计及饱和时异步电机定子绕组环流特性及其对能效判定的影响

季澜涛, 杜中兰, 赵海森, 李佳宣, 李鹏宇, 陈 庚

[1.新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)，北京 102206;2.国网宣城供电公司，安徽 宣城 242099]

计及饱和时异步电机定子绕组环流特性及其对能效判定的影响

季澜涛1, 杜中兰2, 赵海森1, 李佳宣1, 李鹏宇1, 陈 庚1

[1.新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)，北京 102206;2.国网宣城供电公司，安徽 宣城 242099]

为了研究角接绕组环流特性及其对电机能效判定的影响，结合理论分析与时步有限元法，对由于磁路饱和引起的3次谐波磁密以及由此产生的角接绕组环流特性进行了分析。通过针对不同容量多台中小型电机环流的试验研究，获得了环流对电机能效判定的影响规律，由此提出用于避免环流影响的能效判定改进措施。研究成果为高效电机设计和电机能效精密测试提供重要技术支持。

异步电机； 饱和； 角接环流； 能效

0 引 言

我国功率等级大于3 kW的中小型电机定子绕组通常采用角形接线方式[1]。在设计时为了提高铁磁材料利用率，中小型异步电机工作点通常处于饱和状态，但磁路饱和会导致电机内部产生3次谐波磁场，进一步在定子绕组中感生相应电势及谐波环流。根据国家标准中方法对电机能效进行测试时，所测得定子电流均为线电流，并不包含环流，使得分离电机各项损耗时会产生一定偏差，影响能效判定准确性。因此，研究定子绕组环流特性及其对能效判定影响是有必要的。

针对电机能效测试相关内容，已有大量学者对此展开了研究工作。例如文献[2]对三相异步电机效率测定方法进行了对比研究，设计并实现了一个效率测试系统满足不同测定方法和型式试验的要求。文献[3]针对GB/T1032 B法中电动机内部各项损耗测试不确定度影响因素进行分析，并计算了效率扩展不确定度。文献[4]通过对IEEE 112B法的计算方法以及不确定度原理的分析，设计出符合高效电机效率能效测试的系统。文献[5]介绍了变频电机能效试验流程，从热试验、负载试验、空载试验所得到的数据中分析各项损耗。文献[6]详细阐述了空载特性和负载特性试验的试验目的、试验方法和数据处理过程。文献[7]介绍了高效电机检测技术的发展及高效电机测试中的关键技术，着重介绍了基于静止变频电源的电机效率测试系统。文献[8]对IEEE 112-B,IEC 34-2,JEC 3这三种主要国际测试标准进行对比，分析了杂散损耗判定方法对电机能效测试的影响。文献[9]将电机附加损耗分为基波损耗与谐波损耗，并采用谐波注入法实现了对电机附加损耗的测试。文献[10]分别采用IEEE标准与IEC标准对电机进行多组能效试验，通过对试验结果差异的分析，为实际测试提供一定参考。以上文献在电机能效测试方面取得了丰富的成果，但均侧重于对现有标准的能效测试方法对比及测试系统设计方面，对于计及饱和时异步电机定子绕组环流特性及其对能效判定的影响尚未涉及。

针对这一问题，本文通过理论研究和时步有限元法从电机磁场角度说明角接环流的产生原因，分析了环流对异步电机能效判定的影响，通过对容量为4～55 kW的不同功率等级角接异步电机进行实测分析，获得了环流对电机能效判定的影响规律，提出了用于避免环流影响的能效测试改进措施。本文研究成果为高效电机设计和电机能效精密测试提供了重要技术支持。

1 定子绕组环流产生的原因及磁场特性分析

1.1 磁路饱和导致定子绕组环流

异步电机定转子铁心由硅钢片叠压而成，磁场通过定转子铁心构成回路。为了提高铁磁材料利用率，通常在设计异步电机时其铁心磁路处于一定饱和状态。当定子绕组中通入正弦电流，若磁化特性是线性变化的，根据Ф=F/Rm，其产生的正弦磁动势会在磁路中产生正弦的磁通，但由于实际磁路的饱和特性，正弦磁动势会产生平顶波磁通，进而产生主要谐波为3次谐波的磁通分量，如图1所示。这种情况下，磁路中磁通密度波形可表示为

(1)

式中：B1，B3——基波和三次谐波磁通密度幅值。

图1 磁通密度波形及基波和三次谐波

根据感应电动势与磁通密度关系：

e=blv=B1lvsin(ωt+α)+

(2)

可知基波磁通密度产生基波感应电动势，3次谐波磁通密度产生3次谐波感应电动势，向量图如图2所示。对于3次谐波来说，可表示为

(3)

图2 定子三相绕组感应电动势向量图

三相绕组中的3次谐波电动势大小相等、相位相同，就会在角形接线异步电机定子绕组的三角形回路中产生3次谐波环形电流。

1.2 基于时步有限元的磁路饱和特性分析

对一台5.5 kW电机空载运行时的定子磁场进行时步有限元仿真，得到了定子各部位磁密随时间变化的波形。以其中3个典型位置为例，如图3所示。磁密波形及其经傅里叶分解后所得的各次谐波幅值如图4所示。通过分析图中曲线可得如下结论:虽然定子空载运行时不同位置磁密各不相同，饱和程度也各不相同，但都不同程度地存在饱和现象，磁密中存在明显的3次谐波。

图3 电机定子典型磁密位置分布

图4 定子典型位置磁密波形及各次谐波幅值

2 环流对损耗影响及其测试方法

2.1 环流对损耗判定的影响

异步电机损耗包括定子铜耗、转子铜耗、铁耗、风摩耗和杂散损耗，其中铁耗和风摩耗通过空载试验获得，对于定子绕组角接异步电机，在根据GB/T 1032中B法[11]进行损耗判定时，存在以下问题：

(1) 国标方法没有考虑电机在额定电压下磁路饱和现象，无法计及定子角接绕组中环流对损耗分离的影响；

(2) 国标中测试的电流均为线电流，计算损耗时环流产生的损耗归为铁耗，导致最终铁耗值偏大。

综上，如果环流产生的铜耗被忽略，会导致空载铜耗PCu1小于实际空载铜耗，恒定损耗PCON大于实际恒定损耗。

(4)

(5)

式中：P0——空载输入功率；

I0——空载定子绕组线电流；

R0——三相电阻平均值。

将空载试验数据中50%额定电压至最低电压范围内的各电压点的PCON值与其对应的(U0/UN)2值进行曲线拟合，并延长至零电压点，纵轴上的截距即为风摩耗Pfw，铁耗PFe=PCON-Pfw。

计算风摩耗时所用数据点电压较低，基本不存在饱和现象，所以环流对风摩耗的判定无影响。综上所述，定子绕组角接环流主要影响电机铁耗判定。

2.2 定子绕组环流测试方法

为得到准确的铁耗值，必须要测得包含环流在内的各相定子绕组电流，将3个电流表分别接入三角形绕组内部，测得三相绕组的相电流，即可达到以上要求。如图5所示，电流表A1、A2、A3的读数即为各相电流值。

图5 异步电机测试接线原理图

3 环流对电机能效判定影响的试验研究

3.1 试验方案

为了研究3次谐波环流对异步电机能效判定的影响，对容量范围为4～55 kW的多台异步电机进行空载试验，采用高精度功率分析仪采集电机功率、电压、电流、波形等数据，同时测量三相线电流和相电流，并在断电且电机停转时立即测量定子三相绕组的电阻值，接线原理图如图5所示。在计算定子绕组空载铜耗PCu1时分两种方法。

(1) 以线电流计算(所测电流不含3次谐波环流)：

(7)

(2) 以相电流计算(所测电流含3次谐波环流)：

(8)

比较两种方法下损耗分离所得结果的差异并分析其与3次谐波环流之间的关系。

3.2 试验结果及分析

首先以YB2-132M2-6，5.5 kW异步电机为例，空载额定电压运行时三相线电流与相电流波形如图6所示。

图6 空载试验额定电压下线、相电流波形

通过对相电流进行傅里叶分解，得到其基波和3次谐波幅值，如图7所示，三相空载电流基波幅值平均值为5.27 A，3次谐波幅值平均值为1.45 A。

图7 三相相电流基波与3次谐波幅值

分别用线电流与相电流计算空载铜耗，求得铁耗分离结果如表1所示。

表1 两种方法下的损耗分离结果对比 W

从表1可以看出，不同方法得到的铁耗存在明显差异，以线电流计算空载铜耗时所得铁耗要大于以相电流计算空载铜耗分离出的铁耗，其差值为8.07 W。再利用相电流3次谐波分量计算出环流引起的空载铜耗，得到其结果为7.5 W。

结合以上数据及分析可以得出，当异步电机定子绕组采用角形接线时，按照标准测试方法得到的铁耗要比电机实际铁耗多，多的这部分铁耗基本等于3次谐波环流产生的空载铜耗。角接异步电机由于环流影响而产生的铁耗偏差占实际总铁耗的5.61%，占电机额定功率的0.146 7%。

为了验证此结论的可靠性与普遍性，并从中得到能为异步电机能效判定及设计提供参考的理论依据。除了以上这台异步电机外，又对多台异步电机进行了同样的空载试验，其中一部分试验数据如表2所示。

表2 环流对铁耗分离结果的影响

从表2可以看出，以上现象在角形接线异步电机中是普遍存在的，但其影响程度随电机功率等级、极数、铁磁材料特性和制造工艺的不同而变化，总结其变化规律如下：

(1) 功率等级越小，影响越明显。虽然功率等级小的异步电机空载电流小，但其定子绕组电阻却相对较大，加之其额定功率及各项损耗均相对较小，也使得这种现象更加明显。

(2) 极数越多，影响越明显。这是因为随着异步电机极数的增加，定子轭部相对变小，增加了磁化材料的饱和程度，从而使感应出的3次谐波电流及其空载铜耗增多，导致影响更明显。

(3) 在同样极数和功率等级条件下，电机磁化材料的饱和特性、制造工艺、测试的不确定性等因素也会对结果产生一定影响。例如数据中的两台型号同为YX3E112-4的4 kW异步电机，其测试结果也存在一定差异。

3.3 避免环流对能效判定影响的措施

由前文分析可知，环流对小容量电机能效判定具有较大影响，由其引起能效判定偏差接近0.2%，而小容量电机在降耗方面本身难度较大，避免由于测试方法引起的能效判定误差是十分必要的，综合理论分析及大量试验结果，提出相应改进措施如下：

(1) 在对定子绕组角形接线异步电机进行能效测试时，为了准确分离铁耗，空载试验应测三相相电流，用以计算定子空载铜耗。

(2) 有些角形接线异步电机出厂后，由于封装原因，无法测得其相电流，那么在进行铁耗分离时应该考虑到3次谐波环流的影响，根据电机的各项参数来设置修正系数。

(3) 对于容量较小的电机，例如文中4 kW、5.5 kW、7.5 kW电机，为了减小角接环流带来的能效判定误差，可将定子绕组设计为星接。

4 结 语

本文通过理论研究和电机磁场的时步有限元仿真，阐述了异步电机磁路的饱和现象及角接环流的产生原因，进而对环流在异步电机能效判定中所产生的影响加以详细分析，并通过试验验证，得出以下结论：

(1) 定子绕组角接的异步电机由于磁路饱和而产生3次谐波环流，由于环流的影响，基于标准测试方法所得铁耗要高于实际铁耗值，高出部分与环流产生的空载铜耗值相等，从而影响最终能效判定结果，使测试效率值偏低。

(2) 环流对能效判定的影响程度随着异步电机的极数、功率等级、磁化材料的磁化特性以及制造工艺等因素的变化而变化，极数越大，功率等级越小，影响越明显、环流引起的铁耗偏差最高可以达到实际铁耗的6%，对异步电机效率的判定最高可以提高0.2%，但对于11 kW以上的异步电机影响很小，可以忽略不计。

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Characteristics of Circulating Current in Stator Windings of Asynchronous Motor with Saturation Considered and its Impact on Efficiency Determination

JILantao1,DUZhonglan2,ZHAOHaisen1,LIJiaxuan1,LIPengyu1,CHENGeng1

(1.State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System With Renewable Energy Sources,North China Electric Power University, Beijing 102206, China; 2.State Grid Xuancheng Power Supply Company, Xuancheng 242099, China)

In order to study the circulation current characteristics and its impact on motor efficiency determine, based on theoretical analysis and time step finite element method (FEM), the 3rd harmonic flux density caused by saturation and the characteristics of the circulation current in stator windings was analyzed, meanwhile, measured the circulation currents of small and medium motor for different capacity.Then obtained the influence law of circulation current on motor efficiency determination and proposed the improvement measures to avoid the influence of circulation current for efficiency determination.The achievement provided important technical support for premium-efficiency motor design and precision testing of energy efficiency.

asynchronous motor; saturation effect; circulation current; energy efficiency

季澜涛(1990—)，男，硕士研究生，研究方向为电机能效测试。 李佳宣(1993—)，女，硕士研究生，研究方向为变频电机节能。

TM 301.2

A

1673-6540(2017)03- 0085- 05

2016 -09 -19