变频器供电时交流电动机的运行

1、1第四章第四章变频器供电时交变频器供电时交流电动机的运行流电动机的运行2感应电动机常见调速方法感应电动机常见调速方法v降压调速降压调速 v利用电磁离合器调速利用电磁离合器调速v绕线式转子串电阻或变频电源调速绕线式转子串电阻或变频电源调速v变极调速变极调速v变压变频调速变压变频调速37-1 变频器供电的特点变频器供电的特点1. 1. 变频器的种类变频器的种类交交直直交变频交变频v电压型电压型 逆变器输出电压为矩形波，输出阻抗小，适逆变器输出电压为矩形波，输出阻抗小，适于多电动机并联拖动于多电动机并联拖动 图图7-2a)7-2a)v电流型电流型 逆变器输出电流为矩形波，动态响应快，且逆变器输出电流

2、为矩形波，动态响应快，且在再生制动时，电能可以方便地返回电网在再生制动时，电能可以方便地返回电网 图图7-2b)7-2b)交交交变频交变频 效率较高，但所用器件较多，输出效率较高，但所用器件较多，输出的最高频率为电网频率的的最高频率为电网频率的1/31/3，调速范围较窄。，调速范围较窄。42 2. . 电压型交电压型交直直交变频交变频三种输出电压控制方式：三种输出电压控制方式：相控整流相控整流不可控整流，但在中间环节加斩波环节进行不可控整流，但在中间环节加斩波环节进行DC/DCDC/DC变换变换不可控整流，逆变器脉宽调制不可控整流，逆变器脉宽调制图图7-37-3逆变器功率器件的开关原则：同一桥

3、臂的上下逆变器功率器件的开关原则：同一桥臂的上下器件只能互补导通（避免直通），相邻桥臂对器件只能互补导通（避免直通），相邻桥臂对应器件的导通角互差应器件的导通角互差120120 续流二极管续流二极管UN06变频器输出电压和电动机端电压波形变频器输出电压和电动机端电压波形变频器输出电压变频器输出电压 u uA0A0、u uB0B0、u uC0 C0 互差互差1201200 0，幅值，幅值0.5U0.5Ud d线电压线电压u uABAB=u=uA0A0u uB0B0： 0 0120120 U Ud d， 120120180180 0 0， 120120300300 U Ud d， 300300 0

4、 0 0 0v类似的类似的 u uBCBC、u uCACA 互差互差1201200 0若电动机若电动机Y Y形连接，其中性点为形连接，其中性点为N N, , 相电压相电压u uA A、u uB B、u uC C：u uA0A0= =u uANANu uN0N0u uB0B0= =u uBNBNu uN0 N0 （7-47-4）u uC0C0= =u uCNCNu uN0N07三式相加，再考虑到三式相加，再考虑到uAN+uBN+uCN=0，得得uN0=1/3（uA0+uB0+uC0) 代回上式，得电动机端电压代回上式，得电动机端电压 uA=uAN=uA0-uN0=uA0- 1/3（uA0+uB0

5、+uC0) uB=uBN=uB0-uN0 uC=uCN=uC0-uN0得六阶梯波得六阶梯波（图图7-4c7-4c）每隔每隔6060发生一次阶跃变化，发生一次阶跃变化，最大幅值最大幅值2/3Ud8v方波逆变器根据每管导通时间分：方波逆变器根据每管导通时间分：180180导通型导通型 在一个周期在一个周期360360内，内，6 6个管子中个管子中总有三个同时导通，每管导通总有三个同时导通，每管导通180180 图图7-57-5120120导通型导通型 在一个周期在一个周期360360内，任一时刻只内，任一时刻只有两个管子导通。但在有两个管子导通。但在6060不导通区内会出现电不导通区内会出现电流断

6、续，流断续，定子定子电流被切断时，会出现反电动势，电流被切断时，会出现反电动势，影响电动机的稳定运行。影响电动机的稳定运行。 93. 3.方波逆变器输出电压的基波和谐波方波逆变器输出电压的基波和谐波v对输出电压进行傅氏分析得式对输出电压进行傅氏分析得式（7-5），可见相电，可见相电压中，压中，谐波次数：除基波外，还有谐波次数：除基波外，还有5、7、13等奇次谐波，但等奇次谐波，但没有没有3倍次谐波，总之，倍次谐波，总之，6m1（m=1，2，3）次次幅值：基波幅值：基波 2/Ud，高次谐波，高次谐波 1/k2/Ud相序：相序：基波基波 正相序，正相序，5 5次反相序，次反相序，7 7次正相序次正

7、相序. . 10v高次谐波对电动机的影响高次谐波对电动机的影响1.1.铜耗（铜耗（I I2 2R R) ) 2.2.由于谐波电流存在，由于谐波电流存在，cos cos 3.3.铁耗（铁心涡流铁耗（铁心涡流f2、磁滞损耗、磁滞损耗f ） 及附加耗及附加耗 ，温升，温升4.4.产生脉振电磁转矩和转速振荡，电磁噪声产生脉振电磁转矩和转速振荡，电磁噪声2150()50mfppB114. .采用脉宽调制技术的逆变器采用脉宽调制技术的逆变器v正弦脉宽调制原理正弦脉宽调制原理正弦波正弦波n n等分，在每个等分的等分，在每个等分的中点中点处，构造一组处，构造一组等等幅不等宽幅不等宽的矩形波，其面积与对应的正弦

8、波分区的的矩形波，其面积与对应的正弦波分区的面积相等，则这面积相等，则这n n个矩形脉冲系列所组成的波形与个矩形脉冲系列所组成的波形与正弦波等效。图正弦波等效。图7-6 7-6 v三角波脉宽调制三角波脉宽调制 u uR R 预期的等效正弦信号预期的等效正弦信号载波等腰三角波载波等腰三角波12v三角波脉宽调制原理三角波脉宽调制原理 图图7-77-7U Ur ruu, , 比较器输出高电平比较器输出高电平U Ur ruu, , 比较器输出低电平比较器输出低电平uRuu0uRu13v逆变器输出的脉宽调制序列逆变器输出的脉宽调制序列u u0 0可见逆变器输出波形中可见逆变器输出波形中基波频率基波频率

9、= = 调制信号的频率调制信号的频率基波幅值基波幅值调制度调制度 a = =调制信号幅值调制信号幅值/ /三角波幅值三角波幅值v从逆变器输出的波形可见，波形半周期对称，且从逆变器输出的波形可见，波形半周期对称，且1/41/4周期周期对称，对称，仅含奇次谐波。即仅含奇次谐波。即0sin()2dRUua含有贝塞尔函数的谐波项11,3,5sin tkmkuUkt123409018014v其中其中要消除某次谐波，则令相应的要消除某次谐波，则令相应的U Ukmkm=0=0，解得，解得1 1、 2 2、 3 3、 4 4.121211110021111144sin()( 1)sin()2( 1)sin()

10、.( 1)sin()1 412( 1) cos2mdkmtmidiUUuktdtktdtktdtktdtUkk151. 等效电路法（性能分析）等效电路法（性能分析）变频器输出的非正弦电压变频器输出的非正弦电压 基波、谐基波、谐波电压波电压 基波、谐波电流、损耗和基波、谐波电流、损耗和电磁转矩电磁转矩 总电流、损耗和电磁转矩总电流、损耗和电磁转矩v优点：概念清楚，简单易行优点：概念清楚，简单易行v缺点：不能进行动态和瞬态计算缺点：不能进行动态和瞬态计算7-2 7-2 方波变频器供电时三相感应电动机方波变频器供电时三相感应电动机的运行的运行谐波分析谐波分析基波和谐波基波和谐波等效电路等效电路 叠加

11、原理叠加原理16基波和谐波等效电路基波和谐波等效电路v基波基波U1RsxsRr/sxrXmRm17vk k次谐波次谐波U1kRskxsRr/skkxrkXmRm18vk k次谐波转差率次谐波转差率（5 5次反转，次反转，7 7次正转）次正转）v正常情况正常情况s s1 11R Rs s， kxkxr rR Rr r，等效电路进等效电路进一步简化一步简化U1kkxskxrkXm）11 (11skknnknsssks1-基波转差率基波转差率19v电机输入阻抗电机输入阻抗定转子定转子k k次谐波电流次谐波电流()rmrmsssrmrmkxkxxxkxk xkxkxkxxx1 kmskrksksksm

12、rUxIIIIjkxxx20v定子定子A A相电流应为相电流应为vi iA A 铜耗铜耗。若计及转子导体的电流集肤效应，。若计及转子导体的电流集肤效应，随着频率随着频率 转子电阻转子电阻，漏抗，漏抗，谐波电流还，谐波电流还要增大。要增大。v总电磁转矩总电磁转矩v气隙的基波磁场与不是由它感生的转子气隙的基波磁场与不是由它感生的转子5 5、7 7次谐波次谐波磁场还会产生脉振转矩磁场还会产生脉振转矩15711115,7,.1.sin(-)sin(90 ).AAAAmkmkssiiiiUUtktzkx157.eeeeTTTT212. 状态方程法状态方程法v可得动态和稳态解，但数学上较复杂可得动态和稳态

13、解，但数学上较复杂v重点：功率器件开关引起电路拓扑的变化重点：功率器件开关引起电路拓扑的变化及其表达及其表达v求解步骤：求解步骤：1.供电电压表达式供电电压表达式2.选择适当的坐标系选择适当的坐标系3.建立状态方程及确定其状态变量初值建立状态方程及确定其状态变量初值4.求解求解227-3 脉宽调制变频器供电时感应电动脉宽调制变频器供电时感应电动机的运行机的运行v脉宽调制时逆变器的开关函数脉宽调制时逆变器的开关函数1.1.逆变器输出电压逆变器输出电压u u0 0与直流电压与直流电压U Ud d的关系的关系逆变器的开关函数逆变器的开关函数 或或对于固定于定子的对于固定于定子的ABCABC系统，有系

14、统，有0( )du tgU0( ) du tgU0B0BC0C( ) ( )( )AdAddutU gutU gutU g23变频器采用不可控整流器，变频器采用不可控整流器，U Ud d是不变的常值，脉冲是不变的常值，脉冲宽度取决于功率器件的开关角宽度取决于功率器件的开关角，所以所以2.2.电机端电压与逆变器输出电压的关系电机端电压与逆变器输出电压的关系由由式（式（7-4)7-4)可写出可写出00( )( )( )AdBdCgUgUgUg00021111213112AANABBNBCCNCuuuuuuuuu243.3.ABCABC坐标系坐标系0坐标系坐标系其变换矩阵为其变换矩阵为在在0坐标系中

15、有坐标系中有1211coscos(120 )cos(120 )21Cssinsin(120 )sin(120 )033331111112221100sABCsABCddUUUCUCgg25供电波形的供电波形的6060对称性对称性若变频器的输出电压具有半波对称性，则有若变频器的输出电压具有半波对称性，则有 （7-397-39）若三相电压对称若三相电压对称 （7-407-40）上式对任何时刻都成立，若角度增加上式对任何时刻都成立，若角度增加6060，则（，则（7-407-40）变成变成111111(180 )()(180 )()(180 )()AABBCCutututututut 111111(1

16、20 )()(120 )()(120 )()BACBACutututututut26上式说明，若三相电压上式说明，若三相电压uA、uB、uC在在1t= 0= 06060区间内已知，则在区间内已知，则在1t=60=60120120区间区间的波形就随之确定，这的波形就随之确定，这就是就是6060 对称性对称性同理有同理有111111111(12060 )(60 )()(180 )(60 )()(180 )(60 )()oBABCBCACAututututututututut AB（7-42）27vv在三相变频器中功率开关开通、关断的时刻在三相变频器中功率开关开通、关断的时刻对称时，供电波形将具有对

17、称时，供电波形将具有6060对称性。所以对称性。所以只要得到只要得到0 06060区间的三相电压的波形和数区间的三相电压的波形和数值，就可以得到整个周期内的三相电压值。值，就可以得到整个周期内的三相电压值。111C11A1(120 )(60 )(120 )(60 )(120 )(60 )ABBCutututututut 28v在方波逆变器中，由于开关角固定，每在方波逆变器中，由于开关角固定，每6060角为一个开关模式，一个周期内共角为一个开关模式，一个周期内共6 6个模式。个模式。在每个在每个6060区间内，区间内，g g0 0、g gABCABC均为常数阵。均为常数阵。v在脉宽调制逆变器中，在脉宽