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应对输出侧谐波影响的措施

时间:2023-07-01 理论教育 版权反馈
【摘要】:对一般负载,脉动谐波转矩的影响不大,但如果电动机要求在低速下运行,有可能会导致转速不均匀。

应对输出侧谐波影响的措施

如前所述,变频器输出有不同程度的谐波分量,且会输出过大的du/dt。这些因素会使电动机过热而损坏绝缘、产生脉动转矩和噪声等,使其工作不正常。

1.输出波形的谐波分析

对六拍三相交-直-交电压型逆变器(180°导电型负载相电压,6阶梯波)的输出波形做傅里叶级数分析,其表达式为

同理,可得电流型逆变器输出电流波形(120°导电型负载相电流,矩形波)表达式为

从上述表达式可以看到,方波逆变器输出较大的谐波分量,其中5、7、11、13次谐波最为显著。

2.谐波损耗与电动机效率

在非正弦波电源作用下,谐波电流在电动机中造成附加损耗,从而降低电动机的效率。这种附加损耗包括电动机定子和转子谐波电流产生的铜损和铁损。

由于谐波损耗的存在,电动机的效率有所降低。当计入附加谐波损耗时电动机的效率为

式中 P1——基波功率

P1——基波总损耗;

PK——谐波总损耗。

因谐波损耗引起效率降低量为

式中 η1——无谐波损耗时电动机的效率。(www.xing528.com)

3.谐波转矩

谐波电流的存在,使电动机产生附加的谐波损耗,也使电动机产生附加的谐波转矩,给电动机运行带来一定的影响。谐波转矩可分为稳定谐波转矩和脉动谐波转矩两种,分述于下:

(1)稳定谐波转矩 这种附加转矩由谐波气隙磁通与转子同次数的谐波电流相互作用而产生,因各次谐波转矩合成后基本相互抵消,故稳定谐波转矩对基波转矩影响甚微。

(2)脉动谐波转矩 由次数不同的谐波气隙磁通和转子谐波电流相互作用所产生的转矩称为脉动谐波转矩,也包括了基波气隙磁通和各次谐波转子电流相互作用所产生的转矩。由于不同次数谐波磁通与转子电流产生的转矩大小不一,故一般只计及基波气隙磁通与低次转子谐波电流所产生的脉动转矩,其中最大的依次为5、7、11和13次。

脉动谐波转矩为一个余弦函数,其方向正半周为正,负半周为负,故使电动机转矩产生了脉动成分。但因总脉动转矩最大不超过满载时基波转矩的10%,故对基波转矩影响仍不大,不过当传动系统机械部分的固有振动频率(50~200Hz)与脉动转矩频率一致时,由于共振放大,就可能产生强烈的振动,对设备造成危害,这种共振现象常发生于逆变器频率为30Hz以下(也有超过30Hz的),故称为低频转矩脉动效应。

4.消除谐波影响的对策

为消除输出谐波影响,积极的方法是采用输出谐波小的变频器,如SPWM、SVPWM等逆变器;也可以使用电抗器、滤波器,减少谐波电流产生的不良影响。此外,对振动、过热、噪声等影响采取一些有效的具体措施。对一般负载,脉动谐波转矩的影响不大,但如果电动机要求在低速下运行,有可能会导致转速不均匀。对风机和泵类负载,如果在调速范围内,某个机械部件的固有振荡频率和脉动转矩的频率相同时,会发生严重共振,造成机件损伤,因此有必要在事先做出转矩分析,避免上述情况发生。在采用变频器对电动机进行调速控制时,变频器的输出频率将在较大范围内变化,应该事先对机械系统的共振频率进行检查,并在必要时利用变频器的频率跳越功能避开这些共振频率。如前所述,传动系统运行频率范围超过30Hz以上,则基本上无需考虑低频转矩脉动效应问题。

降低噪声的对策主要有以下几种:

1)选择经过妥善设计制造的电动机,如降低磁通密度,采用铸铁外壳的高刚性电动机;

2)电动机输入侧采用电抗器或正弦波滤波器;

3)采用低噪声的冷却风扇和电抗器;

4)选用以IGBT等为开关器件的PWM变频器。

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