諧波注入多相感應電機分析

陳震林 潘躍林 呂敬高

（1.湘潭電機股份有限公司，湘潭411101；2.海軍駐湖南地區軍事代表室,湘潭411101）

1 引言

隨著電機功率的需求的不斷增大，對于要求變頻調速的電機應用場合來說，三相電機通過低壓大電流或高壓低電流來實現，但是無論是低壓還是高壓，都存在控制系統選型的困難。于是，人們把研究目光轉向多相電機，多相電機和三相電機相比具有以下優點：（1）多相電動機可以通過增加電機相數，實現低壓大容量，避免功率器件的串并聯；（2）電機相數的增多，使得影響較大的空間諧波次數增大，且幅值下降，轉矩脈動下降，脈動頻率增加；（3）由于相數增加，使系統的可靠性提高，多相電機在定子缺相時可降額繼續運行而不必停車。由于上述優點，多相感應電機傳動系統在電廠輔機等可靠性要求高的場合，如核電主泵電機、船舶推進等有廣闊的應用前景。

2 多相電機磁勢分析

磁勢分析是進行多相電機研究重要手段。根據交流電機繞組理論，m相對稱繞組，各相繞組由μ次時間諧波電流產生的ν空間諧波磁勢的合成磁勢可表示為：

其中：μ—時間諧波電流的次數；

ν—空間諧波磁勢的次數；p—電機的極對數；

N—每相繞組串聯匝數；Imμ—相電流基波幅值；

Kwv—ν次空間諧波的繞組系數；

合成磁勢包含兩個分量，一個為順轉磁勢分量，一個為逆轉磁勢分量。

其中：

表1為三相電機磁勢分布圖，由表1可知：(a).主對角線上的各磁場旋轉速度都相等，為基波同步速，但當v=μ且都為3的倍數時，該磁場為一駐波；(b).同一列中兩磁場作用產生脈動轉矩，脈動轉矩主要源于5次諧波電流與1次電流產生的1次磁場間的相互作用。

表2為5相電機的磁場分布情況，可見(a)隨著相數的增大，磁勢諧波次數增大、幅值減小，同時轉矩脈動的頻率增大、幅值減小；(b)從表 2我們看到，若電機繞組采用方波繞組（整距集中繞組），3次諧波電流產生的磁場切割繞組會感應出3次反電勢，對于相同的3次諧波電壓，多相方波繞組電機中的3次電流要小得多，而且3次諧波電流也會產生正的穩定的轉矩。

表1 三相電機磁勢分布圖

表2 五相電機磁勢分布圖

表3 十五相電機磁勢分布圖

同理，表3為15相電機的磁場分布情況，可見15相方波繞組電機可利用1、3、5、7、9、11、13次電流諧波來產生有用的轉矩，依次類推。多相方波繞組電機可利用諧波電流改善氣隙磁密波形，提高鐵心利用率，并產生有用的轉矩。

由此可見在集中整距繞組函數中，三次諧波含量比其他諧波含量要高得多，故可利用三次諧波電流產生有效轉矩。

3 考慮諧波注入電機磁勢分析

一般來說，氣隙磁密是正弦分布的，設氣隙磁密波形為：

式中Bkm為各次氣隙諧波磁密的幅值。考慮三次諧波正弦分布的磁密如下：

將上式化為標么值為：

其中，b=Bg/B1；a=B3/B1。可求得當a=1/6時，b有最大值b=0.866，即bmax=0.866= Bg/B1。

可以看出：注入三次諧波分量時B3，保證氣隙磁密最大值不變，可以提高 B1到：1/0.866=1.1547（未考慮非線性問題）。因此，

圖1 氣隙磁密加入三次諧波前后對比圖

4 仿真計算與試驗分析

為了驗證分析的正確性和可行性，我們對一臺45 kW十五相感應電機進行仿真計算。該電機基本參數為：相電壓為140 V，頻率為24 Hz，額定轉速為700 rpm，定子繞組采用1×15相連接，在滿載情況下對其進行分析。

圖2 電機仿真模型圖

圖3 電機模型剖分圖

未注入三次諧波時，采用電壓源對電機定子繞組供電，基波電壓為注入三次諧波時，取三次諧波電壓幅值為基波電壓幅值的1/5，相位差為0°，以保證基波與三次諧波磁密波形是峰谷疊加，且三次諧波氣隙磁密為基波的1/6。

圖4 氣隙磁密圖（Br1=0.7029 T）

圖4和圖5為未注入諧波電壓的計算結果，圖6和圖7為注入諧波電壓的計算結果。其中圖6中，Br1=0.70443 T，Br3=0.11877 T，基波與三次諧波磁密的合成波幅值為0.6116 T，Br3/ Br1≈1/6。

從圖4與圖6對比可以明顯看出，當注入三次諧波時，諧波磁密波形具備平頂波特征（最大值下降約13%），可提高鐵心的利用率。

圖5 氣隙磁密傅里葉分解圖

圖6 氣隙磁密圖

圖7 氣隙磁密傅里葉分解圖

圖8 試驗電流波形圖

圖9 仿真電流波形圖

圖8和圖9分別為穩態時試驗電流波形和仿真電流波形，表明仿真和試驗具有很好的一致性。

5 結束語

通過對多相電機的磁勢分析和諧波注入的磁勢分析，得到了一些可供設計參考的結論：

1) 在多相感應電機中注入三次諧波對提高電機出力有一定的作用，由于諧波磁場的加入會減小氣隙磁密的幅值，使其呈現平頂波形，提高了鐵心的利用率。

2) 理論分析表明，三次諧波氣隙磁密為基波磁密的1/6，可最大程度的提高鐵心的利用率。

3) 雖然諧波注入可提高鐵心的利用率，但是注入諧波會帶來振動噪聲的增加，需進行深入研究。

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