异步电机在变频器谐波作用下的附加损耗分析

胡承辉，彭大华，张　宙

(1. 上海交通大学； 2. 上海电气集团上海电机厂有限公司，上海　200240)

异步电机在变频器谐波作用下的附加损耗分析

胡承辉1，2，彭大华2，张宙2

(1. 上海交通大学； 2. 上海电气集团上海电机厂有限公司，上海200240)

摘要：介绍了异步电机在使用含谐波的变频器供电时，所产生的附加损耗类型。通过有限元仿真分析，得出在谐波作用下该类电机的附加损耗大体数值，为正确认识谐波附加损耗，合理确定电机效率值提供理论基础。

关键词：变频器；谐波；有限元；附加损耗

0引言

变频调速具有调速范围广，性能好等优点，因此在工业各领域的交流传动控制中都有广泛的应用，而且将在今后的工业发展中发挥越来越重要的作用。然而，变频器的输出电压和电流并不是完美的正弦波，其中含有大量的谐波。因此，当变频器给异步电机供电进行交流调速时，电机在其谐波的作用下，会产生附加的损耗和额外的发热[1]。因此，分析在谐波作用下异步电机附加损耗的类型以及附加损耗所占的比例，具有一定的现实指导意义。

1谐波产生的附加损耗类型

1.1谐波电流产生的附加铜耗[2]

根据三相异步电机T形等效电路，可以得出k次谐波电压和电流下，三相异步电动机的稳态等效电路如图1所示。(不考虑铁心饱和等非线性因素)

图1　稳态等效电路

由于k次谐波产生的旋转磁场转速是基波的k倍，所以高次谐波相对于转子的转差率Sk近似为1。一般励磁电抗Xm比定、转子漏抗要大得多，所以简化稳态等效电路如图2所示。

图2　简化稳态等效电路

可以计算谐波电流流过电机定、转子绕组时产生的附加铜耗为：

ΣPcuk≈ΣI2sk(Rs+Rr′)

(定子绕组Y接，k≥5)

(1)

由简化的等效电路可以看出，当谐波幅值相同时，谐波的次数越高，kXsδ和kXrδ′的值越大，谐波电流的有效值变小，附加铜耗越小。

1.2谐波电流产生的附加铁耗

(2)

谐波电流产生的附加铁耗为

(3)

由此可以看出，当谐波幅值相同时，谐波的次数越高，附加铁耗越小。

1.3谐波电流产生的附加杂散耗

谐波电流产生的磁场还会产生附加的杂散耗，比如定、转子的端部谐波漏磁场也会在铁心中产生铁耗。由于附加杂散耗的计算较为复杂，而且相对损耗的数值较小，此处不再叙述。

2谐波附加损耗的有限元仿真计算

下面以我公司已生产过的1台船用变频三相异步电机为例，来分析谐波附加损耗的大概数值。

2.1电机规格

电机型号：YBPKS800-8功率：5 500 kW

额定电压：3 300 V额定频率：50 Hz

相数：3

2.2仿真

该电机的电磁场分析求解模型如图3所示，对求解模型进行必要的设置后剖分，进而将模型离散成为有限个单元，剖分后的模型如图4所示。

图3　电磁场分析求解模型

图4　有限元剖分模型

使电机在额定转速n=745 r/min下运行，加载正弦波电压激励进行瞬态电磁场的求解计算。计算得到电机稳定运行后电流随时间变化的曲线如图5所示。

图5　正弦波电压下稳态电流-时间曲线图

电机稳定运行后的定子铁心损耗密度分布云图如图6所示，可以计算得出定子铁心损耗约为41.77 kW。

图6　稳态定子铁耗密度分布图

电机稳定运行后的定子铜耗密度分布云图如图7所示，可以计算得出定子铜耗约为43.59 kW。电机稳定运行后的转子铜耗密度分布如图8所示，可以计算得出转子铜耗约为34.95 kW。

图7　稳态定子铜耗密度分布图

图8　稳态转子铜耗密度分布图

对电机按变频器厂商提供的电压频谱(如表1所示)，加载谐波电压激励进行瞬态电磁场的求解计算(定子绕组Y接已消除3的倍数次谐波的影响，故3的倍数次谐波未列出)。

定子电压随时间变化的曲线如图9所示，定子电流随时间变化的曲线如图10所示。

图9　含谐波的电压-时间曲线图

图10　含谐波的电流-时间曲线图

计算得到电机稳定运行后定子铜耗随时间变化的曲线如图11所示，可以得出定子铜耗平均值约为44.62 kW。

表1　变频器电压谐波分量

图11　谐波电压下的稳态定子铜耗-时间曲线图

同时得到电机稳定运行后转子铜耗随时间变化的曲线如图12所示，可以得出转子铜耗平均值约为47.81 kW。得到电机稳定运行后铁心总损耗随时间变化的曲线如图13所示，可以得出铁心损耗平均值约为135.36 kW。

图12　谐波电压下的稳态转子铜耗-时间曲线图

图13　谐波电压下的稳态总铁耗-时间曲线图

2.3结论

变频电源激励下与常规正弦波电源激励下的电机损耗计算值对比如表2所示：

表2　变频电压与常规电压下的损耗对比　kW

由表2可以得出，在上述变频器电压激励下，谐波的附加损耗为：

ΔP≈(44.62+47.81+135.36-43.59-34.95-41.77)kW=107.48 kW

占额定输出的比例：ΔP/Pn=1.95%

3结语

从文中可以看出，在变频器谐波作用下，电机会产生附加损耗，导致电机效率的下降以及额外的发热。所以在实际的电机设计中，需要考虑采取一定的措施，比如采用短距绕组等方式，将谐波的影响降到最小。

参考文献

[1]翁双安.非正弦供电下电动机的运行试验研究[J].电工技术，1996(3)：8-10.

[2]王凤翔.交流电机的非正弦供电[M].北京：机械工业出版社，1997.

[3]阎治安.电机学[M].西安：西安交通大学出版社，2006.