VVVF变频器驱动高功率密度异步电机的电源谐波研究

电　机　与　控　制　学　报

ELECTRIC　MACHINES　AND　CONTROL

Vol110No11Jan.2006

VVVF变频器驱动高功率密度异步电机

的电源谐波研究

杨　琰,　窦满峰

(西北工业大学自动化学院,陕西西安710072)

摘　要:为了探讨电源谐波对VVVF变频器驱动高功率密度异步电机运行性能的影响,采用异步

电机的谐波等效电路法分析了谐波对电机损耗和转矩的影响,建立了变频器驱动高功率密度异步电机的系统模型,给出了不同电源下电机损耗和转矩的仿真结果及电机和变频电源最佳匹配的方法。仿真结果表明,电源谐波加剧电机发热,降低电机的带载能力和功率密度。关键词:VVVF变频器;高功率密度异步电机;电源谐波

中图分类号:TM346

文献标识码:A

文章编号:1007-449X(2006)01-0049-03

Researchonsupplyharmonicofhighpowerdensityinduction

motorequippedwithVVVFconverterYANGYan,　DOUMan2feng

(AutomationAcademy,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi’an710072,China)

Abstract:Inordertodiscusstheimpactofsupplyharmoniconhighpowerdensityinductionmotore2quippedwithVVVFconverter,harmonicequivalentcircuitisusedtoanalyzetheimpactinthispaper,asystemmodelofhighpowerdensityinductionmotorequippedwithconverterisbuilt,simulationresultofthismotorfedbydifferentsourceisgiven,andamethodofoptimummatchbetweenmotorandconverterispresented.Resultindicatesthatsupplyharmoniccausesmoreheat,lessloadandpowerdensitytomo2tor.

Keywords:VVVFconverter;highpowerdensityinductionmotor;supplyharmonic

1　引　言

采用VVVF变频器驱动的高功率密度异步电机的特点是功率大、体积小、转速高,但电源谐波对电机的发热、带载、噪声影响很大。变频器驱动高功率密度异步电机的运行性能受变频器和电机两方面的共同影响,采用不同调制模式和不同调制参数的变频器,输出谐波不同,对电机的运行性能影响有较大差异

[1]

特别设计以抑制谐波对电机性能的影响。

本文采用高功率密度电机和变频器一体化研究方法。变频器采用SPWM调制模式,在电源谐波的分析基础上,合理设计高功率密度电机;通过仿真比较分析不同参数的SPWM波对该电机性能的影响

[2]

,选择最合适的调制参数。

2　VVVF变频器的电源谐波分析

采用SPWM逆变电路的VVVF变频器,输出的

;变频器驱动的高功率密度异步电机,需要

收稿日期:2005-05-16;修订日期:2005-10-17

基金项目:西北工业大学研究生创业种子基金资助项目(Z200557)作者简介:杨　琰(1981-),男,硕士研究生,主要从事电机设计及运动控制的研究;

窦满峰(1967-),男,教授,主要从事稀土电机设计及运动控制的研究。

50电　机　与　控　制　学　报　　　　　　　　　　　　　第10卷　

谐波铜耗:

∞

线电压频谱中,基波和谐波分量的分布及其幅值变

化主要受调制信号频率fr、载波频率fc、调制度a的影响。调制信号频率fr即正弦波输出频率,根据希望输出的波形设定fr;载波频率fc是指接受调制的等腰三角波信号频率,载波频率fc与调制信号频率

fr的比值是载波比N,N=fc/fr。在一定的调制信号

PCuk=

k=2

∑3I

121k

(r1k+r′2k)

2

(2)

2)谐波铁耗　谐波铁耗为

∞

PFek=

k=2

∑k

EkK1wE1Kkw017

PFe1(3)

频率fr下,提高载波频率fc,载波比N增大,一周期

内的脉冲数增多,PWM波形越接近正弦波,但载波频率fc应小于功率器件的开关频率,同时应考虑开关损耗的影响。调制度a为调制信号峰值与三角载波信号峰值之比,体现了直流母线电压的利用率。在理想情况下,a值可在0～1之间变化,以调节变换器输出电压的大小,实际上a总是小于1,在N较

[3]

大时,一般取a=018～019。

SPWM逆变电路输出谐波频率为nfc±kfr。式中:n=1,3,5,…时,k=3(2m-1)±1,m=1,2,…;n=2,4,6,…时,k=6m±1,m=0,1,2,…。

谐波中幅值较高的是fc±2fr和2fc±fr。在实际电路中,由于采样时刻的误差以及为避免同一相上下桥臂直通而设置的死区影响,谐波含量比理想中要高,甚至会出现少量的低次谐波[4]

式中Ek为定子绕组谐波感应相电势,E1为基波感应相电势,Kkw为谐波绕组系数,K1w为基波绕组系数,PFe1为基波铁耗。谐波损耗增加了电机的总损耗,使电机效率降低,加剧电机发热,温升升高,降低绝缘寿命。313　谐波转矩

1)异步附加转矩　k=3n-1次谐波电流产生的磁势与其在转子中的感应电流相互作用,产生制动性质的异步附加转矩;k=3n-2次谐波电流产生拖动性质的异步附加转矩。异步附加转矩的大小为21-Sk3I′r′2k2kSk

(4)T=Ω式中:Sk为谐波转差率,Sk=角速度,Ω=πn2。60

kn1±nkn1

1≈1±;Ω为

k

。3　谐波对高功率密度电机损耗与转矩的影响

311　谐波等效电路

谐波等效电路如图1所示。r1k、r′r2k、mk为k次谐波定子电阻、折合后转子电阻、铁耗等效电阻;L1、L′Lm为定子、转子漏感和定转子互感;Uk、Sk为k2、

次谐波相电压、转差率。谐波对电机定转子电阻影响很小,r1k、r′2k大小基本不变;当谐波次数k较高时,谐波转差率Sk≈1。

异步附加转矩使电机合成转矩的最大值有所减

小,电机的带载能力下降;此外,电机的转矩曲线产生异步谷,电动机起动后可能平衡在低速状态,不能上升到额定转速。

2)脉动转矩　脉动转矩主要由基频电压产生的基波磁场与高次谐波电压产生的空间基波磁场相互作用产生。脉动转矩造成电机低速脉动、转速不稳定、轴系振动,产生噪声。

4　设计实例

在电源谐波及其对电机性能影响分析的基础上,为螺旋桨带动力风洞实验设计一台变频器驱动的高功率密度异步电机。电机的技术指标:额定电压380V,额定功率36kW,同步转速12000r/min,额定频率400Hz,尺寸不大于直径120mm,长度为350mm,质量小于20kg,功率密度大于118kW/kg。411　电磁设计

导磁材料选用精密软磁合金1J22,饱和磁密可高达214T;绕组采用C级绝缘,可耐180℃高温。绕组采用双层短距,与单层绕组相比,能有效地削弱空间高次谐波,但定子电阻大,定子铜耗增大。定转子采用合理槽配合(24/22)、转子斜槽30°电角,可有效削弱齿谐波,抑制异步附加转矩和同步附加转

312　谐波损耗

1)谐波铜耗　忽略磁化电流的影响,谐波电流为

I1k=I′2k=Uk

(r1k+r′2k)

2

2

πfk(L1+L′+[22)]

(1)

第1期VVVF变频器驱动高功率密度异步电机的电源谐波研究51

矩。在满足功率因数指标前提下,适当提高电机漏电感,可抑制谐波电流和谐波转矩,减小谐波损耗。412　结构设计

变频器驱动的高功率密度异步电机发热严重。为有效散发电机热量,定子设计为双螺旋油路冷却结构,转子设计为空心轴单螺旋油路冷却结构,定转子同时双油循环冷却。空心轴采用高强度合金40CrMnSi加强转轴强度。采用减振材料提高定子结构刚度,控制各部件结构之间振动传递,减小噪声。413　设计结果

该电机主要参数设计结果如表1。

400Hz,加载的负载转矩Tm=29196N・m。SPWM

逆变器供电时,通过改变PWMGenerator模块的参

数,以理想电源供电为基准,比较不同SPWM波对电机性能的影响。PWMGenerator模块主要有3个参数:调制信号频率fr、载波频率fc、调制度a。调制信号频率取fr=400Hz;调制度取a=018;载波频率fc选择过低,谐波较大,受IGBT开关频率的限制,选择不能过高,载波频率fc取12kHz(载波比N=30)、1116kHz(N=29)和1214kHz(N=31)对比分析。仿真结果如表2所示。定子铜耗根据定子电流和定子

表2　仿真实验结果

表1　电机主要参数设计结果

Table1　Designresultofmachineparameters

参数名称定子电阻(180℃)/Ω定子漏电感/mH定转子互感/mH转子电阻(180℃)/Ω转子漏电感/mH

结果

011157011311169201069701153

N=30N=29N=31Table2　Simulationresult

转速

/(r/min)

滑差

定子电流电磁转矩定子铜耗转子铜耗

/A84199921689318593174/N・m29197/W250712298114305712305010

/W97815117614121111122919

理想电源11684010263

116251161411608010313010322010327

脉动脉动脉动

5　仿真实验与分析为了分析理想电源供电和不同参数SPWM逆变器供电对该高功率密度异步电机性能的影响,利用Mat2

lab615软件进行仿真。系统仿真结构图如图2所示。异步电机模型采用Machines工具箱里的AsynchronousMachine模块,模块参数采用表1结果;SPWM逆变电路功率器件选择IGBT,模型采用ControlBlocks工具箱里的PWMGenerator模块和PowerElectronics工具箱里的UniversalBridge模块组成;电机测量模型采用Machines工具箱里的MachinesMeasurementDemux模块、Sinks工具箱里的Scope模块和XYGraph模块组成。仿真模型中,U是指直流母线电压。

电阻计算,转子铜耗根据输出功率和滑差计算。表2表明,在相同负载下,SPWM逆变器供电时电机比理想电源供电转速低,滑差大,定子电流大,定转子铜耗大,发热严重,同时产生转矩脉动,这主要是因为SPWM逆变器的谐波电压在电机内部产生谐波电流。SPWM逆变器供电时载波比N=29和N=31与载波比N=30相比,定子电流、谐波铜耗增加。这是因为29次和31次谐波电压产生了相应的谐波电流,30次谐波电压因为三相对称,基本上不产生谐波电流。不同电源供电时XYGraph模块显示的电机机械特性如图3所示。图3表明,理想电源供电时电机的最大转矩为61N・m,SPWM逆变器供

用理想三相正弦电源和SPWM逆变器电源分

别供电,电机运行频率为400Hz,压频比为380V/

(下转第56页)

56电　机　与　控　制　学　报　　　　　　　　　　　　　第10卷　

障检测,无法实现逆变器故障元件的准确定位。要

实现故障元件的准确定位还需获取更多的故障特征,同时还需要对故障进行模式识别,有关这方面的研究工作有待于进一步研究。

参考文献:

[1]YOUNKINGW.IndustrialDriveSystems—Update’87[A].Proc.

IEEE2IAS’87[C],1987.350-355.

[2]KASTHAD,BOSEBK.Investigationoffaultmodesofvoltage2fed

invertersystemforinductionmotordrive[J].

Applica.,1994,30(4):1028-1038.

IEEE,Trans.

Ind.

[3]WIKSTRONPW,TERENSLA,KOBIH.Reliability,availabili2

ty,andmaintainabilityofhigh2powervariable2speeddrivesystems[J],IEEETrans.Ind.Applica.,2000,36(1):231-24.[4]SPEER,WALLACEAK.Remedialstrategiesforbrushlessdc

drivefailures[J],IEEETrans.Ind.Applica.,1990,27(2):259-266.

[5]BOLOGANNIS,ZIGLIOTTOM,ZORDANM.Experimentfault2

tolerantcontrolofaPMSMdrive[A].Proc.IEEE2IECON’98[C],1998.492-497.[6]崔博文,任章,等.基于奇异值分解的卡尔曼滤波器及其在逆变8　结　论

本文通过卡尔曼滤波方法对变频调速系统基本

正序对称分量的实时在线估计,提出了基本谱残差的概念,定义了决策函数,并给出了一种简单的故障决策策略。仿真结果表明提出的方法可有效实现逆变器故障的实时在线检测,为逆变器供电的电动机变频调速系统的实时在线状态监控或故障检测提出了一种新方法。这种方法仅能实现逆变器的实时故器信号中的应用[J].电机与控制学报,2003,7(1):47-51.

[7]ANDRIAG,SALVATOREPL.Inverterdrivesignalprocessingvia

DFTandEKF[J].IEEProceedings,Pt.B,1990,137(2):111-119.

(上接第51页)

电时电机的机械特性是脉振的,包络线的平均值小

于理想电源供电时电机的机械特性,说明SPWM逆变器供电时电机的带载能力下降。

仿真实验结果表明SPWM逆变器供电相比理想电源供电,电机的发热增加,带载能力下降,脉动增大,电机的功率密度减小。

本文设计的SPWM调制模式变频器驱动高功率密度异步电机已成功应用于某风洞实验中。实践表明,变频器谐波对高功率密度电机的发热、带载能力、功率密度和噪声影响严重。采用正弦畸变率更低的PWM调制模式,可进一步减小电源谐波对电机的影响。

参考文献:

[1]　MOUHOUBMekhiche,STEPHENNichols.High2speed,hgigh2

powerdensityPMSMdriveforfuelcellpoweredhevapplication[A].IEEEInternationalElectricMachinesandDrivesConference[C].USA:IEMDC,2001.658-663.

[2]　周渊深.交直流调速系统与MATLAB仿真[M].北京:中国电

6　结　语

基于SPWM调制模式不变,在电源谐波的分析基

础上,合理设计高功率密度电机,选择合适的SPWM调制参数使电机和变频器达到最佳匹配,削弱谐波对电机的影响。电机设计时,适当提高电机的漏电感,抑制谐波电流;采用双层短距、定转子槽配合、转子斜槽以削弱空间高次谐波;结构设计时,定转子上分别设计冷却结构,加快散热,减小电源谐波引起的发热。SPWM波调制时,变频器的载波比选择为3的倍数,在功率器件开关频率允许的情况下提高载波比。

力出版社,2003.

[3]　李永东.交流电机数字控制系统[M].北京:机械工业出版社,

2002.

[4]　王兆安,黄俊.电力电子技术(第4版)[M].北京:机械工业出

版社,2000.