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96 使用PWM逆变器供电的辅助定子绕组改善感应电动机功率因数 (电机译文集) 使用逆变器供电的辅助定子绕组改善感应电动机功率因数（尸匕泊尔）塔姆拉卡（加拿大）马立克著黄振坤译吕沛劲周维良校宽调制）电提要一阐述了通过使用一个辅助定子绕组和一个压逆变器以及在逆变器的直流电一侧的一个电容器改善感应电动机功率因数的电?。 本文还解释了所推荐的电?之工作原?，并拟定了一个选择功率因数最优值的准则采用该值的电?可给出最佳性能。 模拟和实验研究表明，在输出电压中的谐波分?可以减少而获得近似正弦的电流关键词功率因数改善感应电机逆变器。 引言感应电机一般吸收滞后电流而具有相当低的功率因数（）。 很差的响了输配电系统的经济性。 固定的并联电容器之使用?能满足具有变动负载的大型感应电动机的要求。 固态的无功功率补偿器正在变得?加普及，因为它们具有常规技术所没有的优点。 文献对于为了在公用电?负载母线上补偿无功功率而使用具有（脉宽调制）逆变器的固态无功乏（）补偿器的做法作了解释，并且已将技术用作为一种减小无功分?大小的手段。 在这个技术中所涉及到的基本原?已被用来开发一种改善感应电动机的电?。 被推荐的电?使用一个辅助绕组和一个电压逆变器以及在逆变器的直流电一侧的一个电容器。 拟定了被推荐的电?的数学模型。 本文所阐述的模拟研究和一些实验性试验的结果表明能够减少在输出电压中的谐波分?以得到一个近似正弦的电流波形。 被推荐的电?在这个被推荐的方案中使用了一台有组定子绕组的感应电动机，绕组绕在同一槽中但是是相互绝缘的。 其中一组是主绕组与电源相接，而另一组是辅助绕组，由图所示的一只电压逆变器供电。 主要的思?是，根据主绕组供电电压来控制逆变器输出电压的大小和相位，以使主绕组将主要承受有功功率，而?辅助绕组将主要承受无功功率。 由于辅助绕组主要承受无功功率，电压逆变器的直流电压可由一个直流电容器维持，?需要与电源连接（。 主定子绕组稚稚篓涮图被推荐电?的原?图图被推荐电?的等效电?如图所示，以一台三个绕组的变压器的等效电?为基础，可以实现有一个双定子绕组的感应电机的等效电?。 在图中公共的互感?磁电抗，代表一个事实，即套定子绕组占据了相同的槽，因此共同被?磁通的一个分?所耦合。 在该等效电?中韵一个交流电电压源。 （）代表了电压逆变器的作用。 它除了有些谐波以外，还有基波。 运?原?借助于图所示改进的等效电?，可对被推荐的电?的运?原?进?解释，图中，逆变器已由一个假想的有电抗的可变电容器所取代。 的某个特殊值下从主端看使全部阻抗的虚值等于零是可能的，并且由此而获得功率因数（【）。 ，、一，厂；！兰。 ，一二一二图修改了的等效电?图简化的等效电?为了进?分析，图所示的等效电?被简化成图所示的等效电?，其中一（）口。 （）（）（）（的条件是（）?通过等式（）的数学运算，功率因数（）的条件可以写成（。 ），（嘲）（）其中，。 。 （）。 （。 ）晶。 因此，。 （）（）如果）。 于是，。 （）以上分析表明，对于某一特定的滑差，在的个?同值时能够获得。 当电?在。 的个值之一下运?时，假想的电容器将有某个与主供电电源相差相位角的跨越其上的电压如果电压逆变器能够被控制以产生具有相位角的相同输出电压。 ，在输入端子上可获得功率因数等于。 因此，逆变器的作用可由在图所示的等值电?中的可变电容器表示。 图表示被推荐的电?的的相?图。 逆变器的功能是产生一个具有合适相位和相位角的电这样，通过辅助定子绕组的电流。 就具有超前的无功分?；，而电动机在没有辅助定子绕组的情况下吸收的相?电流为。 。 。 ）。 图功率因数运?向?图图总阻抗的虚值与之关系曲线电抗。 是输出电，和通过辅助绕组的电流。 的比值，其中。 是输出电压的基波分?。 在实践中，逆变器输出电压中有基波及谐波分?。 后果还要讨论这个条件下的性能。 图所示是一台马?，感应电动机在具有?同滑差值时总阻抗。 的虚值之变化。 从该图可以看到，可以在?同滑差（负载）值下获?。 得。 对于某一个特殊滑差值，两个?同值时均成为。 较高的。 的值与通过辅助绕组产生的一个较低电流值的较高值相对应。 为了减少在辅助绕组中的损耗，应该对逆变器加以控制，以获得一个较高的的值。 从图还可以看到，在较高负载下产生所需的值，比在轻负载时所需之值相对要小。 因此，在较高负载下，在运?时，高电流将流经辅助绕组，而增加辅助绕组中的损耗，并引起电动机低的效率。 所以，在下运?电机可能达?到最希望的工作性能。 功率因数的最优值例如。 与关系，。 中损耗与关系以及效率与上面提到的马?感应电机固定的滑差值时计算的之关系，这样的特性表明在时。 和在中功率损耗都是很高的，它们在一个很小的腕围内，例如到滞后，则迅速减小。 此后，由于腻小，。 只减少很小，在。 中的功率损耗也只是很少减小。 图给出了两个滑差值的效率特性。 图（）表明，当处于和之间时电机有最高的效率，而和之间的区域也恰好处于。 和在中的功率损耗都很高的区域之外。 因此，最高效率的准则可被用来选择特殊滑差值时的最佳膳。 （）（）图感应电动机特性将图（）和（）所给的结果进?比较，就可以看出，产生最高效率的是随负载变化而变化的。 使用最高效率的准则来选择功率因数，意味着电机在轻负载下将以相当低的功率因数运?。 为了避免在低功率因数下运?，最好对功率因数施加一个较低的限值，比如，来实现电机运?。 由于电机效率在很小的范围上随功率因数变化而变化（图（），所以电机仍将以接近最高的效率运?。 ?控制策略为了保持所要求的电压逆变器须产生具有特殊相角值口的一个特殊的。 （）值。 因此，在特殊雾载下，必须获得所要求的（）的?值和相位并借助于控制器使它们保持恒定。 参看图相?图，与辅助定子绕组有关的有功功率由下式得出。 。 。 一）（相）（）通过变压器作用，辅助绕组从主定子绕组接受该功率。 经过辅助绕组的电流由下式得出。 。 （）（。 。 ）（）借助于等式（）和（），能够实现控制策略。 在主定子绕组中的无功功率被检测到，并与所要求的无功功率。 舴比较，这样得到的误差信号可被用来操作控制器。 控制器为逆变器选择合适的调制指数以产生所要求的（值，从而给出所要求的功率因数。 另一个必须控制变?是与辅助绕组中的有功功率有关的相角臼。 如果一）?。 （相）（那么，将?会有电源流入直流电容器，而且跨越电容器的电压将保持恒定。 跨越电容器的直流电压可用来调整相角。 通过该电压与。 （的比较，误差信号可用来操作控制器，以得出所要求的值。 图所示是控制电?的方框图图所推荐的电?的控制方框图谐波的影响输出电压有一个基波和一些谐波分?。 仅仅靠使用逆变器输出电压（）的基波分?，?可从图所示的等效电?计算出经过?同的电?分?的基波?电流。 主电源电压假定为只有基波分?。 通过?同的电?分?的谐波电流，也能够靠使用图的等效电?，在它的输入端子短?的情况下被计算出来。 每个级次的谐波电流是在等效电?中的电抗根据谐波级次作出适当修正时算得的电流。 然后，经过?同的电?分?的总电流作为经过分?的各个谐波电流之和给出。 通过逆变器以较高的载波频率运?，可减少在输出电压中的电压谐波。 电机的电感应也起到了实际的滤波作用来减少电流中的谐波，这是由于它们对较高级次的谐波的电压提供了较高的电抗。 因此，如果逆变器以足够高的载波频率运?。 无需任何额外的滤波器，?能够把主输入电流。 中的畸变率降低成为一卜可接受的值。 直流电容器额定值上面阐述的控制器将逆变器运作所要求的跨越电容器的直流电压平均值保持恒定。 然而，直流电压将会有一些脉动，这会在主电源输入电流。 中产生较高的畸变率。 选择电容器的额定值时必须使直流电压的脉动系数小于百分之五。 由下式得出脉动系数再（）式中，跨越在直流电容器的第级次电压谐波的均方根值（）为（）（）（）为跨越电容器的直流电压平均值，。 （）是经过直流电容器的第级次电流谐波的均方根值。 在基波频率下电容器的电抗，是?（）电流波形的傅立叶分析表明，第，第，?级次的谐渡分?是极其小的。 于是当只考虑通过直流电容器的电流的第级次谐波分?时，就可简化公式。 因此，（）所需的电容器的千乏额定值为?（）?模拟研究一种计算机程序已被编写出来以模拟上述被推荐电?各个部分，并对运?工况和性能进?研究。 对有或没有辅助绕组的感应电机都能进?分析。 有了辅助绕组，研究时的运?情况，或计算逆变器输出电压所要求的?值和相位，以碍出最优功率因数，就成为可能的事了。 牛顿一拉夫逊法用来确定产生所需输出电压所要求的逆变器波形的开关型式。 还可算出的傅立叶分?、在中存在谐波时的性能以及各种分?额定值。 马?电机的研究上面所提及的马?电机，在没有辅助绕组的情况下，进?轻负载运?马?。 通过使用辅助绕组以及使用逆变器运?在频率比（），以后，吸取的电流。 在效率为时，输出功率为（）为时诤功率因数予以校正，的最优值被计算为，所要求的逆变器输出电压为，并有一个关于。 的度滞后的相角。 正如表中畸变率所显示的，谐波电流分?是非常大的。 表的畸变率表的畸变率二二厶为和的电流畸变率也在表中列出。 可以看出，当增加时，畸变率减少。 图和图分别显示了，分别为和时，从电流前面个傅立叶分?重新构造的。 和。 的波形。 在图中。 的基波分?完全同相，而。 的基波分?比；超前一个度的角度。 。 （】。 。 盛。 。 图在标么值滑差，时，马?电机给出滞后的功率因数下之波形与角度?了羔口?图标么值滑差率，时，马?电机的波形表和表概括了满负载（）时的结果。 从表看出，在时运?的这个电?并?能得到最佳性能。 图显示了在一种情况下电流波形。 以表的结果，图和为和时的波形即为时的（未在此处显示）为基础可以看出，电流波形的畸变比在轻负载工况下的要小。 在最优功率因数下，直流电容器的额定值为，或者两只电容器，。 表两个时的特性表马?电机的畸变率，（！）（），（）】（），日翌图标么值，滑差率时?，马?电机的波形马?电机的研究为了在实验室中进?试验，对一台工业用的马?，极，感应电机的一个主的和一个辅助的绕组进?重绕。 通过实验取得了它的参数，并在模拟研究中加以应用。 滑差为和时的畸变率在表中给出。 在为时这种滑差的的波形。 在图中显示。 这个图和为和（此处?包括）的结果显示，在较高的和较高的负载这两种情况下，波形的畸变比较小。 ?一。 （），盟?图标么值，滑差率，时，?电机的波形实验研究对马?感应电机进?了实验性试验，以检验所推荐的功率因数改善电?的基本原?。 主绕组与三相交流电源相连接。 由于缺乏合适的设备和控制系统，而没有完全象在模拟研究中那样使用类似的装置。 在第一阶段中，实验是通过用正弦交流电压源（一个自耦变压器）来代替电压逆变器而进?的。 在下一阶段，辅助绕组是由一个直流侧以一个独立控制的直流电压源供电的逆变器供电的。 在这种情况下，逆变器输出电压恰好与同相而?是处于可调节滞后相角。 当感应电动机在轻负载下运?时，标么值与直流电机的转轴耦合，外加电压，输入电流，输入功率以及转速，均由一个自耦变压器供电的辅助绕组测得。 当和。 正好相等并且同相时，由自耦变压器供电的电源与辅助绕组相连接。 然后，对。 的值进?了调节以改善功率因数。 该试验以由逆变器供电的辅助绕组反复进?。 由于在实验室中可获得的逆变器能产生最大值为的线间电压，所以在进?这些试验时，感应电动机是以运?的。 这些试验的结果总结在表中，而图则给出了的波形。 图（）为时?的输入电流。 是高度畸变的，而且表中它的的值包括基波和谐波分?。 在基波及。 之间的相角，经测?为度，它给出，滞后的表实验结果（）自耦变压器，逆变器，蘑穗盾菌鬣融酶腰圜匿嗣谗渭困鼢醵圄髓豳赠！厨嚅聊？炯嚣踟昌喜；蠲盛】！饿强豳昌蹭圈凰龌蟊蠲圈懒盈圈髓匿强隧圈嚣（础）出（）自耦变压器（）逆变器，鼹鼹罹姗懿懿，昌（）逆变器，图标么值滑差率时马?电机和。 的波形如图（）所示，为时，中的畸变大大地减少。 在这种情况下，。 及。 的基波分?之间的相角，经测?为度，给出滞后的?