變頻電源驅(qū)動(dòng)下的電機(jī)特性

1、第2章變頻電源驅(qū)動(dòng)下的電機(jī)特性,第2章變頻電源驅(qū)動(dòng)下的電機(jī)特性,2.3.4高次諧波對(duì)電機(jī)運(yùn)行性能的影響分析2.4閉環(huán)控制中的電機(jī)運(yùn)行2.4.1矢量控制中電機(jī)運(yùn)行性能的分析模型2.4.2閉環(huán)控制系統(tǒng)中電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)分析2.4.3閉環(huán)控制下的電機(jī)性能分析2.4.4最優(yōu)轉(zhuǎn)差率控制與電機(jī)運(yùn)行點(diǎn)的匹配2.5小結(jié),2.1變頻調(diào)速對(duì)電機(jī)運(yùn)行的影響,從早期變頻變壓的基本控制方式(U/f恒定)，到后來實(shí)現(xiàn)磁場定向的矢量控制以及直接轉(zhuǎn)矩控制方式，使電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能和調(diào)速精度大大提高。但在變頻電源供電下，電機(jī)的效率、功率因數(shù)等穩(wěn)態(tài)性能以及絕緣和輸出功率都受到了一些影響。事實(shí)上，電機(jī)在變頻調(diào)速系統(tǒng)中的穩(wěn)態(tài)性能，與其動(dòng)態(tài)

2、性能一樣重要。對(duì)于不同的控制方法，電機(jī)在效率、功率因數(shù)以及溫升等性能上都有很大的差別,2.1.1電機(jī)機(jī)械特性的變化,圖2-1經(jīng)過工作點(diǎn)A的特性曲線,2.1.1電機(jī)機(jī)械特性的變化,圖2-2降頻降壓時(shí)機(jī)械特性曲線的平移,2.1.2電機(jī)內(nèi)部磁場分布的變化,圖2-3不同運(yùn)行方式中的電機(jī)(永磁同步電機(jī))內(nèi)部磁場分布,2.1.3電機(jī)的電流諧波和電壓諧波增加,表2-1時(shí)間諧波與空間諧波的組合關(guān)系,2.1.4電流和磁場矢量控制,集成系統(tǒng)在閉環(huán)控制下，電機(jī)內(nèi)部的磁場和電流與開環(huán)控制時(shí)有區(qū)別。在采用磁場定向控制的集成系統(tǒng)中，電機(jī)的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流得到解耦，磁場與電流都可被獨(dú)立控制。在同樣的電壓頻率和同樣的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)

3、矩條件下，閉環(huán)控制可以調(diào)整勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流的大小，而在開環(huán)控制中，勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流難以調(diào)節(jié)。所以電機(jī)在閉環(huán)控制時(shí)磁場和電流都與開環(huán)控制時(shí)有所不同。這樣，電機(jī)的內(nèi)在性能，包括銅耗、鐵耗、效率、功率因數(shù)以及熱負(fù)荷等都將發(fā)生改變。對(duì)此，2.4節(jié)將給予詳細(xì)討論,2.2變頻調(diào)速電機(jī)設(shè)計(jì)主要概念,變頻電源驅(qū)動(dòng)下的交流電機(jī)，采用常規(guī)的設(shè)計(jì)與分析方法已經(jīng)不能與之相適應(yīng)。從設(shè)計(jì)方法上看，因?yàn)闄C(jī)械特性的變化，使得常規(guī)電機(jī)設(shè)計(jì)中對(duì)起動(dòng)性能的約束被放寬；而內(nèi)部電磁負(fù)荷的變化，又使得在集成系統(tǒng)中電機(jī)的運(yùn)行狀況不能等同在常規(guī)電源供電時(shí)的額定狀況。常規(guī)電機(jī)設(shè)計(jì)中對(duì)額定負(fù)載點(diǎn)性能的考慮在變頻調(diào)速電機(jī)設(shè)計(jì)中不是最重要的問題

4、。從性能分析方法上看，常規(guī)的分析方法只能進(jìn)行恒壓恒頻正弦波供電下的性能研究，對(duì)諧波的影響和閉環(huán)控制下的性能難以分析。所以與常規(guī)異步電機(jī)比較，變頻調(diào)速電機(jī)設(shè)計(jì)與分析有較大變化,2.2.1變頻調(diào)速電機(jī)設(shè)計(jì)理念,1.電機(jī)設(shè)計(jì)是一個(gè)運(yùn)行區(qū)域的最優(yōu)設(shè)計(jì)，而不是傳統(tǒng)的額定點(diǎn)的設(shè)計(jì)2.電機(jī)運(yùn)行在追求高效率的同時(shí)，必須考慮高功率因數(shù)3.電機(jī)的內(nèi)部空間磁場分布應(yīng)與電流時(shí)間波形有一個(gè)適當(dāng)?shù)钠ヅ湟詼p小諧波分量4.電機(jī)設(shè)計(jì)必須與控制方法和變頻電源特性相匹配5.電機(jī)原來的一些性能可由控制替代，如起動(dòng)性能等,1.電機(jī)設(shè)計(jì)是一個(gè)運(yùn)行區(qū)域的最優(yōu)設(shè)計(jì)，而不是傳統(tǒng)的額定點(diǎn)的設(shè)計(jì),恒頻恒壓電源使電機(jī)總是運(yùn)行在額定電壓和額定轉(zhuǎn)速下，

5、以往電機(jī)設(shè)計(jì)都是在額定點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，所得出的效率和功率因數(shù)都是指在額定條件下電機(jī)所具有的數(shù)值。但是在變頻電源供電條件下，電機(jī)通過變頻調(diào)速，已經(jīng)不是工作在額定電壓和額定轉(zhuǎn)速下，而是工作在一個(gè)轉(zhuǎn)速變化范圍中。此時(shí)所追求的已不僅僅是額定點(diǎn)的最優(yōu)，更重要的是一個(gè)運(yùn)行區(qū)域的最優(yōu)設(shè)計(jì)，希望得到運(yùn)行區(qū)域內(nèi)的最高效率和更大的功率因數(shù),2.電機(jī)運(yùn)行在追求高效率的同時(shí)，必須考慮高功率因數(shù),以往電機(jī)設(shè)計(jì)優(yōu)化目標(biāo)主要是追求最大效率，而忽視功率因數(shù)。事實(shí)上，由于變頻電源輸出一系列高次諧波分量，電機(jī)的功率因數(shù)會(huì)下降。而功率因數(shù)的下降勢(shì)必引起效率的下降，兩者是相輔相成的。提高效率主要是降低損耗，提高功率因數(shù)主要是減少無效磁通

6、，包括漏磁和相互抵銷的磁通,3.電機(jī)的內(nèi)部空間磁場分布應(yīng)與電流時(shí)間波形有一個(gè)適當(dāng)?shù)钠ヅ湟詼p小諧波分量,電機(jī)內(nèi)部電磁場的分布及其相互作用是電機(jī)實(shí)施電磁能量變換的內(nèi)在機(jī)制。一般來講，希望電機(jī)氣隙磁場為一個(gè)正弦分布的磁場。但由于電機(jī)齒槽效應(yīng)以及電機(jī)材料的非線性特點(diǎn)，電機(jī)氣隙磁場分布往往不是正弦分布的。同時(shí)，由于變頻電源的輸出電流也難以做到正弦電流。因此，如何使得電流諧波與磁場分布有一個(gè)適當(dāng)?shù)钠ヅ涫且粋€(gè)重要的問題,4.電機(jī)設(shè)計(jì)必須與控制方法和變頻電源特性相匹配,以往電機(jī)設(shè)計(jì)只關(guān)注電機(jī)本體。在變頻電源供電的條件下，電機(jī)的特性作為電力電子與電機(jī)集成系統(tǒng)特性而體現(xiàn)。如電機(jī)的電感，除了考慮用銅匝數(shù)、繞組分布以

7、外，還必須考慮變頻電源的開關(guān)頻率和di/dt限量。因此，電機(jī)設(shè)計(jì)的參數(shù)必須與變頻電源特性及其控制方法相匹配,5.電機(jī)原來的一些性能可由控制替代，如起動(dòng)性能等,常規(guī)電機(jī)設(shè)計(jì)中，電機(jī)的一些必需功能及性能由電機(jī)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)所決定。在變頻電源供電條件下，由于電源可控，一些電機(jī)功能可以由控制方法所替代，如電機(jī)的起動(dòng)性能，以往為了提高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，常將電機(jī)轉(zhuǎn)子槽形做成雙鼠籠槽和深槽等，以在起動(dòng)時(shí)增大轉(zhuǎn)子電阻，提高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，但代價(jià)是減小了正常運(yùn)行時(shí)電機(jī)的效率。在可變電源供電下，起動(dòng)時(shí)可以將電源頻率控制在很小的數(shù)值，從而使電機(jī)機(jī)械特性平移，以得到較高的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩,2.2.2變頻調(diào)速電機(jī)設(shè)計(jì)公式,1)電磁感應(yīng)公式(2

8、)輸出電功率公式(3)每極每相磁通公式(4)面電流密度計(jì)算公式(5)定子極距計(jì)算,圖2-4定子槽尺寸圖,圖2-5()隨變化的關(guān)系,2.3變頻調(diào)速電機(jī)中的諧波分析,圖2-6實(shí)測(cè)的、含諧波的定子線電壓及電流波形,2.3.1變頻調(diào)速電機(jī)的分析模型,1.變頻調(diào)速異步電機(jī)的等效電路2.變頻調(diào)速異步電機(jī)分析模型的建立,2.3.1變頻調(diào)速電機(jī)的分析模型,圖2-7常規(guī)異步電機(jī)等效電路,1.變頻調(diào)速異步電機(jī)的等效電路,圖2-8異步電機(jī)諧波等效電路,2.變頻調(diào)速異步電機(jī)分析模型的建立,1)因?yàn)橹C波的頻率而造成電抗參數(shù)變化這主要指的是在諧波分析電路中，各電抗值都在基波電路的電抗值上乘以一個(gè)系數(shù)，為諧波相對(duì)于基波的次

9、數(shù)。(2)因?yàn)橹C波電流的集膚效應(yīng)而造成的轉(zhuǎn)子電阻和轉(zhuǎn)子電抗的變化對(duì)于異步電機(jī)來說，轉(zhuǎn)子繞組的集膚效應(yīng)比較突出。(3)因?yàn)榇艌龈淖兌斐傻膭?lì)磁電抗的變化勵(lì)磁電抗是一個(gè)假想的電抗，它是對(duì)應(yīng)于定子和轉(zhuǎn)子總磁場的一個(gè)等效電抗,2.3.2諧波電流對(duì)磁場的影響及磁場分析,圖2-9合成磁動(dòng)勢(shì)隨空間電角度的變化,2.3.3諧波對(duì)損耗的影響及計(jì)算方法,用正弦波電源供電的異步電機(jī)，在機(jī)電能量轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的損耗，可分為以下四種類型： 1)定子和轉(zhuǎn)子的基波銅損耗。2)基本鐵損耗。3)機(jī)械損耗。4)雜散損耗。當(dāng)電機(jī)由變頻電源供電時(shí)，除了基波分量產(chǎn)生的上述幾部分損耗之外，還增加了諧波分量產(chǎn)生的附加損耗，通常稱為諧波損耗

10、，大體分為以下三項(xiàng)： 1)定、轉(zhuǎn)子繞組諧波電流產(chǎn)生的附加銅損耗。2)電源諧波電壓產(chǎn)生的附加鐵損耗。3)除上述兩項(xiàng)外電源諧波產(chǎn)生的其他附加損耗，稱為諧波雜散損耗,2.3.4高次諧波對(duì)電機(jī)運(yùn)行性能的影響分析,1.電路中5、7、11次電壓諧波含量對(duì)電機(jī)的影響2.變頻電源輸出電壓更高次諧波對(duì)電機(jī)的影響,1.電路中5、7、11次電壓諧波含量對(duì)電機(jī)的影響,圖2-105次電壓諧波含量對(duì)飽和系數(shù)的影響,1.電路中5、7、11次電壓諧波含量對(duì)電機(jī)的影響,圖2-115次電壓諧波含量對(duì)定子電流及氣隙磁密的影響,1.電路中5、7、11次電壓諧波含量對(duì)電機(jī)的影響,圖2-12各次諧波電壓含量對(duì)勵(lì)磁電抗的影響,1.電路中5

11、、7、11次電壓諧波含量對(duì)電機(jī)的影響,圖2-13各次諧波電壓含量對(duì)效率的影響,1.電路中5、7、11次電壓諧波含量對(duì)電機(jī)的影響,圖2-14各次諧波電壓含量對(duì)功率因數(shù)的影響,2.變頻電源輸出電壓更高次諧波對(duì)電機(jī)的影響,圖2-15高次電壓諧波含量對(duì)飽和系數(shù)的影響,2.變頻電源輸出電壓更高次諧波對(duì)電機(jī)的影響,圖2-16變頻電源輸出高次電壓諧波含量對(duì)效率的影響,2.變頻電源輸出電壓更高次諧波對(duì)電機(jī)的影響,圖2-17變頻電源輸出高次電壓諧波含量對(duì)功率因數(shù)的影響,2.4閉環(huán)控制中的電機(jī)運(yùn)行,基于電力電子技術(shù)的變頻電源在很多方面對(duì)電機(jī)的運(yùn)行產(chǎn)生了影響，如起動(dòng)性能的改善、諧波的影響等等。但其中改變最大的是電機(jī)

12、的運(yùn)行狀況，電機(jī)已經(jīng)不總是運(yùn)行在固定的頻率和轉(zhuǎn)差率下，電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鏈及其分布是可以根據(jù)控制調(diào)整的。在這種狀況下，若電機(jī)仍然運(yùn)行在額定的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩下，但它的電壓和頻率不一定是額定電壓和額定頻率,2.4.1矢量控制中電機(jī)運(yùn)行性能的分析模型,1)轉(zhuǎn)子磁鏈r的求取(2)轉(zhuǎn)子漏感初值Lrl0的設(shè)定轉(zhuǎn)子的諧波漏感和斜槽漏感都與電機(jī)磁場的飽和系數(shù)有關(guān)，在不同的轉(zhuǎn)差率控制方案中，由于磁場的不同會(huì)造成飽和系數(shù)的變化，因此轉(zhuǎn)子的漏感是隨控制變化而變化的。(3)氣隙磁鏈g的求取及磁場迭代計(jì)算(4)轉(zhuǎn)子漏感的計(jì)算用求得的飽和系數(shù)代入，可計(jì)算轉(zhuǎn)子漏感值Lrl，與前一次計(jì)算所得值比較，若差值在誤差范圍之內(nèi)，則轉(zhuǎn)到(5)，

13、否則轉(zhuǎn)到(3)。(5)電感參數(shù)Lm、Ls和Lr的求取先計(jì)算感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E，在傳統(tǒng)分析模型中，E需要迭代計(jì)算求出。(6)定、轉(zhuǎn)子電量的求取,2.4.1矢量控制中電機(jī)運(yùn)行性能的分析模型,7)性能計(jì)算由上面得到的電路和磁場參數(shù)，對(duì)電機(jī)的銅損、鐵損、機(jī)械損耗和雜散損耗等進(jìn)行計(jì)算，得到總損耗P,2.4.1矢量控制中電機(jī)運(yùn)行性能的分析模型,圖2-18矢量控制下的電機(jī)運(yùn)行性能的分析模型,2.4.2閉環(huán)控制系統(tǒng)中電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)分析,1.電磁負(fù)荷的改變2.轉(zhuǎn)差率變化時(shí)的電磁負(fù)荷和性能,1.電磁負(fù)荷的改變,表2-2兩種系統(tǒng)下電機(jī)運(yùn)行在相同轉(zhuǎn)差率時(shí)的電磁負(fù)荷和性能比較,2.轉(zhuǎn)差率變化時(shí)的電磁負(fù)荷和性能,圖2-19電壓

14、和頻率隨轉(zhuǎn)差率變化曲線,2.轉(zhuǎn)差率變化時(shí)的電磁負(fù)荷和性能,圖2-20定子電流和氣隙磁密隨轉(zhuǎn)差率變化曲線,2.轉(zhuǎn)差率變化時(shí)的電磁負(fù)荷和性能,圖2-21效率和功率因數(shù)隨轉(zhuǎn)差率變化曲線,2.4.3閉環(huán)控制下的電機(jī)性能分析,圖2-22轉(zhuǎn)速恒定，不同s時(shí)的效率與轉(zhuǎn)矩間變化曲線,2.4.3閉環(huán)控制下的電機(jī)性能分析,圖2-23轉(zhuǎn)速恒定，不同s時(shí)的功率因數(shù)與轉(zhuǎn)矩間變化曲線,2.4.3閉環(huán)控制下的電機(jī)性能分析,圖2-24轉(zhuǎn)矩恒定，不同s時(shí)的效率與轉(zhuǎn)速間變化曲線,2.4.3閉環(huán)控制下的電機(jī)性能分析,圖2-25轉(zhuǎn)矩恒定，不同s時(shí)的功率因數(shù)與轉(zhuǎn)速間變化曲線,2.4.4最優(yōu)轉(zhuǎn)差率控制與電機(jī)運(yùn)行點(diǎn)的匹配,圖2-26轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速恒定時(shí)效率與轉(zhuǎn)差率的關(guān)系,2.4.4最優(yōu)轉(zhuǎn)差率控制與電機(jī)運(yùn)行點(diǎn)的匹配,圖2-27轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速恒定時(shí)功率因數(shù)與轉(zhuǎn)差率的關(guān)系,2.4.4最優(yōu)轉(zhuǎn)差率控制與電機(jī)運(yùn)行點(diǎn)的匹配,圖2-28=14Nm時(shí)最優(yōu)轉(zhuǎn)差率控制下效率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系,2.4.4最優(yōu)轉(zhuǎn)差率控制與電機(jī)運(yùn)行點(diǎn)的匹配,圖2-29=140Nm時(shí)最優(yōu)轉(zhuǎn)差率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系,2.4.4最優(yōu)轉(zhuǎn)差率控制與電機(jī)運(yùn)行點(diǎn)的匹配,圖2-30n=1500r/min時(shí)最優(yōu)轉(zhuǎn)差率控制下效率與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系,2.4.4最優(yōu)轉(zhuǎn)差率控制與電機(jī)運(yùn)行點(diǎn)的匹配,圖2-31n=1500r/min時(shí)最優(yōu)