变频电源驱动下的电机特性.ppt

第2章变频电源驱动下的电机特性,2.1变频调速对电机运行的影响2.1.1电机机械特性的变化2.1.2电机内部磁场分布的变化2.1.3电机的电流谐波和电压谐波增加2.1.4电流和磁场矢量控制2.2变频调速电机设计主要概念2.2.1变频调速电机设计理念2.2.2变频调速电机设计公式2.3变频调速电机中的谐波分析2.3.1变频调速电机的分析模型2.3.2谐波电流对磁场的影响及磁场分析2.3.3谐波对损耗的影响及计算方法,第2章变频电源驱动下的电机特性,2.3.4高次谐波对电机运行性能的影响分析2.4闭环控制中的电机运行2.4.1矢量控制中电机运行性能的分析模型2.4.2闭环控制系统中电机稳态运行点分析2.4.3闭环控制下的电机性能分析2.4.4最优转差率控制与电机运行点的匹配2.5小结,2.1变频调速对电机运行的影响,从早期变频变压的基本控制方式(U/f恒定)，到后来实现磁场定向的矢量控制以及直接转矩控制方式，使电机的动态性能和调速精度大大提高。但在变频电源供电下，电机的效率、功率因数等稳态性能以及绝缘和输出功率都受到了一些影响。事实上，电机在变频调速系统中的稳态性能，与其动态性能一样重要。对于不同的控制方法，电机在效率、功率因数以及温升等性能上都有很大的差别。,2.1.1电机机械特性的变化,图2-1经过工作点A的特性曲线,2.1.1电机机械特性的变化,图2-2降频降压时机械特性曲线的平移,2.1.2电机内部磁场分布的变化,图2-3不同运行方式中的电机(永磁同步电机)内部磁场分布,2.1.3电机的电流谐波和电压谐波增加,表2-1时间谐波与空间谐波的组合关系,2.1.4电流和磁场矢量控制,集成系统在闭环控制下，电机内部的磁场和电流与开环控制时有区别。在采用磁场定向控制的集成系统中，电机的励磁电流和转矩电流得到解耦，磁场与电流都可被独立控制。在同样的电压频率和同样的转速转矩条件下，闭环控制可以调整励磁电流和转矩电流的大小，而在开环控制中，励磁电流和转矩电流难以调节。所以电机在闭环控制时磁场和电流都与开环控制时有所不同。这样，电机的内在性能，包括铜耗、铁耗、效率、功率因数以及热负荷等都将发生改变。对此，2.4节将给予详细讨论。,2.2变频调速电机设计主要概念,变频电源驱动下的交流电机，采用常规的设计与分析方法已经不能与之相适应。从设计方法上看，因为机械特性的变化，使得常规电机设计中对起动性能的约束被放宽；而内部电磁负荷的变化，又使得在集成系统中电机的运行状况不能等同在常规电源供电时的额定状况。常规电机设计中对额定负载点性能的考虑在变频调速电机设计中不是最重要的问题。从性能分析方法上看，常规的分析方法只能进行恒压恒频正弦波供电下的性能研究，对谐波的影响和闭环控制下的性能难以分析。所以与常规异步电机比较，变频调速电机设计与分析有较大变化。,2.2.1变频调速电机设计理念,1.电机设计是一个运行区域的最优设计，而不是传统的额定点的设计2.电机运行在追求高效率的同时，必须考虑高功率因数3.电机的内部空间磁场分布应与电流时间波形有一个适当的匹配以减小谐波分量4.电机设计必须与控制方法和变频电源特性相匹配5.电机原来的一些性能可由控制替代，如起动性能等,1.电机设计是一个运行区域的最优设计，而不是传统的额定点的设计,恒频恒压电源使电机总是运行在额定电压和额定转速下，以往电机设计都是在额定点进行设计，所得出的效率和功率因数都是指在额定条件下电机所具有的数值。但是在变频电源供电条件下，电机通过变频调速，已经不是工作在额定电压和额定转速下，而是工作在一个转速变化范围中。此时所追求的已不仅仅是额定点的最优，更重要的是一个运行区域的最优设计，希望得到运行区域内的最高效率和更大的功率因数,2.电机运行在追求高效率的同时，必须考虑高功率因数,以往电机设计优化目标主要是追求最大效率，而忽视功率因数。事实上，由于变频电源输出一系列高次谐波分量，电机的功率因数会下降。而功率因数的下降势必引起效率的下降，两者是相辅相成的。提高效率主要是降低损耗，提高功率因数主要是减少无效磁通，包括漏磁和相互抵销的磁通。,3.电机的内部空间磁场分布应与电流时间波形有一个适当的匹配以减小谐波分量,电机内部电磁场的分布及其相互作用是电机实施电磁能量变换的内在机制。一般来讲，希望电机气隙磁场为一个正弦分布的磁场。但由于电机齿槽效应以及电机材料的非线性特点，电机气隙磁场分布往往不是正弦分布的。同时，由于变频电源的输出电流也难以做到正弦电流。因此，如何使得电流谐波与磁场分布有一个适当的匹配是一个重要的问题。,4.电机设计必须与控制方法和变频电源特性相匹配,以往电机设计只关注电机本体。在变频电源供电的条件下，电机的特性作为电力电子与电机集成系统特性而体现。如电机的电感，除了考虑用铜匝数、绕组分布以外，还必须考虑变频电源的开关频率和di/dt限量。因此，电机设计的参数必须与变频电源特性及其控制方法相匹配。,5.电机原来的一些性能可由控制替代，如起动性能等,常规电机设计中，电机的一些必需功能及性能由电机的结构和参数所决定。在变频电源供电条件下，由于电源可控，一些电机功能可以由控制方法所替代，如电机的起动性能，以往为了提高起动转矩，常将电机转子槽形做成双鼠笼槽和深槽等，以在起动时增大转子电阻，提高起动转矩，但代价是减小了正常运行时电机的效率。在可变电源供电下，起动时可以将电源频率控制在很小的数值，从而使电机机械特性平移，以得到较高的起动转矩。,2.2.2变频调速电机设计公式,(1)电磁感应公式(2)输出电功率公式(3)每极每相磁通公式(4)面电流密度计算公式(5)定子极距计算,图2-4定子槽尺寸图,图2-5()随变化的关系,2.3变频调速电机中的谐波分析,图2-6实测的、含谐波的定子线电压及电流波形,2.3.1变频调速电机的分析模型,1.变频调速异步电机的等效电路2.变频调速异步电机分析模型的建立,2.3.1变频调速电机的分析模型,图2-7常规异步电机等效电路,1.变频调速异步电机的等效电路,图2-8异步电机谐波等效电路,2.变频调速异步电机分析模型的建立,(1)因为谐波的频率而造成电抗参数变化这主要指的是在谐波分析电路中，各电抗值都在基波电路的电抗值上乘以一个系数，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异步电机来说，转子绕组的集肤效应比较突出。(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。,2.3.2谐波电流对磁场的影响及磁场分析,图2-9合成磁动势随空间电角度的变化,2.3.3谐波对损耗的影响及计算方法,用正弦波电源供电的异步电机，在机电能量转换过程中产生的损耗，可分为以下四种类型：1)定子和转子的基波铜损耗。2)基本铁损耗。3)机械损耗。4)杂散损耗。当电机由变频电源供电时，除了基波分量产生的上述几部分损耗之外，还增加了谐波分量产生的附加损耗，通常称为谐波损耗，大体分为以下三项：1)定、转子绕组谐波电流产生的附加铜损耗。2)电源谐波电压产生的附加铁损耗。3)除上述两项外电源谐波产生的其他附加损耗，称为谐波杂散损耗。,2.3.4高次谐波对电机运行性能的影响分析,1.电路中5、7、11次电压谐波含量对电机的影响2.变频电源输出电压更高次谐波对电机的影响,1.电路中5、7、11次电压谐波含量对电机的影响,图2-105次电压谐波含量对饱和系数的影响,1.电路中5、7、11次电压谐波含量对电机的影响,图2-115次电压谐波含量对定子电流及气隙磁密的影响,1.电路中5、7、11次电压谐波含量对电机的影响,图2-12各次谐波电压含量对励磁电抗的影响,1.电路中5、7、11次电压谐波含量对电机的影响,图2-13各次谐波电压含量对效率的影响,1.电路中5、7、11次电压谐波含量对电机的影响,图2-14各次谐波电压含量对功率因数的影响,2.变频电源输出电压更高次谐波对电机的影响,图2-15高次电压谐波含量对饱和系数的影响,2.变频电源输出电压更高次谐波对电机的影响,图2-16变频电源输出高次电压谐波含量对效率的影响,2.变频电源输出电压更高次谐波对电机的影响,图2-17变频电源输出高次电压谐波含量对功率因数的影响,2.4闭环控制中的电机运行,基于电力电子技术的变频电源在很多方面对电机的运行产生了影响，如起动性能的改善、谐波的影响等等。但其中改变最大的是电机的运行状况，电机已经不总是运行在固定的频率和转差率下，电机的转子磁链及其分布是可以根据控制调整的。在这种状况下，若电机仍然运行在额定的转速和转矩下，但它的电压和频率不一定是额定电压和额定频率。,2.4.1矢量控制中电机运行性能的分析模型,(1)转子磁链r的求取(2)转子漏感初值Lrl0的设定转子的谐波漏感和斜槽漏感都与电机磁场的饱和系数有关，在不同的转差率控制方案中，由于磁场的不同会造成饱和系数的变化，因此转子的漏感是随控制变化而变化的。(3)气隙磁链g的求取及磁场迭代计算(4)转子漏感的计算用求得的饱和系数代入，可计算转子漏感值Lrl，与前一次计算所得值比较，若差值在误差范围之内，则转到(5)，否则转到(3)。(5)电感参数Lm、Ls和Lr的求取先计算感应电动势E，在传统分析模型中，E需要迭代计算求出。(6)定、转子电量的求取,2.4.1矢量控制中电机运行性能的分析模型,(7)性能计算由上面得到的电路和磁场参数，对电机的铜损、铁损、机械损耗和杂散损耗等进行计算，得到总损耗P。,2.4.1矢量控制中电机运行性能的分析模型,图2-18矢量控制下的电机运行性能的分析模型,2.4.2闭环控制系统中电机稳态运行点分析,1.电磁负荷的改变2.转差率变化时的电磁负荷和性能,1.电磁负荷的改变,表2-2两种系统下电机运行在相同转差率时的电磁负荷和性能比较,2.转差率变化时的电磁负荷和性能,图2-19电压和频率随转差率变化曲线,2.转差率变化时的电磁负荷和性能,图2-20定子电流和气隙磁密随转差率变化曲线,2.转差率变化时的电磁负荷和性能,图2-21效率和功率因数随转差率变化曲线,2.4.3闭环控制下的电机性能分析,图2-22转速恒定，不同s时的效率与转矩间变化曲线,2.4.3闭环控制下的电机性能分析,图2-23转速恒定，不同s时的功率因数与转矩间变化曲线,2.4.3闭环控制下的电机性能分析,图2-24转矩恒定，不同s时的效率与转速间变化曲线,2.4.3闭环控制下的电机性能分析,图2-25转矩恒定，不同s时的功率因数与转速间变化曲线,2.4.4最优转差率控制与电机运行点的匹配,图2-26转矩、转速恒定时效率与转差率的关系,2.4.4最优转差率控制与电机运行点的匹配,图2-27转矩、转速恒定时功率因数与转差率的关系,2.4.4最优转差率控制与电机运行点的匹配,图2-28=14Nm时最优转差率控制下效率与转速的关系,2.4.4最优转差率控制与电机运行点的匹配,图2-29=140Nm时最优转差率与转速的关系,2.4.4最优转差率控制与电机运行点的匹配,图2-30n=1500r/min时最优转差率控制下效率与转矩的关系,2.4.4最优转差率控制与电机运行点的匹配,图2-31n=1500r/min时最优转差率与转矩的关系,2.4.4最优转差率控制与电机运行点的匹配,图2-32最优转差率控制下采用两种优化方法设计的电机的效率与转速的关系,2.5小结,1)由于电源频率不同，则电机机械特性可以随之平移。2)由于逆变器能够平滑变频变压，从而可以将异步电机调节在最佳运行点上，即得到最小转差率、最大效率和高功率因数。3)由于逆变器供电下的异步电机大多不是长期工作在一定额定状况下，而是处于不断变化之中，因此其温升极限得以提高，从而可以增加电流设计密度，进一步减小电机尺寸和重量。,