（电力电子与电力传动专业论文）交流变频调速系统的分析和设计.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fa d j u s t a b l es p e e dw i t hv a r i a b l ef r e q u e n c ys y s t e m s ，t h ei n d u c t i o nm o t o ri s a p p l i e dm o r ea n dm o r ew i d e l yi nt h ei n d u s t r i a ld r i v e i ns u c ha d j u s t a b l es p e e ds y s t e m ，t h em o t o ri s s u p p l i e db yi n v e r t e r t h i sr e s u l t si ng r e a tc h a n g e si nt h em o t o rr u n n i n gc o n d i t i o n t h ec o n v e n t i o n a l i n d u c t i o nm o t o rd e s i g ni sn o ts u i t a b l ef o rt h ei n v e r t e r - d r i v e ni n d u c t i o nm o t o ra n yl o n g e r t om a t c ht h e s e c h a n g e s ，n e wd e s i g ns t r a t e g i e so fi n v e r t e r - d r i v e ni n d u c t i o nm o t o r sa r ep r e s e n t e d t h en e ws t r a t e g i e s a c c o u n tf o rt h ei n t e g r a t i o no f i n v e r t e ra n dm a c h i n e ，t h u sm a k e si tm o l es u i t a b l ef o rp r o j e a ta p p l i c a t i o n i nt h i sp a p e r ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f t h ei n d u c t i o nm o t o r si sb u i l t ，b e s i d e s ，t h es i m u l a t i o nm o d e lo f i n v e r t e r si sp r e s e n t e d u n d e rm a t l a b s 1 m u l i n k ，am e t h o df o rm o d e l i n go fa d j u s t a b l es p e e dw i t h v a r i a b l ef r e q u e n c ys y s t e m si sr e a l i z e d ，w h i c hi ss u i t a b l ef o rp e r f o r m a n c ea n a l y s i so fi n d u c t i o nm o t o r sw h e n i n v e r t e rd r i v e n b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fa d j u s t a b l es p e e dw i t hv a r i a b l ef r e q u e n c ys y s t e m ，t h ep a p e rp r e s e n t sa d e s i g ns t r a t e g yf o rt h ei n v e r t e r - d r i v e ni n d u c t i o nm o t o nt h en e ws t r a t e g ye m p h a s e st h ee f f i c i e n c y , p o w e r f a c t o r ，e l e v a t e dt e m p e r a t u r ei nt h ev a r i a b l es p e e dr a n g e ，a n dd y n a m i cr e s p o n s e b u tt h ek e y p o i n t so ft h e d e s i g nf o rac o n v e n t i o n a lm o t o ra r ci t se f f i c i e n c y , p o w e rf a c t o r , m a x i m u mt o r q u e ，s t a r t i n gt o r q u e ，s t a t i n g c u r r e n t ，e l e v a t e dt e m p e r a t u r eo f t h eo p e r a t i n gp e r f o r m a n c ea n dt h ec o s t t h en e ws t r a t e g yh a st h ef o l l o w i n g f e a t u r e ：c o n s i d e r i n gt h ee f f e c to fh a r r a n n y ，t a k i n gt h eg o a lo fo p t i m i z i n gt h er o t o rs l o t sa n dt h em a c h i n e v o l u m e o nb a s eo f t h e m ，n e we q u a t i o n sa n dn e ws t e p sf o rd e s i g na r ei n t r o d u c e d w i t hn e we q u a t i o n s ，t h e h a r m o n i ca n a l y s i so f t h ei n v e r t e r - d r i v e ni n d u c t i o nm o t o ri sa n a l y z e di nt h ev a r i a b l es p e e dr a n g e t h u sac a ds o f t w a r ei sa c c o m p l i s h e d ，i tr e a l i z e st h ed e s i g na n dp e r f o r m a n c ea n a l y s i s i th a s t h e f o l l o w i n gf u n c t i o n ：h a r m o n i ca n a l y s i s ，p e r f o r m a n c ea n a l y s i si nt h ew h o l ev a r i a b l es p e e dr a n g e ，c o m p u t e r a i d e dd e s i g n t op r o v et h es o f a v a r e ，s o m ee x p e r i m e n t sa p p l i e d t h er e s u l t sd a t ai n d i c a t et h a tt h es o f t w a r e i sv a l i d a t e d a p p l y i n gt h ec a ds o f t w a r e ，a ni n v e r t e r - d r i v e ni n d u c t i o nm o t o r si ss e g u e s t e d ，a n di t sp e r f o r m a n c ei s a n a l y z e d t h er e s u l t ss h o wt h a ti th a st h eh i 曲e re f f i c i e n ta n dp o w e rf a c t o r t h e s em e a nt h a tt h en e wd e s i g n m d h o d sa r ec o r r e c ta n da d v a n c e d k e yw o r d s ：a c v a r i a b l ef r e q u e n c ys p e e dr e g u l a t i o n ；i n d u c t i o nm o t o r ；h a r m o n i ca n a l y s i s i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：查墨坠日期：立= p ，。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊髓) 授权东南犬学研究生院办理。 研究生签名：差! 兰垒导师签名：研究生签名：逐。三。l 埽师签名： 绪论 1 引言 绪论 近年来，由于电力电子技术突飞猛进的发展，交流变频调速已上升为电气传动的主流，正越来越多地 取代传统的直流调速传动。变频调速在调速范围、动态响应、调速精度、低频转矩、转差补偿、功率因数、 工作效率、使用方便等方面是越来越表现出优越性，而且它还具有体积小、重量轻、通用性强、可靠性高、 操作简便等优点，因而深受各行各业的欢迎，广泛地应用于钢铁、矿山、石油、化工、医药、纺织、机械、 轻工、建材等行领域，社会效益非常显著1 1 q 。 作为变频调速的执行电机的异步电动机结构简单、牢固，价格便宜，而且运行可靠、无需维护，在变 频传动中的应用极为广泛。变频调速的异步电动机还具有高效的驱动性能和良好的控制特性，不仅可以节 约大量电能，而且变频器自动控制性能的进一步改善也为变频调速系统提供了良好的发展前景。目前，在 美国市场有近5 0 的调速电动机为变频调速电动机，其市场份额还有上升趋势。国内市场上，变频调速异 步电动机的应用也呈现出强劲的上升势头。因此，开发设计专用的变频调速异步电动机具有很好的发展前 景。用于变频调速的异步电动机采用变频器装置供电，与电网供电不同，电机端输入的电压、电流为非正 弦，其中谐波分量对异步电机的运行性能会产生显著影响，如电机电流增大，损耗增加，效率、功率因数 喇氐，温升增加，还会出现转矩脉动，使振动和噪声增大，绕组绝缘易老化等【4 j 。所以变频调速异步电动 机( 简称变频电机) 的设计与普通工频供电的异步电动机的设计存在一定差别，采用普通的异步机进行变频 调速时，电机性能很难达到最佳。这就要求从调速系统出发，对变频调速异步电动机进行合理设计和整体 优化。 尽管传统的异步电动机的设计理论已十分成熟，但按传统理论设计的异步电动机进行变频调速时考虑 到温升及效率等因数，往往需要降容使用。厂家在设计专门用于变频调速的异步电动机时，也仅仅是在普 通异步机的设计基础上作一些改进。故而系统地研究变频调速系统的设计理论，以期为变频异步电动机的 设计及分析提供较全面的理论依据，具有较强的现实意义。 2 变频调速系统的研究现状帮】【q 交流交频调速系统主要由交频器和异步电动机两部分组成，变频凋速技术即是随着变频器产品的应用 而发展起来的。我国变频器的市场化始于8 0 年代后期，第一家商品化的变频器当属日本三垦变频器，香 港力达公司作为三垦的总代理，在国内巡回讲座变频技术( 当时是s v f 型) 。紧接着，日本富士变频器推 入中国( 富士5 型) 。所以到8 0 年代末，我国的变频市场是被三垦、富士占领着，尽管在这以前，机械部 的西安电力电子技术研究所研制电流型变频器，天津电气传动研究所研制着电压型变频器，大连电机厂买 了日本东芝技术，都没形成规模。到现在，除了日本三垦、富士变频器，还有三菱、东芝、安川、明电舍、 口立、春日、松下、东洋、a b 、罗宾康、通用、l c b 、摩托托尼、西门子、伦茨、a b b 、丹佛斯、西技来克、 阿尔斯通、施耐德、安萨尔多、s e w 、住友、三本、c t 、v a c o n 、i ( e b 、r e l i 州c e 、t e 、伊林、欧陆、三星、 l g 、台安、东元、普传、安邦信、森兰、佳灵、吉纳、先行、安圣( 华为) 、时代、利德华福、富凌、九 德松益、利佳、骝盛达、格0 ：特、司方、隧达、惠t - 、h o e i p 、i s c 、a l i p 卧、隆兴、爱德利、台达、久晋、 宁茂、| ；u 陬七林、甫娶、康沃、建业、j 孔光电子、凯奇、据丸、v 卜a 3 ( 辽无) 、d v f _ c ( 尔宇) 、四 维、敞林，腾坨、维品荚、先马、t t i c ( 华能) 、灭传、确屯子等八 多个品牌。此外，我【习也涌现丁不少 交频器生产厂家，除台湾外，还有如安吊、佳炙、利德华稿等。 变频技术上的进展更为硅蔫。8 0 年代末的变频器，技术上还小很完善，自的如缺少避开撷率点功能和 瞬对停电自动菇起动功能等，而 i 前的变频器，功能1 f ：常强，除具宵转矩提升、转差 偿、转矩限定、直 流制动、多段速度设定、s 型运行、频率跳跃、瞬时停电f i 动再肩动、重试功能等性能， ，还存虹直接转 东南人学硕士学位论文 绪论 矩控制，实现商起动转矩、低干扰控制方式、通信功能、r s 4 8 5 接口，可以选用各种总线。如p r o f i b u s 、 i n t e r b u s 等。通用变频器容量也有所放大。如：日本富士、日本明电舍达到了3 1 5 k w ，而西门子可以做到 8 0 0 k w 。总体上变频器基本相通，但又各有特色。如日本变频器年代早、产量大、可靠性高、设计细化。 西门子变频器范围大、电压等级多、功能多。欧洲变频器不但有通信功能，两且有通信协议。富士7 5 k w 以下内置制动单元和制动电阻，三垦i p f 系列备有恒压供水基板( i w s ) ，丹佛斯变频器具有较强的滤掉谐 波功能等。变频器的核心逆变元件也由g t r 转为i g b t 。随着变频技术的发展，变频器产品得到了进一步的 完善。 由于采用变频器调速后电机的传动性能进一步得到了改善，使得变频技术在传动领域的应用日益广泛， 随之也就对专门用于变频调速的异步电动机提出了要求。异步电动机是一个非线性，多输入，强耦合的复 杂系统，在变频器供电后其系统变得更加复杂，这就给变频电机及其系统的设计带来困难。目前国内外对 变频电机系统的研究的文献并不多见，特别是从机电一体角度研究的论著更是凤毛麟角。这有其客观原因， 方面是国内外较成熟的变频器产品已形成系列，具体针对某一系列变频器设计其专用电机，有其现实意 义：另一方面，不同的变频器工作模式和性能各不相同，甚至差g d 很大，其对电机的影响难以一概而论， 而用户对电机的要求也各有侧重，必须具体计算才能确定变频电机的晟终设计方案。 变频电机的设计问题，从产品来看，国外较早就开始生产一些系列的变频专用电机。例如，东洋电机 株式会社于9 0 年代推出的3 7 k w 至4 5 w 的w v f 驱动的u f 系列变频调速异步电机，电机性能指标较好而 且重量减轻体积缩小。国内生产的变频电机，如上海先锋电机厂自9 3 年以来研制的b p y 三相变频电机系 列，0 7 5 k w 至5 5 k w 十几个规格以及其它个别大容量高转速的变频调速电机。南京中科电机有限公司生产 的y v f 系列变频电机，也是变频器专用电机，采用最新的电磁设计程序，能够配合v f 控制或矢量控制等 各种的变频器，并采用了与y 2 系列电动机相同的功率等级和安装尺寸。同时我们也应看到，国内对与变 频器配套生产的异步机主要还是依赖原有的普通电机的设计经验，在原有基础上改进而来，整套完备的理 论尚未形成，致使调速系统整体效率不高。华中科技大学和西安交通大学以及浙江大学也都开发了最新的 变频异步电动机的辅助设计软件，但都还处于初探时期，有待进一步完善。 当前，国内外对变频调速电动机的研究主要集中在以下方面： ( i ) 改善转矩特性 采用恒压频比控制时，电机在低频运行时转矩降低，转矩脉动增大，在电机设计和控制时需要加以考 虑： ( 2 ) 提高电机效率 逆变电源中含有高次谐波，由于集肤效应使电机定、转子电阻增大，电机铜耗增加，同时还导致铁耗、 杂散损耗增加致使电机效率下降并且发热量变大； ( 3 ) 电机参数对电气性能的影响 主要研究电机定、转子电阻、漏抗与槽形尺寸的关系，以及电机参数设计对电机性能的影响； ( 4 ) 损耗的精确计算 由于供电电源中含有大量的谐波，在考虑谐波作用时，研究计及铁芯饱和及集肤效应时电机损耗的定 量计算闯题； ( 5 ) 定转子绕组和槽形设计 主要针对变频调速电动机的绕组、槽形设计平 j 槽配台进行研究，目前对电机转子是否采用斜槽还存在 较大争议： ( 6 ) 振动和口粲声 变频调速电机需要在一定的调速范陶内运行，i ：作频率较宽， ：且由于频繁起、制动，电机的振动和 噪声较普通电机要大，设计中需要加以研究； ( 7 ) 系统优化 电机是一个多输入多输出系统，按f i 拭目怀进行优化设计，考虑不同设计参数之间的整体性和匹配性， 这也建目前研究的热点。 综上所述，变频调速电机的设计存在渚多j 普通电机的不l 司之处。并且逆变器的输岍陆能也锌不相同， ! 东南人学硕十学位论文 绪论 例如有电压型的逆变器也有电流型逆变器，逆变器的调制模式有正弦脉宽调制( s p 删) 、空间矢量、六阶 梯波等，因此从机电一体化的观点看，对逆变器的研究同样是变频调速系统一个不容忽视的环节。 3 本文拟采用的研究方法 ( 一) 数学模型 加入了变频器的异步电机调速系统是个复杂的高阶系统，无论对其进行解析计算还是数值分析都不 是件容易的事，但我们可以在合理的近似条件下推导其数学模型，从而建立不同条件下的电机等值电路， 在此基础上对其进行定量计算。文中涉及的数学模型有： ( 1 ) 变频器模型 用以研究变频器输出电压或电流的特性，进而分析其供电时对电机的影响。本文拟研究的逆变器主要 为当前广泛使用的电压型s p w m 逆变器。 ( 2 ) 异步电动机模型 包括适于变频控制仿真的变频器异步电动机模型，以及适于电机设计用的变频电机基波电路模型 和谐波电路模型，分别用以描述变频器供电下电机的运行性能以及电机设计过程中的性能计算。 ( 3 ) 电机损耗计算模型 当前文献中所载电机损耗计算模型都带有大量的假设和经验数据，其精确度不高，尤其是在考虑谐波 产生的电机铜耗和铁耗时，同时还要考虑电机铁心材料的实际性能，这就需要建立更为精确的电机损耗计 算模型。本文拟采用公式拟合法，在谐波分析的基础上来建立谐波影响下的电机损耗计算模型。 ( 二) 谐波分析法 在考虑变频器供电影响时，谐波分析法是最常用的数学方法。对非正弦电源供电，通过傅立叶分解， 分别求得各次谐波的影响然后进行叠加。这对计算谐波损耗是十分有效的，其不足之处是在考虑磁路饱和 及非线性因素时需要修正。 ( - - ) 计算机仿真 对于异步电动机调速这样一个复杂的系统，在进行频域或时域分析时往往都要遇到大量的数据处理和 计算，直接利用计算机进行仿真能大大地提高计算速度，缩短研究时间。现有的m a t l a b 软件就是很好的 个仿真工具，m a 删s l l d u l i n k 工具包还提供了直接进行模块仿真的功能，可以直接利用软件提供的器 件模块进行仿真分析阴。本文通过建立变频器异步电动机调速系统模型，在必t l a b s i m u l i n i ( 下对系 统进行了仿真分析，对后文的理论的形成起到了良好的指导作用。 ( 四) 实验研究 通过采用变频器对实验样机进行变频调速实验，结合理论分析的结果，对变频供电下的电机性能加以 分析，并进一步从理论上提出普通异步机用于变频调速时的改进方案。 4 论文的主要内容和工作 论文的通过图形仿真和数学计算，就非正弦供电对异步电动机的影响进行深入而系统的分析，并在此 基础上推导了适于程序设计的变频电机基波和谐波等效电路模型，编制了变频电机计算机辅助设软件，给 出了变频调速样机的设计方案。 论文具体包括如下内容： 绪沦介绍变频电机的研究现状及本文拟研究的范围和采用的方法。 第章变频诵速系统的仿真分昕：建立变频调迷系统的仿真模擂! ，在m a l l a b ? s i m u l 下对电机的 非止弦供电进行- ，仿真，分析r 变频器供电对电机性能的影响。 第一二章在系统分析1 f l i 二弦供电对异步电动机影响的基础l ：，最点阐释，变频电机的设计特点以及 设计策略。 第三理分析在整个调速范围内变频电机电磁性能的计算方法，由丁：受变频器供l u 影响，计算中均合 理考虑谐波的影响。 第冈章在以上理论研究的基础i ：，介绍变频异步i b 动机计算机辅助没计软件的开发及其应剧。 3 东南人学硕十学位论文 绪论 第五章试验研究，对一台标准尺寸的三相异步电动机采用变频器进行调速实验，研究了毛丽丽硅蕊 对以上理论进行了验证，并对样机提出了变频运行的改进建议。 本课题的主要工作有： ( 1 ) 研究变频调速的异步电动机的系统设计方法，系统介绍包括从电机尺寸设计到槽形选择以及电 磁计算在内变频电机完整设计思想。 ( 2 ) 在先进的设计理论指导下，开发变频电机辅助设计软件，为变频调速电机的设计和分析提供 工具。 ( 3 ) 采用实验方法，研究变频器供电下电机性能的变化，与电网供电时加以比较，从而对理论研究 结果进行验证，并为变频调速异步电动机的设计提供实践依据。 5 理论及实践目标 从理论上完善变频电机的设计问题，并为逆变器- 异步机调速系统的性能分析提供理论依据；进一 步提高变频电机损耗、效率计算的精确性，为提高变频异步电动机的效率寻找新的突破口；实践上力求该 整体设计策略能运用于工程实践，为工程人员开发高效率、高性能的变频异步电动机提供理论和实用工具 上的帮助。 4 东南大学硕士学位论文 第1 章交流变频调速系统的仿真分析 第1 章交流变频调速系统的仿真分析 1 1 交频调速的主要工作原理 由电机学知，异步电动机的转速为： 力：盟( 1 5 ) ( 1 - 1 ) p 式中p 为极对数 s 为转差率 石为定子供电频率( h z ) ； 如忽略j 的变化，则有电机的转速n 随定子供电频率正比变化，从而可实现对电机的变频调速。根据 异步电机的工作原理，如若希望电机获得良好的运行性能和负载能力，还必须保持其磁路工作点稳定不变， 即保持每极磁通九额定不变。这是因为若九太强，电机磁路饱和，励磁电流和励磁损耗及发热增大i 若 丸太弱，电机出力不够，铁芯也未充分利用。 根据异步电动机定子每相电动势有效值公式： e l = 4 4 4 fw 1 k w l 丸 ( 1 2 ) 式中 w t 为定子每相串联匝数； k w l 为基波绕组系数； 九为每极气隙磁通( 帕) ； 当电机参数一旦选定，结构参数确定，就有 丸。o c e ，l 1 所以只要合理地控制e ，和，即可达到控制磁通九的目的。而改变供电电源频率石又可实现对电机 转速的调节，且在很大的调速范围内获得很好的调速平滑性和足够硬的机械特性。 在基频以下，要保持痧。额定不变，可近似采用u 、等于常数的办法，使电机作恒转矩运行t 功率 因数c o s 目基本保持不变。当运行频率超出基频时，受电机颥定电压的限制，随着运行频率的升高蓟碇 电压保持不变，则u 下降，气隙磁通随之减小，此时电机进久弱磁状态，转f 与频取近似成反比， 电, b l f f 近似恒功率运行。 根据以上原理，只要合理地对电机的供电电压和频率加以协调控制，即可以达到异步电机变频调速的 目的。随着变频器技术的日益发展和完善，变频调速得到了很好的实现。异步电动机变频调速系统由变频 5 东南大学硕士学位论文 第1 章交流变频调速系统的仿真分析 器、异步电动机及控制系统构成。其结构示意图如图i - i 。根据变频器的类型和控制方式的不同，异步电 动机变频调速系统有多种类型，如采用交一直一交变换的感应电动机变频调速系统，其逆变器由电力电子开 关构成，它将直流电压变为三相交流电压，且其电压和频率是可控制的，用来驱动感应电动机调速运行。 由于对调速系统的应用要求、期待的性能和控制器设计的复杂性的不同，变频器供电的异步电动机驱 动除上述定子电压频率比控制外，还能通过其他方案来进行控制，如定子电流和开环磁通控制、矢量控制 等。本文通过建立变频调速系统的数学模型，就应用较为广泛的定子电压频率协调控制进行仿真，用来研 究变频器供电对异步机电机工作性能的影响。 r n l () (!) 钍 马k墨jk 玉，jb 马， 吒一 l 廷 v 。6 。k 一 2 刍b 。刍0 + j 晤 (旺 图卜1 异步电动机变频调速系统结构图 1 2 交流变频调速系统的仿真 交流电机变频调速系统，在进行动态数字仿真时，需要首先推导出三相交流异步电机的数学模型，它 是一个高阶强偶合、多变量、非线性的系统，与此同时还需要建立电源模型。在进行仿真时，可利用由 m a t h w o r k 公司推出的m a t l a b 大型仿真软件，直接采用软件提供的s i n j l i n k 具箱，可以轻松快捷地对变频 器供电下异步电动机的性能进行数字仿真1 日。 1 、异步电动机的数学模型p 叫 在m a t l a b 中的电气系统模块库( p s b ) 中提供了异步电动机的模块，可以在仿真时直接调用。本文为了 深入研究变频器供电时异步电动机内部磁场及外部工作特性专门建立了异步电动机的数学模型。为建立 异步电动机的状态方程，首先作如下假设：异步电动机的三相绕组对称；忽略磁饱和的影响，电动机的磁路 是线性的；不计边缘效应，忽略齿槽影响，每相绕组所产生的磁动势沿气隙圆周呈现正弦规律分布；不考虑 频率和温度变化对绕组的影响。 并且为了使交流异步电动机的模型易于仿真，将a 、b 、c 三相坐标系转换为静止的a 、b 两相坐标 系。由于一相鼠笼式异步电动机的转子电压“。，= “。，= 0 ，于是在o 、b 静止坐标系下，以定子电流和定 子儆链为状态变量的并目，步电动机的状态方程为： r ， 一， ， 一一 i l = 一r + 月，厶7 与吼。+ 田，7 r ，7 上，q j - c oq j-r,1 0 + l ；1 。 “】q 一。、川一j 训+ l 川叫“ 6 东南大学硕十学位论文 第l 章交流变频调速系统的仿真分析 式中 讣 l b sv 4 s 一 l 虬j 。 计 r m = k “加 ； ，= ： 0 。、i p ，分别表示a 、b 坐标系上的定子电流： 么、p 分别表示a 、b 坐标系上的定子磁链 ，、甜m 分别表示a 、b 坐标系上的定予电压； r 、丘分别表示定子的电阻与电感参数； r ，、t 分别表示转子的电阻与电感参数； 吼= 三，( 厶一l m 2 ) ，k 为激磁电抗； ，为转子的角速度。 式( 卜3 ) 可进一步展开成式( 1 q ) 以方便建模。 巨 山此， 一( r + 砖l l , ) q l 屯，一国，+ 月，l , 口i 0 。+ 国，毋0 。+ g l 。k 出，屯，一( 足+ r ，t l , ) q 】如，一甜，q 1 乞，+ r ，z , q i * 0 。+ q l “加 一r 么+ u 。， 一r jb ；+ “b s 建立姒t l a b s i l 工下的异步i 乜动机的仿真摸型如图1 _ 2 东南火学硕十学位论文 ( 卜4 ) 第1 章交流变频调速系统的仿真分析 图1 - 2 异步电动机动态仿真模型 2 、电机的运动方程 电磁转矩方程：瓦= p ( i p 。p 名，一t 口，) 运动方程：i d o r ) = 号( t + t ) 总负载转矩：毛= t ，+ d o ， 式中f ，为轴上负载转矩i d 为转子阻尼系数； ，为转动惯量。 s i n j l i n k 下的仿真模型如图l _ 3 ： ( 1 - 5 ) ( 1 _ 6 ) ( 卜7 ) 图卜3 异步电动机运动方程的仿真模型 3 、电压型s p t m i 变频器模型 根f d s e n 逆变器的工作原理，通过一个三角载波信弓和一个j l ：弦调制信号比较得到正弦脉宽调制信弓 因此可直接谤用m a t l a bf 的模块建芷逆变器的仿真模型，图l q 为双极性电压型s p i n 逆变器仿真模型。 8 东南大学硕士学位论文 第l 章交流变频调速系统的仿真分析 图1 - 4 电压型s p 晰变频器模型 由于电机采用了两相坐标模型，故在变频器供电时，同样需要将变频器输出的三相电压信号转化为两 相坐标下的电压。其坐标转换公式为： 盼历 ：- 肌1 2 - 勘1 2 于是封装后的变频器输出电压模块为 “f ( 卜8 ) 图卜5 变频器输出仿真模型 4 、变频调速系统的仿真分析 分别对以上模块进行封装，即可建立在逆变器供电下异步电动机调速系统的仿真模型，从而在 m a 删s i 姗l i 下实现对电机的运行特性的仿真。 图卜6 变频调速异步电动机系统仿真模型 9 东南大学硕士学位论：艾 第1 章交流变频调速系统的仿真分析 采用以上变频调速系统的仿真模型，分别在变频器供电和标准正弦供电时对一台普通异步电动 机性能进行仿真，得到电机的相电流和转矩波形如图l _ 7 所示。结果表明，采用变频器供电时，电 机的输入电压为一系列等高不等宽的脉冲电压，若对该电压进行分解，其中除了基波电压以外，还 含有大量的谐波电压，这些高次谐波电压的存在，使得电机的相电流和转矩不再像标准正弦供电时 那样平滑，而出现了较明显的脉动。 ( a ) 变频器输出的线电压波形 ( b ) 标准正弦供电对的线电压波形 ( c ) 变频器供电时的相电流波形 ( d ) 标准正弦供电时的相电流波形 ( e ) 变频器供电时的转矩波形( f j 标准正弦供电时的转矩波形 图卜7 异步电动机变频器供电与电网供电仿真 1 0 东南大学硕士学位论文 第1 章交流变频调速系统的仿真分析 1 3 变频器输出特性分析 异步电机变频调速系统由变频器和异步电动机构成，在设计变频电机时，首先需要掌握所用变频器的 压频曲线以及输出信号的谐波情况。如果按变频器或逆变器的种类来分，有电压型和电流型两大类：如果 按输出量的波形来分，有正弦形、方波、阶梯波和脉宽调制等；如果按异步电动机来分有鼠笼式和绕线式。 对于每一种逆变器的输出波形，都可用傅氏级数加以分解，表达成基波和一系列谐波合成的形式。调速系 统的稳态特性主要决定于逆变器输出的基波分量，但谐波分量会影响电机的陛能，需要同时加以考虑。所 以在对变频器异步电动机系统的整体性能进行研究时，首先需要对变频器的输出性能加以分析p ”。 1 、变频器输出谐波分析 电压型s p 唧( 正弦脉宽调制) 变频器是当前应用较为广泛的变频器，其电压调制原理图如图1 8 。图口中 1 是调制信号波为正弦波，载波信号为三角波如图a 中2 所示。变频器的输出电压为一系列等高不等宽度的 脉冲，脉冲宽度是由正弦波和三角载波的相交点确定，由此得到相电压的输出波形如图b ，则输出线电压 的波形如图c 。根据s p 踟的生成原理，通过计算可以对变频器输出电压的谐波成分加以考察。 图1 8s p 州调制图 在调制波为正眩波的情况f ，采用平均对称规则采样调制方法所得的三相变频器输出线电压的基波和 谐波的振幅为嘲： 剁刚姗：压叼 ( 1 9 1 谐波蚴“q ) 的振幅：i j 岫。q ：型璺j 。p 孚) ( h o ) 。 n 丌2 ( a ) n = l ，3 ，5 ，时，k = 3 ( 2 m 一1 、1 m = l ，2 ，3 1 l 东南人学硕士学位沦文 第1 章交流变频调速系统的仿真分析 ( n 懈t 肌时，k _ f 1 6 6 仆m + l l ，肝, m = 1 0 ，2 , 1 ，, 式中j k 为贝塞尔函数，j k ( x ) = ( 一1 ) m = 0m ! 1 1 ( k + i n + 1 ) e d 为直流电压，皂为脉冲的幅值； 一薏为调制鹿和分别是正弦调甫帔和三角载波的峰值 为调制波角频率： 啦为载波的角频率。 三相变频器输出线电压的频谱如图1 9 所示： 谐篙 波0 8 融 。鼍 刀k l li | | i fii ： li35 0 _ 2 1 + 一( 一p ， 7 50f + 一2 i + - 4 0 123 角频率咒。_ + k c 0 1 图中：实线口= 1 0 虚线口= 0 8 点线口= 0 5 图1 _ 9 三相变频器输出线电压的频谱 可见对电压型s p 吼变频器，谐波电压主要分布在载波频率国。及其倍频为中心的边频带内。而且由于采 用了s p w m 生成法，次数低于载波比的谐波电压含量很小，并且只有次数为6 m 1 的谐波电压才能在电机 中产生谐波电流。例如，当调制频率为4 1 d l z 时，对5 0 h z 的调制信号，载波比为8 0 ，此时以8 0 倍频为中心 的谐波电压并不都产牛相应次数的谐波电流故从电流频谱看，定子电流谐波含量几乎为零；而当谐波电压 u 。m 土】中较大幅值的偕波成分产生相应次数的谐波电流时，若此时谐波次数相对较小，谐波等效电路中对 应的阻抗亦相对较小，i 6 。“次谐波电流可能具有较大值，此叫谐波对应的异步附加转矩脉动转矩均会有较 大值。所以在s p w m 生成时应避免低次大幅值6 m 1 次谐波电压，其产生的异步附加转矩和脉动转矩对电 机会具有不同的影响，尤其后者对电机运行危害更大，特别是在电机低速运行时。对s i 变频器，载波频率 取在4 6 k h z 为宣，过小存在低次谐波，过大开关损耗将增加。一般来说，不论用何种方法生成p 硼波，总存在 谐波电压，此时应让最大幅值谐波的级次恰好为3 k 。 1 2 东南大学硕士学位论文 箜! 童奎鎏壅塑塑垄墨堑塑笪塞坌堑 本文对一台a b 公司的1 3 0 5 型变频器的输出谐波进行计算，当载波频率为4 k h z ，直流电压为5 7 7 v 调制 度为i ，调制频率为5 0 h z 时，得主要谐波分量的大小及分布如表卜1 所示： 表1 一i 调制频率为5 0 h z 时变频器输出谐波分析( 口= 1 ) l 波次l7 67 88 28 41 5 91 5 51 6 51 6 1 i 线电压 5 3 6 9 49 2 4 41 6 0 81 6 0 89 2 4 42 1 2 2 62 0 8 9 52 0 8 9 52 1 2 2 6 l 幅值v 调制度为o 1 7 ，调制频率为5 h z 时，得主要谐波分量的大小及分布如表l - 2 所示 表l - 2 调制频率为5 h z 时变频器输出谐波分析( 口= 0 1 7 ) i 波次17 9 88 0 28 0 48 0 81 5 9 91 6 0 i i 线电压幅值v 9 1 35 8 3 5 8 30 0 0 8 8 3 1 6 9 8 1 9 5 58 1 9 5 5 调制度为l ，调制频率为1 0 0 h z 时，得主要谐波分量的大小及分布如表i 一3 所示 表卜3 调制频率为1 0 0 h z 时变频器输出谐波分析( 口= 1 ) l 波次 13 63 84 24 47 57 98 18 5 i 线电压5 3 6 99 2 4 31 6 0 81 6 0 89 2 4 42 0 8 5 92 1 2 2 62 1 2 2 62 0 8 5 9 幅值v 2 、变频器输出压频曲线 随着电源基波频率由额定值往下调节，电机的理想空载转速也成比例下降。根据变频调速原理，随着电 源基波频率的下降电源基频电压也应随之减小。反之，当电源基波频率高于额定频率时，电机绝缘材料受耐 压的限制，定子绕组端电压不能升高，即超过额定电压1 直，这样每极气隙磁通将随基波频率上升而减小。这 就形成了变频调速时如何协调交流电机端电压与基波频率的关系问题，这种关系曲线就是变频调速控制电 压频率特性曲线。变频电机就是在变频器输出的压频曲线设定的电压和频率下工作的。 一般的变频器输出的压频特性曲线如图卜i 0 ： u h 0 图1 1 0 电压频率特性曲线 该特性曲线为分段线性，其最大特点是存在转折点即额定电压和基波频率点。该转折点由电机电 压等级和相应的基波频率决定，在选择电压频率特，陀曲线时，通常缝按照实际值选取的。圈中特性曲 线经过额定电压和额定频率点且频率离丁额定频率时维持额定电压不变，但当频率低j ：额定频率对 叉分不同种情况： ( 1 ) 比例控伟0 特性 此特性曲线经过原点，电雎 l 】频率警线性关系，控制相对比较简单。但低频时，闽定子存在漏 1 3 东南大学硕1 ：学位论文 第1 章交流变频调速系统的仿真分析 阻抗压降致使电机气隙磁通有所削弱，电机过载能力会明显下降，因此不适用于恒定转矩或恒功率 性质的负载起动，比较适用于轻载起动的场合。 ( 2 ) 带补偿比例控制特性 由于在低频段比例控制存在低频气隙磁通削弱，过载能力下降的弱点，要尽可能增大低频时电 机过载能力，必须对定子绕组端电压进行适当补偿，即随频率下降适当增大电机端电压，以弥补因 定子漏阻抗压降对感应电势减小的影响。此时的压频曲线低频段如图中虚线所示。 ( 3 ) 风机负载时的比例控制特性 该输出特性在低频段端电压较线- 陛特性还低，如图1 1 0 中2 所示，故低频过载能力比线性特性还 弱，但理想空载转速迅速提升，只适用丁i 负载随转速上升而增大的场合，如风机或泵类负载，因此 这种负载即使在临界转速以下也能稳定运行。 在一些特殊场合应用的变频电机，要求额定频率时用不超过额定电压的不同端电压工作，或者 在额定电压时采用不同的频率，这时的电压频率特一陛曲线都会根据需要进行合理设计。但无论何种 用途，电压频率特陛选择一定是在变频器的额定容量之内，可以按以下步骤进行：首先根据电压等 级、基波频率确定性曲线转折点，再由负载性质确定低频段压频曲线，然后按起动时过载能力要求选 择端电压补偿值”j 。 3 、低频电压补偿系数 在恒转矩调速范围内，若简单采用恒压频比的控制策略，在低频段电机的转矩下降，负载能力变 弱，所以需要提高定子电压以增加转矩。该电压的增加幅度随频率变化，可采用系数的形式加以描 述。低频电压补偿系数可按以下公式近似确定i l u j ： 1 + l + ( g 吐) 2 l + l + 4 2 式中睥杀舡簪电压相对额定电压的比值 吐= 警为电机短路啪定子蝴啪。 则变频器在低频处的供电电压为k d u i ，在低频段8 p ，k d p 即反应低频电压补偿的程度a 当d l = 1 5 时，低频段电压补偿程度曲线如图卜1 1 图卜1 1 变频电机低频电压补偿曲线 1 4 东南大学硕士学伉论文 第1 章交流变频调速系统的仿真分析 1 4 小结 本章通过建立异步电动机和电压型s p w 2 v 变频器的仿真模型，实现了在m a = 兀，a b ，s i n l 讯j i ，i n k 下的变频调速异步电动机系统的仿真，并进行了变频器供电以及标准正弦供电时电机性能的比较。 仿真分析表明，由于变频器供电时电源中含有大量谐波成份，这些谐波会对电机的运行性能产生影 响。由此，本文基于s p w i v i 电压波形的产生原理，进一步给出了其谐波的计算公式，并对一台试验 用s p w m 变频器的输出电压做了计算；最后根据变频调速的控制策略，描述了变频器输出特性及低 频时电压的补偿规律。 1 5 东南大学硕士学位论文 第2 章交流变频调速系统的设计研究 第2 章交流变频调速系统的设计研究 异步电动机的变频调速具有其它调速方式无法比拟的优越性，因而有着广阔的应用前景，这已在目前 的许多行业得到了验证。然而，普通异步电动机用于变频调速时，由于电源为非正弦供电，其中的谐波含量 会导致电机的损耗增加，转矩脉动加大，以及低频最大转矩减小等缺点。作为交流变频调速系统的执行机 构，异步电动机的性能很大程度上决定了调速系统的性能。所以在设计专门用于变频调速异步电动机时， 需要系统考虑变频器供电对电机的负面影响，并加以抑制【1 】。 2 1 变频器供电对电机的影响 不论何种变频装置，在工作中均会产生不同程度的谐波电压和谐波电流，使异步电动机在非正弦 电流下工作。就目前比较普遍使用的电压型s p w m 变频器而言，其低次谐波电压基本上为零，但含有 丰富的可能比载波频率更高的高次谐波，分布为n c o k c k 中国为调制波频率，为载波比，k 为自 然数) 。高次谐波会引起定子铜耗、转子铺耗、铁耗及附加损耗的增加，其中最为显著的是转子损耗。 因为异步电动机是以接近于基波频率所对应的同步转速旋转的，因而高次谐波电压以较大的转差切 割转子导条后便产生很大的转子损耗。除此以外。还必须考虑到因集肤效应所产生的附加铜耗。这些 损耗都会使电机额外发热，效率降低，输出下降，如将普通异步电动机运行于变频器输出的非正弦 电源条件下，其升温一般约增加1 0 1 2 1 2 。并且当电机在低速运转时，电机的阻抗不尽理想，往 往需要进行低压电压补偿，这会造成铁心的磁饱和而使空载电流增加很多，以致电机温升过高。对 自带风扇的普通异步电动机，在转速降低时冷却风量将与转速的3 次方成比例减少，这必将使电动机 的低速温升急剧增加，而难以实现恒转矩输出；而在高速区，可能风耗和噪