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谐波电流与谐波磁势分析

2018-08-01 13:56:15 阅读()

  (一)高次谐波的影响
  一般的变频器,都会产生高次谐波。这种含高次谐波的交流电源使电机运行的性能与正弦波电源供电下的性能有很大的差别,给电机的运行带来了一些负面影响,在对由变频器驱动的电力传动系统设计与分析时必须考虑这些负面影响。
  首先,谐波电流在电机中产生基波磁势和谐波磁势,虽然谐波磁势在分布短距系数的影响下被削弱,但由谐波电流产生的基波磁势却使电机磁场加剧饱和,增大了激磁电流。电流的增大增加了铜耗,不仅使电机的效率和功率因数都急剧下降,而且使电机的发热增加,温升提高。图2-20所示为含谐波的定子电势及电流波形。
  其次,由于采用PWM调制,产生较高的电压上升率dv/dt,对电机的臣间绝缘和对地绝缘形成威胁,增大了电机的故障发生率。针对这些情况,必须对谐波的影响进行抑制,一方面,变频器输出电压的波形应尽量得到改善:另一方面,电机的设计策略需要得到改进,以适应于非正弦电供电。
  (二)变频调速电机分析模型
  考虑到谐波的影响,需要建立一个适当的谐波分析模型。
  1.变频调速异步电机的等效电路
  传统异步电机等效电路如图2-21所示,它适用于单频率正弦电源供电的情况。在非正弦电压供电情况下,这种电路不能准确地描述电机的运行状况。也就是说,在该等效电路中使用了一个大电阻来代表转化成机械输出功率的那一部分电磁功率。因此,定子电流中的谐波成分被大大地抑制了。
  因此,在传统异步电机等效电路的基础上,采取了如图2-22所示的异步电机谐波等效电路。该电路的拓扑结构与传统的异步电机是相同的,但是参数却有很大的区别。谐波等效电路中的电阻和电抗参数均考虑了谐波的影响,其中µ为时间谐波的次数。
  这些参数在异步电机运行的过程中是随着频率、温度、电流、磁势等因素变化的。在正弦供电情况下,异步电机的这些参数变化并不大。在传统的异步电机参数计算中,这些参数可以被看成定值。但是,在非正弦供电下,这些参数受到的影响会进一步加大。
  首先,电机的电抗参数的大小是与频率成正比的。随着频率的增加,电抗参数的数值也会随之线性增加。这就是在谐波等效电路中,电抗参数前面乘了谐波次数的原因。
  其次,转子参数受谐波电流集肤效应的影响比较大。因为µ次时间谐波电流所产生的旋转磁场相对于转子的滑差为
  其中s为基波滑差。在异步电机正常运行时,基波滑差s的值很小,其基波电流的集肤效应可以忽略不计。而1-s的值接近于1,所以sµ近似等于1,谐波电流的集肤效应很大。因此转子谐波电阻会比基波电阻大,而谐波漏感会小于基波漏感。谐波等效电路中的转子电阻和电感值与工频正弦供电情况下等效电路中的转子电阻和电感值有很大不同。
  最后,励磁电抗是反映电机内部磁场的一个参数。当磁场发生变化时,励磁电抗也会随之发生变化。在变频器供电下,电机的磁场是由基波电流产生的磁场和谐波电流产生的磁场共同组成的。供电频率的变化直接导致了电机内部磁场的变化,而励磁电抗也将改变。
  由此可以看出,变频调速异步电机模型中的参数与传统异步电机模型的参数有很大区别,在传动系统分析计算中应将谐波对参数变化的影响考虑进去。
  2.变频调速异步电机分析模型的建立 
  在三相异步电机中,由于绕组采取了分布、短距等措施,当v≠1时, Kwv很小,基波电流和谐波电流产生的空间谐波磁势被大大削弱了。同时,齿槽引起的谐波也可以等效计入漏电抗中。因此,在分析异步电机性能时,为了计算和分析方便,可以将空间谐波磁势忽略不计。这样,磁势的表达式可以简化为式(2-9)和式(2-10)的形式。
  在变频器供电情况下,时间基波电流会产生空间基波磁势和谐波磁势,而时间谐波电流也会产生空间基波磁势和谐波磁势。将空间谐波磁势忽略以后,只剩下时间基波电流和谐波电流产生的空间基波磁势。时间谐波电流产生的空间基波磁势在气隙磁场中分布的周期与基波电流产生的空间基波磁势是相同的,因此绕组的分布和短距不能有效地抑制谐波电流产生的空间基波磁势。在时间谐波电流产生的空间基波磁势的作用下,将使电机磁场的饱和程度加深,增大电机的损耗。
  谐波对电路参数的影响分为三个方面:
  (1)因为谐波的频率而造成的电抗参数变化。这主要指的是在谐波电路中,各电抗值都在基波电路的电抗值上乘以一个系数µ,µ为谐波相对于基波的次数。
  (2)因为谐波电流的集肤效应而造成的转子电阻和转子电抗的变化。对于 笼型转子异步电机来说,转子绕组的集肤效应比较突出。集肤效应主要与转子槽形和转子电流频率有关。在正常运行时,基波转差率很小,基波的集肤效应可以被忽略;但谐波的转差率却远似为1,集肤效应很大。因此转子谐波电阻会比基波电阻大,而谐波漏感会小于基波漏感。在谐波T型等效电路中需要对转子参数重新计算。
  (3)因为磁场改变而造成的励磁电抗的变化。励磁电抗是一个假想的电抗,它是对应于定子和转子总磁场的一个等效电抗。励磁电抗在传统的电机分析和电路仿真中只计算一次,即在额定电压和频率供电下通过磁场分析算出,在其他频率和电压供电条件下只考虑其随频率的线性变化。然而,励磁电抗是一个与电机磁场紧密相关的参数,任何磁场的变化都会造成励磁电抗的变化,严格地说,在磁场可控的系统中只考虑频率对励磁电抗的影响是不正确的。在变频器供电的状况下,磁场是由基波电流和谐波电流共同产生的,而且随时都可能改变,因此励磁电抗的值与正弦波供电状况下相比发生了很大的变化,对励磁电抗与谐波之间的关系必须有一个清楚的认识。
 

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