变频三相感应电动机设计及其CAD系统开发

　　众所周知，三相感应电动机变频调速具有良好的调速性能，己得到越来越广泛的应用。用于变频调速系统的感应电动机（以下简称为变频三相感应电动机）由变频器供电，工作在―定的频率、电压范围之内，通过改变电源频率，从而达到改变电机运行转速的目的。由于在实际工作中变频器的输出电压或电流往往为非正弦波形，也就是说变频器在―频率下的输出信号中含有不同程度的多次时间谐波，因此变频三相感应电动机的设计与普通工频供电的三相感应电动机的设计存在―定的差别，普通的三相感应电动机CAD系统难以直接用于变频三相感应电动机的分析与设计为推广感应电动机变频调速技术的应用，本文从谐波分析角度出发，提出了变频三相感应电动机的电磁设计方法，E点对变频三相感应电动机的损耗和效率进行了分析。在此基础上开发了相应的变频三相感应电动机CAD系统，并成功地运用于实际生产设计中，表现出较好的实用性。

　　1、变频三相感应电动机的电磁设计筲通工频供电的三相感应电动机是按频率为某―给定值设计的，它耍求在实际使用中电机供电电源的频率在很小范11内变动，一般为±丨�/.，否则将引起电机性能发生很大的变化lu.而变频三相感应电动机工作的特点是屯机工作时随着电源的频率变化电机均能给出满足使用耍求的输出特性。由三相感应电动机的转矩公式12丨由上式可以看出，根据不同的负载性质。变频三相感应电动机的设计往往是不同的。对于要求恒转矩调速的负载。变频电机应在基频以下保持压频比U//，不变；而对于耍求恒功率调速的负载，则应保持电压不变。在基频以上改变频率/，然而尽管变频三相感应电动机在实际工作时频率是变化的，但在某一工作点上可以认为其频率是恒定的，因此在考虑变频器产生高次时间谐波对电机设计的影响外，可以参照普通工频供电的三相感应电动机的电磁设计方法对变频三相感应电动机进行电磁设计。

　　1.1高次时间谐波对电机电磁设计的影响由以上分析可知，电机在变频条件下运行时，通常保持气隙磁通不变或减弱磁场，因而可以忽略电机磁路饱和程度的变化，应用叠加原理将端电压的各次时间谐波对电机影响分别进行分析然后对各次谐波的影响相叠加，得出总的电机性能。考虑到效率和挤流效应的影响，参照的时间谐波等效电路，可得到电路中各参数的计算式：定子谐波电阻：=及，定子谐波漏抗：xlt转子谐波电阻：列的各参数则是基频'卜的电机参数而高次时间谐波引起损耗的增加则主要表现在定子铜耗、转子铜耗、铁耗以及附加损耗。

　　定转子铜耗计算不计定子电阻挤流效应的影响，由谐波等效电路可求得各次谐波电流7认=5，7，n，13，），则总的定子谐波铜耗为：而笼型转子导条的挤流效应必须考虑，总的转子谐波铜耗为：变频三相感应电动机的总铜耗为：铁耗计算关于时间谐波电压对铁耗的影响，一些中提出了不同的计算方法认为电源电压中一系列谐波电压将引起磁路饱和程度的变化，用时间谐波系数计算相应饱和程度的等效电压：而为基础，得到免次时间谐波杂散损耗的近计算式由以上分析，变频三相感应电动机在额定负载时的总损耗为：其中为机械损耗。它一般不受高次谐波的影咱，可按工厂试验数据确定。

　　2、变频三相感应申动机CAD系统简介参照上海电器科学研究所编制的“三相异步电动机电磁设计程序”，结合变频三相感应电动机的运行特点和电磁设计方法，本文利用面向对象的VisualBasic6.0开发语言，研制开发了面向用户对象的变频三相感应电动机CAD系统软件该软件不仅可以对不同电压和频率的电机进行运行特性的计算，而且还可以在不同频率下作恒磁通和恒转矩的校核计算该系统输入菜单主要包括输入基本设计参数、输入定转子榴形尺寸和变频器控制参数表，输出菜单中包括基频下的主要设计参和详细计算清单以及不同频率下电气性能指标的比较等，附件菜单中还包括硅钢片的数据库管理等等，其中部分菜单是该CAD系统所特有的。

　　2.1变频器控制参数表葡变频三相感应电动机工作在一定频率范围内，每一频率下工作电压有变频器的压频曲线给定，由于变频器输出信号中不可避免地含有时间谐波分量，使得变频三相感应电动机气隙空间基波磁动势中既有基波分量又有时间谐波分量，同样合成气隙空间基波磁密中将同时存在基波分量和时间谐波分量。而且对于不同逆变方式的变频器的输出电压波形中时间谐波成分是不同的，有可能某一个或几个次数较高的时间谐波电压幅值很大。基于上述原因，在设计变频三相感应电动机时需要计算电机在每一工作频率、电压时的性能，而每一工作频率和电压时的电机性能计算又须进行基波磁场和时间谐波磁场的磁路计算、电路计算以及损耗计算等等。因此在变频三相感应电动机CAD系统软件中增加了变频器控制参数表的输入，其输入界面如所示。

　　在该界面中时间谐波次数可以考虑到19次之多（更高次谐波的幅值较小，其对电机的影响足以忽略不计）。

　　2.2不同频率下电气性能指标的比较酿。iU园咖bookmark5从变频三相感应电动机的设计分析可知，变频三相感应电动机的工作特点是当电机运行时能根据用户需要，在不同电压和频率下均能给出满足使用要求的输出特性。因此它的电磁设计往往不能只在单一的电压和频率下进行一次计算，而需要对至少3到4个电压和频率时的工作点进行校核计算，这就要求设计人员在输入相应的变频器控制参数后，计算机能自动计算不同频率下的电机性能指标，在变频三相感应电动机CAD系统软件中也相应的增加了不同频率下电气性能指标的比较。其输出界面如所示，并且点击左边相应的按钮，还可以看与之对应频率和电压下的详细计算清单。

　　2.3系统特点1、系统通用性强。对用户在变频器控制数表中给定的电动机任意用电源，该CAD系统均能进行相应的电磁校核计算当给定的变频器参数为工频电网时，该软件可进行普通三相感应电动机的电磁设计2、界面友好，操作简单该CAD系统操作简单、易学，用户可以充分发挥其设计经验，有利于调整设计参数和设计方案，加速电机的设计过程。

　　3、菜单结构合理，使用灵活、方便。该CAD系统的菜单设置充分考虑了用户的各种需要，只要用掌握变频器的输出情况和电机硅钢片的性能曲线，用户可以根据需要进行任―频率和任―电压下的各种性能计算。

　　4、设计实例应用本CAD系统对型号为YYPSR350-2，基频为200Hz的变频三相感应电动机进行电磁设计，其不同频率下电机的电气性能指标比较如下表所示。

　　运行频率fl额定电压U1压频比Ul/fl额定功率P2同步转速nl气隙磁密Bg定子绕组电密Al/转子导条电密A2/定子线负荷Al/定子热负荷A1A1起动转矩倍数Tst起动电流倍数丨St最大转矩倍数Tm电机效率n从表中可以看出，当电机的频率、输入电压成比例变化时，电机的线负荷基本保持不变，电机的电负荷以及性能指标略有变化这就说明在恒转矩负载下，只要保持电源电压与频率的变化为恒定比例，变频三相感应电动机可以输出满足使用要求的特性由于设计中只考虑了五、七次时间谐波，其设计结果还有待进一步验证。

　　5、结论变频三相感应电动机应用日益广泛，对其设计也提出了更高更快的要求本文从谐波分析角度出发，充分考虑高次时间谐波对电机的影响，提出了变频三相感应电动机的电磁设计方法，并研制开发了相应的CAD系统软件通过设计实例进行试算，表明变频三相感应电动机设计方法的可行性以及该CAD系统软件的实用性。