变频调速感应电机损耗分析

中车永济电机有限公司 赵春祥 黄 娜 杜光辉 宋佩利

变频调速感应电机损耗分析

中车永济电机有限公司 赵春祥 黄 娜 杜光辉 宋佩利

感应电机转子有铜条，导条电导率较高，谐波在转子导体中易产生大量的涡流损耗，给感应电机损耗的准确计算带来了很大的困难，针对以上问题，本文基于一台400kW变频调速感应电机，采用有限元法对空载和负载下的电机损耗进行了计算，并进行了实验验证，结果表明：本文所采用的计算方法可以准确的考虑谐波在转子产生的涡流损耗，为感应电机损耗分析和设计提供了参考。

感应电机；转子损耗；有限元法；涡流损耗

1 引言

随着变频技术的飞速发展, 交流调速系统得到越来越广泛的应用。交流调速感应电机相比于永磁电机，转子上无永磁，可以承受较高的温度，且在高速弱磁区，永磁电机存在空载反电势高的问题，因此感应电机具有更高的可靠性，在各种工业、军工等调速领域都占有绝对的位置[1-2]。随着技术的发展，对变频调速电机性能、体积等要求越来越高，传统的损耗计算和分析方法已不能满足设计的要求[3]。由于感应电机转子上有导体，导体具有高的电导率，时间和空间谐波会在转子导体上产生大量的涡流损耗，而传统的计算方法无法计算谐波对损耗的影响，对电机的精细化设计带来了困难[4]。

针对以上问题，本文基于一台400kW感应电动机，采用了有限元法对不同工况下的损耗进行了分析，该计算方法可以考虑谐波对各部分损耗的影响，并进行了试验验证。

2 感应电机损耗分析

本文所采用的变频调速感应电机额定功率为400kW，额定电压为2400V，电机定子槽数为36槽，转子槽数为44槽，定子为矩形槽，转子导体为铜条。

2.1 空载损耗分析

本文建立了有限元模型，如图1所示，对50Hz空载状况进行了有限元分析，分析结果如图2所示。50Hz空载运行时，定子空载电流为60A，定子铁耗为1460W，谐波造成的转子导体涡流损耗为1560W，此部分损耗只是涡流在转子导体所产生的损耗，不包括端环部分，由于涡流主要集中在导体中，而同时空载时转子中的电流几乎为0，因此转子端环部分的损耗可以忽略。

图1 有限元计算模型

图2 50Hz空载仿真结果

2.2 负载损耗分析

利用有限元法对50Hz负载状况进行了分析，分析结果如图3所示。50Hz负载运行时，定子空载电流为130A，对于感应电机，空载和负载时定转子铁耗基本不变，因此主要分析负载时的转子铜耗，负载时转子导体的损耗为4950W，此部分损耗也不包括端环部分的损耗，根据端环的电阻和电流，端环部分的损耗为1350W，因此转子铜耗为6300W。

图3 50Hz负载仿真结果

3 试验分析

对50Hz空载和负载下的变频感应电机的总损耗进行了实验测试，利用本文有限元法的计算结果与实验结果进行了对比分析，如表1所示。表1中定子铜耗是根据Pcu=3*I2*R计算得出，风摩耗是根据电机空载试验分离得出，其他损耗为有限元计算得出。从表1可以看出，本文所采用的有限元法与实验结果非常接近，可以充分考虑谐波对转子损耗的影响。

表1 50Hz时损耗计算值与实验值对比

4 结论

本文基于一台400kW变频调速感应电机，利用有限元法对不同运行工况下的定转子损耗进行了仿真分析，并与实验结果进行了对比分析，结果显示，利用本文所采用的有限元法，可以充分考虑谐波对定转子损耗的影响，尤其是转子导体损耗，计算结果更加接近真实值，为变频调速感应电机的设计与分析提供了参考。

[1]段敏,徐长明,刘江天,等．三相鼠笼感应电机损耗分析[J]．辽宁工业大学学报(自然科学版),2012,32(5):317-320．

[2]李娟．高效感应电机的仿真研究[D]．杭州:浙江大学,2015．

[3]王晓迪,谢卫,沈业成,等．基于Ansoft的大功率感应电动机的设计与分析[J]．上海大中型电机,2016 (4): 12-15．

[4] 孔晓光．高速永磁电机定子损耗和温升研究[D]．沈阳：沈阳工业大学，2011．

赵春祥（1982—），男，辽宁鞍山人，硕士，工程师，研究方向：特种电机设计与分析。

黄娜（1987—），女，陕西西安人，硕士，工程师，研究方向：特种电机设计与分析。

杜光辉（1987—），男，河南驻马店人，博士，研究方向：特种电机设计与分析。

宋佩利（1983—），女，内蒙古商都人，大学本科，工程师，研究方向：电机控制。