变频器非正弦供电对异步电机运行性能的影响

1、变频器非正弦供电对异步电机运行性能的影响王桂英1,徐岩1,徐丽红2(1沈阳农业大学农业工程学院,辽宁沈阳110161;2辽宁行政学院,辽宁沈阳110161摘要:分析了变频器电源供电的谐波分量及异步电机的谐波特性,推导出异步电机简化的谐波等效电路,并就谐波对异步电机运行性能的影响进行了探讨。关键词:谐波特性;等效电路;异步电机运行性能中图分类号:T M341文献标识码:A 文章编号: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当采用变频器装置对异步电机供电时,变频器在运行时,回路内的开关元件会有规律地开通与关断而产生大量的谐波干扰,造成正弦波畸变,使电能质量下降,给电机带来显著影响,严重时可造成异步电机的损坏。因此,有必要对变频器电源供电时异步电机运行性能的变化作必要分析。1变频器供电时的谐波分析静止变频器输出的电压波形有多种,现以两种典型的波形为例,如图1所示,其中(a 为6阶梯波,(b 为12阶梯波形。由于输出电压均为周期函数,故可以用傅氏级数分解。则6阶梯波的输出电压可表示为:u =2U 1sin 1t +15sin 51t +17si

5、n 71t +111sin 111t +113sin 131t +(1式中:U 1为基波电压有效值,1为基波角频率。从式(1中可以看出,电压中除了基波之外,还有6m 1(m =1,2,3,次谐波存在,故称6阶梯波。12阶梯波的输出电压可表示为:u =U 1sin 1t +111sin 111t +113sin 131t +123sin 231t +125sin 251t +(2从式(2中可以看出,电压除了基波之外,还有12m 1(m =1,2,3,次谐波存在,故称12阶梯波。2异步电机的谐波特性如果忽略磁饱和等非线性因素的影响,电动机可以采用叠加原理来分析。也就是利用异步电机的等效电路对基波电

6、压和各次谐波电压分别进行分析。若以s 1表示相对于基波旋转磁场的转子转差率,则s 1=(n 1-n /n 1。式中:n 1为基波旋转磁场的同步速度;n 为转子的速度。沈阳农业大学学报,2003-08,34(4:297-300Journal of Shen y an g A g ricultural Universit y ,2003-08,34(4:297-300图1变频器输出波形Fi g ure 1Out p ut evave -sh a pe of the fre q uenc y converter 收稿日期:2003-04-25作者简介:王桂英(1962-,女,沈阳农业大学农业工程学院

7、副教授,硕士,从事农业电气化与自动化教学与科研工作。 k 次谐波磁场对转子的转差率s k :s k =kn 1nkn 1(3式中:“-”号为正序谐波;“+”号为负序谐波。谐波转差率s k 用s 1表示,则为:s k =(k + 1s 1k(4在电动机转速由同步转速下降到0,基波转差率s 1由0增加到1的运行范围内,从式(4中可以看出,谐波转差率总近似保持s k 1。由于电感随频率的增加而线性增长,而转子电阻在谐波作用下尽管有所增加,但在高转差率s k 下,异步机谐波等效电路(图2中转子回路电阻R 2k /s k 将很小,定子和转子电阻与电抗相比均可忽略。同时激磁电抗要比漏抗大得多,所以可将并联

8、支路省略。故对谐波源来说,异步电机的等效电路可以简化成图3。图2异步电机谐波等效电路图3谐波电流近似计算等效电路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-转子漏抗;x m -励磁电抗/x 1-Stator leaka g e reactance ;x 2-R otor leaka g e reactance ;x

9、 m -F ield excitation reactance因此,在电源电压k 次谐波U k 的作用下,相应定子谐波电流为:I k =U kk (x 1+x 2(5总的谐波电流有效值I h 为:I h =I 52+I 72+I 112+I 132+I k 2=5I k 2(6总的定子电流有效值为:I =I 12+I 52+I 72+I 112+I k 2=I 12+I h 2(7对于给定的电压波形,定子电流相应的谐波成分与电动机的标么电抗x *有关,而x *=(x 1+x 2I e /U e 式中:U e 、I e 为电机相电压、相电流额定值。由式(1、(2可知,谐波电压的大小与谐波的次数成

10、反比,即U k =U 1/k ,则I k =U 1K 2(x 1+x 2(8如果基波相电压U 1等于正弦波额定电压U e ,则可得以满载额定电流为基值的谐波电流标么值I k *I k *=I k I e =1k 2x *(9利用式(6和式(9对6阶梯电压波形进行计算,其总谐波电流的标么有效值为0.046/x *,对12阶梯电压波形进行计算,其总谐波电流的标么有效值为0.105/x *。可以看出谐波电流的大小是与标么电抗成反比的。根据式(7可得出额定负载下总的定子电流标么有效值。因此,6阶梯波电压供电时:I =1+(0.046/x *2(1012阶梯波电压供电时:I =1+(0.105/x *2

11、(11298沈阳农业大学学报第34卷式(10、式(11的关系如图4所示。从图4中可以看出,12阶梯波电压供电时,电流有效值的增加可以忽略不计,但是当标么电抗较小时,6阶梯波电压供电下,电流有效值则明显增大。对于磁阻电动机,这一点很重要,通常磁阻电动机的标么电抗可以低到0.05,结果可以使满载电流有效值增加35%。对于异步电动机,标么电抗通常在0.10.2,在6阶梯波电压供电情况下,满载电流有效值比基波电流大5%10%。3电源非正弦对电机运行性能的影响3.1损耗增加和过载机的电能损耗为:P 1=3I 12R 1(12有谐波后,由于集肤效应,使得谐波电阻比基波电阻增加C k 倍,损耗增加为:P k

12、 =3I 12R 1+3k =5I k 2C k R 1(13增加的损耗为:P =P k -P 1=3R 1k =5I k 2C k (14电机非正弦供电下,由于集肤效应随频率增加而增加,因此C k 也随频率而增加,使得电机绕组有效电阻比相应直流电阻大几十倍。此外由于谐波频率高,集肤效应显著,谐波造成电流集中于槽口的现象也很严重,使得上层绕组、齿、槽楔等最容易受到谐波电流的损害。这都大大增加了定子和转子的谐波损耗,成为变频调速电机运行中的重要问题。谐波分量引起的损耗增大部分,与负载大小无关,即与空载下大致相等。由分析知,负载越轻时,谐波引起的损耗增加就越大,电机效率及电机的功率因数都将变低。特

13、别是功率因数受影响较大。因此,对于在非正弦电源下运行时,与在正弦波电网上运行相比,电动机的空载损耗显著增加,而满载时的损耗增加的相对较少。铜损和铁损共同影响,使电机的损耗增加,效率降低。3.2功率因数降低非正弦电压的谐波成分一方面使电机电流有效值增加,另一方面使磁路饱和程度提高,无功励磁电流增加,所以电动机功率因数下降明显。一般地,变频器供电电机与工频电源供电电机相比,在额定状态即额定电压、额定频率、额定输出功率下,电流将增加10%左右,温升将约增加20%,这种情况是由使用变频器引起的附加损耗产生的。3.3谐波转矩除了基波电流对电动机产生转矩做功之外,谐波电流也会产生附加的谐波转矩,产生机械震

14、动和噪声。图4定子电流标么有效值与标么电抗的函数关系Fi g ure 4Function relation of stator current p er unitefficient value and p er unit reactance 第4期王桂英等:变频器非正弦供电对异步电机运行性能的影响299 300沈阳农业大学学报第34卷谐波转矩有两种形式:一种是恒定谐波转矩,一种是脉动转矩。恒定转矩是由气隙谐波磁通和相同次数的转子电流谐波相互作用产生的。这些恒定的转矩占额定转矩很小的一部分,在额定转矩1%以下,其全部影响是使电动机的稳定转矩略微减小,可忽略。由谐波旋转磁通和不同次数的转子谐波电流

15、相互作用产生的平均值为零的脉动转矩则情况不同。如在6阶梯波电源供电时,定子5次和7次谐波电流幅值较大,5次和7次谐波在转子感应的转子电流与气隙基波磁场相互作用将产生6倍基频的脉动转矩,这个脉动转矩在低速运行时可能达额定转矩的1/3,影响最为严重。这是因为5次谐波电流为负序电流,所产生的旋转磁场方向与基波相反,速度为基波的5倍;7次谐波电流为正序电流,所产生的旋转磁场方向与基波相同,速度为基波的7倍。这两个谐波磁场与正转的基波磁场之间的相对速度都是6倍基波同步速度,而这两种时间谐波电流所产生的旋转磁场极数和基波磁场极数也相等,所以5次和7次谐波能相互作用产生6倍基频的脉动转矩。同样,11次和13

16、次谐波能产生一个12次谐波脉动转矩。一般情况下,脉动谐波转矩对电动机的稳态转矩并无改变,因为脉动转矩的平均值为零,但是由于脉动转矩的存在,使电动机的转子在每转中的角速度发生变化。特别是在低速时,电动机的转速将会发生跳动或步进现象。3.4电应力问题在变频器非正弦供电下,电机电压波形常因供电方式而不同。通常是在基波电压之上迭加换流引起的浪涌电压尖峰。特别是在电流源型逆变器供电时,浪涌尖峰前沿上升速度在2.525s之间,幅值高达电机额定电压1.5倍。由于电机线圈之间有分布电容,浪涌电压侵入的波过程中各线圈之间电压分布不均,有40%左右的浪涌电压施加在接电源侧的第一匝线圈上,这样就存在线圈能否承受住如此强的电应力问题。综上所述,要减小