VVVF變頻器驅(qū)動(dòng)高功率密度異步電機(jī)的電源諧波研究_圖文

1、第10卷第1期2006年1月電機(jī)與控制學(xué)報(bào)EL EC TR IC MACH I N ES AND CON TROLVol 110No 11Jan .2006VVVF 變頻器驅(qū)動(dòng)高功率密度異步電機(jī)的電源諧波研究楊琰,竇滿峰(西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院,陜西西安710072摘要:為了探討電源諧波對(duì)VVVF 變頻器驅(qū)動(dòng)高功率密度異步電機(jī)運(yùn)行性能的影響,采用異步電機(jī)的諧波等效電路法分析了諧波對(duì)電機(jī)損耗和轉(zhuǎn)矩的影響,建立了變頻器驅(qū)動(dòng)高功率密度異步電機(jī)的系統(tǒng)模型,給出了不同電源下電機(jī)損耗和轉(zhuǎn)矩的仿真結(jié)果及電機(jī)和變頻電源最佳匹配的方法。仿真結(jié)果表明,電源諧波加劇電機(jī)發(fā)熱,降低電機(jī)的帶載能力和功率密度。關(guān)鍵詞:V

2、VVF 變頻器;高功率密度異步電機(jī);電源諧波中圖分類號(hào):T M346文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1007-449X (200601-0049-03Research on supply har mon i c of hi gh power density i n ducti onmotor equi pped with VVVF converterY ANG Yan,DOU Man 2feng(Aut omati on Acade my,North western Polytechnical University,Xi an 710072,China Abstract:I n order t o d

3、iscuss the i m pact of supp ly har monic on high power density inducti on mot or e 2qui pped with VVVF converter,har monic equivalent circuit is used t o analyze the i m pact in this paper,a syste m model of high power density inducti on mot or equi pped with converter is built,si m ulati on result

4、of this mot or fed by different s ource is given,and a method of op ti m um match bet w een mot or and converter is p resented .Result indicates that supp ly har monic causes more heat,less l oad and power density t o mo 2t or .Key words:VVVF converter;high power density inducti on mot or;supp ly ha

5、r monic收稿日期:2005-05-16;修訂日期:2005-10-17基金項(xiàng)目:西北工業(yè)大學(xué)研究生創(chuàng)業(yè)種子基金資助項(xiàng)目(Z200557作者簡(jiǎn)介:楊琰(1981-,男,碩士研究生,主要從事電機(jī)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)控制的研究;竇滿峰(1967-,男,教授,主要從事稀土電機(jī)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)控制的研究。1引言采用VVVF 變頻器驅(qū)動(dòng)的高功率密度異步電機(jī)的特點(diǎn)是功率大、體積小、轉(zhuǎn)速高,但電源諧波對(duì)電機(jī)的發(fā)熱、帶載、噪聲影響很大。變頻器驅(qū)動(dòng)高功率密度異步電機(jī)的運(yùn)行性能受變頻器和電機(jī)兩方面的共同影響,采用不同調(diào)制模式和不同調(diào)制參數(shù)的變頻器,輸出諧波不同,對(duì)電機(jī)的運(yùn)行性能影響有較大差異1;變頻器驅(qū)動(dòng)的高功率密度異步電機(jī)

6、,需要特別設(shè)計(jì)以抑制諧波對(duì)電機(jī)性能的影響。本文采用高功率密度電機(jī)和變頻器一體化研究方法。變頻器采用SP WM 調(diào)制模式,在電源諧波的分析基礎(chǔ)上,合理設(shè)計(jì)高功率密度電機(jī);通過(guò)仿真比較分析不同參數(shù)的SP WM 波對(duì)該電機(jī)性能的影響2,選擇最合適的調(diào)制參數(shù)。2VVVF 變頻器的電源諧波分析采用SP WM 逆變電路的VVVF 變頻器,輸出的線電壓頻譜中,基波和諧波分量的分布及其幅值變化主要受調(diào)制信號(hào)頻率f r 、載波頻率f c 、調(diào)制度a 的影響。調(diào)制信號(hào)頻率f r 即正弦波輸出頻率,根據(jù)希望輸出的波形設(shè)定f r ;載波頻率f c 是指接受調(diào)制的等腰三角波信號(hào)頻率,載波頻率f c 與調(diào)制信號(hào)頻率f r

7、 的比值是載波比N ,N =f c /f r 。在一定的調(diào)制信號(hào)頻率f r 下,提高載波頻率f c ,載波比N 增大,一周期內(nèi)的脈沖數(shù)增多,P WM 波形越接近正弦波,但載波頻率f c 應(yīng)小于功率器件的開關(guān)頻率,同時(shí)應(yīng)考慮開關(guān)損耗的影響。調(diào)制度a 為調(diào)制信號(hào)峰值與三角載波信號(hào)峰值之比,體現(xiàn)了直流母線電壓的利用率。在理想情況下,a 值可在01之間變化,以調(diào)節(jié)變換器輸出電壓的大小,實(shí)際上a 總是小于1,在N 較大時(shí),一般取a =0180193。SP WM 逆變電路輸出諧波頻率為nf c ±kf r 。式中:n =1,3,5,時(shí),k =3(2m -1±1,m =1,2,;n =2

8、,4,6,時(shí),k =6m ±1,m =0,1,2,。諧波中幅值較高的是f c ±2f r 和2f c ±f r 。在實(shí)際電路中,由于采樣時(shí)刻的誤差以及為避免同一相上下橋臂直通而設(shè)置的死區(qū)影響,諧波含量比理想中要高,甚至?xí)霈F(xiàn)少量的低次諧波4。3諧波對(duì)高功率密度電機(jī)損耗與轉(zhuǎn)矩的影響311諧波等效電路諧波等效電路如圖1所示。r 1k 、r 2k 、r m k 為k 次諧波定子電阻、折合后轉(zhuǎn)子電阻、鐵耗等效電阻;L 1、L 2、L m 為定子、轉(zhuǎn)子漏感和定轉(zhuǎn)子互感;U k 、S k 為k 次諧波相電壓、轉(zhuǎn)差率。諧波對(duì)電機(jī)定轉(zhuǎn)子電阻影響很小,r 1k 、r 2k 大小基本

9、不變;當(dāng)諧波次數(shù)k 較高時(shí),諧波轉(zhuǎn)差率S k 1。312諧波損耗1諧波銅耗忽略磁化電流的影響,諧波電流為I 1k =I 2k =U k(r 1k +r 2k 2+2f k (L 1+L 22(1諧波銅耗:P Cu k =k =23I21k(r 1k +r 2k (22諧波鐵耗諧波鐵耗為P Fe k =k =21k017E k K 1w E 1K kw2P Fe1(3式中E k 為定子繞組諧波感應(yīng)相電勢(shì),E 1為基波感應(yīng)相電勢(shì),K kw 為諧波繞組系數(shù),K 1w 為基波繞組系數(shù),P Fe1為基波鐵耗。諧波損耗增加了電機(jī)的總損耗,使電機(jī)效率降低,加劇電機(jī)發(fā)熱,溫升升高,降低絕緣壽命。313諧波轉(zhuǎn)矩

10、1異步附加轉(zhuǎn)矩k =3n -1次諧波電流產(chǎn)生的磁勢(shì)與其在轉(zhuǎn)子中的感應(yīng)電流相互作用,產(chǎn)生制動(dòng)性質(zhì)的異步附加轉(zhuǎn)矩;k =3n -2次諧波電流產(chǎn)生拖動(dòng)性質(zhì)的異步附加轉(zhuǎn)矩。異步附加轉(zhuǎn)矩的大小為T =3I 2k 21-S kS kr 2k(4式中:S k 為諧波轉(zhuǎn)差率,S k =kn 1±n kn 11±1k;為角速度,=2n 60。異步附加轉(zhuǎn)矩使電機(jī)合成轉(zhuǎn)矩的最大值有所減小,電機(jī)的帶載能力下降;此外,電機(jī)的轉(zhuǎn)矩曲線產(chǎn)生異步谷,電動(dòng)機(jī)起動(dòng)后可能平衡在低速狀態(tài),不能上升到額定轉(zhuǎn)速。2脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩主要由基頻電壓產(chǎn)生的基波磁場(chǎng)與高次諧波電壓產(chǎn)生的空間基波磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生。脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩造成電

11、機(jī)低速脈動(dòng)、轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定、軸系振動(dòng),產(chǎn)生噪聲。4設(shè)計(jì)實(shí)例在電源諧波及其對(duì)電機(jī)性能影響分析的基礎(chǔ)上,為螺旋槳帶動(dòng)力風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)一臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)的高功率密度異步電機(jī)。電機(jī)的技術(shù)指標(biāo):額定電壓380V,額定功率36k W ,同步轉(zhuǎn)速12000r/m in,額定頻率400Hz,尺寸不大于直徑120mm ,長(zhǎng)度為350mm ,質(zhì)量小于20kg,功率密度大于118k W /kg 。411電磁設(shè)計(jì)導(dǎo)磁材料選用精密軟磁合金1J22,飽和磁密可高達(dá)214T;繞組采用C 級(jí)絕緣,可耐180高溫。繞組采用雙層短距,與單層繞組相比,能有效地削弱空間高次諧波,但定子電阻大,定子銅耗增大。定轉(zhuǎn)子采用合理槽配合(24/22、轉(zhuǎn)

12、子斜槽30°電角,可有效削弱齒諧波,抑制異步附加轉(zhuǎn)矩和同步附加轉(zhuǎn)05電機(jī)與控制學(xué)報(bào)第10卷矩。在滿足功率因數(shù)指標(biāo)前提下,適當(dāng)提高電機(jī)漏電感,可抑制諧波電流和諧波轉(zhuǎn)矩,減小諧波損耗。412結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變頻器驅(qū)動(dòng)的高功率密度異步電機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重。為有效散發(fā)電機(jī)熱量,定子設(shè)計(jì)為雙螺旋油路冷卻結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)為空心軸單螺旋油路冷卻結(jié)構(gòu),定轉(zhuǎn)子同時(shí)雙油循環(huán)冷卻?？招妮S采用高強(qiáng)度合金40Cr M nSi 加強(qiáng)轉(zhuǎn)軸強(qiáng)度。采用減振材料提高定子結(jié)構(gòu)剛度,控制各部件結(jié)構(gòu)之間振動(dòng)傳遞,減小噪聲。413設(shè)計(jì)結(jié)果該電機(jī)主要參數(shù)設(shè)計(jì)結(jié)果如表1。表1電機(jī)主要參數(shù)設(shè)計(jì)結(jié)果Table 1D esi gn result of m

13、ach i n e param eters 參數(shù)名稱結(jié)果定子電阻(180/011157定子漏電感/mH 01131定轉(zhuǎn)子互感/mH 11692轉(zhuǎn)子電阻(180/010697轉(zhuǎn)子漏電感/mH011535仿真實(shí)驗(yàn)與分析為了分析理想電源供電和不同參數(shù)SP WM 逆變器供電對(duì)該高功率密度異步電機(jī)性能的影響,利用Mat 2lab615軟件進(jìn)行仿真。系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。異步電機(jī)模型采用Machines 工具箱里的Asynchr onous Machine 模塊,模塊參數(shù)采用表1結(jié)果;SP WM 逆變電路功率器件選擇I G BT,模型采用Contr ol B l ocks 工具箱里的P WM Gene

14、rat or 模塊和Po wer Electr onics 工具箱里的Universal B ridge 模塊組成;電機(jī)測(cè)量模型采用Machines 工具箱里的Machines Measure ment De mux 模塊、Sinks 工具箱里的Scope 模塊和XY Graph 模塊組成。仿真模型中,U 是指直流母線電壓。用理想三相正弦電源和SP WM 逆變器電源分別供電,電機(jī)運(yùn)行頻率為400Hz,壓頻比為380V /400Hz,加載的負(fù)載轉(zhuǎn)矩T m =29196N m 。SP WM逆變器供電時(shí),通過(guò)改變P WM Generat or 模塊的參數(shù),以理想電源供電為基準(zhǔn),比較不同SP WM 波

15、對(duì)電機(jī)性能的影響。P WM Generat or 模塊主要有3個(gè)參數(shù):調(diào)制信號(hào)頻率f r 、載波頻率f c 、調(diào)制度a 。調(diào)制信號(hào)頻率取f r =400Hz;調(diào)制度取a =018;載波頻率f c 選擇過(guò)低,諧波較大,受I G BT 開關(guān)頻率的限制,選擇不能過(guò)高,載波頻率f c 取12kHz (載波比N =30、1116kHz (N =29和1214kHz (N =31對(duì)比分析。仿真結(jié)果如表2所示。定子銅耗根據(jù)定子電流和定子表2仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2S i m ul a ti on result轉(zhuǎn)速/(r/m in 滑差定子電流/A 電磁轉(zhuǎn)矩/N m 定子銅耗/W 轉(zhuǎn)子銅耗/W 理想電源11

16、684010263841992919725071297815N =301162501031392168脈動(dòng)298114117614N =291161401032293185脈動(dòng)305712121111N =311160801032793174脈動(dòng)305010122919電阻計(jì)算,轉(zhuǎn)子銅耗根據(jù)輸出功率和滑差計(jì)算。表2表明,在相同負(fù)載下,SP WM 逆變器供電時(shí)電機(jī)比理想電源供電轉(zhuǎn)速低,滑差大,定子電流大,定轉(zhuǎn)子銅耗大,發(fā)熱嚴(yán)重,同時(shí)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),這主要是因?yàn)镾P WM 逆變器的諧波電壓在電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生諧波電流。SP WM 逆變器供電時(shí)載波比N =29和N =31與載波比N =30相比,定子電流、諧

17、波銅耗增加。這是因?yàn)?9次和31次諧波電壓產(chǎn)生了相應(yīng)的諧波電流,30次諧波電壓因?yàn)槿鄬?duì)稱,基本上不產(chǎn)生諧波電流。不同電源供電時(shí)XY Graph 模塊顯示的電機(jī)機(jī)械特性如圖3所示。圖3表明,理想電源供電時(shí)電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩為61N m ,SP WM 逆變器供(下轉(zhuǎn)第56頁(yè)15第1期VVVF 變頻器驅(qū)動(dòng)高功率密度異步電機(jī)的電源諧波研究8結(jié)論本文通過(guò)卡爾曼濾波方法對(duì)變頻調(diào)速系統(tǒng)基本正序?qū)ΨQ分量的實(shí)時(shí)在線估計(jì),提出了基本譜殘差的概念,定義了決策函數(shù),并給出了一種簡(jiǎn)單的故障決策策略。仿真結(jié)果表明提出的方法可有效實(shí)現(xiàn)逆變器故障的實(shí)時(shí)在線檢測(cè),為逆變器供電的電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)時(shí)在線狀態(tài)監(jiān)控或故障檢測(cè)提出了

18、一種新方法。這種方法僅能實(shí)現(xiàn)逆變器的實(shí)時(shí)故障檢測(cè),無(wú)法實(shí)現(xiàn)逆變器故障元件的準(zhǔn)確定位。要實(shí)現(xiàn)故障元件的準(zhǔn)確定位還需獲取更多的故障特征,同時(shí)還需要對(duì)故障進(jìn)行模式識(shí)別,有關(guān)這方面的研究工作有待于進(jìn)一步研究。參考文獻(xiàn):1Y OUNKI N GW.I ndustrial D rive Syste m sUpdate87A.Proc.IEEE2I AS87C,1987.350-355.2K ASTHA D,BOSE B K.I nvestigati on of fault modes of voltage2fedinverter syste m for inducti on mot or driveJ.I

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