变频空调压缩机电机设计
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1. 额定功率 Pn 的选择特点 : 变频电机的谐波损耗将比正常电机增加 10～20 %或更多 ,因此 , 在按一般方法确定 异步电机额定功率的时候 ,应适当放大 5 % ～10 %Pn 。 2. 额定频率 f n 的选择 : 一般以 50 Hz 设计电机的性能参数 ,频 率变化时也作相应调整 ,并且也由于硅钢片 一般性能参数都是在 50 Hz 下所测 。 3. 额定电压 Un 的选择 : 变频电源的输出电压都含有较大比例的 5 次和 7 次谐波 ,并且都占有近 10 %～20 % Un 的比例 ,故设计时将它放大 15 %Un 。 4. 效率 、转矩 、最大转矩倍数可按实际要 求设定 。 5. 定转子槽形的选择 :
M =ΣMk ⑦其余电机性能计算 : cos Ф= U1/ I η= P2/ ( P2 + Pcu1 + Pcu2 + PFE + Pfw + Ps) 四 、实 例 对一台样机进行了试验验证 ,下表列出 了空调变频电机在频率变化时 ,电机的各种 性能值与实测值 。
频率 Hz
30 40 50 60 70 80 90 98 110 120
变频空调压缩机电机设计
中图分类法 TM302 吴加强 李 高
[ 摘要 ] 从异步电动机谐波分析出发 ,分析变频器电机的设计特点 ,提出了用路 的方法改进变频电机的设计办法 。详尽地列出了各计算表达式 ,同时也为其它非正 弦波供电时变频电机的设计提供了理论基础 。重点介绍了变频空调压缩机电机的设 计思路 。
— 22 —
参 考 文 献
1. 刘承榆 ,逆变器供电的笼型异步电动机中损耗和效率计 算 。电机技术 ,1991.
2. 胡春雷等 ,SPWM 变频器装置对异步电机性能的影响 。 中小型电机 ,1988. 1
3. 符定国 , 变频调速异步电动机的设计 。中小型电机 ,
1988. 4 4. 李忠杰 ,逆变器供电变频装置调速异步电动机的设计原
在谐波频率下的激磁电抗 Xmk µ X2k ,故 可将激磁支路省略 ,进而可求出谐波电流 :
Ik = U k/ ( ( R1k + R′2k/ Sk) 2 + ( X1kσ + X′2kσ) 2 定子电流总有效值为 :
I = I21 +ΣI2k (4) 电机损耗计算 :
①定子铜耗 :不计及挤流效应影响 ,由谐
二 、变频电源对电机的影响 无论是采用电压型逆变器还是电流型逆 变器供电的变频电机 ,其定子绕组中的电流 除基波分量外还含有一系列的谐波分量 ,由 它产生的磁场同转子的磁场将产生谐波转矩 使电机产生振动 ; 增加各种损耗 , 如定转子铜耗 , 铁芯损 耗 ,杂散损耗 ; 影响到主磁路的饱和 ,从而严重影响到 电机的性能 。 — 20 —
空调器变频电机采用电压型逆变电源方
式供电 ,运行时是从低频低压启动 ,故一般不 考虑启动转矩 ,只从抑制高次谐波的角度来 设计电机 。通常把定子设计得较深较窄 ,转 子槽型则设计成闭口槽 ,以加大槽漏抗 、减小 谐波电流及其影响 ,改善电机性能 。基本设 计应达到 X1б+ X′2б= 0. 2～0. 25 。
( Ue2ff/
U
2 1
-
1) PFeE1
PFeHk =ΣPFeH1 3 ( U k/ U1) 2/ k Ueff 逆变器输出电压的有效值 ; PFeE1 , PFeH1 基波电压造成的涡流损耗 和磁滞损耗 。
PFE =ΣPFeEk +ΣPFeHk ④杂散损耗 : 参考文献(1) , 杂散损耗的 近似计算公式为 : Ps = Ps1 +ΣPs1 ( I1k/ I1) b (f k/ f) c Ps1为电源额定频率 f n 和额定电流 In 时 的定子基频杂散损耗 ;b ,c 为较正系数 :
+ ……+ Uksinkωt) 其中 k = 3v ±1 ,v = 0 ,2 ,4 ,6 ,8 , ……,即
k = 1 ,5 ,7 ,11 ,13 ,17 ,19 , ……;在各次时间谐 波间无相互作用时 ,认为上式各次时间谐波 分别施加于异步电机 ,求取电机损耗 ,然后迭 加损耗 。在此前提下 , 电机的等效磁通表达 式为 :
三 、变频电机设计计算方法
源自文库
(1) 谐波分析 变频空调电机的电源 ,采用 SPWM 调制 信号分六组对称的加在模块上 ,使单相电源 转换成三相 。因此电源将含有一系列的谐
波 ,采用文献 (5) 的分析方法 ,电压表达式为 : U n = 2 ( U1sinωt + U5sin5ωt + U7sin7ωt
如果在一般的三相异步电动机上加变频 电源 ,电机在 30 Hz 以下及 70 Hz 以上时不能 正常工作 ,特别在 70 Hz 以上电机会剧烈振 动 ,发热 。因此对变频电源供电的电机必须 重新设计 ,整个机械部分也需要重点考虑防 振问题 !
根据变频电机的性能和试验总结 ,变频 电机的设计参数的选择同一般电机设计的不 同 ,主要考虑下述几个方面的内容 :
则和方法 。1990 年全国电机学术年会论文集 。 5. H. R. Fudt h and C. M. Ong “, Modeling and Analysis of In2
duction Machines Containing Space Harmonics , Part Ⅰ: Modeling and Transformation ; Part Ⅱ: Analysis of Asyn2 chronous and Synchronous Actions ; Part Ⅲ: Three - Phase Cage Motor Induction Machines ”。IEEE , Vol. PAS 102 , Aug. ～Oct . 1983 。
ΦEQ = Φ1/ U1 [ U1 +α( U5/ 5 + U7/ 7 +
……+ U k/ k) ] 式中α———修正系数 ; (2) 谐波参数选择 参考文献(5) ,以 50 Hz 为基本参数 :
R1 ,X1σ ,XM ,X2σ ,R2
定子谐波电阻 : R1k = R1 定子谐波漏抗 : X1kσ = f k/ f X1σ
电 压 V
68. 0 75. 0 87. 0 101. 0 110. 0 111. 0 110. 0 110. 0 110. 0 109. 0
电 流 Ia (A) 4. 05 3. 88 4. 10 4. 17 4. 25 4. 55 4. 60 5. 00 5. 75 6. 80
实 测 值
吸气压力 Kg/ m2 7. 25 6. 30 5. 60 5. 30 4. 95 4. 60 4. 40 4. 18 3. 80 3. 60
计 算 值
电 流 输入功率
(A)
( W)
3. 80
183. 0
3. 72
214. 0
4. 05
347. 0
4. 11
395. 0
4. 19
512. 0
4. 38
613. 0
4. 70
708. 0
4. 95
781. 0
5. 98
942. 0
7. 02
1052. 0
五 、总 结 本文对空调变频电机的设计提出了具体
可行的方案 ,在理论上总结了变频电机的设 计计算方法 。通过样机的试验验证 ,证明这 种方法的可行性 。但在实际工作中我们也发 现 ,饱和程度对变频率电机有重大影响 ,随着 对变频空调电机的进一步深入的研究 ,在计 算方法上必将进一步的完善 。
— 21 —
1. 8 0. 05 < Ik/ I
b = 1. 5 0. 01 < Ik/ I ≤0. 05 1. 3 Ik/ I ≤0. 01 1. 4 1. 3 ≤fk/ f
b = 1. 3 fk/ f < 1. 3 ⑤机械损耗 : Pfw = Pfw50 ⑥谐波转矩 : Mk = (2πf k Pm1/ 9. 81) 3 I22k R2k/ Sk
波等效电路求得各次谐波电流后 ,按下式计
算定子总铜耗 : Pcu1 =Σ3 I21kR1k ②转子铜耗 :变频空调电机一般采用笼
型转子 , 转子导条的挤流效应必须考虑 ,转
子总铜耗计算式为 : Pcu2 =Σ3 I22k R2k
③铁芯损耗 :分别计算出谐波电压造成
的涡流损耗和磁滞损耗 :
PFeEk =
转子谐波漏抗 : X2kσ = f k/ f ( Kkx Xs2 + Xd2 +
Xe2 + Xsk)
转子谐波电阻
:
R2k
=
k
k r
Rbk
+
Rrk
谐波激磁电抗 : XMk = kαXM
其中 Kkx , Kkr 为考虑挤流效应时的值 :谐
波漏抗减小系数和电阻增加系数 。Rbk 、Rrk
与 f k 都有关系须要重新计算 。 (3) 等效电路
电 流 输入功率
Ib (A)
( W)
3. 95
158. 0
3. 80
220. 0
4. 10
330. 0
4. 17
405. 0
4. 25
523. 0
4. 48
615. 0
4. 68
719. 0
5. 10
795. 0
5. 95
960. 0
6. 90
1091. 0
T出风口 ℃
20. 5 19. 1 17. 8 17. 1 16. 0 15. 2 15. 1 14. 6 14. 5 14. 7
关键词 变频器 笼型异步电动机 设计计算 谐波分析
一 、前 言 由于电子技术的不断发展和生产工艺过
程的完善 ,变频器在电机调速方面已取得了 长足的发展 。控制频率的笼型异步电动机 (简称变频电机) 广泛推广应用 ,已成为电机 调速的主流 。变频空调 80 年代末在国外已 大量生产 ,并投入市场使用 。由于它的节能 、 结构紧凑和整个频率范围内运行噪音低 ,一 投入市场即受到用户的欢迎 。现在在国外 , 窗式 、柜式和分体式及中央空调 ,都普遍采用 变频技术 。在国内 ,中外合资企业也正大量 生产这种变频电机 ,但是很少应用在变频空 调上 ,原因是在国内变频空调的销售量不大 ; 国内厂家和技术部门 ,对空调变频电机的研 制则刚刚起步 。
M =ΣMk ⑦其余电机性能计算 : cos Ф= U1/ I η= P2/ ( P2 + Pcu1 + Pcu2 + PFE + Pfw + Ps) 四 、实 例 对一台样机进行了试验验证 ,下表列出 了空调变频电机在频率变化时 ,电机的各种 性能值与实测值 。
频率 Hz
30 40 50 60 70 80 90 98 110 120
变频空调压缩机电机设计
中图分类法 TM302 吴加强 李 高
[ 摘要 ] 从异步电动机谐波分析出发 ,分析变频器电机的设计特点 ,提出了用路 的方法改进变频电机的设计办法 。详尽地列出了各计算表达式 ,同时也为其它非正 弦波供电时变频电机的设计提供了理论基础 。重点介绍了变频空调压缩机电机的设 计思路 。
— 22 —
参 考 文 献
1. 刘承榆 ,逆变器供电的笼型异步电动机中损耗和效率计 算 。电机技术 ,1991.
2. 胡春雷等 ,SPWM 变频器装置对异步电机性能的影响 。 中小型电机 ,1988. 1
3. 符定国 , 变频调速异步电动机的设计 。中小型电机 ,
1988. 4 4. 李忠杰 ,逆变器供电变频装置调速异步电动机的设计原
在谐波频率下的激磁电抗 Xmk µ X2k ,故 可将激磁支路省略 ,进而可求出谐波电流 :
Ik = U k/ ( ( R1k + R′2k/ Sk) 2 + ( X1kσ + X′2kσ) 2 定子电流总有效值为 :
I = I21 +ΣI2k (4) 电机损耗计算 :
①定子铜耗 :不计及挤流效应影响 ,由谐
二 、变频电源对电机的影响 无论是采用电压型逆变器还是电流型逆 变器供电的变频电机 ,其定子绕组中的电流 除基波分量外还含有一系列的谐波分量 ,由 它产生的磁场同转子的磁场将产生谐波转矩 使电机产生振动 ; 增加各种损耗 , 如定转子铜耗 , 铁芯损 耗 ,杂散损耗 ; 影响到主磁路的饱和 ,从而严重影响到 电机的性能 。 — 20 —
空调器变频电机采用电压型逆变电源方
式供电 ,运行时是从低频低压启动 ,故一般不 考虑启动转矩 ,只从抑制高次谐波的角度来 设计电机 。通常把定子设计得较深较窄 ,转 子槽型则设计成闭口槽 ,以加大槽漏抗 、减小 谐波电流及其影响 ,改善电机性能 。基本设 计应达到 X1б+ X′2б= 0. 2～0. 25 。
( Ue2ff/
U
2 1
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1) PFeE1
PFeHk =ΣPFeH1 3 ( U k/ U1) 2/ k Ueff 逆变器输出电压的有效值 ; PFeE1 , PFeH1 基波电压造成的涡流损耗 和磁滞损耗 。
PFE =ΣPFeEk +ΣPFeHk ④杂散损耗 : 参考文献(1) , 杂散损耗的 近似计算公式为 : Ps = Ps1 +ΣPs1 ( I1k/ I1) b (f k/ f) c Ps1为电源额定频率 f n 和额定电流 In 时 的定子基频杂散损耗 ;b ,c 为较正系数 :
+ ……+ Uksinkωt) 其中 k = 3v ±1 ,v = 0 ,2 ,4 ,6 ,8 , ……,即
k = 1 ,5 ,7 ,11 ,13 ,17 ,19 , ……;在各次时间谐 波间无相互作用时 ,认为上式各次时间谐波 分别施加于异步电机 ,求取电机损耗 ,然后迭 加损耗 。在此前提下 , 电机的等效磁通表达 式为 :
三 、变频电机设计计算方法
源自文库
(1) 谐波分析 变频空调电机的电源 ,采用 SPWM 调制 信号分六组对称的加在模块上 ,使单相电源 转换成三相 。因此电源将含有一系列的谐
波 ,采用文献 (5) 的分析方法 ,电压表达式为 : U n = 2 ( U1sinωt + U5sin5ωt + U7sin7ωt
如果在一般的三相异步电动机上加变频 电源 ,电机在 30 Hz 以下及 70 Hz 以上时不能 正常工作 ,特别在 70 Hz 以上电机会剧烈振 动 ,发热 。因此对变频电源供电的电机必须 重新设计 ,整个机械部分也需要重点考虑防 振问题 !
根据变频电机的性能和试验总结 ,变频 电机的设计参数的选择同一般电机设计的不 同 ,主要考虑下述几个方面的内容 :
则和方法 。1990 年全国电机学术年会论文集 。 5. H. R. Fudt h and C. M. Ong “, Modeling and Analysis of In2
duction Machines Containing Space Harmonics , Part Ⅰ: Modeling and Transformation ; Part Ⅱ: Analysis of Asyn2 chronous and Synchronous Actions ; Part Ⅲ: Three - Phase Cage Motor Induction Machines ”。IEEE , Vol. PAS 102 , Aug. ～Oct . 1983 。
ΦEQ = Φ1/ U1 [ U1 +α( U5/ 5 + U7/ 7 +
……+ U k/ k) ] 式中α———修正系数 ; (2) 谐波参数选择 参考文献(5) ,以 50 Hz 为基本参数 :
R1 ,X1σ ,XM ,X2σ ,R2
定子谐波电阻 : R1k = R1 定子谐波漏抗 : X1kσ = f k/ f X1σ
电 压 V
68. 0 75. 0 87. 0 101. 0 110. 0 111. 0 110. 0 110. 0 110. 0 109. 0
电 流 Ia (A) 4. 05 3. 88 4. 10 4. 17 4. 25 4. 55 4. 60 5. 00 5. 75 6. 80
实 测 值
吸气压力 Kg/ m2 7. 25 6. 30 5. 60 5. 30 4. 95 4. 60 4. 40 4. 18 3. 80 3. 60
计 算 值
电 流 输入功率
(A)
( W)
3. 80
183. 0
3. 72
214. 0
4. 05
347. 0
4. 11
395. 0
4. 19
512. 0
4. 38
613. 0
4. 70
708. 0
4. 95
781. 0
5. 98
942. 0
7. 02
1052. 0
五 、总 结 本文对空调变频电机的设计提出了具体
可行的方案 ,在理论上总结了变频电机的设 计计算方法 。通过样机的试验验证 ,证明这 种方法的可行性 。但在实际工作中我们也发 现 ,饱和程度对变频率电机有重大影响 ,随着 对变频空调电机的进一步深入的研究 ,在计 算方法上必将进一步的完善 。
— 21 —
1. 8 0. 05 < Ik/ I
b = 1. 5 0. 01 < Ik/ I ≤0. 05 1. 3 Ik/ I ≤0. 01 1. 4 1. 3 ≤fk/ f
b = 1. 3 fk/ f < 1. 3 ⑤机械损耗 : Pfw = Pfw50 ⑥谐波转矩 : Mk = (2πf k Pm1/ 9. 81) 3 I22k R2k/ Sk
波等效电路求得各次谐波电流后 ,按下式计
算定子总铜耗 : Pcu1 =Σ3 I21kR1k ②转子铜耗 :变频空调电机一般采用笼
型转子 , 转子导条的挤流效应必须考虑 ,转
子总铜耗计算式为 : Pcu2 =Σ3 I22k R2k
③铁芯损耗 :分别计算出谐波电压造成
的涡流损耗和磁滞损耗 :
PFeEk =
转子谐波漏抗 : X2kσ = f k/ f ( Kkx Xs2 + Xd2 +
Xe2 + Xsk)
转子谐波电阻
:
R2k
=
k
k r
Rbk
+
Rrk
谐波激磁电抗 : XMk = kαXM
其中 Kkx , Kkr 为考虑挤流效应时的值 :谐
波漏抗减小系数和电阻增加系数 。Rbk 、Rrk
与 f k 都有关系须要重新计算 。 (3) 等效电路
电 流 输入功率
Ib (A)
( W)
3. 95
158. 0
3. 80
220. 0
4. 10
330. 0
4. 17
405. 0
4. 25
523. 0
4. 48
615. 0
4. 68
719. 0
5. 10
795. 0
5. 95
960. 0
6. 90
1091. 0
T出风口 ℃
20. 5 19. 1 17. 8 17. 1 16. 0 15. 2 15. 1 14. 6 14. 5 14. 7
关键词 变频器 笼型异步电动机 设计计算 谐波分析
一 、前 言 由于电子技术的不断发展和生产工艺过
程的完善 ,变频器在电机调速方面已取得了 长足的发展 。控制频率的笼型异步电动机 (简称变频电机) 广泛推广应用 ,已成为电机 调速的主流 。变频空调 80 年代末在国外已 大量生产 ,并投入市场使用 。由于它的节能 、 结构紧凑和整个频率范围内运行噪音低 ,一 投入市场即受到用户的欢迎 。现在在国外 , 窗式 、柜式和分体式及中央空调 ,都普遍采用 变频技术 。在国内 ,中外合资企业也正大量 生产这种变频电机 ,但是很少应用在变频空 调上 ,原因是在国内变频空调的销售量不大 ; 国内厂家和技术部门 ,对空调变频电机的研 制则刚刚起步 。