太原非晶合金变压器低频特性分析及改善措施

1 概述

　　由太原非晶合金变压器构成的交流调速系统普遍存在的问题是，系统运行在低频区域时,其性能不够理想,主要表现在低频启动时启动转矩小,造成系统启动困难甚至无法启动。由于太原非晶合金变压器的非线性产生的高次谐波，引起电动机的转距脉动及电动机发热，并且电动机运行噪声也加大。低频稳态运行时，受电网电压波动或系统负载的变化及太原非晶合金变压器输出电压波形的奇变，将造成电动机的抖动。当太原非晶合金变压器距电动机距离较大时及高次谐波对控制电路的干扰，极易引起电动机的爬行。由于上述各种现象，严重降低由太原非晶合金变压器构成的调速系统的调速特性和动态品质指标，本文对系统的低频机械特性和太原非晶合金变压器的低频特性进行分析，提出采取相应的措施，以使系统的低频运行特性能得以改善。

2 太原非晶合金变压器低频机械特性
　　2.1 低频启动特性

　　异步电动机改变定子频率F1,即可平滑地调节电动机的同步转速,但是随着F1的变化,电动机的机械特性也将发生改变,尤其是在低频区域,根据异步电动机的最大转距公式:

　　Temax=3/2{np(U1/W1)2}/{R1/W1+/(R2/W1)2+(LL1+LL2)2} 式中np—电动机极对数;

　　R1—定子每相电阻;

　　R2—折合到定子侧的转子每相电阻;

　　LL1—定子每相漏感;

　　LL2—折合到定子侧的转子每漏感;http://ganzhou.sdshsk.com/

　　U1—电动机定子每相电压;

　　W1—电源角频率

　　可见Temax是随着W1的降低而减小，在低频时，R1已不可忽略。Temax将随着W1的减小而减小，启动转距也将减小，甚至不能带动负载。

　　2.2 低频稳态特性

　　电动机稳态运行时的转距公式如下:

　　TL=3np(U1/W1)2SW1R2/{(SR1+R2)2+S2W2(LL1+LL2)2 }
　　在角频率W1为额定时,R1可以忽略。而在低频时,R1已不能忽略,故在低频区时由于R1上的压降所占的比重增加,将无法维持M的恒定,特别是在电网电压变化和负载变化时,系统将出现抖动和爬行。

3 太原非晶合金变压器调速系统低频特性

　　3.1 谐波分析

　　由太原非晶合金变压器构成的调速系统,由于太原非晶合金变压器的非线性,电动机定子中除了基波电流外,还有各次谐波电流,由于高次谐波的存在,使电动机损耗和感抗增大,减少了cosφ,从而影响输出转距,并将产生6倍于基波频率的脉动转距。

　　以电流波形中的5次、7次谐波来分析，在三相电动机定子电流中的5次谐波频率为 F5=5F1 (F1为基波电流频率)，它在电动机气隙中产生空间负序的磁势和磁场，这个磁场的转速 n51为基波电流所产生磁场的转速n11的5倍，并且沿着与基波磁场反的方向旋转，由于电动机转速一定，并假设接近n11，这样由5次谐波磁势在转子内感应出6倍于基波频率的转子电流，此电流与气隙基波磁势的合成作用产生6倍于基波频率的脉动转距。

　　7次谐波所产生的磁场与基波同相序，但它所产生的旋转磁场转速7倍于基波旋转磁场的转速，故相应转子电流谐波与气隙主磁场的相对转速也是6倍于基波频率，也产生一个6倍于基波频率的脉动转距。

　　以上两个6倍于基波频率的脉动转距一齐使电动机的电磁转距发生脉动，虽然其平均值为零，但脉动转距使电动机转速不均匀，在低频运行时影响最大。

　　3.2 准方波方式下脉动转距的产生

　　分别设ψ1、ψ2为定子磁链及转子磁链的空间矢量，在稳态准方波(QSW)运行方式时(桥中晶闸管用1800电角脉冲触发)ψ1在输出周期内沿着正六边形的周边运动。ψ2沿着与六边形同心的圆周运动，在准方波运行方式下ψ1和ψ2运动是连续的，但它们且有重大的区别，当矢量ψ2以恒定定子电压角速度W1旋转时，矢量ψ1以恒定的线速度沿正六边形周边运行，矢量ψ1线速度恒定导致其角速度的变化，进而引起ψ1和ψ2的夹角δ变化，除此，当ψ1沿着六角形轨迹移动时其幅值在一定程度上也有变化。当电动机空载时，由于处于稳态ψ1与ψ2的夹角与转距T在W1t=0、π/6、π/3时为零，而当W1T≠0、π/6、π/3时，δ不为零，它与上面提到的ψ1幅值变化一起引起低频转距脉动，其频率为定子电压基波的6倍，当电动机带负载时对应于一个恒定的δ均值，低频转距脉动将叠加于恒定转距均值之上。

4 系统低频特性改善措施

　　4.1 启动转距的提升
　　由于系统在低频时R1上的压降影响,使系统的启动转距随W1下降而减小,为此太原非晶合金变压器设有转距提升功能,该功能可以调整低频区域电动机的力矩,使之与负荷配合,增大启动转距。可选择自动转距提升和手动转距提升模式，其原理是提升定子电压也就相应提高了启动转距，但提升电压设置过高，将导致电流过大引起电动机饱和、过热或过电流跳闸。如1336PLUS系列太原非晶合金变压器的转距提升功能，可自动调整提升电压，以产生所需的电压，可根据预定转距所需的电流来选择提升电压，转距提升在控制电流的同时使电动机处于******运行状态，在选择手动转距提升时，要结合实际情况来设定转距提升值。

　　4.2 改善低频转距脉动
　　太原非晶合金变压器构成的交流调速系统的低频转距脉动直接影响系统动态特性,不论是太原非晶合金变压器的生产厂和系统集成的工程技术人员,都在尽力于改善低频区脉动这一技术问题.如采用磁通控制方式、正弦波PWM控制方式，它不是按照调制正弦波和载波的交点来控制GTR的导通和关断，而是始终使异步电动机的磁通接近正弦波，旋转磁场的轨迹是圆形来决定GTR的导通规律。在很低的频率下，保证异步电动机在低速时旋转均匀，从而扩大了变频调速范围，抑制异步电动机的振动和噪声。其圆形旋转磁场的实现，是通过检测磁通使控制环节随时判断实际磁通超过误差范围与否，来改变GTR的工作模式，从而保证旋转磁场的轨迹呈圆形，以减少转距脉动。

　　4.3 圆周PWM方法降低转距脉动
　　“圆周”的含义是指定子磁链ψ1空间矢量在高斯平面中沿着一个非常接近于圆周的多边形，其以降低电动机脉动转距为目的来确定电压脉冲的宽度和位置。三相逆变器为全波桥式结构，如其运行在这样一种方式下，当交流输出端(a、b、c)之一在任何时候接通直流母线(应同时接到另一个直流母线上),这一原理从图1(a)中可以明显表示清楚。显然交流输出端接到直流母线方式有六种，这就导致定子电压U1的空间矢量有六个位置，这六个位置如图1(b)所示，图1(b)中六种开/关状态对应着U1的六种位置，图中粗线位置表示开关1、3、6处于开的位置，投影所产生的瞬时相电压如下：
Va=Vb=1/3Vdc Vc=-2/3Vdc
　　其余类推，符号Va、Vb、Vc代表三相输出电压的瞬时相电压值，假如Ia+Ib+Ic=0由空间矢量在A、B、C轴上的垂直投影就可得到Va、Vb、Vc，除以上六种开/关状态外，还有使开关1、3、5或2、4、6同时关断两种状态，在这种情况下，交流输出端a、b、c接到同一电位上，U1及Ua、Ub、Uc顺次变为零，将这种运行方式应用到一个三电平PWM逆变器上可获得与两电平PWM相比而言较低的谐波成分。

　　PWM形式是一种斩波准方波调制，负载上的相电压由矩形段和零电压段(U1=0时)组成，在每个电压脉冲时刻，矢量ψ1以恒定线速度移动，而在零电压段保持静止，然而由于矢量ψ2以恒定角速度W1转动，ψ1和ψ2间的夹角δ就出现了，因此电压斩波是引起高频转距脉动的主要原因，频率与输出电压矩脉冲频率相同。这是由于PWM自身固有的，实际上高频转矩脉动是很难消除的，并叠加于低频转矩脉动之上。为消除系统的低频转矩脉动可从以下两种方式开展工作。

　　(1) 在电压脉冲中间点的时刻,矢量ψ1、ψ2间的夹角δ在稳态运行时对于所有脉冲应保持恒定，消除由δ变化而产生的对低频转矩(频率为6F1)的影响，在空载情况下δ=0尽管ψ1的幅值变化，低频转矩脉动仍然将被完全消除。

　　(2) 在恒定的负载时(δ-cost≠0)仅仅ψ1幅值的变化引起低频转矩脉动,而负载引起ψ2幅值的变化可以忽略,因此必须获得一个比较接近于圆周的ψ1矢量轨迹。

　　圆周PWM是利用空载矢量ψ1的空间位置来确定电压脉冲的中间点,即晶闸管导通段及零电压段的合理组合,可以产生幅值变化可以忽略不计的ψ1,此原理如图1所示,ψ1停止时刻(即零电压段)用圆点标出,确定电压脉冲位置使它们对称,如图中各横坐标的中间点,脉冲宽度(即持续时间)与横坐标长度相对应,所要求的输出电压来确定.自然电压波形周期由ψ1矢量沿多边形转一周所需的时间确定。采用此方法在保持输出电压由零到最大值可变的同时，可有效的消除低频转矩脉动。