变频器供电时交流电动机的运行

1第四章变频器供电时交流电动机的运行2感应电动机常见调速方法降压调速利用电磁离合器调速绕线式转子串电阻或变频电源调速变极调速变压变频调速37-1变频器供电的特点1.变频器的种类交－直－交变频电压型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图7-2a)电流型逆变器输出电流为矩形波，动态响应快，且在再生制动时，电能可以方便地返回电网图7-2b)交－交变频效率较高，但所用器件较多，输出的最高频率为电网频率的1/3，调速范围较窄。42.电压型交－直－交变频三种输出电压控制方式：①相控整流②不可控整流，但在中间环节加斩波环节进行DC/DC变换③不可控整流，逆变器脉宽调制图7-3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），相邻桥臂对应器件的导通角互差120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uA0、uB0、uC0互差1200，幅值0.5Ud线电压uAB=uA0－uB0：0～120°－Ud，120～180°－0，120°～300°－Ud，300°～0－0类似的uBC、uCA互差1200若电动机Y形连接，其中性点为N,相电压uA、uB、uC：uA0=uAN＋uN0uB0=uBN＋uN0（7-4）uC0=uCN＋uN07三式相加，再考虑到uAN+uBN+uCN=0，得uN0=1/3（uA0+uB0+uC0)代回上式，得电动机端电压uA=uAN=uA0-uN0=uA0-1/3（uA0+uB0+uC0)uB=uBN=uB0-uN0uC=uCN=uC0-uN0得六阶梯波（图7-4c））每隔60°发生一次阶跃变化，最大幅值2/3Ud8方波逆变器根据每管导通时间分：180°导通型在一个周期360°内，6个管子中总有三个同时导通，每管导通180°图7-5120°导通型在一个周期360°内，任一时刻只有两个管子导通。但在60°不导通区内会出现电流断续，定子电流被切断时，会出现反电动势，影响电动机的稳定运行。93.方波逆变器输出电压的基波和谐波对输出电压进行傅氏分析得式（7-5），可见相电压中，谐波次数：除基波外，还有5、7、13等奇次谐波，但没有3倍次谐波，总之，6m±1（m=1，2，3…）次幅值：基波2/πUd，高次谐波1/k×2/π×Ud相序：基波正相序，5次反相序，7次正相序...10高次谐波对电动机的影响1.铜耗（I2R)↑2.由于谐波电流存在，cosφ↓3.铁耗（铁心涡流∝f2、磁滞损耗∝f）↑及附加耗↑→η↓，温升↑4.产生脉振电磁转矩和转速振荡，电磁噪声↑2150()50mfppB114.采用脉宽调制技术的逆变器正弦脉宽调制原理正弦波n等分，在每个等分的中点处，构造一组等幅不等宽的矩形波，其面积与对应的正弦波分区的面积相等，则这n个矩形脉冲系列所组成的波形与正弦波等效。图7-6三角波脉宽调制uR－预期的等效正弦信号载波－等腰三角波12三角波脉宽调制原理图7-7UruΔ,比较器输出高电平UruΔ,比较器输出低电平＋－uRuΔu0uRuΔ13逆变器输出的脉宽调制序列u0可见逆变器输出波形中基波频率=调制信号的频率基波幅值∝调制度a=调制信号幅值/三角波幅值从逆变器输出的波形可见，波形半周期对称，且1/4周期对称，∴仅含奇次谐波。即0sin()2dRUua含有贝塞尔函数的谐波项11,3,5sintkmkuUktα1α2α3α4090°180°14其中要消除某次谐波，则令相应的Ukm=0，解得α1、α2、α3、α4…..121211110021111144sin()[(1)sin()2(1)sin()......(1)sin()14[12(1)cos]2mdkmtmidiUUuktdtktdtktdtktdtUkk151.等效电路法（性能分析）变频器输出的非正弦电压基波、谐波电压基波、谐波电流、损耗和电磁转矩总电流、损耗和电磁转矩优点：概念清楚，简单易行缺点：不能进行动态和瞬态计算7-2方波变频器供电时三相感应电动机的运行谐波分析基波和谐波等效电路叠加原理16基波和谐波等效电路基波U1RsxsσR’r/sx’rσXmRm17k次谐波U1kRskxsσR’r/skkx’rσkXmRm18k次谐波转差率（5次反转，7次正转）正常情况s11，谐波次数较高时sk≈1，转子接近堵转，kxsσRs，kxrσRr，等效电路进一步简化U1kkxsσkx’rσkXm）11(11skknnknsssks1-基波转差率19电机输入阻抗∴定转子k次谐波电流''()'''rmrmsssrmrmkxkxxxkxkxkxkxkxxx1'''kmskrksksksmrUxIIIIjkxxx20定子A相电流应为iA↑→铜耗↑。若计及转子导体的电流集肤效应，随着频率↑→转子电阻↑，漏抗↓，谐波电流还要增大。总电磁转矩气隙的基波磁场与不是由它感生的转子5、7次谐波磁场还会产生脉振转矩15711115,7,...1......sin(-)sin(90).'AAAAmkmkssiiiiUUtktzkx157...eeeeTTTT212.状态方程法可得动态和稳态解，但数学上较复杂重点：功率器件开关引起电路拓扑的变化及其表达求解步骤：1.供电电压表达式2.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4.求解227-3脉宽调制变频器供电时感应电动机的运行脉宽调制时逆变器的开关函数1.逆变器输出电压u0与直流电压Ud的关系逆变器的开关函数或对于固定于定子的ABC系统，有0()dutgU0()dutgU0B0BC0C()()()AdAddutUgutUgutUg23变频器采用不可控整流器，Ud是不变的常值，脉冲宽度取决于功率器件的开关角α，所以2.电机端电压与逆变器输出电压的关系由式（7-4)可写出00()()()AdBdCgUgUgUg00021111213112AANABBNBCCNCuuuuuuuuu243.ABC坐标系→αβ0坐标系其变换矩阵为在αβ0坐标系中有1211coscos(120)cos(120)21Cssinsin(120)sin(120)033331111112221100sABCsABCddUUUCUCgg25供电波形的60°对称性若变频器的输出电压具有半波对称性，则有（7-39）若三相电压对称（7-40）上式对任何时刻都成立，若角度增加60°，则（7-40）变成111111(180)()(180)()(180)()AABBCCutututututut111111(120)()(120)()(120)()BACBACutututututut26上式说明，若三相电压uA、uB、uC在ω1t=0～60°区间内已知，则在ω1t=60°～120°区间的波形就随之确定，这就是60°对称性同理有111111111(12060)(60)()(180)(60)()(180)(60)()oBABCBCACAutututututututututAB（7-42）27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60°对称性。所以只要得到0～60°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。111C11A1(120)(60)(120)(60)(120)(60)ABBCutututututut28在方波逆变器中，由于开关角固定，每60°角为一个开关模式，一个周期内共6个模式。在每个60°区间内，g0、gABC均为常数阵。在脉宽调制逆变器中，g0是开关角α的函数，而α的数目和数值可以有很多种不同的组合，可在0～60°区间内，对三相的开关角按大小进行统一排列，得到一系列离散的子空间，使在各子区间内各功率管的导通情况为同一模式，在此区间内相应的ga0、gB0、gC0为一常数，矩阵g0i为分区常数阵.....。作业