典型非线性负载特性分析

１ 电 动 机 类 负 载
目前 ，国 内外 学 者 在有 关 文 Baidu Nhomakorabea 中提 出 了许 多很
有 见地 的见 解来 处 理 电动机 模 型的 非线性 。有 的模
型假设 饱 和现 象仅 在 主磁 路 中存 在 ，并 提 出 了忽 略
漏 磁路 饱 和 的 兀型 模 型 ，有些 模 型将 气 隙 电感 与 铁
典 型 非线 性 负载 特性 分析
孔 鹏 ，赵 锦 成 ，邢 娅 浪
（军 械 工 程 学 院 电 气 工 程 系 ，河 北 石 家 庄 ０５０００３）
摘 要 ：针 对非 线性 负载对 逆 变器产 生 的谐 波 问题 ，以异 步 电动机 和 整 流 类 负载 为代 表 ，系统 地分 析 了它们 的特 性 ，并 建立相 应模 型 ，为非 线性 负载 下逆 变器 的设 计 与 优 化提 供 理 论 指 导 。本 文对 异 步 电动 机 ，采 用一 种基 于静 止 直 角坐标 系的 简单 、实 用 的非 线性 感应 电动 机 模 型 ；对 于 单 向 不控 整 流 电路 ，采 用 频 域分 析手 段 与开 关 函数相 结合 进行 分析 ，得 出其直 流侧 与 交流侧 变量 的频域 表 达式 。
随着 科学 技 术 的 飞 速 发 展 ，电力 系 统 中的非 线 性 负 载越 来越 多 ，这 些 非 线 性 负 载 产 生 的 谐 波 对 电 力 系 统 的影 响越 来越 严重 。电力 系统 中 的谐波 将 引 起 供 电设 备超 负 荷 、保 护 装置 失灵 、计 算机 数据 丢失 以及 其他 的问题 。对 于 某 些 负 荷 ，其 产 生 的谐 波很 小 ，引起 的谐 波 失真 在规 定 的范 围 内 ；而有 些 负荷 产 生 的谐波 失 真却 超过 了规定 的值 。为 了克 服 这些 负 荷 产 生 的谐 波对 系 统 的影 响 ，需 要 研 究 非 线 性 负 载 的特 性 。非 线性 负 载 主 要 由 ２大 类 构成 ，一 类 是 瞬 时 突变 的负 载 ，主要 包括 电动机 的启 动 电流 ，变压 器 激磁 电流 和 放 电管 等 会 瞬 间 产 生 大 电 流 的负 载 场 合 ；另一 类是 周 期性 的非 线 性负 载 ，如采 用 电感镇 流 器 的 日光灯 等 产生 周期 性非 正 弦波 电流 的负 载 。瞬 时 突变 负 载与 系统 的动 态 特 性 有 关 ，瞬 时大 电流 等 效 于减 小 了系 统 的开 环 增 益 ，系统 控 制 环 的带 宽 往 往无 法 满 足这 类 负载 对 动 态 响应 要 求 ，它 所 造 成 的 最 常见 的现象 就 是输 出 电压 瞬 时跌 落 ，或 者是 触 发 电流保 护装 置 误 动作 。周 期性 的非 线性 负 载则 会在 线路 中产 生 固定 的低 次 谐 波 电流 分 量 ，大 量 的低 次 谐 波 电 流 流 过 电 源 内 阻 抗 和 线 路 阻 抗 ，会 造 成 电 网 电压 波形 的 畸变 ，严 重 时会 影 响 到 电 网上 其他 设 备 的正 常工作 。下 面以异 步 电动 机和 单 向不控 整 流 电 路 为代 表进 行 分析 。
芯 电感 分别 考 虑 。但这 些模 型往 往 过于 复杂 或参 数
难 以获取 ，有 的模 型 需 要 知道 电动 机 的详 细 设 计 信
息 ，甚 至需 要用 有 限元 来分 析 ，有 的文献 则根 本 没有
提及 其模 型参 数 的获 取 。还有 些模 型未 计入 铁 芯损
耗 以致 不 能准 确计 算输 出功率 和 电动机 效率 。
关 键词 ：非线性 负载 ；异步 电动 机 ；整流 电路 中 图 分 类 号 ：ＴＭ １３ 文 献 标 志 码 ：Ａ
Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ Ｔｙｐｉｃａｌ Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ Ｌｏａｄｓ Ｋ０ＮＧ Ｐｅｎｇ，ＺＨ Ａ０ Ｊｉｎｅｈｅｎｇ，ＸＩＮＧ Ｙａｌａｎｇ
（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｏｒｄｎａｎｃｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ ０５０００３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔ ｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ａ ｓｙｓｔｅｍ ａｔｉｃ ａｎａｌｙｔｉｃａｌ ｍ ｅｔｈｏｄｓ ｔｏ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｌｏａｄｓ，ｆｏｃｕｓｉｎｇ ｏｎ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｍ ｏｔｏｒ ａｎｄ ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ ｌｏａｄ ｆｏｒ ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｖｅ ｔｏ ｒｅｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ａｌｗ ａｙｓ ｆａｃｅｓ ｔｈｅ ｈａｒｍ ｏｎｉｃ ｐｒｏｂｌｅｍ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｌｏａｄｓ ａｎｄ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ｔｈｅ ａｎａｌｙｔｉｃａｌ ｉｎｓｉｇｈｔ ｎｅｅｄｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｏｐｔｉｍ ｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｔｈａｔ ｐｒｏｖｉｄｅ ｐｏｗ ｅｒ ｔｈｅｍ ． Ａ ｎｅｗ ｓｉｍ ｐｌｉｆｉｅｄ ａｎｄ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｍ ｏｄｅｌ ｏｆ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｍ ａｃｈｉｎｅ ｉｎ ｓｔａｔｉｏｎａｒｙ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｒａｍ ｅ ｗ ａｓ ｐｒｅｓｅｎ— ｔｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎ． Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｏｍ ａｉｎ ｌｉｎｅａｒｉｔｙ ａｎｄ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｆｕｎｃｔｉｏｎ，ｔｈｅ ＤＣ ａｎｄ ＡＣ ｓｉｄｅ ｖｏｌｔａｇｅ ａｎｄ ｃｕｒｒｅｎｔ ｏｆ ｕｎｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｓｉｎｇ１ｅ— ｐｈａｓｅ ｒｅｃｔｉｆｉｅｒｓ ｗｅｒｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ． Ｋ ｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｎ ｏｎｌｉｎｅａｒ ｌｏａｄｓ， Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｍ ｏｔｏｒ，Ｒ ｅｃｔｉｆｉｅｒ