【正文】 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產(chǎn)生的附加損耗。 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)幅比變頻電動機的研究 32 *As =1. 0 脈寬調(diào)制方式為例，可由式 (36), (37)和 (35)計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)計算結(jié)果看出， PWMVSI供電時諧波鐵損耗較大。由于諧波電流與基波電流產(chǎn)生的磁動勢空間分布規(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勢。 由上述計算結(jié)果看，與 6PCSI 相比，圖 34 所示電流波形的 PWMCSI 供電 時諧波附加鐵損耗約增加一倍，但其值仍不算太大。 變頻電動機的研究 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。因此，對于式 (328),諧波次數(shù)計算到 100 次己夠了，此時 1/ FePP ?? 。對于 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)所示級數(shù)收斂的速度是很慢的，需要計算無窮多項。對于一臺具體電機，圖 所示等效電路中的參數(shù)是己知，因而可以計算出諧波和基波勵磁電流之比。而根據(jù)圖 （ b） 計算可得 ? 。某臺 10kw 的異步電機，已知標么值參數(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 ? 。由于 xxm lr?? ， 故 /mk skII 值較小，即諧波勵磁電流僅占諧波電流的一小部分。在基波等效 變頻電動機的研究 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，因而流過勵磁回路 的電流 1mI 與轉(zhuǎn)子電流 1rI 之比相對較大。 當(dāng)不考慮電機鐵心磁飽和非線性影響時，諧波磁通密度 與基波磁通密度幅值之比可認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。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。各次諧波磁場產(chǎn)生的總附加鐵損耗與基波磁場產(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的諧波附加鐵損耗計算方法。 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 。為了簡化計算，近似認為諧波磁場在定、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)。因此，諧波磁場與基波磁場不同，它在轉(zhuǎn)子鐵心中也產(chǎn)生附加鐵損耗。例如， 5 次諧波電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場相對于定子以 5 倍同步速反向旋轉(zhuǎn)而以接近 6倍同步速相對轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn) (指異步電機 )。因此，可以認為基波電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場僅在定子鐵心中產(chǎn)生鐵損耗。諧波磁場產(chǎn)生的鐵損耗與諧波磁通密度幅值的平方以及諧波磁場交變頻率的 次方成正比。然而，通過上述具體計算總可以給出一個數(shù)量級的概念。 通過對同一臺電機分別由上述四種逆變器供電時電流諧波產(chǎn)生的繞組附加銅損耗和計算結(jié)果對比，可以看出， PWMVSI 供電時損耗最大其次是 PWMCSI,而后是 6PVSI,損耗最小的是 6PCSI?？梢姡稍摲N脈寬調(diào)制方式的 PWMVSI 供電時，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，顯然將對電機的效率和溫升產(chǎn)生較大的影響。供電電機仍以 Y160M4 為例，其 kxk 和 krk 值為已知量。 Uk? 值與脈寬調(diào)制方式有關(guān)。 x? 值較小的電機，電源中的諧波電壓在電機中產(chǎn)生的諧波電壓在電機中產(chǎn)生的諧波電流較大故可產(chǎn)生較大的諧波銅損耗 。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） 變頻電動機的研究 28 考慮到 Y 160M4 電機的定、轉(zhuǎn)子漏電抗標么值 ?? ， 則由式 (323)計算出的諧波銅損耗之比為 。 3. 六 脈沖電壓源逆變器 (6PVSI)供電對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。對于同一臺 Y160M4 型異步電動機，轉(zhuǎn)子電阻集膚效應(yīng)系數(shù)氣與前面 6PCSI 供電時計算值相同。 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)。 以同一臺 Y160M4 電機為例， krk 由式 (315)計算， 變頻電動機的研究 27 可得 0 .2 4 8 6 5 0 4 .2 9 5570 .2 4 8 1 2 5 0 6 .0 7 51 1 1 30 .2 4 8 1 8 5 0 7 .4 41 7 1 9kkrrkkrrkkrr? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? 將 / 1/1 kIIk ? 和值 krk 代入式 (319)后可得 22/ ( ( 1 4 . 2 9 5 ) / 2 ( ( 1 4 . 2 9 5 ) / 2 0 . 3 11 / 5 ) 1 / 7)1ppc u k c u ? ? ? ? ? ?? (320) 由式 (320)可知，對于一臺 Y 160M4型功率為 11kW的三相籠型轉(zhuǎn)子異步電動機，由 6PCSI 供電時，定、轉(zhuǎn)子繞組的銅損耗將比正弦波電源供電時約增加 30%。因此，式 (317)又可近似表示 為 2 (1 )p I kk rkcuk ???? (318) 諧波電流產(chǎn)生的附加銅損耗與基波電流產(chǎn)生的基本銅損耗之比，可近似表示為 2/)(/ (1 ) / 211 Ipp I k rkkc u k c u ???? (319) 下面分別計算不同類型逆變器供電時的諧波附加銅損耗。對于籠形鑄鋁轉(zhuǎn)子異步電機，必須考慮轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的集膚 效應(yīng)。 諧波電流在定、轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生的銅損耗為 2 ()p I rrk sk rkcu k ???? 其中 Ik 為 k 次諧波電流的有效值，而 rsk 和 rrk 分別為計入集膚效應(yīng)后的定子、轉(zhuǎn)子繞組電組。對于電流源逆變器供電的電機，繞組電流中的諧波分量是已知，與 電機的參數(shù)和運行狀態(tài)無關(guān)。 2） 電源諧波產(chǎn)生的附加鐵損耗 : 變頻電動機的研究 26 3） 除上述二項外電源諧波產(chǎn) 生的其他附加損耗，稱為諧波雜散損耗。 (3)在氣隙諧波磁場作用下，斜槽式籠型轉(zhuǎn)子中由于導(dǎo)條與鐵心短路產(chǎn)生的橫向電流引起的附加銅損耗。 4. 雜散損耗指除了前三類損耗之外的所有其他損耗， (1)定、轉(zhuǎn)子繞組電流產(chǎn)生的 空間高次諧波磁場在定子、主要包括 :轉(zhuǎn)子鐵心產(chǎn)生的表面損耗和脈振損耗。 、轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的合成基波旋轉(zhuǎn)磁場在定子鐵心 中引起的磁滯和渦流損耗。 變頻電動機的研究 25 （ a）電源頻率 60Hz，相電壓 206伏 （ b）電源頻率 30Hz，相電壓 117伏 圖 36電源諧波對電機功率因數(shù)的影響 電源諧波對電機損耗和效率的影響 電網(wǎng)正弦波供電的交流電機，在機電能量轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的損耗，可以分為以下四種類型 : 。由圖可見，在該種供電情況下，電源諧波可使電機的功率因數(shù)降低 10%左右。因此，對功率因數(shù)進行一般的定量分析是困難的。 供電電源中的諧波分量，不僅會增加電機的電流、損耗和降低電機的效率， 還將增加電機的無功功率，使電機的功率因數(shù)顯著降低?？梢姡琍WM 型電壓源逆變器在載波比較小時，供電諧波所產(chǎn)生的諧波電流分量是相當(dāng)可觀的。對于 星形聯(lián)結(jié)和無中線的電機，相電流中沒有 3 的倍數(shù)次諧波，故可只計算 5, 7, 11, 13,? 等次諧波電流考慮集膚效應(yīng)使轉(zhuǎn)子漏電抗 Xlr 降低后， k 次諧波電 變頻電動機的研究 24 流有效值的標么值為 *** /[ ( ) ] 2 /[ ( 1 ) ]kkU x k x U x kI k k x k k x kls lr? ? ?? ? ? ? (313) 總的諧波電流有效值的 標么值為 222* **/ ( 5 ( 1 ) ) ] / 9 7( 1 ) ) ][[ 5757I UUkkh xxx? ? ???? (314) 對于 Y 160M 一鑄鋁轉(zhuǎn)子三相異步電動機由 N=7, *5A = RPMVSI 供電時， 由式 (314)計算的諧波電流為 2 2 2 22 * ( ) ( ) ( ) ( )5 7 11 13 h x? ? ? ?? ? ? ? ? x?? 正如上面已指出過的，對于一般中小容量的異步電機 x? =，因此，由上例脈寬調(diào)制方式的 PWMVSI 供電時，總諧波電流有效值可達基波電流有效值的 64%160%。下面以載波比 N=7,調(diào)幅比 *As =， 脈寬 調(diào)制情況為例，計算該供電情況下電機相電流中的諧波分量。與 6PCSI 供電相比，總諧波電流有效值增加 8%，而相電流有效值增加 2%以上。 型電流源逆變器 (PWAICSI )供電 PWMCSI 輸出電流的諧波 分量與所采用的脈寬調(diào)制方式有關(guān)。 電機的供電電源有許多種，但有些電源 (如晶閘管交流調(diào)壓 )的電壓和電流諧波分量與電機的接線方式和運行狀態(tài)有很大關(guān)系，具有不確定性，難以進行一般的定量分析。變頻電動機的研究 23 此外，考慮到在圖 所示 T 形等效電路中，激磁電抗 Xm 值一般比定、 轉(zhuǎn)子漏電抗 Xls 和 Xlr 值大許多倍，因而 T 形等效電路可近似簡化為圖 35b 所示 的形式。 （ a） T 型等效電路 （ b）簡化等效電路 異步電機的諧波等效電路 在電機的正常運行范圍內(nèi)，基波轉(zhuǎn)差率 1 1s? ，而一般需要考慮的電源諧波 次數(shù) 5k? 。由電機學(xué)可知，對 于 k 次諧波的電壓和電流，異步電機的等效電路如圖 所示。 諧波電流及相電流有效 值的估算 目前由電力電子變頻器供電的電機以異步電機居多，故下面的分析以異步 電機為例。這對于消除電機的低頻轉(zhuǎn)矩脈 動還是很有作用的。 6PCSI的最大諧波電流是 5次和 7次，而 PWM型逆變器的最大諧波是 17, 19, 23和 25次。為了便于比較，表中還給出了 120? 導(dǎo)通 型6PCSI輸出相電流諧波分量的標么值，兩種逆變器取了相同的電流基值 4/dI ? 。以圖 24所 示的電流波 形為例，假定在 0 /6?? 和 2 /3??? 范圍內(nèi)，電流脈寬比為 1： 2： 3，而間隙 比為 3： 2： 1，則相應(yīng)的角度 / 1 2 , / 9 , / 6 , 2 / 9 , / 4 ,a a a a a1 2 3 4 5? ? ? ? ?? ? ? ? ? aa6 10? 可根據(jù)對稱關(guān)系由 aa15? 求得。電流源 PWM逆變器輸出相電流中 k次諧波分量的幅值以標么值 表示 1* ( 4 / ) ( c o s c o s )aa2 j 1 2 j2 1i kkb k b I dk k j?? ? ?? ??? (38) 在此電流基值取 4/Id? ， Id 為逆變器直流側(cè)電流值。 因此，為了減小低速時的轉(zhuǎn)矩脈動，增大逆變器輸出電流中的基波分量， 6PCSI在低頻供電時常常采用 電流脈寬調(diào)制方式，其輸出相電流波形如圖 所示。增大 N值可提高輸出電壓中具有較大幅值的諧波分量次數(shù)。 變頻電動機的研究