利用PSpice之單相感應電動機動態模擬與分析.doc

調速驅動感應電動機對於市電污染程度分析
中州學報第二十八期
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調速驅動感應電動機對於市電污染程度分析

陳世寬1翁梓翔2呂俊鋒3吳堅本4鄭志研5

1.3.4中州技術學院電機工程系
2.5中州技術學院工程技術研究所

摘要
由於電力半導體技術改進，使得非線性負載的使用大幅成長，其所衍生的電源品質問題也日漸嚴重，本研究主要分析調速驅動器應用於三相感應電動機時，其所造成的電流諧波。利用Matlab/Simulink建立感應電動機動態數學模型，並使用SimPowerSystems(SPS)模塊以電路方式建構完整調速驅動模型，藉由二者來進行模擬，證明其模擬的可行性。

關鍵字：非線性負載、調速驅動器、電流諧波
一、緒論
三相感應電動機結構簡單、維護容易，並且運轉特性穩定可滿足許多機械傳動要求，是工業一大主要動力來源，但其調速性能差，在要求平滑調速及轉速範圍寬廣的場合，過去往往受直流電動機所取代，近年來隨電力電子元件技術發展後，三相感應電動機經由改變頻率的調速方式[1]，在感應電動機已是相當常見的驅動控制，且調速特性亦能與直流電機相媲美，然而一般感應電動機並不適合如此的操作方式，其主要原因是由於，感應電動機的製造與設計過程上，在各等級的馬力輸出、轉矩及效率...等要求中，於符合標準規範內，製作上為降低成本，感應電動機均設計在接近鐵心飽和點，這樣的設計致使在同樣的電壓下，頻率降低時鐵心容易飽和，在鐵心的磁通與頻率成反比的關係下，磁化電流、鐵心損失及漏磁損失增加，造成感應電動機溫升且使用壽命縮短；此外，在頻率轉換過程中也造成了諧波問題；頻率造成電機特性的影響，可利用數學式推論得知，然而改變頻率式調速器照成的電流諧波，則需經由整體的模擬分析，才能將電路間複雜關係顯現，藉以瞭解電流諧波特性。
諧波是電力品質中所探討的重要一環，根據美國電子與電機工程師學會(TheInstituteofElectricalandElectronicsEngineers,IEEE)的配電系統電壓品質工作小組(WorkingGrouponDistributionVoltageQuality)」及「加拿大電機學會(CanadianElectricalAssociation,CEA)」，以不同觀點分別定義為“電力系統擾動的相對缺失程度(Therelativeabsenceofpowerdisturbance)”及“某一電力條件情況下，電器設備性能的滿意程度(Thesatisfactoryperformanceofelectricalequipmentinagivenelectricalenvironment)”，前者是以電力公司為立場，所定義之電力品質可以簡述為電力系統對污染源(用戶)之接受度，後者以用戶為立場，定義電力品質為用戶對電力公司供電品質之滿意度；整體而言電市所受污染(pollution)而呈現非正弦的電壓或電流，表示其中含有諧波成份(Harmonics)，依階次來界定可將諧波分為直流、間級諧波…等類型，而干擾主要來源是由於電力系統元件的非線性特性(如變壓器鐵心飽、可飽和電抗…等)，及產生諧波的電氣設備例如功率電子式變流設備、交流控制器、電弧爐、螢光燈…等汲取非正弦波的電力系統負載，諧波干擾可以頻譜來表示，亦可使用“總諧波失真(TotalHarmonicDistortion,THD)”以單一值來表示。
諧波電壓與電流的產生已受工程人員長久受關切，並且被證實會造成電器設備溫升，降低電器使用壽命，本研究主要探討諧波問題，尤其著重在電流諧波方面，研究結果有利於評估電流的失真程度，以做為改善電力品質的參考與依據；在諧波分析中，一項相當重要的工作為建立諧波源的架構模型，以期正確預測產生的特性諧波，電流諧波多由非線性負載產生，本文中的電力電子式調速器為AC/DC/AC轉換系統，即是眾多非線性負載中，相當典型的應用，也是電力工業中相當廣泛的諧波源。

二、相關理論及模擬應用
1.調速驅動器架構

圖1AC/DC/AC轉換結構

可調速驅動器的轉換系統，由圖1可瞭解到主要由三個部份組成：交流至直流換流器(AC/DCconverter)、直流連結(DClink)、直流至交流變流器(DC/ACinverter)。換流器將60Hz之交流電壓轉換為直流電壓，由於換流過程中電力元件的切換，此換流器將注入電流諧波至電力系統中，在轉換過程中直流連結部份會產生漣波電流諧波，此漣波電流也會滲入電力系統中。而變流器是用來將直流電壓轉換為可變頻率的交流電壓給負載，此變流器將會在直流連結電流注入電力系統中時加入額外的漣波，特別是由交流至直流轉換器及直流至交流變流器交互作用所產生的非整數諧波。在本研究架構中將採用正弦波寛調變理論，將輸出至感應電機的