变频运行感应电动机谐波电流计算

1、变频运行感应电动机谐波电流计算与转矩、损耗分析【摘要】提出了变频运行感应电机稳态谐波电流、脉动转矩及损耗的计算方法，分析了高次谐波产生的异步附加转矩以及脉动转矩的形成。为了得到具有较小谐波电流、转矩的SPWM生成法，设计了双CPU结构的变频器，用它供电被测电机并对电机谐波电流进行测试，测试与计算结果吻合良好。【关键词】感应电机变频调速谐波电流脉动转矩TheComputationonHarmonicCurrentandAnalysisonRippleTorqueandLossoflnductionMotorEquippedwiththeConverterChenQigong(AnhuiInsti

2、tuteofMechanicalandElectricalEngineering,Wuhu241000)【Abstract】Thecomputatingmethodsforsteadyharmoniccurrentandrippletorqueandlossoftheinductionmotorequippedwiththeconverterareproposed.Electromagnetictheoryaboutasynchronoustorqueandrippletorqueisanalyzed.TheconverterwithtwinCPUisdesignedinordertoobta

3、inthewaveofPWMwithlessharmoniccurrentandrippletorque.Finally,theharmoniccurrentofmotorismeasured.Theresultsofmeasurementandcomputationareidenticalquitewell.【Keywords】inductionmotorvariablefrequencyspeedregulationharmoniccurrentrippletorque1引言感应电机变频调速系统中PWM生成方法很多，有软件、硬件两大类，后者因可灵活调整有关参数，更为常用，如SPWM法、空间

4、电压矢量法。调速系统中电压、电流、转矩中谐波含量是反映PWM生成方法的重要性能指标，得到了普遍重视1，2，但目前对各类谐波转矩产生的机理尚未有十分明确的分析。作者以电机电磁理论为基础，在准确计算谐波电流的基础上，分析了异步附加转矩、脉动转矩及谐波损耗产生的机理及算法。最后，作者介绍了自行研制的双CPU结构变频器，并在其内设置了若干组不同参数的PWM波,以验证本文的谐波电流计算。2谐波电流、谐波转矩的分析与计算感应电动机变频运行时，定、转子电流的各次时间谐波(iH3K)分量，可由如图1所示的等效电路求取。图1中厂为PWM中i次谐波电压相量，i由PWM生成方式决定，i为谐波级次(i=l为基波)，；

5、、；、I为i次谐1i2imi波电压产生的定子、转子电流和励磁电流相量，xxz、X为基波各类电抗。而i次谐波转差率：12m其中：n为基波同步转速，K为自然数。当i=3K时，I、I、I均为零。利用图1电路，可进一步分析变频运行感应电机的异步附加转矩、谐波损耗和脉动转矩。介绍如下：图1感应电动机谐波等效电路(iH3K)异步附加转矩由图1电路，不难求出由i次谐波电压(i1)产生的异步附加转矩为:步=辺會斛(/工3K)(1)上式中，当i=3K-1时，S1,M负值，为制动转矩，将产生制动损耗;iemi当i=3K-2时，Sl,iH3K(4)f=兰x仃q”几|1上式中，/，当i=3K-l时，式(4)取正号，当

6、i=3K-2时取负号。由于异步电动机气隙均匀，在不考虑磁路饱和的前提下f产生的磁场分布为：1b=Bcos(a3t、)111(5)B=AA1A上式中，,入为每极磁导。由于f与f(iH1)磁势之间不存在相互感应作用，故可假设f仅由转子1ii电流产生，在转子表面的电流分布可由下式求出3：(6)由式(6)可推导出在电机气隙中da电角度内由f与f相互作用而产生1i的力矩为：(7)则两磁场相互作用在电机中产生瞬时力矩为：(8)由上式可见，M的大小与F成正比，当3较小，运行速度较低时，如存在ii低次的且幅值较大的谐波电压U(iH3K),将造成严重的转矩脉动，由此也将产生相应速度脉动。由式(8)，电机总的瞬时

7、力矩则可表示如下：(9)4实验与结果为了便于比较实验与计算结果，作者自行研制了双CPU变频器，其结构框图如图2,采用自然采样法生成PWM波，上、下桥臂死区时间设定为3.5s。由于SPWM算法稍复杂，而一个调制载波周期只有几十个s,此间CPU要计算出三相电压的开关量、负责系统的监控、完成输入输出功能，采用一个单片机进行控制是不现实的，尤其是输入输出的瓶颈效应。这里采用双CPU结构，其中Cpui为主CPU，负责SPWM波生成及开关点输出，CPU2为从CPU，主要负责各种计算和系统的监控，计算结果则存入中间的共享存贮区，以便CPU调用。采用双CPU结构大大提高了系统的实时性，减少了控制死区，及1电压

8、、电流波形的畸变率。同时通过自行研制的变频器，调整存在的谐波电压、电流级次及幅值，设置若干组PWM波，通过实验说明采用软件法对谐波电流等的抑制结果。rrzi显rL_j存体areJi顾用入FL二：.JIU观1图2变频器结构框图实验用感应电动机为7.5kW,同轴发电机为其负载，运行频率为40Hz,调制深度D=0.8。图3是特意设定的若干组实测电流频谱的其中两组，图4为相应的电流计算频谱，调制比分别为N=29和N=120。M、imrin(a)N=29(b)N=120图3定子电流实测频谱i(it養刘2(a)N=29./(b)N=120图4定子电流计算频谱由于采用了SPWM生成法，iN次的谐波电流均不存在。当N取120时,调制频率达到4.8kHz,此例中具有最大幅值的谐波电压U并不产生相应次120数的谐波电流，故从图3b和图4b的电流频谱看，定子电流谐波含量几乎为零；而当N=29时，最大幅值谐波电压U将产生相应次数的谐波电流，由29于i相对较小，谐波等效电路中对应的阻抗亦相对较小，i=29次谐波电流具有较大值，这从图3a和图4b的频谱图上亦能看出，此例中谐波对应的异步附加转矩脉动转矩均具有较大值。不难得出在SPWM生成时应避免低次大幅值谐波电压(iH3K)的结论。5结束语异步附加转矩相对脉动转矩在生成原因和对电机影响上均不相同，后者对电机运行危害更甚，尤其是