逆變器供電的感應(yīng)電動機諧波轉(zhuǎn)矩分析與計算

1、2005年第4期D設(shè)計分析esignandana逆變器供電的感應(yīng)電動機諧波轉(zhuǎn)矩分析與計算李偉1,2,韓力2(1.重慶水務(wù)集團,重慶400030;2.重慶大學(xué),重慶400030)AnalysisandCalculationofHarmonicTorquesforInductionMotorFedInverterLIWei,HANLi1,22(1.ChongqingWaterGroup,Chongqing400030,China;2.400030,China)摘要:電壓型逆變器輸出的電壓和電流波形中含有大量諧波,導(dǎo)致異步電動機低速時的轉(zhuǎn)矩脈動和轉(zhuǎn)速波動,關(guān)鍵詞:感應(yīng)電動機;虛位移原理;脈動轉(zhuǎn)矩中圖

2、分類號:TM346文獻標(biāo)識碼:A文章編號:1004-7018(2005)04-0007-03Keywords:inductionmotor;voiddisplacementprinciple;rippletorque,特別是逆、傳動系統(tǒng)機械慣性小時,將會造成的重要問題之一。本文從電機運行的電磁理論出發(fā),準(zhǔn)確分析了諧波轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的機理,利用虛位移原理21。如何有效準(zhǔn)確的計算諧波脈動轉(zhuǎn)矩是分析設(shè)計面臨,提出了計算感應(yīng)電動機諧波脈動轉(zhuǎn)矩的電磁轉(zhuǎn)矩公式,該方法物理含意清晰,計算方便。在此基礎(chǔ)上,編制了轉(zhuǎn)矩計算程序。最后,應(yīng)用程序?qū)σ粋€計算實例進行了計算,分析比較電壓型逆變器供電下感應(yīng)電動機諧波轉(zhuǎn)矩的變化

3、,可以較清楚地表現(xiàn)諧波脈動轉(zhuǎn)矩對電機的影響。2諧波轉(zhuǎn)矩分析2.1諧波穩(wěn)定轉(zhuǎn)矩諧波穩(wěn)定轉(zhuǎn)矩的原理與基波轉(zhuǎn)矩的原理相同,計算方法類似于基波轉(zhuǎn)矩的推導(dǎo),只是全部諧波轉(zhuǎn)矩的作用使感應(yīng)電機的轉(zhuǎn)矩略有減小。文獻2有具體的論述,本文不再贅述。2.2諧波脈動轉(zhuǎn)矩分析1,3,41引言隨著近代交流調(diào)速技術(shù)的廣泛應(yīng)用,采用電力半導(dǎo)體變流器供電的交流電機越來越多,由于變流器輸出電壓和電流含有一系列高次諧波,諧波對電1機的影響得到了普遍的重視。對于電機諧波電流、諧波轉(zhuǎn)矩的計算方法,已有一些有益的討17論,歸納起來大致可分為數(shù)值解法和解析解法兩類。其中數(shù)值解法通過坐標(biāo)變換求解電機的狀態(tài)1方程,它考慮轉(zhuǎn)速的變化,計算結(jié)果比

4、較準(zhǔn)確,但計算結(jié)果的物理概念不夠清晰,且計算機時較長。解析解法的研究成果多集中于電流型逆變器供電的情況下,且大都引入了過多簡化的假設(shè)。在電壓型逆變器供電的情況下,對于定、轉(zhuǎn)子諧波電流相互作用產(chǎn)生諧波轉(zhuǎn)矩的機理論述較多,實用的計算較少。逆轉(zhuǎn)子電流相互作用產(chǎn)生的。由于磁通諧波次數(shù)和轉(zhuǎn)變器子諧波電流次數(shù)不同,所以轉(zhuǎn)矩的方向半周內(nèi)為正,供電半周內(nèi)為負,轉(zhuǎn)矩是脈動(或交變)的,但一周內(nèi)的的平均值為零。每一氣隙諧波磁通可以和與它次數(shù)不感應(yīng)同的任一次諧波電流產(chǎn)生一個脈動轉(zhuǎn)矩。例如:5電動次諧波和7次轉(zhuǎn)子諧波電流產(chǎn)生一個脈動轉(zhuǎn)矩,也機諧可以11次轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生另一個脈動的諧波轉(zhuǎn)矩。波在這些轉(zhuǎn)矩中,有較大影響的轉(zhuǎn)

5、矩是基波旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)矩分與諧波轉(zhuǎn)子電流形成的。析設(shè)基波磁場旋轉(zhuǎn)角頻率為s,電機旋轉(zhuǎn)角頻率與計為r,并與基波磁場同向旋轉(zhuǎn),由電機學(xué)可知,基波算諧波脈動轉(zhuǎn)矩是由不同次數(shù)的諧波磁通和諧波收稿日期:2003-06-25改稿日期:2003-09-30s-r的轉(zhuǎn)差率:s。定子5次諧波電流的基波相ss7對于定子基波電流的基波磁場的角速度為r-5sD設(shè)計分析esignandana2005年第4期s。定子7次諧波電流的基波相對于定-s=-6ss-s=子基波電流的基波磁場的角速度為r+7ss,即5、6s7次脈動轉(zhuǎn)矩的脈動頻率為6ss,同理可s。得11、13次諧波電流產(chǎn)生的脈動轉(zhuǎn)矩頻率12s2.3諧波脈動轉(zhuǎn)矩的計算公

6、式推導(dǎo)3stk=6n-11k=-(k+1)sn=1,2,3(5)脈動轉(zhuǎn)矩表達式:T=Tp5+Tp7+Tp11+Tp13+Tpk=k=6n±1Cksin (k±1)st+k(6)諧波脈動電磁轉(zhuǎn)矩算式,可由虛位移原理導(dǎo)出:m(1)Tem=p式中:p-電機的極數(shù);Wm-氣隙磁場的儲能;-相互作用的兩個磁場的相位差。設(shè)基波磁場和k布波為bg1=)bgk(pm11k)其中:Bg1、Bgk-;m1-設(shè)基波磁場幅值處為參考點時定子某點的機械角度;1k-基波磁場與k次諧波磁場幅值間的夾角。氣隙基波磁場和k次諧波磁場的合成磁場為b=bg1+bgk=Bg1cos(pm1)+Bgkcos(pm1

7、+1k)(2)式中:n=1,2,3自然數(shù),DlgCk=pBg1Bgk,20k-。33.1電壓型逆變器電壓型逆變器180°導(dǎo)通角輸出為六階梯波進行富氏分解,得到正級數(shù):rlt)ua=bksin(kk=11,其中:bk=t)d(t),富氏系數(shù)Busin(karlrlk進行計算得a相相電壓級數(shù):uaUd(sinrlt+rlt+sinrlt+sin527sinrlt+sinrlt+)1113得到基波磁場與k次諧波磁場在氣隙中的儲能:22Wm=dV=bdVv2200v設(shè)逆變器三相電壓對稱,則a、b、c相的電壓級數(shù)寫成通式為uaubu=k=1-7×式中:10H/m;0-氣隙磁導(dǎo)系數(shù),0

8、=4sin(krlt)kkdVlgRdm=2lgDdm。2m1Udk=1rlt-sin(k)3(7)Wm逆變器供電的感應(yīng)電動機諧波轉(zhuǎn)矩分析與計算40bd22g1=2gksin(krlt+)k=1k340(B+B+2Bg1Bgkcos1k)式中:Ud-整流側(cè)直流電壓。(3)3.2算例參數(shù)把式(3)代入式(1)得到電磁轉(zhuǎn)矩mDlgTpk=p=pBg1Bgksin1k20其中:l-電機軸向有效長度;g-電機有效氣隙長度;D-電機定子內(nèi)圓直徑。將逆變器電壓作用于諧波等效電路上,求解諧(4)波轉(zhuǎn)矩程序,并以CDJD101感應(yīng)電動機的參數(shù)為例:額定功率PN=190kW;額定電壓UN=1050V;定子繞組聯(lián)

9、接方式為聯(lián)接;額定轉(zhuǎn)速nN=1800r/min;定子內(nèi)徑D=310mm;定子鐵心長度Ltl=180mm;極對數(shù)p=2;有效空氣隙長度g=2.14mm;激磁電抗Xm=11.46。3.3計算結(jié)果當(dāng)電機穩(wěn)定運行時,Bg1、Bgk為恒定值,由于各次諧波產(chǎn)生的磁場與基波電流產(chǎn)生的磁場在氣隙中旋轉(zhuǎn)的速度不同,所以1k不是恒定值,使該類電磁轉(zhuǎn)矩具有脈動性質(zhì)。對5、7、11、13次諧波電流的磁場與基波電流產(chǎn)生的磁場脈動轉(zhuǎn)矩、脈動頻率的分析,得到1k一般表達式stk=6n+11k=(k-1)s利用式(6)和所給的條件,用VisualBasic6.0編制了感應(yīng)電動機電磁轉(zhuǎn)矩計算程序,得到基波和各次諧波的主要參數(shù)值

10、如表1所示,各次諧波電流初相角如表2所示。用該程序計算f=60.8Hz(額定頻率)時感應(yīng)電動機的基波電磁轉(zhuǎn)矩和諧波電磁82005年第4期D設(shè)計分析esignandana轉(zhuǎn)矩。應(yīng)當(dāng)指出,本文采用的是六階電壓型逆變器供電的情況,當(dāng)采用電流型逆變器供電時,基本情況相類似,只是諧波脈動轉(zhuǎn)矩的數(shù)值會隨著負載電流變化而變化。圖1圖5為電動機轉(zhuǎn)矩隨時間變化的波形。表1基波和諧波主要參量的計算比較基波5次諧波7次諧波11次諧波13次諧波0.分外,還有若干電流和磁通諧波。這些諧波將引起電動機附加損耗和鐵耗的增加。穩(wěn)定諧波轉(zhuǎn)矩的影響可以忽略,脈動轉(zhuǎn)矩約為額定轉(zhuǎn)矩的5%10%,主要影響是造成電動機轉(zhuǎn)速(主要是低速)

11、振蕩。3.4對電機設(shè)計的意義對變頻電源供電調(diào)速電動機設(shè)計和分析的意義:抑制諧波脈動轉(zhuǎn)矩,改善電動機對非正弦電源波形的適應(yīng)能力,為此,:(1)盡可能降低定,又可減小低速時,使最大轉(zhuǎn)矩有所上升。(2)電壓,適當(dāng)增加電動機的漏感抗,抑制電流中的高次諧波。(3)考慮到電源中的高次諧波會加深磁路飽和和低頻時為了提高輸出轉(zhuǎn)矩需適當(dāng)提高變頻器的輸出電壓,變頻調(diào)速三相感應(yīng)電動機的主磁路設(shè)計不應(yīng)十分飽和。頻率/Hz68.8304每相電壓/V606121.2旋轉(zhuǎn)方向轉(zhuǎn)差頻率/Hz0.7962各次諧波初相差與5次諧波初相差5次0.400494結(jié)論本文從電機運行的電磁理論出發(fā),分析了諧波轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的機理,由虛位移原理,

12、提出了感應(yīng)電動機諧波脈動轉(zhuǎn)矩的電磁轉(zhuǎn)矩計算公式。通過編制的逆變器供電感應(yīng)電動機的轉(zhuǎn)矩計算程序,對算例進行了分析計算,結(jié)果表明,用該方法能夠準(zhǔn)確的計算諧波轉(zhuǎn)矩。本文提出的諧波脈動計算方法對變頻感應(yīng)電動機的設(shè)計和分析都有重要的意義。參考文獻1藏英杰.交流電機的變頻調(diào)速M.北京:中國鐵道出版社,19842陳其工.變頻運行感應(yīng)電動機諧波電流計算與轉(zhuǎn)矩、損耗分析J.微特電機,1999,(3):33353楊順昌.考慮諧波影響交流勵磁電動機的電磁轉(zhuǎn)矩的分析與圖1基波電磁轉(zhuǎn)矩圖2各次諧波穩(wěn)定電磁轉(zhuǎn)矩之和計算J.電工技術(shù)學(xué)報,2003,(1)594KatsunoriTaniguchietal.APWMStrat

13、egyforReducingTorque-RippleinInverter-FedInductionMotorJ.IEEETrans.onIn2dustryApplications,1992:5035075RusselJkerkman.Steady-stateandtransientanalysisofanin2ductionmachinewithsaturationofthemagnetizingbranchJ.IEEETrans.onIndustryApplication,1985,IA-21(1):2262346IroshiNagase.AMethodofSuppressingTorqueRippleofanAcMotorbyCurrentAmplitudeControlJ.IEEETrans.onIndustryApplications,19