變頻器驅(qū)動(dòng)下的異步電機(jī)設(shè)計(jì)與分析

陳華

摘要：牽引用異步感應(yīng)電機(jī)的逆變電源對電磁性能和熱性能都有重要影響。此外，異步感應(yīng)電機(jī)與軌道交通車輛牽引傳動(dòng)相比，有不同的設(shè)計(jì)策略常用的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器。一般來說，這些機(jī)器的設(shè)計(jì)要求高的電磁和熱應(yīng)力。因此，在初始設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮逆變器引起的附加損耗。在熱工設(shè)計(jì)中，需要預(yù)先計(jì)算各工況點(diǎn)的附加損耗。額外的損失取決于機(jī)器的特性以及逆變器的工作模式。直流鏈電壓和開關(guān)頻率對附加損耗有較大影響。本文提出了建模和預(yù)計(jì)算的一個(gè)重要觀點(diǎn)，并與不同已建機(jī)械的詳細(xì)測量結(jié)果進(jìn)行了比較。此外，額外損耗的預(yù)計(jì)算使得確定一個(gè)優(yōu)化的開關(guān)模式，以最小化系統(tǒng)的逆變器和感應(yīng)電機(jī)的損耗。

關(guān)鍵詞：變頻器;開關(guān)模式;異步電機(jī)

1 變頻器驅(qū)動(dòng)下的異步電機(jī)設(shè)計(jì)概述

由于異步電動(dòng)機(jī)具有廣泛的應(yīng)用前景，因此有許多控制異步電動(dòng)機(jī)的方法。電力異步電動(dòng)機(jī)的主要控制方法有： 脈寬調(diào)制（PWM）、特定次數(shù)諧波的消除、正弦脈寬調(diào)制（SPWM）和空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）。在基于脈沖寬度調(diào)制的控制方法的優(yōu)點(diǎn)中，人們可以記?。?易于實(shí)現(xiàn)，對系統(tǒng)線性沒有影響，并且與控制器兼容。盡管有這些優(yōu)點(diǎn)，人們可以注意到，通過文獻(xiàn)分析，到目前為止，有許多努力發(fā)展新的戰(zhàn)略，以改善控制電子功率轉(zhuǎn)換器用于異步電動(dòng)機(jī)控制。由于這個(gè)原因，這個(gè)領(lǐng)域的研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有完成。與異步電動(dòng)機(jī)控制相關(guān)的電壓型逆變器的一個(gè)重要問題是與電力電子裝置中的開關(guān)損耗有關(guān)，而開關(guān)損耗決定了電氣能量轉(zhuǎn)換效率的減少。

逆變器供電感應(yīng)電機(jī)附加損耗的評估是多年來的一個(gè)重要課題，但是損耗的研究主要集中在常用的標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)上。與工業(yè)用電機(jī)相比，牽引傳動(dòng)用感應(yīng)電機(jī)的設(shè)計(jì)和制造周期大都有很大的不同。因此，準(zhǔn)確建模和預(yù)估逆變器造成的額外損耗是非常重要的任務(wù)，特別是在初步設(shè)計(jì)和投標(biāo)階段。在這些設(shè)計(jì)階段，許多細(xì)節(jié)都機(jī)器和變頻器，特別是操作和開關(guān)策略沒有具體說明。因此，非常詳細(xì)的分析方法，如多域耦合有限元分析是不可取的。相比之下，為了滿足要求，將使用分析計(jì)算。本文的計(jì)算基于高次諧波的機(jī)械模型，并對牽引變流器進(jìn)行了仿真。利用感應(yīng)電機(jī)的等效電路對逆變器施加的端電壓的每個(gè)高次諧波分量計(jì)算電流消耗的高次諧波分量。隨后，鐵和功率損耗的評估依賴于運(yùn)行條件，特別是考慮到各種開關(guān)策略的逆變器。根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備的詳細(xì)測量數(shù)據(jù)，提出了一種適用于新設(shè)備初步設(shè)計(jì)的快速可靠的附加損耗計(jì)算方法。

2 變頻器驅(qū)動(dòng)下的異步電機(jī)設(shè)計(jì)方案及理論分析

2.1 等效電路分析

施加在電機(jī)上的電壓和因此消耗的電流總是非正弦的，主要的基波分量是 u 1，i 1和各種高次諧波分量。伊克河。在同步脈沖圖案的情況下，諧波序由 k = 1 + 6g，g ∈ z 確定。相比之下，異步脈沖模式導(dǎo)致諧波序列：

不是整數(shù)，而是與開關(guān)頻率 和基頻 ?有關(guān)?；陔妷汉碗娏鞯母道锶~級數(shù)展開，每個(gè)諧波級數(shù) k 的等效電路如圖所示。通過基波滑移 計(jì)算得到高次諧波的滑移值 ：

在額定工況下，基波滑移 引起高次諧波 ?的滑移值。因此，高次諧波將產(chǎn)生額外的損耗，這些損耗近似獨(dú)立于實(shí)際運(yùn)行點(diǎn)。根據(jù)以下關(guān)于功耗和鐵耗的建議，進(jìn)一步計(jì)算了各等效電路的參數(shù)。

有關(guān)附加損耗的最重要組成部分是由于定子和轉(zhuǎn)子繞組導(dǎo)體中較高的電流諧波引起的功率損耗。由于這些電流分量的頻率較高，必須詳細(xì)考慮電流位移效應(yīng)。根據(jù)眾所周知的表面深度：

根據(jù)圓周頻率 ω 和電導(dǎo)率 γ的關(guān)系，定義了考慮導(dǎo)體絕緣的修正折減縫隙高 ξ 為：

其中 ?分別表示導(dǎo)體的高度以及導(dǎo)體的總寬度和槽的寬度。此外，復(fù)雜的參數(shù) ζ 被定義為

集膚效應(yīng)對沿定子和轉(zhuǎn)子疊片堆長度方向的槽導(dǎo)體阻抗有顯著影響。特別是對于定子，也必須考慮端部繞組區(qū)域內(nèi)的電流位移。牽引傳動(dòng)的異步感應(yīng)電機(jī)總是裝有開口的定子槽，以便攜帶成型繞組線圈。此外，在大多數(shù)情況下，牽引傳動(dòng)的異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)都裝有非偏置的半開槽，其中包含矩形或微梯形槽導(dǎo)體。因此，預(yù)先計(jì)算額外的損失必須牢記與工業(yè)使用的機(jī)器相比的一些基本差異。

對于定子槽的開啟，通常，在上層和下層都有相等數(shù)目的矩形導(dǎo)體，這就導(dǎo)致開槽導(dǎo)體的數(shù)目為偶數(shù)。利用直流電阻 R0和直流電感 L0[5] ，給出了 n 個(gè)矩形槽導(dǎo)體的復(fù)阻抗：

分解成實(shí)部和虛部就產(chǎn)生了：

依賴于與端部繞組連接的槽導(dǎo)線的布置，電阻和電感的平均值被描述為：

其中，加權(quán)系數(shù)分別在每一層中引入無 n/2槽導(dǎo)體或帶有 n/2槽導(dǎo)體的換位，為：

利用直流電阻 R0，給出了矩形槽導(dǎo)體的復(fù)阻抗：

其中 ?分別表示槽口的寬度以及導(dǎo)體的寬度和高度。對于高次諧波的附加損耗，端部繞組區(qū)域各種設(shè)計(jì)的影響可以忽略不計(jì)。額外損耗的另一個(gè)重要組成部分是由高次諧波引起的鐵損耗，尤其是在定子和轉(zhuǎn)子中，基本上，鐵損耗可分為渦流損耗 Ped、磁滯損耗 Physt 和過剩損耗 Pexc 。這三種鐵損耗密度中的每一種都有它自己對頻率和磁通量的依賴性：

由于必須考慮較小滯環(huán)的出現(xiàn)，逆變器采用的脈沖形式對滯環(huán)損耗有影響[13]。此外，磁滯損耗還受到基波導(dǎo)致的飽和度的影響?；ǖ拇呕姼锌梢愿鶕?jù)整機(jī)在恒定磁場或弱磁區(qū)內(nèi)各工作點(diǎn)的磁特性來計(jì)算。此外，由基波引起的飽和定義了一個(gè)代表高次諧波磁化電流的適當(dāng)?shù)牟顒?dòng)勵(lì)磁電感。鐵損的實(shí)際值是從幾何數(shù)據(jù)以及已知的材料相關(guān)系數(shù)已利用層壓板得到的。根據(jù)定子齒和軛、轉(zhuǎn)子齒和軛等四個(gè)主要鐵區(qū)，從上述功率損耗密度和各區(qū)域的鐵質(zhì)量來估算這些區(qū)域的鐵損總量。

2.2與實(shí)際測量值的比較

圖1描繪了在恒定直流鏈電壓下，典型牽引機(jī)的逆變器引起的附加損耗與開關(guān)頻率的關(guān)系的測量數(shù)據(jù)。因此，圖2和圖3描述了在逆變器的不同開關(guān)頻率下，逆變器在直流鏈路電壓恒定值下引起的附加損耗的仿真數(shù)據(jù)。圖2和圖3的比較表明，尤其是轉(zhuǎn)子的功率損耗受開關(guān)頻率的影響很大。此外，隨著開關(guān)頻率的不同，機(jī)器內(nèi)附加損耗的相對分布也發(fā)生了強(qiáng)烈的變化。

測量結(jié)果表明，逆變器的開關(guān)頻率對高次諧波分量引起的附加損耗影響很大。另一方面，逆變器開關(guān)頻率的增加會(huì)導(dǎo)致額外的損耗，從而導(dǎo)致逆變器的熱設(shè)計(jì)問題。此外，由于這些損耗近似地取決于直流鏈路電壓的二次方程，所以諧波分量直流鏈路電壓強(qiáng)烈影響總額外損失。與高次諧波等效電路的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較，兩者吻合較好。正如預(yù)期的那樣，由高次諧波引起的額外損耗中最主要的部分來自于轉(zhuǎn)子內(nèi)部的功率損耗。附加損耗的所有三個(gè)主要成分都隨著基頻的增加而增加，增加值大約等于恒定磁場區(qū)最高頻率的一半。隨著基頻的增大，基頻值逐漸減小到較小的值。最后，所有三部分在磁場弱化區(qū)域內(nèi)近似為常數(shù)。弱磁區(qū)附加損耗的大小和特性主要受到逆變器脈沖波形的影響。

2.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

因此，為了獲得系統(tǒng)在損耗和效率方面的最優(yōu)性能，電機(jī)和逆變器的優(yōu)化都有重要的研究領(lǐng)域。除了優(yōu)化損耗外，還應(yīng)考慮脈沖模式的其他影響，例如介電應(yīng)力和輻射噪聲。為了減少逆變器的附加損耗，特別是逆變器的開關(guān)模式和直流環(huán)節(jié)電壓應(yīng)分別選擇。圖5描繪了逆變器在頻率以下與開關(guān)頻率的關(guān)系所引起的附加損耗6 kHz直流鏈路電壓的不同值。一般來說，開關(guān)頻率越高，由逆變器引起的總額外損耗越低。附加損耗在定子損耗和轉(zhuǎn)子損耗中的分布以及在功率損耗和鐵損耗中的分布取決于上面提到的開關(guān)模式。此外，額外的損耗取決于工作點(diǎn)，因此最佳切換模式取決于各自的工作點(diǎn)。

逆變器的損耗主要分為導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗，開關(guān)損耗主要受開關(guān)模式的影響。為了描述逆變器的損耗，開關(guān)模式主要是擁有屬性開關(guān)頻率。因此，將逆變器的開關(guān)損耗與機(jī)器的附加損耗進(jìn)行比較，可以得到系統(tǒng)中損耗最小的開關(guān)頻率。

3 小結(jié)

綜上所述，針對供電電壓源逆變器非正弦電壓和電流引起的附加損耗，軌道交通車輛牽引傳動(dòng)用異步感應(yīng)電機(jī)必須與標(biāo)準(zhǔn)感應(yīng)電機(jī)區(qū)別對待。為此，本文還對逆變器引起的額外功率和鐵損的建模和預(yù)計(jì)算進(jìn)行了討論，以便更準(zhǔn)確地初步設(shè)計(jì)這類電機(jī)。仿真額外的損失所造成的逆變器，使一個(gè)詳細(xì)的研究系統(tǒng)效率。因此，通過比較逆變器在恒定磁場區(qū)和弱磁區(qū)的不同開關(guān)模式，可以評估感應(yīng)電機(jī)和逆變器系統(tǒng)的最小損耗。此外，還分析了恒定電場區(qū)域施加可變直流環(huán)節(jié)電壓的后果。

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