第5章 集成系统特性分析

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1、第５章　集成系统特性分析5.1　电机与负载集成5.1.1　典型负载及其数学描述5.1.2　电机与负载参数的匹配5.2　电机与变频电源集成5.2.1　变频调速下的电机效率5.2.2　变频电源参数及其开关损耗5.2.3　集成系统的热分析5.2.4　集成系统的过载保护5.3　高频模型及其分析5.3.1　高频模型的基本原理5.3.2　高频等效电路5.4　集成系统的故障容错第５章　集成系统特性分析5.4.1　容错策略的基本原理5.4.2　故障容错的应用5.5　集成系统分析的特点5.1　电机与负载集成在电力电子与电机

2、集成系统中，有几种典型的负载，可以通过负载的机械特性，即负载转矩与转速的关系进行描述。为了准确、定量描述负载特性，本节给出典型的和通用的负载转矩-转速特性数学描述，定义TL为负载转矩，n为负载转速。5.1.1　典型负载及其数学描述(1)恒转矩负载　即在一定的速度范围内，负载转矩保持为恒定值，不随着转速的变化而变化，如电梯和电动汽车等。(2)风机、泵类负载　风机、泵类负载在电力传动系统中应用广泛，这类负载的一个显著特点是：在一定的速度范围内，负载转矩随着转速的增加而明显增加。(3)恒功率负载　即在一定的速度

3、范围内，负载转矩与转速的倒数成正比，即负载功率为恒定值，如一些车床驱动等。(4)其他负载图5-1　四种负载的转矩-转速曲线5.1.2　电机与负载参数的匹配1.机械运动方程参数2.等效电路参数1.机械运动方程参数图5-3　位置的时间函数1.机械运动方程参数图5-3　位置的时间函数1.机械运动方程参数图5-4　负载转矩的时间函数1.机械运动方程参数图5-5　典型耦合齿轮传动系统1.机械运动方程参数图5-6　异步电机的简化等效电路2.等效电路参数1)电机轻载运行时，应适当减小气隙场强，以维持电机内部铁耗与铜耗基

4、本相等，保证电机在较高的效率和功率因数下运行。2)电机不能长时间过载运行，否则将导致效率下降，引起电机过热，电机损坏。(1)以负载参数和特性为基础，选择与负载相匹配的电机功率、负载特性、转矩特性、温升及其限值、起动电流及振动和噪声。(2)根据负载运行特性，确定电机变速范围。2.等效电路参数图5-7　效率和功率因数随负载的变化关系5.2　电机与变频电源集成在变频调速的情况下，电机的可变损耗和不变损耗的构成发生了变化，如在变频的条件下，铁耗随着频率而变化为可变损耗，最大效率运行的条件也不一定是不变损耗等于可变

5、损耗。因为电机的铁耗等效电阻的大小在变频调速的情况下不是恒定不变的，而是随着端电压的幅值和频率的大小变化而变化。因此在变频调速的情况下，研究电机的效率优化问题不能忽略铁耗等效电阻或者仅仅把它当成常量来处理5.2.1　变频调速下的电机效率图5-8　考虑铁耗变化的异步电机矢量控制等效电路5.2.1　变频调速下的电机效率图5-9　同一开关频率下各效率与转矩及频率的关系5.2.1　变频调速下的电机效率图5-10　电机额定转速时各效率随负载及开关频率的变化关系5.2.2　变频电源参数及其开关损耗1.变频电源电流电压

6、额定值2.电机的电感与变频电源的开关频率3.变频电源开关的损耗4.开关器件的功率损耗模型5.开关器件功率损耗的仿真估测1.变频电源电流电压额定值图5-11　集成系统简化电路图2.电机的电感与变频电源的开关频率电机的电感值与变频电源的开关频率总是一种矛盾的选择。一方面，需要大的电感来减少电流波动，另一方面，又需要小的电感来加快系统动态响应和减小损耗。在开关频率选择上，也是一方面需要高的开关频率来减小输出谐波，另一方面又需要小的开关频率来减小开关损耗。因此，在选择电机的电感值与变频电源的开关频率方面总有一个折

7、中的选择。3.变频电源开关的损耗功率器件的开关频率受开关损耗制约。另一方面，开关器件的功率损耗是变频电源主电路中的一个主要发热来源，过多的开关器件损耗会导致器件温度的升高、系统性能下降甚至变频电源故障。所以开关器件损耗的估算十分重要，同时，它与变频电源的开关器件特性、电路拓扑、PWM方式、吸收电路和电路杂散电感都有一定的关系。4.开关器件的功率损耗模型(1)开关器件的通态(2)开关器件的阻态　当开关器件处于阻断状态时，只有很小的漏电流，这其中包括了开关器件的正向漏电流和反并联二极管的反向漏电流。(3)开关

8、器件的开通　在开关器件开通过程中，其端电压逐渐下降到接近零的状态，流经电流上升。(4)开关器件的关断(5)开关器件反并联二极管　如果开关器件集成了反并联二极管。5.开关器件功率损耗的仿真估测图5-12　不同状态、不同开关功率的损耗比例图5.开关器件功率损耗的仿真估测图5-13　不同开关频率下单个开关器件的损耗仿真结果5.开关器件功率损耗的仿真估测图5-14　不同开关频率下的逆变电路的输出电压电流波形仿真结果5.2.3　集成系统