【導(dǎo)讀】研究工作及取得的研究成果；包含為獲得其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位而使用過(guò)的材料；且實(shí)例計(jì)算了其影響的程度。有力的設(shè)計(jì)依據(jù)。目前，在各大鋼鐵行業(yè)上的主軋機(jī)，卷取機(jī)及開卷機(jī)當(dāng)中的主。拖動(dòng)電機(jī)，幾乎全部選用了變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)。變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)對(duì)電機(jī)的各項(xiàng)指標(biāo)。的參數(shù)來(lái)滿足機(jī)械負(fù)載的要求，這對(duì)變頻電機(jī)的工程設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。受到限制，人們轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，便于維護(hù)、價(jià)格低廉的異步電動(dòng)機(jī)，但異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能難以滿足生產(chǎn)要求。電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)通常由電動(dòng)機(jī)、控制裝置和信息裝置3部分組成。直得到國(guó)家重視，目前已有一定規(guī)模。術(shù)的出現(xiàn)使頻率變?yōu)榭梢猿浞掷玫馁Y源。目前，交流調(diào)速己前入逐步替代直流調(diào)速的時(shí)代。第一方面，大容量和特大容量上，填補(bǔ)了直流調(diào)速傳動(dòng)的空白。年來(lái)，西門子公司在低速大容量的交一交變頻傳動(dòng)方面已取得了突破性的進(jìn)展。的交一交變頻系統(tǒng)。法國(guó)的Alsthom公司制造了用于傳動(dòng)裂化氣體壓縮21000

　　

【正文】 由式 (320)可知，對(duì)于一臺(tái) Y 160M4型功率為 11kW的三相籠型轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)，由 6PCSI 供電時(shí)，定、轉(zhuǎn)子繞組的銅損耗將比正弦波電源供電時(shí)約增加 30%。這僅是一個(gè)例子，對(duì)于功率、轉(zhuǎn)速以及其他參數(shù)不同的電機(jī)，其諧波附加銅損耗不會(huì)相同。 2. 脈寬調(diào)制型電流源逆變器 (PWMCSI)供電 PWMCSI 輸出電流中的諧波分量與采用的脈寬調(diào)制方式有關(guān)。仍以圖 所示電流波形為例，其諧波電流與基波電流之比可由式 (310)求得。對(duì)于同一臺(tái) Y160M4 型異步電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)子電阻集膚效應(yīng)系數(shù)氣與前面 6PCSI 供電時(shí)計(jì)算值相同。將 / 1IIk 和 krk 值 代入式 (319)可得 22/ ( 1 4 . 2 9 5 ) / 2 ( 1 4 . 2 9 5 ) / 20 . 0 4 8 0 . 0 31ppc u k c u ? ? ? ?? 2 (1 7 .7 0 5 ) / 2 0 .60 .0 2 4? ? ? ? (321) 由式 (321)計(jì)算結(jié)果可知，采用圖 所示脈寬調(diào)制方式 PWMCSI 供電，電機(jī)繞組銅損耗將比正弦波電源供電時(shí)約增加 60% 。 3. 六 脈沖電壓源逆變器 (6PVSI)供電對(duì)于電壓源逆變器供電，電壓諧 波分量是己知的，電流諧波可由諧波等效電路求得。對(duì)于 籠型轉(zhuǎn)子異步電機(jī)，計(jì)入集膚效應(yīng)使轉(zhuǎn)子漏電抗 lrx 值減小后， 6PVSI 供電時(shí)電機(jī)繞組中的 k 次諧波電流與基波電流之比可由下式近似計(jì)算 : 2/ 2 /[ (1 ) ]1 kkIIk xkx ??? (322) 仍以上述 Y160M4 電機(jī)為例，各次諧波的轉(zhuǎn)子集膚效應(yīng)系數(shù) kxk 和 krk 為己知 量。將 / 1IIk ， kxk 和 krk 值代入式 (319)可得 5 , 7 ,2224 ( 1 )/ 2 ( 1 ) / [ 0 . 0 1 2 /( ) ( )1kpp kkk xkrkc u k c u xx??? ?? ? ?? ? （ 323） 變頻電動(dòng)機(jī)的研究 28 考慮到 Y 160M4 電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子漏電抗標(biāo)么值 ?? ， 則由式 (323)計(jì)算出的諧波銅損耗之比為 。由式 (223)可看出，諧波銅損耗的大 小與電機(jī)定、轉(zhuǎn)子漏電抗有很大關(guān)系。 x? 值較小的電機(jī)，電源中的諧波電壓在電機(jī)中產(chǎn)生的諧波電壓在電機(jī)中產(chǎn)生的諧波電流較大故可產(chǎn)生較大的諧波銅損耗 。 4. 脈寬調(diào)制型電壓源逆變器（ PWMVS I)供電 PWMVSI 供電的籠型轉(zhuǎn)子 異步電機(jī)，計(jì)入轉(zhuǎn)子的集膚效應(yīng)后，電機(jī)繞組的 k 次諧波電壓與基波電壓之比可近似由下式計(jì)算 */ 2 / [ ( (1 ) ]1 kk kIIk xkxxU k ???? (324) 其中 Uk? 為 k 次諧波電壓與基波電壓之比， x? 為定、轉(zhuǎn)子漏電抗標(biāo)么值。 Uk? 值與脈寬調(diào)制方式有關(guān)。仍以 N=7, *As =1. 0脈寬調(diào)制情況為例， Uk? 值可由式 (36), (37)和 (35)計(jì)算出。供電電機(jī)仍以 Y160M4 為例，其 kxk 和 krk 值為已知量。將 kxk 和 krk 值代入式 (319)后可得 : 2 22( 1 ) ]/ 2 ( 1 ) / [ 0 . 0 7 / ()1 5 , 7 , Kpp kk xkrk xc u k c u xU Kk ? ?? ?? ? ??? ? (325) 考慮到 Y 160M4 的 x? =，則由式 (325)計(jì)算出的諧波銅損耗與基波銅損耗之比為 。可見(jiàn)，由該種脈寬調(diào)制方式的 PWMVSI 供電時(shí)，諧波銅損耗 (主要是轉(zhuǎn)子繞組中的附加銅損耗 )是非常大的，甚至高出基波銅損耗幾 倍，顯然將對(duì)電機(jī)的效率和溫升產(chǎn)生較大的影響。當(dāng)然，實(shí)際采用的 PWMVSI 的載流比 N 值較大幅值較大的諧波次數(shù)較高，諧波附加銅損耗要比上例計(jì)算結(jié)果小一些。 通過(guò)對(duì)同一臺(tái)電機(jī)分別由上述四種逆變器供電時(shí)電流諧波產(chǎn)生的繞組附加銅損耗和計(jì)算結(jié)果對(duì)比，可以看出， PWMVSI 供電時(shí)損耗最大其次是 PWMCSI,而后是 6PVSI,損耗最小的是 6PCSI。這僅只是一個(gè)例子，不一定有典型意義，因?yàn)?PWM 型逆變器的輸出諧波分量與采用的脈寬調(diào)制方式有關(guān)，而電壓源逆變器供電時(shí)電機(jī)繞組中的諧波電流大小與電機(jī)的參數(shù) (特別是定、轉(zhuǎn)子 漏電抗值 )有很大的關(guān)系。然而，通過(guò)上述具體計(jì)算總可以給出一個(gè)數(shù)量級(jí)的概念。 電源諧波產(chǎn)生的附加鐵損耗 變頻電動(dòng)機(jī)的研究 29 電源諧波不僅在電機(jī)繞組中產(chǎn)生附加銅損耗，而且會(huì)在定、轉(zhuǎn)子鐵心中產(chǎn)生附加鐵損耗。諧波磁場(chǎng)產(chǎn)生的鐵損耗與諧波磁通密度幅值的平方以及諧波磁場(chǎng)交變頻率的 次方成正比。 三相繞組基波電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相對(duì)于定子以同步速旋轉(zhuǎn)，而電機(jī)的轉(zhuǎn)子也是以同步速 (對(duì)于同步電機(jī) )或者接近同步速 (對(duì)于異步電機(jī) )旋轉(zhuǎn)且與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向相同。因此，可以認(rèn)為基波電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)僅在定子鐵心中產(chǎn)生鐵損耗。然而諧波電流產(chǎn)生 的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)卻在定子和轉(zhuǎn)子鐵心中皆產(chǎn)生鐵損耗。例如， 5 次諧波電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相對(duì)于定子以 5 倍同步速反向旋轉(zhuǎn)而以接近 6倍同步速相對(duì)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn) (指異步電機(jī) )。 7 次諧波電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)相對(duì)于定子以 7倍同步速正向旋轉(zhuǎn)，即以接近 6 倍同步速相對(duì)于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。因此，諧波磁場(chǎng)與基波磁場(chǎng)不同，它在轉(zhuǎn)子鐵心中也產(chǎn)生附加鐵損耗。諧波磁場(chǎng)相對(duì)定、轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度雖然不同，但比較接近，而且諧波次數(shù)越高，二者越是接近。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，近似認(rèn)為諧波磁場(chǎng)在定、轉(zhuǎn)子鐵心中的交變頻率相同，且等于基波頻率乘以諧波次數(shù)。 K 次諧波電流產(chǎn)生的附加鐵損耗可用下式 計(jì)算 : 2 1 . 51 ( / ) ( / ) [ ( ) / ]1 1 SSF e k F ep p f f G G GBB rK k?? (326) 其中1Fep為基波電流磁場(chǎng)在定子鐵心中產(chǎn)生的基本鐵損耗 。 1/KBB和1/kff 分別為 k 次諧波磁通密度幅值和頻率與基波磁通密度幅值和頻 率之比 。 SG 和 rG 分別為定子鐵心和轉(zhuǎn)子鐵心的質(zhì)量 。各次諧波磁場(chǎng)產(chǎn)生的總附加鐵損耗與基波磁場(chǎng)產(chǎn)生的基本鐵損耗之比則為 11 2 1 . 5/ ( / ) ( / ) [ ( ) /1F e K F e K S S SKff G G GP P B B???? (327) 下面分別討論不同類型逆變器供電時(shí)的諧波附加鐵損耗計(jì)算方法。 (6PCSI)供電 圖 為異步電機(jī)的基波和諧波等效電路。由于電壓和電流都是正弦變化量，因而基波和諧波電壓及電流皆可用復(fù)數(shù)表示。其中流過(guò)中間支路的 1mI 和 mkI 分別為產(chǎn)生基波和 k 次諧波磁 場(chǎng)的基波 電流 和 k 次諧波勵(lì) 磁電流 。 當(dāng)不考慮電機(jī)鐵心磁飽和非線性影響時(shí)，諧波磁通密度 與基波磁通密度幅值之比可認(rèn)為等于諧波電流與基波電流之比，因此，只要求出1/m mkII ，便可求得式 (327)中所需要的 / 1KBB值。對(duì)于 6PCSI 供電， 1/sk sII 值是己知的，可由圖 所示基波和諧波等效電路求得 1/m mkII 值。在基波等效 變頻電動(dòng)機(jī)的研究 30 電路中，由于轉(zhuǎn)差率1s一般較小，轉(zhuǎn)子回路的總阻抗較大，因而流過(guò)勵(lì)磁回路 的電流 1mI 與轉(zhuǎn)子電流 1rI 之比相對(duì)較大。然而對(duì)于 k 次諧波電流來(lái)說(shuō)， 1ks? ， r值一般較小，故 1//m rkmk mIxxI ? 。由于 xxm lr?? ， 故 /mk skII 值較小，即諧波勵(lì)磁電流僅占諧波電流的一小部分。 （ a）基波等效電路 （ a） 諧 波等效電路 圖 異步電機(jī)的基波和諧波等效電路 這可由下述例子看得更為清楚。某臺(tái) 10kw 的異步電機(jī)，已知標(biāo)么值參數(shù)值為 0 . 0 4 , 0 . 0 3 7 , 0 . 0 8 1 , 0 . 0 8 1 , 2 . 7 7 9x x xrrsr ls lr m? ? ? ? ?，額定轉(zhuǎn)差率 1 ? 。根據(jù)圖 （ a） 計(jì)算 1 1 ? 。而根據(jù)圖 （ b） 計(jì)算可得 ? 。可見(jiàn)，定子諧波電流產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)大部分被相應(yīng)的轉(zhuǎn)子諧波電流磁動(dòng)勢(shì)相抵消， 僅剩下一小部分諧波電流產(chǎn)生諧波磁場(chǎng)。對(duì)于一臺(tái)具體電機(jī)，圖 所示等效電路中的參數(shù)是己知，因而可以計(jì)算出諧波和基波勵(lì)磁電流之比。對(duì)于上述 10kw異步電機(jī)， 110 . 0 2 8 / ( 0 . 3 6 6 ) 0 . 0 7 6 5 //m k s k s s k sskII I I I I??。對(duì)于 6PCSI 供電，1/ 1/sk s kII? ， 因而可得 1/ /k kBB ? ，將 1/kBB值代入式 (327)，并考慮到1/ , ( ) / 2S r Sk kff G G G? ? ?， 則有 2 1 . 51 5 , 75 , 7/ 2 (0 . 0 7 6 5 / ) ( ) 0 . 0 1 1 7 1 /F e K F e kk k k kPP ??????? (328) 從理論上講式 (328)所示級(jí)數(shù)收斂的速度是很慢的，需要計(jì)算無(wú)窮多項(xiàng)。然而，在實(shí)際電機(jī)中，只有次數(shù)較低的諧波作用較大次數(shù)很高的諧波由于受到較強(qiáng)的阻尼作用，在鐵心中所產(chǎn)生的諧波磁場(chǎng)可以忽略。因此，對(duì)于式 (328),諧波次數(shù)計(jì)算到 100 次己夠了，此時(shí) 1/ FePP ?? 。 由此看出，由 6PCSI 供電時(shí)，電源諧波產(chǎn)生的附加鐵損耗是很小的，對(duì)于近似計(jì)算可以忽略不計(jì)該項(xiàng)損耗。 變頻電動(dòng)機(jī)的研究 31 2. 寬調(diào)制型電流源逆變器 (PWMCSI)供電 PWMCSI 和 6PCSI 供電的區(qū)別僅在于輸出電流中的諧波分量不同，即 / 1IIk 值不同。仍以上述 l0kW 電機(jī)為例，參考式 (328)可得 1 5 , 7 5 , 72 1 . 5 1 . 5 2/ 2 (0 . 0 7 6 5 / / ) ( ) 0 . 0 1 1 7 ( ) ( / )11F e K F e kk kkI I I IkkPP ????? ? ? (329) 對(duì)于圖 所示脈寬調(diào)制波形， 由分析可得該圖的各 諧波電流與基波電流之比為 / 0 . 0 3 , / 0 . 0 2 4 , / 0 . 0 2 8 8 ,7 1 1 1 1 1 3 1I I I I I I? ? ?將這些 / 1IIk 值代入式 (329)，得 1/ FePP ?? 。 由上述計(jì)算結(jié)果看，與 6PCSI 相比，圖 34 所示電流波形的 PWMCSI 供電 時(shí)諧波附加鐵損耗約增加一倍，但其值仍不算太大。 3. 脈沖電壓源逆變器 (6PVSI)供電 對(duì)于電壓源逆變器供電的電機(jī) 雖然仍可用諧波等效電路求出相應(yīng)的諧波電流，然后用上述計(jì)算電流源逆變器供 電時(shí)諧波鐵損耗的方法進(jìn)行計(jì)算，然而 由于諧波磁 通密度和諧波電動(dòng)勢(shì)與諧波電壓之間有著直接的聯(lián)系，因此可直接由諧波電壓分量計(jì)算式 (328)中所需要的/ 1KBB值。由于諧波電流與基波電流產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)空間分布規(guī)律相同，因而 1 1// ( / ) ( / )11k k Bff EEkk kBB ??? ? (330) 其中 11,E? 和 ,Ekk? 分別為基波和 k 次諧波電流產(chǎn)生的每極磁通和氣隙電動(dòng)勢(shì)?；ㄅc諧波的氣隙電動(dòng)熱之比又近似等于基波和諧波電壓之比，即 1 1//K kUUEE? (331) 對(duì)于 6PVSI, 2/ 1/1UU Kk ? ， 考慮到 / 1/1 kffk ? 因而有 2/ 1/1B B Kk ? (332) 將式 (332) 代入 (327) ，并考慮到 ( ) / 2S r SG G G??，可得2 2 1 . 5 2 . 51 5 , 7 5 , 7/ 2 ( 1 / ) ( ) 2 ( ) 0 . 0 7F e K F ekkk k KPP ???? ? ?? ??， (333) 由式 (333)計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)， 6PVSI 供電時(shí)諧波鐵損耗也比較小，在近似計(jì)算中可以忽略不計(jì)。 4. 脈寬調(diào)制型電壓源逆變器 (PRMVSI)供電 仍以載波比 N=7，調(diào)幅比變頻電動(dòng)機(jī)的研究 32 *As =1. 0 脈寬調(diào)制方式為例，可由式 (36), (37)和 (35)計(jì)算出電壓諧波分量與基波電壓之比 1/kUU，將其代入式 (331), (330) 和 (327) ，并考慮 到( ) / 2S r SG G G??， 可得 2 1 . 51 1115 ,7/ 2 [ ( / ) ( ) ] ( / )F e K F e KKKk f f f fUUPP ????? 25 , 7 12 [ ( / ) (1 / ) 0 . 4 8k K KUU???? (334) 由式 (334)計(jì)算結(jié)果看出， PWMVSI供電時(shí)諧波鐵損耗較大。不過(guò)本例中載波比較小，低次諧波幅值較大如果將載波比提高，具有較大幅值的諧波次數(shù)也相應(yīng)提高，由式 (334)可看出，諧波鐵損耗將相應(yīng)降低。 電源諧波產(chǎn)生的附加雜散損耗 除了上述諧波銅損耗和鐵損耗之外，還要考慮電源諧波產(chǎn)生的附加雜散損耗，主要包括諧波磁場(chǎng)在定、轉(zhuǎn)子端部產(chǎn)生的鐵損耗以及斜槽轉(zhuǎn)子中的扭斜諧波漏磁場(chǎng)產(chǎn)生的附加損耗。 端部 諧波漏磁損耗