頻繁的通斷對變頻器威脅不大。

如果是一拖一情況下是沒有必要加輸出接觸器的，且加了沒有好處，在變頻器和電機是一拖二方案時，一用一備情況下是需要加接觸器來轉(zhuǎn)換工作電機的，在做控制時，需要先讓輸出接觸器動作吸合，使用接觸器的常開觸點作為變頻器運行的條件之一。輸出端加接觸器，輸出端接觸器在斷開時將有過電壓（電機感性負載）作用在功率組件上，變頻器雖然有吸收回路防止過電壓，造成故障不是必然的，但應(yīng)避免。所以不加是最好的，就算要加，也要在變頻器停止輸出后才能斷開，還要做連鎖防止變頻器有輸出時接通，否則大電流將燒壞IGBT。

在變頻器整流的過程中，產(chǎn)生大量的高次諧波，據(jù)濾波節(jié)能的不完全統(tǒng)計，最高的電流畸變率，可以達到70％以上，這些高次諧波，會通過與變頻器輸入端連接的電源線，進入到電網(wǎng)中，進而會影響到使用這一電網(wǎng)的敏感設(shè)備的正常工作，變頻器輸入濾波器，就是為了解決變頻器干擾電網(wǎng)的問題，同時，亦能解決變頻器遭受電網(wǎng)中的諧波危害所產(chǎn)生的過壓、欠壓、過載、過流、等誤報警、誤動作、拒動等問題，當(dāng)然，變頻器輸入濾波器的功能，還不止這些。變頻器輸出濾波器，就是安裝在變頻器輸出端，用以抑制變頻器逆變過程中產(chǎn)生的諧波，防止其順著變頻器輸出端與電機之間的連線進入電機，進而避免電機因遭受變頻器輸出端的諧波所引發(fā)的過熱、噪音過大、震動劇烈、絕緣快速老化等問題。

變頻器專用濾波器的主要構(gòu)件包括：濾波電容、濾波電感和電阻，而電抗器的主要構(gòu)件只有一個，那就是電感；變頻器專用濾波器，分為變頻器輸入濾波器和變頻器輸出濾波器兩種；電抗器，亦有兩種，一種是變頻器輸入電抗器，一種是變頻器輸出電抗器。變頻器輸入濾波器，取代變頻器輸入電抗器，基本沒有任何問題，因為輸入濾波器具有輸入電抗器的功能。但是，變頻器輸出濾波器，要想取代變頻器輸出電抗器，卻有一個難以逾越的鴻溝，雖然變頻器輸出濾波器的濾波能力遠大于變頻器輸出電抗器；然而變頻器輸出電抗器時，因其電感量比較大，可以更好的改善變頻器輸出線路上的分布電容，延長變頻器和電機之間的距離，這也是為什么長距離傳輸?shù)臅r候，用變頻器輸出濾波器和變頻器輸出電抗器進行配合的根本原因。一般情況下，在變頻器輸入端，選用的是變頻器輸入濾波器，而非變頻器輸入電抗器，考慮到成本問題，選用輸入電抗器也是可以的，在變頻器輸出端，一般選用的是變頻器輸出濾波器，如果是在長距離傳輸?shù)那闆r下（變頻器和電機之間的距離一般大于100米以上時），將變頻器輸出濾波器和變頻器輸出電抗器配合使用，一方面可以抑制變頻器輸出端的高頻諧波；另一方面可以改善傳輸線路上的分布電容，有效延長變頻器和電機之間的距離。在工程實際中，為了節(jié)約成本，多數(shù)時候會考慮輸入輸出電抗器。

5　結(jié)論

電動機種類繁多，各種電動機的特性也不一樣，針對實際運用的電機，需要分析它的工作特性，更好的了解它的本質(zhì)，才能運用現(xiàn)代先進的控制方法。鼠籠式交流異步電動機在工業(yè)生產(chǎn)中運用較多，分析它的特性顯得尤為重要。針對鼠籠式交流異步電動機，現(xiàn)在國內(nèi)外運用得最多的調(diào)速方法就是變頻控制，變頻控制從啟動到調(diào)速乃至停車都有完美的設(shè)計，是運用最為廣泛的調(diào)速方案。

參考文獻

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楊雪林(1981-)，男，工程師，2008年畢業(yè)于東北大學(xué)，控制理論與控制工程專業(yè)，碩士研究生學(xué)歷，現(xiàn)主要從事電氣供配電系統(tǒng)、電氣自動化控制系統(tǒng)設(shè)計與研究等。

E-mail:503229412@qq.com

Characteristics of Three Phase Asynchronous Motor and Analysis of Variable Frequency Speed Regulation

Xuelin Yang
(A Group of Dalian Engineering Construction Co.Ltd.,Dalian,Liaoning,116600,China)

Abstract:The motor is currently used the most extensive electrical transmission device,the three-phase asynchronous motor,using electrical theory,in-depth analyzes its equivalent circuit,the rotor circuit,referred to the stator side,forming a complete unity circuit,analyzes the various equations based on equivalent circuit,motor energy transfer process is embodied by the equation,mapped the working characteristic curve according to the equation.All motor control method is different,for three phase asynchronous cage motor,this paper analyzes the modern most popular drive system,variable frequency drive,analyzes the excellent characteristics and attention of frequency converter application.

Key words:Motor;drive;Frequency converter;Speed regulation system

作者簡介：

DOI:工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 URL:http//www.china-iti.com10.14103/j.issn.2095-8412.2016.01.016

中圖分類號：TP

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：2095-8412(2016)01-644-05