變頻器非正弦供電對(duì)異步電機(jī)運(yùn)行性能的影響

1、變頻器非正弦供電對(duì)異步電機(jī)運(yùn)行性能的影響王桂英1,徐巖1,徐麗紅2(1沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院,遼寧沈陽(yáng)110161;2遼寧行政學(xué)院,遼寧沈陽(yáng)110161摘要:分析了變頻器電源供電的諧波分量及異步電機(jī)的諧波特性,推導(dǎo)出異步電機(jī)簡(jiǎn)化的諧波等效電路,并就諧波對(duì)異步電機(jī)運(yùn)行性能的影響進(jìn)行了探討。關(guān)鍵詞:諧波特性;等效電路;異步電機(jī)運(yùn)行性能中圖分類號(hào):T M341文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1000-1700(200304-0297-04Im p act of Fre q uenc y Conrerter N on -sinusoidal Pow er Su pp l y on R unnin y Pe

2、rform ance of As y nchronous E lectromotorW ANG G ui -y in g 1,XU Y an1(1Colle g e o f A g r icultural En g ineer in g ,Shen y an g A g r icultural univ er sit y ,Shen y an g 110161,China Abstract :T he p a p er anal y ses harm onic valle of fre q uenc y converter p orver su pp l y and harm onic p r

3、o p erties of as y nchronous electrom o 2tor ,and infers the sim p lified e q uiralent circuit of as y chronous electrom otor ,also discussed the harm onics im p act on runnin y p erfor 2m ance of as y nchronous electonotor.K e y w ords :p ro p ert y in harm onic ;e q uiralent circuit ;as y chronous

4、 electrom otor runnin y p erform ance當(dāng)采用變頻器裝置對(duì)異步電機(jī)供電時(shí),變頻器在運(yùn)行時(shí),回路內(nèi)的開(kāi)關(guān)元件會(huì)有規(guī)律地開(kāi)通與關(guān)斷而產(chǎn)生大量的諧波干擾,造成正弦波畸變,使電能質(zhì)量下降,給電機(jī)帶來(lái)顯著影響,嚴(yán)重時(shí)可造成異步電機(jī)的損壞。因此,有必要對(duì)變頻器電源供電時(shí)異步電機(jī)運(yùn)行性能的變化作必要分析。1變頻器供電時(shí)的諧波分析靜止變頻器輸出的電壓波形有多種,現(xiàn)以兩種典型的波形為例,如圖1所示,其中(a 為6階梯波,(b 為12階梯波形。由于輸出電壓均為周期函數(shù),故可以用傅氏級(jí)數(shù)分解。則6階梯波的輸出電壓可表示為:u =2U 1sin 1t +15sin 51t +17si

5、n 71t +111sin 111t +113sin 131t +(1式中:U 1為基波電壓有效值,1為基波角頻率。從式(1中可以看出,電壓中除了基波之外,還有6m 1(m =1,2,3,次諧波存在,故稱6階梯波。12階梯波的輸出電壓可表示為:u =U 1sin 1t +111sin 111t +113sin 131t +123sin 231t +125sin 251t +(2從式(2中可以看出,電壓除了基波之外,還有12m 1(m =1,2,3,次諧波存在,故稱12階梯波。2異步電機(jī)的諧波特性如果忽略磁飽和等非線性因素的影響,電動(dòng)機(jī)可以采用疊加原理來(lái)分析。也就是利用異步電機(jī)的等效電路對(duì)基波電

6、壓和各次諧波電壓分別進(jìn)行分析。若以s 1表示相對(duì)于基波旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差率,則s 1=(n 1-n /n 1。式中:n 1為基波旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步速度;n 為轉(zhuǎn)子的速度。沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2003-08,34(4:297-300Journal of Shen y an g A g ricultural Universit y ,2003-08,34(4:297-300圖1變頻器輸出波形Fi g ure 1Out p ut evave -sh a pe of the fre q uenc y converter 收稿日期:2003-04-25作者簡(jiǎn)介:王桂英(1962-,女,沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院

7、副教授,碩士,從事農(nóng)業(yè)電氣化與自動(dòng)化教學(xué)與科研工作。 k 次諧波磁場(chǎng)對(duì)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差率s k :s k =kn 1nkn 1(3式中:“-”號(hào)為正序諧波;“+”號(hào)為負(fù)序諧波。諧波轉(zhuǎn)差率s k 用s 1表示,則為:s k =(k + 1s 1k(4在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速由同步轉(zhuǎn)速下降到0,基波轉(zhuǎn)差率s 1由0增加到1的運(yùn)行范圍內(nèi),從式(4中可以看出,諧波轉(zhuǎn)差率總近似保持s k 1。由于電感隨頻率的增加而線性增長(zhǎng),而轉(zhuǎn)子電阻在諧波作用下盡管有所增加,但在高轉(zhuǎn)差率s k 下,異步機(jī)諧波等效電路(圖2中轉(zhuǎn)子回路電阻R 2k /s k 將很小,定子和轉(zhuǎn)子電阻與電抗相比均可忽略。同時(shí)激磁電抗要比漏抗大得多,所以可將并聯(lián)

8、支路省略。故對(duì)諧波源來(lái)說(shuō),異步電機(jī)的等效電路可以簡(jiǎn)化成圖3。圖2異步電機(jī)諧波等效電路圖3諧波電流近似計(jì)算等效電路Fi g ure 2E q uivalent circuit of the as y nchronous electromotor Fi g ure 3E q uiralent circuir of harmonic current a pp roximate calculation 注/Note :x 1-定子漏抗;x 2-轉(zhuǎn)子漏抗;x m -勵(lì)磁電抗/x 1-Stator leaka g e reactance ;x 2-R otor leaka g e reactance ;x

9、 m -F ield excitation reactance因此,在電源電壓k 次諧波U k 的作用下,相應(yīng)定子諧波電流為:I k =U kk (x 1+x 2(5總的諧波電流有效值I h 為:I h =I 52+I 72+I 112+I 132+I k 2=5I k 2(6總的定子電流有效值為:I =I 12+I 52+I 72+I 112+I k 2=I 12+I h 2(7對(duì)于給定的電壓波形,定子電流相應(yīng)的諧波成分與電動(dòng)機(jī)的標(biāo)么電抗x *有關(guān),而x *=(x 1+x 2I e /U e 式中:U e 、I e 為電機(jī)相電壓、相電流額定值。由式(1、(2可知,諧波電壓的大小與諧波的次數(shù)成

10、反比,即U k =U 1/k ,則I k =U 1K 2(x 1+x 2(8如果基波相電壓U 1等于正弦波額定電壓U e ,則可得以滿載額定電流為基值的諧波電流標(biāo)么值I k *I k *=I k I e =1k 2x *(9利用式(6和式(9對(duì)6階梯電壓波形進(jìn)行計(jì)算,其總諧波電流的標(biāo)么有效值為0.046/x *,對(duì)12階梯電壓波形進(jìn)行計(jì)算,其總諧波電流的標(biāo)么有效值為0.105/x *。可以看出諧波電流的大小是與標(biāo)么電抗成反比的。根據(jù)式(7可得出額定負(fù)載下總的定子電流標(biāo)么有效值。因此,6階梯波電壓供電時(shí):I =1+(0.046/x *2(1012階梯波電壓供電時(shí):I =1+(0.105/x *2

11、(11298沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)第34卷式(10、式(11的關(guān)系如圖4所示。從圖4中可以看出,12階梯波電壓供電時(shí),電流有效值的增加可以忽略不計(jì),但是當(dāng)標(biāo)么電抗較小時(shí),6階梯波電壓供電下,電流有效值則明顯增大。對(duì)于磁阻電動(dòng)機(jī),這一點(diǎn)很重要,通常磁阻電動(dòng)機(jī)的標(biāo)么電抗可以低到0.05,結(jié)果可以使?jié)M載電流有效值增加35%。對(duì)于異步電動(dòng)機(jī),標(biāo)么電抗通常在0.10.2,在6階梯波電壓供電情況下,滿載電流有效值比基波電流大5%10%。3電源非正弦對(duì)電機(jī)運(yùn)行性能的影響3.1損耗增加和過(guò)載機(jī)的電能損耗為:P 1=3I 12R 1(12有諧波后,由于集膚效應(yīng),使得諧波電阻比基波電阻增加C k 倍,損耗增加為:P k

12、 =3I 12R 1+3k =5I k 2C k R 1(13增加的損耗為:P =P k -P 1=3R 1k =5I k 2C k (14電機(jī)非正弦供電下,由于集膚效應(yīng)隨頻率增加而增加,因此C k 也隨頻率而增加,使得電機(jī)繞組有效電阻比相應(yīng)直流電阻大幾十倍。此外由于諧波頻率高,集膚效應(yīng)顯著,諧波造成電流集中于槽口的現(xiàn)象也很嚴(yán)重,使得上層繞組、齒、槽楔等最容易受到諧波電流的損害。這都大大增加了定子和轉(zhuǎn)子的諧波損耗,成為變頻調(diào)速電機(jī)運(yùn)行中的重要問(wèn)題。諧波分量引起的損耗增大部分,與負(fù)載大小無(wú)關(guān),即與空載下大致相等。由分析知,負(fù)載越輕時(shí),諧波引起的損耗增加就越大,電機(jī)效率及電機(jī)的功率因數(shù)都將變低。特

13、別是功率因數(shù)受影響較大。因此,對(duì)于在非正弦電源下運(yùn)行時(shí),與在正弦波電網(wǎng)上運(yùn)行相比,電動(dòng)機(jī)的空載損耗顯著增加,而滿載時(shí)的損耗增加的相對(duì)較少。銅損和鐵損共同影響,使電機(jī)的損耗增加,效率降低。3.2功率因數(shù)降低非正弦電壓的諧波成分一方面使電機(jī)電流有效值增加,另一方面使磁路飽和程度提高,無(wú)功勵(lì)磁電流增加,所以電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)下降明顯。一般地,變頻器供電電機(jī)與工頻電源供電電機(jī)相比,在額定狀態(tài)即額定電壓、額定頻率、額定輸出功率下,電流將增加10%左右,溫升將約增加20%,這種情況是由使用變頻器引起的附加損耗產(chǎn)生的。3.3諧波轉(zhuǎn)矩除了基波電流對(duì)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩做功之外,諧波電流也會(huì)產(chǎn)生附加的諧波轉(zhuǎn)矩,產(chǎn)生機(jī)械震

14、動(dòng)和噪聲。圖4定子電流標(biāo)么有效值與標(biāo)么電抗的函數(shù)關(guān)系Fi g ure 4Function relation of stator current p er unitefficient value and p er unit reactance 第4期王桂英等:變頻器非正弦供電對(duì)異步電機(jī)運(yùn)行性能的影響299 300沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)第34卷諧波轉(zhuǎn)矩有兩種形式:一種是恒定諧波轉(zhuǎn)矩,一種是脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩。恒定轉(zhuǎn)矩是由氣隙諧波磁通和相同次數(shù)的轉(zhuǎn)子電流諧波相互作用產(chǎn)生的。這些恒定的轉(zhuǎn)矩占額定轉(zhuǎn)矩很小的一部分,在額定轉(zhuǎn)矩1%以下,其全部影響是使電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定轉(zhuǎn)矩略微減小,可忽略。由諧波旋轉(zhuǎn)磁通和不同次數(shù)的轉(zhuǎn)子諧波電流

15、相互作用產(chǎn)生的平均值為零的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩則情況不同。如在6階梯波電源供電時(shí),定子5次和7次諧波電流幅值較大,5次和7次諧波在轉(zhuǎn)子感應(yīng)的轉(zhuǎn)子電流與氣隙基波磁場(chǎng)相互作用將產(chǎn)生6倍基頻的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩,這個(gè)脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩在低速運(yùn)行時(shí)可能達(dá)額定轉(zhuǎn)矩的1/3,影響最為嚴(yán)重。這是因?yàn)?次諧波電流為負(fù)序電流,所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向與基波相反,速度為基波的5倍;7次諧波電流為正序電流,所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向與基波相同,速度為基波的7倍。這兩個(gè)諧波磁場(chǎng)與正轉(zhuǎn)的基波磁場(chǎng)之間的相對(duì)速度都是6倍基波同步速度,而這兩種時(shí)間諧波電流所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)極數(shù)和基波磁場(chǎng)極數(shù)也相等,所以5次和7次諧波能相互作用產(chǎn)生6倍基頻的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩。同樣,11次和13

16、次諧波能產(chǎn)生一個(gè)12次諧波脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩。一般情況下,脈動(dòng)諧波轉(zhuǎn)矩對(duì)電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩并無(wú)改變,因?yàn)槊}動(dòng)轉(zhuǎn)矩的平均值為零,但是由于脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩的存在,使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子在每轉(zhuǎn)中的角速度發(fā)生變化。特別是在低速時(shí),電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速將會(huì)發(fā)生跳動(dòng)或步進(jìn)現(xiàn)象。3.4電應(yīng)力問(wèn)題在變頻器非正弦供電下,電機(jī)電壓波形常因供電方式而不同。通常是在基波電壓之上迭加換流引起的浪涌電壓尖峰。特別是在電流源型逆變器供電時(shí),浪涌尖峰前沿上升速度在2.525s之間,幅值高達(dá)電機(jī)額定電壓1.5倍。由于電機(jī)線圈之間有分布電容,浪涌電壓侵入的波過(guò)程中各線圈之間電壓分布不均,有40%左右的浪涌電壓施加在接電源側(cè)的第一匝線圈上,這樣就存在線圈能否承受住如此強(qiáng)的電應(yīng)力問(wèn)題。綜上所述,要減小