内反馈串级调速电机的原理及设计
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图 5 J 值不同时调节绕组端部示意图
(下转第 20 页) 13
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
防爆电机 ( EXPLOSION -
这样就将调节绕组的附加电势串入电动机的
转子中 , 改变逆变角 β即可改变串入电势的大 小 。可进一步推得 :
s=
E3 cosβ
E20
E3 和 E20 只与电网电压和制造参数有关 ,对
图 4 定子槽内线圈的分布图
还要确定调节绕组的主绝缘 ,因为调节绕组 的电压不固定 ,没有成型的绝缘规范 ,只能以某种 规范做参考 ;另外 ,有一个比较重要的数据就是调 节绕组端部升高值 J 如图 5 ,这个数据很重要 ,若 是太小 ,就会与主绕组相碰 ,端部的绝缘无法绑 扎 ;若是太大 ,线圈端部弯度太大 ,制做起来很困 难 ,且不能与定子压圈距离太近 。
调速系统效率 :
η =
P2 P1
×100 %
= P1 - PCu1 - PFe - PΩ - PΔ - PCu2 - Pk - PCu3 ×100 % P1
绕线转子异步电动机串级调速系统的原理如
图 2 所示 。
图 2 交流串级调速系统
电动机的转子回路接硅整流管组成的三相桥 式整流电路 ,由于转子电压与电网电压不一定匹 配 ,设置逆变变压器 UI ,其二次绕组经晶闸管组 成的三相桥式逆变电路和整流桥连接 。
2 002300年3 年第
2 6
期 月
(总第 30 日
115 期) 出版
图 1 内反馈串级调速能量流程图 图中 , P1 —输入功率 ; P2 —输出功率 ; P3 —由转子取 出的反馈功率 ; PCul —主绕组铜耗 ; PFe —铁耗 ; PΩ —机械 损耗 ; PΔ —杂散损耗 ; PCu2 —转子绕组铜耗 ; PCu3 —调节绕 组铜耗 ; Pk —调速装置损耗 ; P3′—净反馈功率 。
(2) 电机设计和制造方面力求电机磁路要达 到基本平衡 ,如整圆冲片的铁心迭制可将各向厚 薄不均的冲片转 120°迭制 。采用扇形冲片时 ,按 电机的极数 p 、每一圆周的张数 t 、循环交错迭片
的循环层数
n ,需满足
q=
nt p
= 偶数或分子为偶
数的最高单分数[1] 。
414 连轴采取绝缘措施 为了提高辅助装置的安全度 ,切断电动机的
PROOF
ELECTRIC MACHINE)
2 002300年3 年第
2 6
期 月
(总第 30 日
115 期) 出版
定轴承部位加垫环氧玻璃布板等 。进出油的管道
加绝缘管接头[1] 。
413 电机设计和制造采取的措施 (1) 采用滚动轴承结构的电机转轴的前后轴
承台及其轴肩采取绝缘措施 ,如等离子均匀喷涂 50～100μm 厚的高性能耐热陶瓷绝缘层 。
2003 年第 2 期 (总第 115 期) 2003 年 6 月 30 日 出 版
( EXPLOSION -
PROOF
ELECTRIC MACHINE)
防爆电机
中的异步电动机(M) 本身来说 ,其机械特性的形状都 是一样的 ,如图 3 所示 ,机械特性明显变软 ,最大的 临界转矩亦要下降 1714 % ,一定要注意。
磁密 、温升等需满足要求 。调节绕组的电压如何
选定 ? 我们以给某厂设计的电机为例 : 型 号 : YRNT630 - 6 - 1 250 ; 额 定 功 率 :
1 250kW ; 额定电压 : 6 000V ; 额定频率 : 50Hz ; 极 数 :6 ;相数 :3 ;转子电压 :1 514V ,电机的转速范围 要求 990～600 之间 。由前面整流和逆变的原理 我们可知 :经全桥整流后的直流电压为
关键词 内反馈 串级调速 设计
Principle and Design of Internal2Feedback Cascade Speed2Adjusting Motor
Hong Changyan and Huang Xiubo
Abstract Frequency conversion and cascade speed2adjusting can be used for high2volt2 age a. c. motor , and design of internal2feedback cascade speed2adjusting motor is also a new technology. The principle and the design process and difficulty of internal2feedback cascade speed adjusting are analyzed. The technology can be used in speed2adjusting operation of fan and water pump , and has more remarkable energy2saving effect than resistance2in2series speed adjusting.
11
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
防爆电机 ( EXPLOSION -
Hale Waihona Puke Baidu
PROOF
ELECTRIC MACHINE)
参数计算设定 。可改变转子回路的反电动势 ,实
现对电动机转速的控制 ,这时 ,回馈到电网的能量
也将随着逆变电压 Uβ 而改变 , Uβ 愈大 ,回馈到
电网的能量也愈大 ,电动机的转速则愈低 。
无论采用哪一种串级方式 ,对于串级调速系统
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
Key words Internal feedback , cascade speed2adjusting , design.
1 引言
异步电动机的转速公式
n = 60f 1 (1 - s)
p
式中 , f1 —供电频率 ; p —极对数 ; s —转差率 。 由上式可知异步电动机的调速方法有三种 : (1) 改变控制电源频率 ; (2) 改变极对数 ; (3) 改变电机转差率 s 发生变化 。这里主要介绍第三 种调速方法 。改变转差率调速又分为绕线式电动 机转子串电阻调速和转子串电势调速 。串电阻调 速效率太低 ,本文重点叙述转子串电势的内反馈 串级调速的原理及其设计 。
子电势同频率的附加电势 Er ,通过改变 Er 的幅 值和相位 ,同样可实现调速 ,这样 ,电动机在低转 速时 , Er 只是小部分在转子绕组本身的 Er 上消 耗 ,而转差功率的大部分 (3 I22 E2 ) 被串入的附加电 势 Er 所吸收 ,再利用产生 Er 的装置 ,设法把所吸 收的这部分转差功率回馈入电网 (或再送回电动 机轴上输出) ,就能使电动机在低速运转时仍有较 高的效率 。
定子 、转子线圈的计算主要是调节绕组的计 算即要考虑到槽子的宽度和高度能否放下 ,如 图 4所示 。
3 设计过程
311 电磁设计 对容量 、转动惯量已定的电机 ,机座号即已
定 ,选定相应的槽形既要考虑到能否放得下铜线 , 又要考虑能否用已有的模具 ,若要重新提模具 ,电 机的成本要大大的增加 ,新模具提出时还要考虑 到通用性 ,不能为只做一台电机而提模具 ,电磁设 计结果要保证效率 、最大转矩 、功率因数 、转差率 、
6 s E20
6 E20
式中 , E20 —转子的开路电势 ; 12
XD0 —s = 1 时折算到转子侧的电机定子和 转子每相漏抗 ;
由上式可知 ,换相重叠角 γ随着转子直流整 流电流 Id 的增大而增大 。
同理可知 ,转子整流电流
换相压降
Id
=
6 E20 2 XD0
(1
-
cosγ)
ΔUd
=
3
sXD0
理想空载转速 n0 的理想空载转差率 ;
ns —异步电机的同步转速 。
逆变电压可看做是加在异步电机转子回路中
的反电动势 ,只要改变逆变角 β时 ,理想空载转 差率 s0 也相应改变 ;β越大 , s0 就越小 ,即电机的
空载转速越高 。一般整流装置逆变角的调节范围
为 30°～90°,其下限 30°是为了防止逆变颠覆而设 置的最小逆变角βmin ,有时也可根据系统的电气
图 3 串级调速时异步电动机的机械特性
于已制成的内反馈串级调速电动机 ,当电网电压 恒定时 , E3 和 E20 为常数 。由此可见 ,改变逆变角 β即可改变转差率 s 以实现调速 。
调节绕组的电压是由主绕组感应出来的 ,相 当于变压器 ,满足相电压比等于每相串联匝数比 , 另外由于定子槽已定 ,下入主绕组后剩余的空间 有限 ,调节绕组的匝数和有效导体数可定 ,具体数 据在此不介绍 。 312 定 、转子线圈的设计
EZd = 1. 35 E2s = 1. 35 s E20 式中 , s —接入调节绕组后低速运行时的转差率。
经全桥逆变器有源逆变前的直流电压为 : ENd = 1. 35 E3 cosβ
其中 , E3 —调节绕组的线电压 ;β—逆变角 。
由于 EZd = ENd ,则有 : E2s = E3 cosβ= s E20
2003 年第 2 期 (总第 115 期) 2003 年 6 月 30 日 出 版
( EXPLOSION -
PROOF
ELECTRIC MACHINE)
防爆电机
内反馈串级调速电机的原理及设计
洪长艳 黄秀波
哈尔滨电机厂有限责任公司 ,黑龙江哈尔滨 (150040)
摘 要 交流高压电动机的调速比较成熟的方式有变频调速和串级调速 ,内反馈串级调速电 机的设计也是个较新的技术 ,本文分析内反馈串级调速的原理 、设计过程及难点 ,这一技术用在风 机 、水泵等的调速运行中 ,节能效果较串级电阻调速明显 。
控制角 ,而转子整流电路相当于可控整流电路。
这一直流电动势由逆变成交流电送回电网 ,
逆变电路直流侧的逆变平均电压以 Uβ 表示 。
Uβ = 1. 35 U2L cosβ
式中 , U2L —逆变变压器二次绕组线电压的
有效值 。
s0
=
U2L cosβ
E20
=
ns
ns
n0
s0 —异步电机在串级调速工作时对应于某一
为了简化分析 ,假设 : (1) 整流器件有理想的 整流特性 ,管压降及反向漏电流均可忽略 ; (2) 转 子直流回路中平波电抗器的电感为无限大 ; (3) 忽 略电机励磁电抗的影响 。根据电力电子整流电路 的分析 ,可得有关表达式如下 。
换相重叠角
γ= arccos 1 - 2 sXD0 Id = arccos[ 1 - 2 XD0 Id ]
π
Id
转子整流器输出电压平均值
Ud
= 2134 s E20
-
3
sXD0
π
Id
-
2 RD Id
= 2134 s E20 cosαp
+ cos (αp 2
+ γ)
-
2 RD Id
= 2134 s E20 cosαp
-
3
sXD0
π
Id
-
2 RD Id
式中 , RD —折算到转子侧的电机定子和转子 每相等效电阻 , RD = R2 + sR1 ;αp 相当整流器件的
内反馈串级调速的能量流程图如图 1 。 调速效率 :
ηT = PP33′×100 % = P3 -
Pk P3
PCu3 ×100 %
2 内反馈串级调速工作原理
若在绕线式异步电动机转子回路中串入与转
由于 Pk 和 PCu3 都很小 ,所以 ηT 很高 ,一般不 小于 98 %。
收稿日期 :2003 - 01 - 271 洪长艳 女 1974 年生 ;毕业于哈尔滨理工大学电机电气及其控制专业 ,现从事电机设计工作 1
轴与负载机械 、连轴辅助装置如测速计 、编码器之
间形成轴电流的通路 (见图 1) ,还必须采取一些 特殊措施 ,如直接联接在电动机轴上的连轴宜加 以绝缘等 。
415 监测线路加强绝缘 为了避免变频电动机各监测装置和辅助装置
(下转第 20 页) 13
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这样就将调节绕组的附加电势串入电动机的
转子中 , 改变逆变角 β即可改变串入电势的大 小 。可进一步推得 :
s=
E3 cosβ
E20
E3 和 E20 只与电网电压和制造参数有关 ,对
图 4 定子槽内线圈的分布图
还要确定调节绕组的主绝缘 ,因为调节绕组 的电压不固定 ,没有成型的绝缘规范 ,只能以某种 规范做参考 ;另外 ,有一个比较重要的数据就是调 节绕组端部升高值 J 如图 5 ,这个数据很重要 ,若 是太小 ,就会与主绕组相碰 ,端部的绝缘无法绑 扎 ;若是太大 ,线圈端部弯度太大 ,制做起来很困 难 ,且不能与定子压圈距离太近 。
调速系统效率 :
η =
P2 P1
×100 %
= P1 - PCu1 - PFe - PΩ - PΔ - PCu2 - Pk - PCu3 ×100 % P1
绕线转子异步电动机串级调速系统的原理如
图 2 所示 。
图 2 交流串级调速系统
电动机的转子回路接硅整流管组成的三相桥 式整流电路 ,由于转子电压与电网电压不一定匹 配 ,设置逆变变压器 UI ,其二次绕组经晶闸管组 成的三相桥式逆变电路和整流桥连接 。
2 002300年3 年第
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(总第 30 日
115 期) 出版
图 1 内反馈串级调速能量流程图 图中 , P1 —输入功率 ; P2 —输出功率 ; P3 —由转子取 出的反馈功率 ; PCul —主绕组铜耗 ; PFe —铁耗 ; PΩ —机械 损耗 ; PΔ —杂散损耗 ; PCu2 —转子绕组铜耗 ; PCu3 —调节绕 组铜耗 ; Pk —调速装置损耗 ; P3′—净反馈功率 。
(2) 电机设计和制造方面力求电机磁路要达 到基本平衡 ,如整圆冲片的铁心迭制可将各向厚 薄不均的冲片转 120°迭制 。采用扇形冲片时 ,按 电机的极数 p 、每一圆周的张数 t 、循环交错迭片
的循环层数
n ,需满足
q=
nt p
= 偶数或分子为偶
数的最高单分数[1] 。
414 连轴采取绝缘措施 为了提高辅助装置的安全度 ,切断电动机的
PROOF
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2 002300年3 年第
2 6
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(总第 30 日
115 期) 出版
定轴承部位加垫环氧玻璃布板等 。进出油的管道
加绝缘管接头[1] 。
413 电机设计和制造采取的措施 (1) 采用滚动轴承结构的电机转轴的前后轴
承台及其轴肩采取绝缘措施 ,如等离子均匀喷涂 50～100μm 厚的高性能耐热陶瓷绝缘层 。
2003 年第 2 期 (总第 115 期) 2003 年 6 月 30 日 出 版
( EXPLOSION -
PROOF
ELECTRIC MACHINE)
防爆电机
中的异步电动机(M) 本身来说 ,其机械特性的形状都 是一样的 ,如图 3 所示 ,机械特性明显变软 ,最大的 临界转矩亦要下降 1714 % ,一定要注意。
磁密 、温升等需满足要求 。调节绕组的电压如何
选定 ? 我们以给某厂设计的电机为例 : 型 号 : YRNT630 - 6 - 1 250 ; 额 定 功 率 :
1 250kW ; 额定电压 : 6 000V ; 额定频率 : 50Hz ; 极 数 :6 ;相数 :3 ;转子电压 :1 514V ,电机的转速范围 要求 990～600 之间 。由前面整流和逆变的原理 我们可知 :经全桥整流后的直流电压为
关键词 内反馈 串级调速 设计
Principle and Design of Internal2Feedback Cascade Speed2Adjusting Motor
Hong Changyan and Huang Xiubo
Abstract Frequency conversion and cascade speed2adjusting can be used for high2volt2 age a. c. motor , and design of internal2feedback cascade speed2adjusting motor is also a new technology. The principle and the design process and difficulty of internal2feedback cascade speed adjusting are analyzed. The technology can be used in speed2adjusting operation of fan and water pump , and has more remarkable energy2saving effect than resistance2in2series speed adjusting.
11
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
防爆电机 ( EXPLOSION -
Hale Waihona Puke Baidu
PROOF
ELECTRIC MACHINE)
参数计算设定 。可改变转子回路的反电动势 ,实
现对电动机转速的控制 ,这时 ,回馈到电网的能量
也将随着逆变电压 Uβ 而改变 , Uβ 愈大 ,回馈到
电网的能量也愈大 ,电动机的转速则愈低 。
无论采用哪一种串级方式 ,对于串级调速系统
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
Key words Internal feedback , cascade speed2adjusting , design.
1 引言
异步电动机的转速公式
n = 60f 1 (1 - s)
p
式中 , f1 —供电频率 ; p —极对数 ; s —转差率 。 由上式可知异步电动机的调速方法有三种 : (1) 改变控制电源频率 ; (2) 改变极对数 ; (3) 改变电机转差率 s 发生变化 。这里主要介绍第三 种调速方法 。改变转差率调速又分为绕线式电动 机转子串电阻调速和转子串电势调速 。串电阻调 速效率太低 ,本文重点叙述转子串电势的内反馈 串级调速的原理及其设计 。
子电势同频率的附加电势 Er ,通过改变 Er 的幅 值和相位 ,同样可实现调速 ,这样 ,电动机在低转 速时 , Er 只是小部分在转子绕组本身的 Er 上消 耗 ,而转差功率的大部分 (3 I22 E2 ) 被串入的附加电 势 Er 所吸收 ,再利用产生 Er 的装置 ,设法把所吸 收的这部分转差功率回馈入电网 (或再送回电动 机轴上输出) ,就能使电动机在低速运转时仍有较 高的效率 。
定子 、转子线圈的计算主要是调节绕组的计 算即要考虑到槽子的宽度和高度能否放下 ,如 图 4所示 。
3 设计过程
311 电磁设计 对容量 、转动惯量已定的电机 ,机座号即已
定 ,选定相应的槽形既要考虑到能否放得下铜线 , 又要考虑能否用已有的模具 ,若要重新提模具 ,电 机的成本要大大的增加 ,新模具提出时还要考虑 到通用性 ,不能为只做一台电机而提模具 ,电磁设 计结果要保证效率 、最大转矩 、功率因数 、转差率 、
6 s E20
6 E20
式中 , E20 —转子的开路电势 ; 12
XD0 —s = 1 时折算到转子侧的电机定子和 转子每相漏抗 ;
由上式可知 ,换相重叠角 γ随着转子直流整 流电流 Id 的增大而增大 。
同理可知 ,转子整流电流
换相压降
Id
=
6 E20 2 XD0
(1
-
cosγ)
ΔUd
=
3
sXD0
理想空载转速 n0 的理想空载转差率 ;
ns —异步电机的同步转速 。
逆变电压可看做是加在异步电机转子回路中
的反电动势 ,只要改变逆变角 β时 ,理想空载转 差率 s0 也相应改变 ;β越大 , s0 就越小 ,即电机的
空载转速越高 。一般整流装置逆变角的调节范围
为 30°～90°,其下限 30°是为了防止逆变颠覆而设 置的最小逆变角βmin ,有时也可根据系统的电气
图 3 串级调速时异步电动机的机械特性
于已制成的内反馈串级调速电动机 ,当电网电压 恒定时 , E3 和 E20 为常数 。由此可见 ,改变逆变角 β即可改变转差率 s 以实现调速 。
调节绕组的电压是由主绕组感应出来的 ,相 当于变压器 ,满足相电压比等于每相串联匝数比 , 另外由于定子槽已定 ,下入主绕组后剩余的空间 有限 ,调节绕组的匝数和有效导体数可定 ,具体数 据在此不介绍 。 312 定 、转子线圈的设计
EZd = 1. 35 E2s = 1. 35 s E20 式中 , s —接入调节绕组后低速运行时的转差率。
经全桥逆变器有源逆变前的直流电压为 : ENd = 1. 35 E3 cosβ
其中 , E3 —调节绕组的线电压 ;β—逆变角 。
由于 EZd = ENd ,则有 : E2s = E3 cosβ= s E20
2003 年第 2 期 (总第 115 期) 2003 年 6 月 30 日 出 版
( EXPLOSION -
PROOF
ELECTRIC MACHINE)
防爆电机
内反馈串级调速电机的原理及设计
洪长艳 黄秀波
哈尔滨电机厂有限责任公司 ,黑龙江哈尔滨 (150040)
摘 要 交流高压电动机的调速比较成熟的方式有变频调速和串级调速 ,内反馈串级调速电 机的设计也是个较新的技术 ,本文分析内反馈串级调速的原理 、设计过程及难点 ,这一技术用在风 机 、水泵等的调速运行中 ,节能效果较串级电阻调速明显 。
控制角 ,而转子整流电路相当于可控整流电路。
这一直流电动势由逆变成交流电送回电网 ,
逆变电路直流侧的逆变平均电压以 Uβ 表示 。
Uβ = 1. 35 U2L cosβ
式中 , U2L —逆变变压器二次绕组线电压的
有效值 。
s0
=
U2L cosβ
E20
=
ns
ns
n0
s0 —异步电机在串级调速工作时对应于某一
为了简化分析 ,假设 : (1) 整流器件有理想的 整流特性 ,管压降及反向漏电流均可忽略 ; (2) 转 子直流回路中平波电抗器的电感为无限大 ; (3) 忽 略电机励磁电抗的影响 。根据电力电子整流电路 的分析 ,可得有关表达式如下 。
换相重叠角
γ= arccos 1 - 2 sXD0 Id = arccos[ 1 - 2 XD0 Id ]
π
Id
转子整流器输出电压平均值
Ud
= 2134 s E20
-
3
sXD0
π
Id
-
2 RD Id
= 2134 s E20 cosαp
+ cos (αp 2
+ γ)
-
2 RD Id
= 2134 s E20 cosαp
-
3
sXD0
π
Id
-
2 RD Id
式中 , RD —折算到转子侧的电机定子和转子 每相等效电阻 , RD = R2 + sR1 ;αp 相当整流器件的
内反馈串级调速的能量流程图如图 1 。 调速效率 :
ηT = PP33′×100 % = P3 -
Pk P3
PCu3 ×100 %
2 内反馈串级调速工作原理
若在绕线式异步电动机转子回路中串入与转
由于 Pk 和 PCu3 都很小 ,所以 ηT 很高 ,一般不 小于 98 %。
收稿日期 :2003 - 01 - 271 洪长艳 女 1974 年生 ;毕业于哈尔滨理工大学电机电气及其控制专业 ,现从事电机设计工作 1
轴与负载机械 、连轴辅助装置如测速计 、编码器之
间形成轴电流的通路 (见图 1) ,还必须采取一些 特殊措施 ,如直接联接在电动机轴上的连轴宜加 以绝缘等 。
415 监测线路加强绝缘 为了避免变频电动机各监测装置和辅助装置