【正文】 是 k 次諧波的輸入阻抗。所以 ??????sFLRFLba s ePU IIUIXXX XXX )()(2121 s?sin （ 3— 17） 式中 sI —— 電動(dòng)機(jī)的基波起動(dòng)電流； s? —— 電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的功率因數(shù)角。但是，這些穩(wěn)定諧波轉(zhuǎn)矩是額定轉(zhuǎn)矩很小的一部分。這里轉(zhuǎn)子電阻 kR2必須考慮諧波頻率下的集膚效應(yīng)使阻值增加而進(jìn)行的修正。另外，由負(fù)序的第 5 次諧波產(chǎn)生的反向轉(zhuǎn)矩與正序的第 7 次諧波產(chǎn)生的正向轉(zhuǎn)矩綜合作用產(chǎn)生一個(gè)很小的與基波轉(zhuǎn)矩反向的轉(zhuǎn)矩。其中的主要脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩是由旋轉(zhuǎn)磁通的基波和轉(zhuǎn)子電流的諧波相互作用產(chǎn)生的。因?yàn)榈?7 次諧波為正相序，產(chǎn)生一個(gè) 7 倍于同步轉(zhuǎn)速并與基波磁場(chǎng)有相同轉(zhuǎn)向的時(shí)間諧波旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。如果使用開(kāi)關(guān)頻率低的脈寬調(diào)制逆變器，就會(huì)產(chǎn)生開(kāi)關(guān)頻率較大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。改善供電電壓的波形，譬如采用 12階梯波或具有較高開(kāi)關(guān)頻率的脈寬調(diào)制波時(shí)，可以減少轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)。但在已確定的主要尺寸中，如何根據(jù)變頻變壓調(diào)速的特點(diǎn)來(lái)確定相應(yīng)的電磁負(fù)荷，仍然是一需要特殊考慮的設(shè)計(jì)問(wèn)題。 (一 )選取 ?B 和 A的決定因素 ?B 與 A的取值，在變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)中主要考慮以下因素： 1．效率與溫升 變頻調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其運(yùn)行效率有一定的要求。 以上結(jié)果也可以用公式近似計(jì)算： 2139。 由于集膚效應(yīng)引起轉(zhuǎn)子阻抗的變化可由下式?jīng)Q定： 222 )2c os2( 2s i n2 rchshrKr rv ?? ??? ???? (3— 25) 222 )2c os2( 2s i n223 vxchshxKx xv ?? ??? ???? 式中 2r 、 vr2 —— 計(jì)及集膚效應(yīng)前后的轉(zhuǎn)子電阻； 2x 、 vx2 —— 計(jì)及集膚效應(yīng)前后的轉(zhuǎn)子電抗； rK —— 集膚效應(yīng)對(duì)應(yīng)的電阻系數(shù)； xK —— 集膚效應(yīng)對(duì)應(yīng)的電抗系數(shù)； ? —— 導(dǎo)體的計(jì)算高度。 因此可用下式求出諧波產(chǎn)生的高頻銅耗 cuvp )( 39。只是由于高次諧波的頻率 更高，故其數(shù)值更大。這主要是變頻調(diào)速運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)在很大的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)變速運(yùn)行，而這些損耗均與轉(zhuǎn)速有關(guān)。在同樣的輸出和相同的散熱條件下，變頻電源供電時(shí)的溫升要比工頻供電時(shí)高出 10％～ 15％。 總之，由于電源諧波的影響，總損耗約增加 30％左右，導(dǎo)致效率降低 1％～3％，甚至更多。 一般認(rèn)為定轉(zhuǎn)子諧波漏磁損耗大致相等，故電動(dòng)機(jī)內(nèi)由于諧波引起的端部總損耗 svsv pp 2?? 。221221 vvvvvvvC u vC u vC u v rrmIrmIrmIppp ?????? (3— 27) 式中 1Cuvp —— 定子高頻銅耗； 2Cuvp —— 轉(zhuǎn)子高頻銅耗； m —— 相數(shù)。21239。Fep —— 變頻電源供電時(shí)的鐵耗； mU —— 電壓引起磁路飽和的等效電壓； 1U —— 工頻正弦電壓。 (1)鐵耗 一般說(shuō)來(lái)，若正弦基波磁通時(shí)的鐵耗為 Fep ，則由于電源諧波影響，其鐵耗的增加量 Fep? ，由下式?jīng)Q定： ???vapp vFeFe (3— 22) 式中 va —— 第次諧波的含有率； v —— 高次諧波次數(shù)。 眾所 周知，電動(dòng)機(jī)的主要尺寸 D 與 efL 由以下電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)公式?jīng)Q定： ABCTLD ef ??2 (3— 21) 式中 D 一電樞直徑； efL —— 電樞計(jì)算長(zhǎng)度； C—— 設(shè)計(jì)常數(shù)； T—— 輸出轉(zhuǎn)矩； A—— 電負(fù)荷； ?B —— 氣隙磁通密度 。 變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì)有一般異步電動(dòng)機(jī)電磁設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，如主要尺寸及電磁 負(fù)荷的選取、極對(duì)數(shù)的確定，也有滿(mǎn)足“變頻調(diào)速要求”的特殊點(diǎn)。特別是在很低的轉(zhuǎn)速時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速將發(fā)生跳動(dòng)或步進(jìn)現(xiàn)象，因而脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩的存在就使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍有一個(gè)下限。以上這兩個(gè) 6 倍于基波頻率的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩一起使電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩發(fā)生波動(dòng)。這個(gè)時(shí)間諧波磁場(chǎng)感應(yīng)出的轉(zhuǎn)子電流和基波旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生 6 倍于基波頻率的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，因?yàn)樵撧D(zhuǎn)子電流波形和磁動(dòng)勢(shì)基波的相對(duì)轉(zhuǎn)速 6倍于同步轉(zhuǎn)速。因此總的來(lái)說(shuō)，電源諧波的全部影響是使電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定轉(zhuǎn)矩略有減小。以一臺(tái)運(yùn)行于 50Hz、 6 階梯波供電的小型電動(dòng)機(jī)為例，通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)第 5 次諧波轉(zhuǎn)矩僅為基波轉(zhuǎn)矩的 ％，計(jì)算時(shí)假設(shè)轉(zhuǎn)6 極變頻電動(dòng)機(jī) 設(shè)計(jì) 21 子電阻因諧波集膚效應(yīng)增加 3 倍。由圖 3— 1b 所示的第 k 次諧波等值電路得 )()(2 22211 kkkk sRIkfpmT ?? （ 3— 19） 式中 kT —— 第 k 次諧波轉(zhuǎn)矩； p —— 極對(duì)數(shù)； 1m —— 定子繞組相數(shù)； k —— 諧波次數(shù)； 1f —— 定子電流基波頻率； kI2 —— k次諧 波轉(zhuǎn)子電流； kR2 —— 轉(zhuǎn)子電阻； ks —— k次諧波轉(zhuǎn)差率。這些轉(zhuǎn)矩有兩種類(lèi)型： (a)穩(wěn)定諧波轉(zhuǎn)矩； (b)脈動(dòng)諧波轉(zhuǎn)矩。通常的變頻器沒(méi)有零序諧波和偶次諧波，因此，總的諧波電流有效值可由下式給出 22132112725 kh ar IIIIII ?????? ????52kI （ 3— 15） 如果為電動(dòng)機(jī)定子基波電流有效值，則包括基波電流在內(nèi)的總定子電流有效值為 2212211272521 h atkr ms IIIIIIII ???????? ? （ 3— 16） 對(duì)于給定的電壓波形，定子電流相應(yīng)的諧波成分與電動(dòng)機(jī)的標(biāo)幺電抗 Xpu 有關(guān)，標(biāo)幺電抗是基波頻率下漏抗與基值電抗 Xbase 的比值。同樣磁阻電動(dòng)機(jī)或同步電動(dòng)機(jī)的漏抗也決定其諧波電流值。這樣，對(duì)于在非正弦 電源下運(yùn)行時(shí)，與在正弦波電網(wǎng)上運(yùn)行相比，電動(dòng)機(jī)的空載損耗顯著增加，而滿(mǎn)載時(shí)損耗增加得相對(duì)較少。通常，基波頻率超過(guò) 10Hz 時(shí)，簡(jiǎn)化電路是合理的。因此，電動(dòng)機(jī)的諧波電流阻抗近似為 k( 1X + 2X )，這里的 1X 和 2X 分別為電源基波頻率下定子和轉(zhuǎn)子的漏抗。圖3— 1b 所示的諧波等值電路，略去電阻后可簡(jiǎn)化為圖 3— 2a。定子和轉(zhuǎn)子電阻也由于諧波頻率下的集膚效應(yīng)而增大。 相電流的 k 次諧波產(chǎn)生轉(zhuǎn)速為 kn1 的正向旋轉(zhuǎn)或反向旋轉(zhuǎn)的時(shí)間諧波磁動(dòng)勢(shì)。為了分析方便，把電動(dòng)機(jī)的電流或轉(zhuǎn)矩用標(biāo)么值來(lái)表示。 諧波性能 當(dāng)交流電動(dòng)機(jī)在非正弦電源下運(yùn)行時(shí)，定子電壓可以分解為基波分量和一系列諧波分量。 四、正序、負(fù)序和零序諧波 如表 3— 1所示的第一列，由 k ＝ 3n+1(n 等于零和整數(shù) )次諧波電流產(chǎn)生的時(shí)間諧波磁勢(shì)，其旋轉(zhuǎn)方向與主磁場(chǎng)轉(zhuǎn)向相同，而 13 ?? nk 次諧波電流則產(chǎn)生反向旋轉(zhuǎn)的磁勢(shì)波。對(duì)于三相繞組，由電流的 k 次時(shí)間諧波產(chǎn)生的 h 次空間諧波旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)幅值可用下式表示 kphhkh IPNhkF ???(安匝／極 ) (3— 8) 式中 hk? —— h 次空間諧波繞組系數(shù)， phN — 每相串聯(lián)匝數(shù)； P —— 極對(duì)數(shù)； kI —— 是次諧波電流的有效值?！?? ”號(hào)表示諧波的轉(zhuǎn)向與基波轉(zhuǎn)向相同，而“一”號(hào)表示反向旋轉(zhuǎn)的諧波。573 ???? ??? ? tFf 由以上三式相加，得 )75s in(39。某一次諧波的存在同樣可以由三相作用相加的方法得到證實(shí)。23 15 ?? ?? ? tFf (3— 6) 此式證明存在 5次空間諧波磁勢(shì)，它以 51 的同步轉(zhuǎn)速反向旋轉(zhuǎn)。 二、空間諧波磁勢(shì) 前面分析時(shí)我們假定每一個(gè)相基波電流只建立空間基波磁勢(shì)，而忽略了更高的奇次空間諧波。意味著這個(gè)磁勢(shì)波是以 5 倍的同步轉(zhuǎn)速沿著與基波磁勢(shì)相反的方向移動(dòng)。同樣 )32(5s i n)32c os (39。 一、 時(shí)間諧波磁勢(shì) 時(shí)間諧波磁勢(shì)是由 相繞組中的電流諧波產(chǎn)生的。換句話(huà)說(shuō)，可以認(rèn)為隨波形移動(dòng)的某一點(diǎn) P 上的磁動(dòng)勢(shì)在任 何時(shí)間都是常數(shù)，對(duì)于這點(diǎn)的 )sin( ?? ?t 為常數(shù)，因而 )sin( ?? ?t ＝常數(shù)。 6 極變頻電動(dòng)機(jī) 設(shè)計(jì) 14 321 ffff ??? = )]34s i n()34c os ()32s i n()32c os (s i n[c os39。 把式 (3— 1)和式 (3— 2)聯(lián)立，就得出線圈 1在時(shí)間 t 時(shí)的磁勢(shì)空間分布 tFf ?? sinco s39。 ?cos11 Ff ? （ 3— 1） 式中 ? —— 表示在電樞表面上的角位移，原點(diǎn)選在繞組 1 的軸線上，由于繞組 1 中的電流正弦變化，幅值幾也成比例地變化，于是產(chǎn) 生一個(gè)磁勢(shì)駐波。但是實(shí)際的磁勢(shì)分布可以分解為基波和一系列的高次空間諧波。 氣隙磁勢(shì)諧波 通常的三相電動(dòng)機(jī)有三組在空間相差 ?120 分布的定子線圈。但工頻恒定轉(zhuǎn)速運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)，要避免與 50Hz 的電頻率響應(yīng)的機(jī)械固有頻率發(fā)生共振比較容易。若軸電壓過(guò)高，軸和軸承間油膜的潤(rùn)滑狀態(tài)遭到破壞，軸承壽命將大大縮短。 (3)低速時(shí)出現(xiàn)低頻脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，影響低速穩(wěn)定運(yùn)行 即使是采用 SPWM 調(diào)制方式，但與工頻正弦供電相比，仍然會(huì)出現(xiàn)一定程度的低次諧波，從而在低速運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，影響電動(dòng)機(jī)低速穩(wěn)定運(yùn)行。一般說(shuō)來(lái)，與工頻正弦電源供電相比，效率要下降 1％ —— 3％，功率因數(shù)下降 4％ —— 10％，因此，變頻電源供電下電動(dòng)機(jī)的諧波損耗是一個(gè)很大的問(wèn)題。變頻調(diào)速中變頻電源供電的電動(dòng)機(jī)與傳統(tǒng)工頻正弦波供電的電動(dòng)機(jī)的主要區(qū)別在于：一方面是從低頻到高頻的寬頻范圍內(nèi)運(yùn)行，另一方面電源波形是非正弦的。因此，設(shè)計(jì)中不存在工頻時(shí)的起動(dòng)性能指標(biāo)對(duì)設(shè)計(jì)的限 制及對(duì)其它指標(biāo)的約束，也不會(huì)出現(xiàn)高轉(zhuǎn)差頻率運(yùn)行。 由變頻電源供電的專(zhuān)用電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)雖然受到了一些制約，但同時(shí)也解除了一些約束。因此如何根據(jù)機(jī)電一體化的觀點(diǎn)，從調(diào)速系統(tǒng)的總體性能指標(biāo)出發(fā)，求得異步電動(dòng)機(jī)與變頻電源的最佳匹配，是變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)解決的又一基本問(wèn)題。至于同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)問(wèn)題，若采用通用變頻器 V/F 控制，響應(yīng)速度較慢；若采用夭量控制就頻器，響應(yīng)速度很快。又具 有控制電路簡(jiǎn)單，可靠性高的特點(diǎn)。再則，多了反饋電路和環(huán)節(jié)，也增加了出故障的機(jī)率。3 速度傳感器矢量控制變頻器的異步電機(jī)閉環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng) 矢量控制異步電機(jī)閉環(huán)變頻調(diào)速是一種理想的控制方式。由于使用無(wú)速度傳感器矢量控制的變頻器，可以分別對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的磁通和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行檢測(cè)、控制，自動(dòng)改變電壓和頻率 ，使指令值和檢測(cè)實(shí)際值達(dá)到一致，從而實(shí)現(xiàn)了矢量控制。尤其是在低速區(qū)域電壓調(diào)整比較困難，不可能得到較大的調(diào)速范圍和較高的調(diào)速精度。至于交 交循環(huán)變頻器（ AcAc 相控變頻）以及自同步控制逆變器（不論 AcAc 方式還是 AcDcAc方式），即俗稱(chēng)無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)，均不展開(kāi)討論。 6 極變頻電動(dòng)機(jī) 設(shè)計(jì) 8 圖 21 晶閘管 SPWM 型逆變器 過(guò)載斷路開(kāi)關(guān)電路在逆變器正常工作時(shí)，導(dǎo)通 VT11， VTl2 處 于截止?fàn)顟B(tài)，電容 Cp 充滿(mǎn)電，極性為上正下負(fù)。電容 C放電后接著反向充電，為下一次雙序號(hào)晶閘管關(guān)斷作好準(zhǔn)備，換相電流過(guò)零時(shí)，VT7， VT8 自行關(guān)斷，其他晶閘管的關(guān)斷情況與此類(lèi)似。 晶閘管 SPWM 逆變器同樣可以使用各種脈寬調(diào)制方法。我用 SPWM 變頻調(diào)速器。 交 直 交變頻器 交 直 交變頻器又稱(chēng)逆變器。 控制電路 控制電路常由運(yùn)算電路、檢測(cè)電路、控制信號(hào)的輸入、輸出電路和驅(qū)動(dòng)電路等構(gòu)成。 中間直流環(huán)節(jié) 由于逆變器的負(fù)載為異步電機(jī)，屬于感性負(fù)載。 變頻器的基本結(jié)構(gòu) 網(wǎng)側(cè)變流器 1 中間直流環(huán)節(jié) 負(fù)載側(cè)變流器 2 運(yùn)行指令 整流器 電網(wǎng)側(cè)的變流器 1 是整流器，它的作用是把三相交流整流成直流電。 變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。 變頻器 變頻器簡(jiǎn)介 變頻器 實(shí)際上就是一個(gè)逆變器 .它首先是將交流電變?yōu)橹绷麟?.然后用電子元件對(duì)直流電進(jìn)行開(kāi)關(guān) .變?yōu)榻涣麟?.一般功率較大的變頻器用可控硅 .并設(shè)一個(gè)可調(diào)頻率的裝置 .