變頻器供電載波引起的非晶電機諧波損耗的實驗研究

朱龍飛，梁富強，韓雪巖

(沈陽工業(yè)大學(xué) 國家稀土永磁電機工程技術(shù)研究中心，沈陽 110870)

0 引 言

相比于傳統(tǒng)硅鋼片材料，非晶合金材料的帶材厚度更薄、電阻率更高，這使得該材料具有優(yōu)越的低損耗特性，為此非晶合金材料在變壓器行業(yè)已經(jīng)成功得到了應(yīng)用。有資料顯示，利用非晶合金材料替代硅鋼片材料制造變壓器鐵心，變壓器的空載損耗可降低近70%[1]。但是，由于電機鐵心制造工藝復(fù)雜程度高于變壓器，且非晶合金材料同時具有帶材薄、硬度高、退火加工后脆性大等缺點，傳統(tǒng)用以制造硅鋼片鐵心的沖壓工藝難以直接應(yīng)用于制造非晶合金電機鐵心，這也給最初非晶合金材料在電機行業(yè)的推廣與應(yīng)用帶來了麻煩。

隨著材料工藝和鐵心加工工藝的發(fā)展，非晶合金鐵心加工問題逐步得到解決[2-3]，非晶合金材料在電機行業(yè)的應(yīng)用也逐漸成為研究熱點[4-16]，特別是在高頻、高速電機領(lǐng)域，非晶合金電機的研究取得了一定進展。文獻(xiàn)[4]以一臺20 kW、2500 r/min的電動汽車用永磁電機為例，利用非晶合金材料替代硅鋼片材料制造電機定子鐵心，優(yōu)化后的非晶合金電機功率密度相比于硅鋼片原型樣機提高了45%。文獻(xiàn)[5]以一臺3000 r/min的永磁電機為例，分析了采用非晶合金替代硅鋼片制造電機鐵心后電機損耗的變化規(guī)律，結(jié)果顯示替代后的非晶合金電機鐵心損耗降低了50%。文獻(xiàn)[6]制造了一臺60000 r/min的高速無槽非晶合金永磁電機，分析結(jié)果顯示采用非晶合金材料后在電機大范圍轉(zhuǎn)矩運行區(qū)間內(nèi)，非晶合金電機的效率均高于90%。文獻(xiàn)[14]研究了一臺7000 r/min的錐形軸向磁通非晶合金永磁電機，結(jié)果顯示利用非晶合金材料后，該電機的效率從90%提升至93.5%。文獻(xiàn)[15]研究了一臺最高轉(zhuǎn)速為120000 r/min的超高速非晶合金永磁電機，研究結(jié)果顯示，相比于硅鋼片材料，利用非晶合金材料制造電機轉(zhuǎn)子可使該電機的轉(zhuǎn)子鐵心損耗降低82%。從現(xiàn)有文獻(xiàn)可以看出，非晶合金材料在電機領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)開展了一部分研究，但是目前文獻(xiàn)中大多關(guān)注的是利用非晶合金替代硅鋼片制造鐵心后電機鐵耗的變化規(guī)律，而對于同樣占總損耗較大比重的由變頻器供電載波引起的非晶合金電機諧波損耗的變化規(guī)律缺乏深入研究。

基于上述研究現(xiàn)狀，本文利用實驗方法分離出兩臺具有相同結(jié)構(gòu)參數(shù)的非晶合金永磁電機和硅鋼片永磁電機在變頻器供電情況下由載波引起的諧波損耗，并將實驗結(jié)果進行對比，得出利用非晶合金鐵心替代硅鋼片鐵心后，電機諧波損耗的變化規(guī)律。利用有限元軟件對兩臺電機的諧波損耗進行細(xì)化分析，并結(jié)合非晶合金鐵心磁特性測試結(jié)果分析得出利用非晶合金鐵心替代硅鋼片鐵心后，諧波損耗變化的原因以及抑制方法。

1 非晶電機實驗測試

圖1為非晶合金永磁電機和裝有35 W270硅鋼片定子鐵心的硅鋼片永磁電機。兩臺電機的各部分結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)均相同，如表1所示，唯一的差別在于兩臺電機分別采用了不同材料的定子鐵心。

根據(jù)國際電工委員會(IEC)發(fā)布的《IEC 60034-2-3: Specific Test Method for Determining Losses and Efficiency of Converter-fed AC Motors》標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容，將變頻器供電的交流電機損耗分類為基波損耗和諧波損耗，其中基波損耗指的是常規(guī)正弦波供電情況下電機的鐵耗、銅耗、風(fēng)摩耗和雜散損耗；諧波損耗指的是變頻器供電情況下由非正弦電壓和電流波形中諧波成分引起的除基波損耗以外的損耗增量:

圖1 非晶合金永磁電機和硅鋼片永磁電機

表1 非晶合金永磁電機和硅鋼片永磁電機參數(shù)

PT=Pbh+Pb

(1)

Pb=PCu+PFe+Pfw+Ps

(2)

式中，PT為變頻器供電情況下電機總損耗，Pbh為諧波損耗，Pb為基波損耗，PCu、PFe、Pfw和Ps分別為正弦波供電情況下電機的銅耗、鐵耗、風(fēng)摩耗和雜散損耗。

為了利用實驗方法測試分離出兩臺電機的諧波損耗，本文分別搭建了正弦波供電和變頻器供電情況下兩臺電機的損耗測試平臺，如圖2、圖3所示。正弦波供電實驗時，為了得到可調(diào)頻率的正弦電壓源，搭建了正弦波供電機組，其工作原理是利用直流電機易于平滑調(diào)速的特性，將一臺直流電機作為原動機驅(qū)動一臺永磁發(fā)電機。通過調(diào)整直流電機的轉(zhuǎn)速可實現(xiàn)對永磁發(fā)電機輸出正弦電壓頻率的調(diào)整，如式(3)所示。變頻器供電實驗時，選用的變頻器為與被測電機相匹配的代號為GSK3000的矢量控制變頻器，變頻器的載波頻率為8 kHz。

(3)

式中，fs為正弦機組提供的正弦電壓頻率，pg為永磁發(fā)電機的極對數(shù)，nd為直流驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速。

圖2 諧波損耗測試原理圖

圖3 永磁電機測試平臺

利用上述實驗平臺分別測試了兩臺電機在正弦波機組和變頻器供電情況下的損耗，之后根據(jù)式(1)和式(2)分離出兩臺電機的諧波損耗和鐵耗，在計算鐵耗時，采用假轉(zhuǎn)子方法對機械耗進行了剝離。圖4為兩臺電機的諧波損耗和鐵耗，由對比結(jié)果可以看出，由于非晶合金鐵心損耗密度遠(yuǎn)低于硅鋼片材料，非晶合金電機的鐵耗低于硅鋼片電機，額定轉(zhuǎn)速下非晶合金電機的鐵耗僅為硅鋼片電機的52.5%，非晶合金電機的鐵耗優(yōu)勢十分明顯。但是，另一方面非晶合金電機的諧波損耗卻高于硅鋼片電機，額定轉(zhuǎn)速下其數(shù)值約為硅鋼片電機的1.3倍，這對于非晶合金電機損耗的降低與效率的提升是十分不利的。為此，本文將進一步研究產(chǎn)生該實驗現(xiàn)象的原因。

圖4 永磁電機諧波損耗和鐵耗實驗測試值

2 實驗結(jié)果分析

由于諧波損耗是由變頻器供電時非正弦電壓或電流波形引起的，本文利用示波器記錄了兩臺電機在變頻器供電情況下的輸入電流波形，如圖5所示。由對比電流波形可以看出，非晶合金電機電流波形的變化率要高于硅鋼片電機。圖6對上述兩個電流波形進行了傅里葉分析，由分析結(jié)果可以看出，兩臺電機的電流波形中的諧波主要集中在30、60和90次諧波附近，說明兩臺電機電流波形中的主要諧波是由變頻器供電載波引起的(本文實驗中變頻器的載波比為30)，且非晶合金電機電流波形中的諧波更高。

以圖5實測的非晶合金電機和硅鋼片電機的輸入電流波形作為激勵源，利用有限元分析了兩臺電機在變頻器供電情況下的鐵心損耗和永磁體渦流損耗。同時，用以對比分析，兩臺電機在正弦波供電情況下的鐵心損耗和永磁體渦流損耗也利用有限元方法進行了分析，對比結(jié)果如圖7～圖11所示。

圖5 實驗實測輸入電流波形

圖6 電流諧波分析

圖7 非晶合金電機鐵心損耗

圖8 硅鋼片電機鐵心損耗

圖9 非晶合金電機永磁體渦流損耗

圖10 硅鋼片電機永磁體渦流損耗

圖11 諧波損耗計算值與實驗值

由對比結(jié)果可以看出，歸功于非晶合金材料優(yōu)越的低損耗密度特性，非晶合金電機定子鐵心中由變頻器供電載波諧波引起的損耗仍低于硅鋼片電機，其數(shù)值約為硅鋼片電機的36.5%。但是，非晶合金電機中由變頻器載波諧波引起的永磁體渦流損耗遠(yuǎn)高于硅鋼片電機，其數(shù)值約為硅鋼片電機的2倍。這是由于兩臺電機均采用表貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，永磁體直接暴露于氣隙中，由變頻器供電載波諧波電流引起的氣隙中高頻磁動勢諧波成分在永磁體表面和內(nèi)部產(chǎn)生大量的渦流損耗。而且受非晶合金鐵心磁導(dǎo)率低的影響，非晶合金電機電感參數(shù)也小于硅鋼片電機[7]，繞組電感對高次載波諧波電流的抑制作用弱于硅鋼片電機，致使變頻器供電情況下非晶合金電機定子繞組電流的變化率高于硅鋼片電機(如圖5所示)，定子繞組中由變頻器供電載波引起的諧波電流含量高于硅鋼片電機(如圖6所示)，相應(yīng)的由載波諧波電流引起的諧波損耗也高于硅鋼片電機，且主要諧波損耗分量為永磁體渦流損耗。

為了抑制永磁體內(nèi)的諧波損耗，本文利用3D有限元分析了永磁體軸向分段對非晶合金電機永磁體中的諧波損耗的抑制效果，如圖12所示。由分析結(jié)果可以看出，永磁體軸向分段可有效抑制變頻器供電載波諧波電流引起的永磁體諧波損耗，且隨著分段數(shù)的增加，對永磁體內(nèi)諧波損耗的抑制作用越明顯。當(dāng)永磁體軸向分段數(shù)為3時，非晶合金電機永磁體中的諧波損耗相對于未分段時降低了22.1%，非晶合金電機總諧波損耗降低了19.2%，此時非晶合金電機的諧波損耗數(shù)值可達(dá)到與硅鋼片電機同等水平，如圖13所示。

圖12 非晶合金電機永磁體諧波損耗

圖13 永磁體分3段后的非晶合金電機諧波損耗與硅鋼片電機諧波損耗對比

3 結(jié) 語

本文利用實驗方法測試了變頻器供電情況下非晶合金電機和同結(jié)構(gòu)參數(shù)的硅鋼片電機的諧波損耗，利用有限元對非晶合金電機的諧波損耗進行了分析，得出以下結(jié)論：非晶合金電機的鐵耗低于硅鋼片電機，額定轉(zhuǎn)速下其數(shù)值約為硅鋼片電機的52.5%；變頻器供電情況下非晶合金電機定子繞組中由載波引起的諧波電流含量高于硅鋼片電機，由載波引起的諧波損耗高于硅鋼片電機，額定轉(zhuǎn)速下其數(shù)值約為硅鋼片電機的1.3倍。經(jīng)有限元分析，非晶合金電機中主要諧波損耗分量為永磁體渦流損耗，利用永磁體軸向分段措施可有效抑制由變頻器供電高次載波諧波電流在永磁體內(nèi)引起的諧波損耗。