变频器驱动下的异步电机设计与分析

陈华

摘要：牵引用异步感应电机的逆变电源对电磁性能和热性能都有重要影響。此外，异步感应电机与轨道交通车辆牵引传动相比，有不同的设计策略常用的标准机器。一般来说，这些机器的设计要求高的电磁和热应力。因此，在初始设计时必须考虑逆变器引起的附加损耗。在热工设计中，需要预先计算各工况点的附加损耗。额外的损失取决于机器的特性以及逆变器的工作模式。直流链电压和开关频率对附加损耗有较大影响。本文提出了建模和预计算的一个重要观点，并与不同已建机械的详细测量结果进行了比较。此外，额外损耗的预计算使得确定一个优化的开关模式，以最小化系统的逆变器和感应电机的损耗。

关键词：变频器;开关模式;异步电机

1 变频器驱动下的异步电机设计概述

由于异步电动机具有广泛的应用前景，因此有许多控制异步电动机的方法。电力异步电动机的主要控制方法有： 脉宽调制（PWM）、特定次数谐波的消除、正弦脉宽调制（SPWM）和空间矢量脉宽调制（SVPWM）。在基于脉冲宽度调制的控制方法的优点中，人们可以记住： 易于实现，对系统线性没有影响，并且与控制器兼容。尽管有这些优点，人们可以注意到，通过文献分析，到目前为止，有许多努力发展新的战略，以改善控制电子功率转换器用于异步电动机控制。由于这个原因，这个领域的研究还远远没有完成。与异步电动机控制相关的电压型逆变器的一个重要问题是与电力电子装置中的开关损耗有关，而开关损耗决定了电气能量转换效率的减少。

逆变器供电感应电机附加损耗的评估是多年来的一个重要课题，但是损耗的研究主要集中在常用的标准电机上。与工业用电机相比，牵引传动用感应电机的设计和制造周期大都有很大的不同。因此，准确建模和预估逆变器造成的额外损耗是非常重要的任务，特别是在初步设计和投标阶段。在这些设计阶段，许多细节都机器和变频器，特别是操作和开关策略没有具体说明。因此，非常详细的分析方法，如多域耦合有限元分析是不可取的。相比之下，为了满足要求，将使用分析计算。本文的计算基于高次谐波的机械模型，并对牵引变流器进行了仿真。利用感应电机的等效电路对逆变器施加的端电压的每个高次谐波分量计算电流消耗的高次谐波分量。随后，铁和功率损耗的评估依赖于运行条件，特别是考虑到各种开关策略的逆变器。根据现有设备的详细测量数据，提出了一种适用于新设备初步设计的快速可靠的附加损耗计算方法。

2 变频器驱动下的异步电机设计方案及理论分析

2.1 等效电路分析

施加在电机上的电压和因此消耗的电流总是非正弦的，主要的基波分量是 u 1，i 1和各种高次谐波分量。伊克河。在同步脉冲图案的情况下，谐波序由 k = 1 + 6g，g ∈ z 确定。相比之下，异步脉冲模式导致谐波序列：

不是整数，而是与开关频率 和基频  有关。基于电压和电流的傅里叶级数展开，每个谐波级数 k 的等效电路如图所示。通过基波滑移 计算得到高次谐波的滑移值 ：

在额定工况下，基波滑移 引起高次谐波  的滑移值。因此，高次谐波将产生额外的损耗，这些损耗近似独立于实际运行点。根据以下关于功耗和铁耗的建议，进一步计算了各等效电路的参数。

有关附加损耗的最重要组成部分是由于定子和转子绕组导体中较高的电流谐波引起的功率损耗。由于这些电流分量的频率较高，必须详细考虑电流位移效应。根据众所周知的表面深度：

根据圆周频率 ω 和电导率 γ的关系，定义了考虑导体绝缘的修正折减缝隙高 ξ 为：

其中  分别表示导体的高度以及导体的总宽度和槽的宽度。此外，复杂的参数 ζ 被定义为

集肤效应对沿定子和转子叠片堆长度方向的槽导体阻抗有显著影响。特别是对于定子，也必须考虑端部绕组区域内的电流位移。牵引传动的异步感应电机总是装有开口的定子槽，以便携带成型绕组线圈。此外，在大多数情况下，牵引传动的异步感应电动机都装有非偏置的半开槽，其中包含矩形或微梯形槽导体。因此，预先计算额外的损失必须牢记与工业使用的机器相比的一些基本差异。

对于定子槽的开启，通常，在上层和下层都有相等数目的矩形导体，这就导致开槽导体的数目为偶数。利用直流电阻 R0和直流电感 L0[5] ，给出了 n 个矩形槽导体的复阻抗：

分解成实部和虚部就产生了：

依赖于与端部绕组连接的槽导线的布置，电阻和电感的平均值被描述为：

其中，加权系数分别在每一层中引入无 n/2槽导体或带有 n/2槽导体的换位，为：

利用直流电阻 R0，给出了矩形槽导体的复阻抗：

其中  分别表示槽口的宽度以及导体的宽度和高度。对于高次谐波的附加损耗，端部绕组区域各种设计的影响可以忽略不计。额外损耗的另一个重要组成部分是由高次谐波引起的铁损耗，尤其是在定子和转子中，基本上，铁损耗可分为涡流损耗 Ped、磁滞损耗 Physt 和过剩损耗 Pexc 。这三种铁损耗密度中的每一种都有它自己对频率和磁通量的依赖性：

由于必须考虑较小滞环的出现，逆变器采用的脉冲形式对滞环损耗有影响[13]。此外，磁滞损耗还受到基波导致的饱和度的影响。基波的磁化电感可以根据整机在恒定磁场或弱磁区内各工作点的磁特性来计算。此外，由基波引起的饱和定义了一个代表高次谐波磁化电流的适当的差动励磁电感。铁损的实际值是从几何数据以及已知的材料相关系数已利用层压板得到的。根据定子齿和轭、转子齿和轭等四个主要铁区，从上述功率损耗密度和各区域的铁质量来估算这些区域的铁损总量。

2.2与实际测量值的比较

图1描绘了在恒定直流链电压下，典型牵引机的逆变器引起的附加损耗与开关频率的关系的测量数据。因此，图2和图3描述了在逆变器的不同开关频率下，逆变器在直流链路电压恒定值下引起的附加损耗的仿真数据。图2和图3的比较表明，尤其是转子的功率损耗受开关频率的影响很大。此外，随着开关频率的不同，机器内附加损耗的相对分布也发生了强烈的变化。

测量结果表明，逆变器的开关频率对高次谐波分量引起的附加损耗影响很大。另一方面，逆变器开关频率的增加会导致额外的损耗，从而导致逆变器的热设计问题。此外，由于这些损耗近似地取决于直流链路电压的二次方程，所以谐波分量直流链路电压强烈影响总额外损失。与高次谐波等效电路的计算结果进行了比较，两者吻合较好。正如预期的那样，由高次谐波引起的额外损耗中最主要的部分来自于转子内部的功率损耗。附加损耗的所有三个主要成分都随着基频的增加而增加，增加值大约等于恒定磁场区最高频率的一半。随着基频的增大，基频值逐渐减小到较小的值。最后，所有三部分在磁场弱化区域内近似为常数。弱磁区附加损耗的大小和特性主要受到逆变器脉冲波形的影响。

2.3系统设计与优化

因此，为了获得系统在损耗和效率方面的最优性能，电机和逆变器的优化都有重要的研究领域。除了优化损耗外，还应考虑脉冲模式的其他影响，例如介电应力和辐射噪声。为了减少逆变器的附加损耗，特别是逆变器的开关模式和直流环节电压应分别选择。图5描绘了逆变器在频率以下与开关频率的关系所引起的附加损耗6 kHz直流链路电压的不同值。一般来说，开关频率越高，由逆变器引起的总额外损耗越低。附加损耗在定子损耗和转子损耗中的分布以及在功率损耗和铁损耗中的分布取决于上面提到的开关模式。此外，额外的损耗取决于工作点，因此最佳切换模式取决于各自的工作点。

逆变器的损耗主要分为导通损耗和开关损耗，开关损耗主要受开关模式的影响。为了描述逆变器的损耗，开关模式主要是拥有属性开关频率。因此，将逆变器的开关损耗与机器的附加损耗进行比较，可以得到系统中损耗最小的开关频率。

3 小结

综上所述，针对供电电压源逆变器非正弦电压和电流引起的附加损耗，轨道交通车辆牵引传动用异步感应电机必须与标准感应电机区别对待。为此，本文还对逆变器引起的额外功率和铁损的建模和預计算进行了讨论，以便更准确地初步设计这类电机。仿真额外的损失所造成的逆变器，使一个详细的研究系统效率。因此，通过比较逆变器在恒定磁场区和弱磁区的不同开关模式，可以评估感应电机和逆变器系统的最小损耗。此外，还分析了恒定电场区域施加可变直流环节电压的后果。

参考文献：

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