計(jì)及飽和時(shí)異步電機(jī)定子繞組環(huán)流特性及其對(duì)能效判定的影響

季瀾濤, 杜中蘭, 趙海森, 李佳宣, 李鵬宇, 陳 庚

[1.新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué))，北京 102206;2.國(guó)網(wǎng)宣城供電公司，安徽 宣城 242099]

計(jì)及飽和時(shí)異步電機(jī)定子繞組環(huán)流特性及其對(duì)能效判定的影響

季瀾濤1, 杜中蘭2, 趙海森1, 李佳宣1, 李鵬宇1, 陳 庚1

[1.新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué))，北京 102206;2.國(guó)網(wǎng)宣城供電公司，安徽 宣城 242099]

為了研究角接繞組環(huán)流特性及其對(duì)電機(jī)能效判定的影響，結(jié)合理論分析與時(shí)步有限元法，對(duì)由于磁路飽和引起的3次諧波磁密以及由此產(chǎn)生的角接繞組環(huán)流特性進(jìn)行了分析。通過(guò)針對(duì)不同容量多臺(tái)中小型電機(jī)環(huán)流的試驗(yàn)研究，獲得了環(huán)流對(duì)電機(jī)能效判定的影響規(guī)律，由此提出用于避免環(huán)流影響的能效判定改進(jìn)措施。研究成果為高效電機(jī)設(shè)計(jì)和電機(jī)能效精密測(cè)試提供重要技術(shù)支持。

異步電機(jī)； 飽和； 角接環(huán)流； 能效

0 引 言

我國(guó)功率等級(jí)大于3 kW的中小型電機(jī)定子繞組通常采用角形接線方式[1]。在設(shè)計(jì)時(shí)為了提高鐵磁材料利用率，中小型異步電機(jī)工作點(diǎn)通常處于飽和狀態(tài)，但磁路飽和會(huì)導(dǎo)致電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生3次諧波磁場(chǎng)，進(jìn)一步在定子繞組中感生相應(yīng)電勢(shì)及諧波環(huán)流。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中方法對(duì)電機(jī)能效進(jìn)行測(cè)試時(shí)，所測(cè)得定子電流均為線電流，并不包含環(huán)流，使得分離電機(jī)各項(xiàng)損耗時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定偏差，影響能效判定準(zhǔn)確性。因此，研究定子繞組環(huán)流特性及其對(duì)能效判定影響是有必要的。

針對(duì)電機(jī)能效測(cè)試相關(guān)內(nèi)容，已有大量學(xué)者對(duì)此展開了研究工作。例如文獻(xiàn)[2]對(duì)三相異步電機(jī)效率測(cè)定方法進(jìn)行了對(duì)比研究，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)效率測(cè)試系統(tǒng)滿足不同測(cè)定方法和型式試驗(yàn)的要求。文獻(xiàn)[3]針對(duì)GB/T1032 B法中電動(dòng)機(jī)內(nèi)部各項(xiàng)損耗測(cè)試不確定度影響因素進(jìn)行分析，并計(jì)算了效率擴(kuò)展不確定度。文獻(xiàn)[4]通過(guò)對(duì)IEEE 112B法的計(jì)算方法以及不確定度原理的分析，設(shè)計(jì)出符合高效電機(jī)效率能效測(cè)試的系統(tǒng)。文獻(xiàn)[5]介紹了變頻電機(jī)能效試驗(yàn)流程，從熱試驗(yàn)、負(fù)載試驗(yàn)、空載試驗(yàn)所得到的數(shù)據(jù)中分析各項(xiàng)損耗。文獻(xiàn)[6]詳細(xì)闡述了空載特性和負(fù)載特性試驗(yàn)的試驗(yàn)?zāi)康摹⒃囼?yàn)方法和數(shù)據(jù)處理過(guò)程。文獻(xiàn)[7]介紹了高效電機(jī)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展及高效電機(jī)測(cè)試中的關(guān)鍵技術(shù)，著重介紹了基于靜止變頻電源的電機(jī)效率測(cè)試系統(tǒng)。文獻(xiàn)[8]對(duì)IEEE 112-B,IEC 34-2,JEC 3這三種主要國(guó)際測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，分析了雜散損耗判定方法對(duì)電機(jī)能效測(cè)試的影響。文獻(xiàn)[9]將電機(jī)附加損耗分為基波損耗與諧波損耗，并采用諧波注入法實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)附加損耗的測(cè)試。文獻(xiàn)[10]分別采用IEEE標(biāo)準(zhǔn)與IEC標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電機(jī)進(jìn)行多組能效試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果差異的分析，為實(shí)際測(cè)試提供一定參考。以上文獻(xiàn)在電機(jī)能效測(cè)試方面取得了豐富的成果，但均側(cè)重于對(duì)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的能效測(cè)試方法對(duì)比及測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，對(duì)于計(jì)及飽和時(shí)異步電機(jī)定子繞組環(huán)流特性及其對(duì)能效判定的影響尚未涉及。

針對(duì)這一問題，本文通過(guò)理論研究和時(shí)步有限元法從電機(jī)磁場(chǎng)角度說(shuō)明角接環(huán)流的產(chǎn)生原因，分析了環(huán)流對(duì)異步電機(jī)能效判定的影響，通過(guò)對(duì)容量為4～55 kW的不同功率等級(jí)角接異步電機(jī)進(jìn)行實(shí)測(cè)分析，獲得了環(huán)流對(duì)電機(jī)能效判定的影響規(guī)律，提出了用于避免環(huán)流影響的能效測(cè)試改進(jìn)措施。本文研究成果為高效電機(jī)設(shè)計(jì)和電機(jī)能效精密測(cè)試提供了重要技術(shù)支持。

1 定子繞組環(huán)流產(chǎn)生的原因及磁場(chǎng)特性分析

1.1 磁路飽和導(dǎo)致定子繞組環(huán)流

異步電機(jī)定轉(zhuǎn)子鐵心由硅鋼片疊壓而成，磁場(chǎng)通過(guò)定轉(zhuǎn)子鐵心構(gòu)成回路。為了提高鐵磁材料利用率，通常在設(shè)計(jì)異步電機(jī)時(shí)其鐵心磁路處于一定飽和狀態(tài)。當(dāng)定子繞組中通入正弦電流，若磁化特性是線性變化的，根據(jù)Ф=F/Rm，其產(chǎn)生的正弦磁動(dòng)勢(shì)會(huì)在磁路中產(chǎn)生正弦的磁通，但由于實(shí)際磁路的飽和特性，正弦磁動(dòng)勢(shì)會(huì)產(chǎn)生平頂波磁通，進(jìn)而產(chǎn)生主要諧波為3次諧波的磁通分量，如圖1所示。這種情況下，磁路中磁通密度波形可表示為

(1)

式中：B1，B3——基波和三次諧波磁通密度幅值。

圖1 磁通密度波形及基波和三次諧波

根據(jù)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與磁通密度關(guān)系：

e=blv=B1lvsin(ωt+α)+

(2)

可知基波磁通密度產(chǎn)生基波感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，3次諧波磁通密度產(chǎn)生3次諧波感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，向量圖如圖2所示。對(duì)于3次諧波來(lái)說(shuō)，可表示為

(3)

圖2 定子三相繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)向量圖

三相繞組中的3次諧波電動(dòng)勢(shì)大小相等、相位相同，就會(huì)在角形接線異步電機(jī)定子繞組的三角形回路中產(chǎn)生3次諧波環(huán)形電流。

1.2 基于時(shí)步有限元的磁路飽和特性分析

對(duì)一臺(tái)5.5 kW電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)的定子磁場(chǎng)進(jìn)行時(shí)步有限元仿真，得到了定子各部位磁密隨時(shí)間變化的波形。以其中3個(gè)典型位置為例，如圖3所示。磁密波形及其經(jīng)傅里葉分解后所得的各次諧波幅值如圖4所示。通過(guò)分析圖中曲線可得如下結(jié)論:雖然定子空載運(yùn)行時(shí)不同位置磁密各不相同，飽和程度也各不相同，但都不同程度地存在飽和現(xiàn)象，磁密中存在明顯的3次諧波。

圖3 電機(jī)定子典型磁密位置分布

圖4 定子典型位置磁密波形及各次諧波幅值

2 環(huán)流對(duì)損耗影響及其測(cè)試方法

2.1 環(huán)流對(duì)損耗判定的影響

異步電機(jī)損耗包括定子銅耗、轉(zhuǎn)子銅耗、鐵耗、風(fēng)摩耗和雜散損耗，其中鐵耗和風(fēng)摩耗通過(guò)空載試驗(yàn)獲得，對(duì)于定子繞組角接異步電機(jī)，在根據(jù)GB/T 1032中B法[11]進(jìn)行損耗判定時(shí)，存在以下問題：

(1) 國(guó)標(biāo)方法沒有考慮電機(jī)在額定電壓下磁路飽和現(xiàn)象，無(wú)法計(jì)及定子角接繞組中環(huán)流對(duì)損耗分離的影響；

(2) 國(guó)標(biāo)中測(cè)試的電流均為線電流，計(jì)算損耗時(shí)環(huán)流產(chǎn)生的損耗歸為鐵耗，導(dǎo)致最終鐵耗值偏大。

綜上，如果環(huán)流產(chǎn)生的銅耗被忽略，會(huì)導(dǎo)致空載銅耗PCu1小于實(shí)際空載銅耗，恒定損耗PCON大于實(shí)際恒定損耗。

(4)

(5)

式中：P0——空載輸入功率；

I0——空載定子繞組線電流；

R0——三相電阻平均值。

將空載試驗(yàn)數(shù)據(jù)中50%額定電壓至最低電壓范圍內(nèi)的各電壓點(diǎn)的PCON值與其對(duì)應(yīng)的(U0/UN)2值進(jìn)行曲線擬合，并延長(zhǎng)至零電壓點(diǎn)，縱軸上的截距即為風(fēng)摩耗Pfw，鐵耗PFe=PCON-Pfw。

計(jì)算風(fēng)摩耗時(shí)所用數(shù)據(jù)點(diǎn)電壓較低，基本不存在飽和現(xiàn)象，所以環(huán)流對(duì)風(fēng)摩耗的判定無(wú)影響。綜上所述，定子繞組角接環(huán)流主要影響電機(jī)鐵耗判定。

2.2 定子繞組環(huán)流測(cè)試方法

為得到準(zhǔn)確的鐵耗值，必須要測(cè)得包含環(huán)流在內(nèi)的各相定子繞組電流，將3個(gè)電流表分別接入三角形繞組內(nèi)部，測(cè)得三相繞組的相電流，即可達(dá)到以上要求。如圖5所示，電流表A1、A2、A3的讀數(shù)即為各相電流值。

圖5 異步電機(jī)測(cè)試接線原理圖

3 環(huán)流對(duì)電機(jī)能效判定影響的試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)方案

為了研究3次諧波環(huán)流對(duì)異步電機(jī)能效判定的影響，對(duì)容量范圍為4～55 kW的多臺(tái)異步電機(jī)進(jìn)行空載試驗(yàn)，采用高精度功率分析儀采集電機(jī)功率、電壓、電流、波形等數(shù)據(jù)，同時(shí)測(cè)量三相線電流和相電流，并在斷電且電機(jī)停轉(zhuǎn)時(shí)立即測(cè)量定子三相繞組的電阻值，接線原理圖如圖5所示。在計(jì)算定子繞組空載銅耗PCu1時(shí)分兩種方法。

(1) 以線電流計(jì)算(所測(cè)電流不含3次諧波環(huán)流)：

(7)

(2) 以相電流計(jì)算(所測(cè)電流含3次諧波環(huán)流)：

(8)

比較兩種方法下?lián)p耗分離所得結(jié)果的差異并分析其與3次諧波環(huán)流之間的關(guān)系。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

首先以YB2-132M2-6，5.5 kW異步電機(jī)為例，空載額定電壓運(yùn)行時(shí)三相線電流與相電流波形如圖6所示。

圖6 空載試驗(yàn)額定電壓下線、相電流波形

通過(guò)對(duì)相電流進(jìn)行傅里葉分解，得到其基波和3次諧波幅值，如圖7所示，三相空載電流基波幅值平均值為5.27 A，3次諧波幅值平均值為1.45 A。

圖7 三相相電流基波與3次諧波幅值

分別用線電流與相電流計(jì)算空載銅耗，求得鐵耗分離結(jié)果如表1所示。

表1 兩種方法下的損耗分離結(jié)果對(duì)比 W

從表1可以看出，不同方法得到的鐵耗存在明顯差異，以線電流計(jì)算空載銅耗時(shí)所得鐵耗要大于以相電流計(jì)算空載銅耗分離出的鐵耗，其差值為8.07 W。再利用相電流3次諧波分量計(jì)算出環(huán)流引起的空載銅耗，得到其結(jié)果為7.5 W。

結(jié)合以上數(shù)據(jù)及分析可以得出，當(dāng)異步電機(jī)定子繞組采用角形接線時(shí)，按照標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法得到的鐵耗要比電機(jī)實(shí)際鐵耗多，多的這部分鐵耗基本等于3次諧波環(huán)流產(chǎn)生的空載銅耗。角接異步電機(jī)由于環(huán)流影響而產(chǎn)生的鐵耗偏差占實(shí)際總鐵耗的5.61%，占電機(jī)額定功率的0.146 7%。

為了驗(yàn)證此結(jié)論的可靠性與普遍性，并從中得到能為異步電機(jī)能效判定及設(shè)計(jì)提供參考的理論依據(jù)。除了以上這臺(tái)異步電機(jī)外，又對(duì)多臺(tái)異步電機(jī)進(jìn)行了同樣的空載試驗(yàn)，其中一部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 環(huán)流對(duì)鐵耗分離結(jié)果的影響

從表2可以看出，以上現(xiàn)象在角形接線異步電機(jī)中是普遍存在的，但其影響程度隨電機(jī)功率等級(jí)、極數(shù)、鐵磁材料特性和制造工藝的不同而變化，總結(jié)其變化規(guī)律如下：

(1) 功率等級(jí)越小，影響越明顯。雖然功率等級(jí)小的異步電機(jī)空載電流小，但其定子繞組電阻卻相對(duì)較大，加之其額定功率及各項(xiàng)損耗均相對(duì)較小，也使得這種現(xiàn)象更加明顯。

(2) 極數(shù)越多，影響越明顯。這是因?yàn)殡S著異步電機(jī)極數(shù)的增加，定子軛部相對(duì)變小，增加了磁化材料的飽和程度，從而使感應(yīng)出的3次諧波電流及其空載銅耗增多，導(dǎo)致影響更明顯。

(3) 在同樣極數(shù)和功率等級(jí)條件下，電機(jī)磁化材料的飽和特性、制造工藝、測(cè)試的不確定性等因素也會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生一定影響。例如數(shù)據(jù)中的兩臺(tái)型號(hào)同為YX3E112-4的4 kW異步電機(jī)，其測(cè)試結(jié)果也存在一定差異。

3.3 避免環(huán)流對(duì)能效判定影響的措施

由前文分析可知，環(huán)流對(duì)小容量電機(jī)能效判定具有較大影響，由其引起能效判定偏差接近0.2%，而小容量電機(jī)在降耗方面本身難度較大，避免由于測(cè)試方法引起的能效判定誤差是十分必要的，綜合理論分析及大量試驗(yàn)結(jié)果，提出相應(yīng)改進(jìn)措施如下：

(1) 在對(duì)定子繞組角形接線異步電機(jī)進(jìn)行能效測(cè)試時(shí)，為了準(zhǔn)確分離鐵耗，空載試驗(yàn)應(yīng)測(cè)三相相電流，用以計(jì)算定子空載銅耗。

(2) 有些角形接線異步電機(jī)出廠后，由于封裝原因，無(wú)法測(cè)得其相電流，那么在進(jìn)行鐵耗分離時(shí)應(yīng)該考慮到3次諧波環(huán)流的影響，根據(jù)電機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)來(lái)設(shè)置修正系數(shù)。

(3) 對(duì)于容量較小的電機(jī)，例如文中4 kW、5.5 kW、7.5 kW電機(jī)，為了減小角接環(huán)流帶來(lái)的能效判定誤差，可將定子繞組設(shè)計(jì)為星接。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)理論研究和電機(jī)磁場(chǎng)的時(shí)步有限元仿真，闡述了異步電機(jī)磁路的飽和現(xiàn)象及角接環(huán)流的產(chǎn)生原因，進(jìn)而對(duì)環(huán)流在異步電機(jī)能效判定中所產(chǎn)生的影響加以詳細(xì)分析，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，得出以下結(jié)論：

(1) 定子繞組角接的異步電機(jī)由于磁路飽和而產(chǎn)生3次諧波環(huán)流，由于環(huán)流的影響，基于標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法所得鐵耗要高于實(shí)際鐵耗值，高出部分與環(huán)流產(chǎn)生的空載銅耗值相等，從而影響最終能效判定結(jié)果，使測(cè)試效率值偏低。

(2) 環(huán)流對(duì)能效判定的影響程度隨著異步電機(jī)的極數(shù)、功率等級(jí)、磁化材料的磁化特性以及制造工藝等因素的變化而變化，極數(shù)越大，功率等級(jí)越小，影響越明顯、環(huán)流引起的鐵耗偏差最高可以達(dá)到實(shí)際鐵耗的6%，對(duì)異步電機(jī)效率的判定最高可以提高0.2%，但對(duì)于11 kW以上的異步電機(jī)影響很小，可以忽略不計(jì)。

[1] Y系列(IP44)三相異步電動(dòng)機(jī)技術(shù)條件: JB/T 1039—2008[S].

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Characteristics of Circulating Current in Stator Windings of Asynchronous Motor with Saturation Considered and its Impact on Efficiency Determination

JILantao1,DUZhonglan2,ZHAOHaisen1,LIJiaxuan1,LIPengyu1,CHENGeng1

(1.State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System With Renewable Energy Sources,North China Electric Power University, Beijing 102206, China; 2.State Grid Xuancheng Power Supply Company, Xuancheng 242099, China)

In order to study the circulation current characteristics and its impact on motor efficiency determine, based on theoretical analysis and time step finite element method (FEM), the 3rd harmonic flux density caused by saturation and the characteristics of the circulation current in stator windings was analyzed, meanwhile, measured the circulation currents of small and medium motor for different capacity.Then obtained the influence law of circulation current on motor efficiency determination and proposed the improvement measures to avoid the influence of circulation current for efficiency determination.The achievement provided important technical support for premium-efficiency motor design and precision testing of energy efficiency.

asynchronous motor; saturation effect; circulation current; energy efficiency

季瀾濤(1990—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡姍C(jī)能效測(cè)試。 李佳宣(1993—)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)樽冾l電機(jī)節(jié)能。

TM 301.2

A

1673-6540(2017)03- 0085- 05

2016 -09 -19