基于谐波分析法的PWM逆变器供电异步电机铁耗分析(适合电气B方向)文献综述

 2021-09-25 08:09

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随着全球经济的飞速发展,有着两条明显的主线相互交织,即为能源和环境。很多的发展中国家与许多发达国家的经济增长均受到能源紧张制约。能源是国民经济的基础产业,在国民经济和人们日常生活中均扮演着重要的角色。目前全世界能源年总消费量约为134亿吨标准煤,其中石油、天然气、煤等化石能源占85%,大部分电力也是依赖化石能源生产的,核能、太阳能、水力、风力、波浪能、潮汐能、地热等能源仅占15%。有统计表明,2020年全世界能源消费量将是目前的3倍。特别值得关注的是,世界各国能源消费量与GDP的增长程度有密切的相关性。从发达国家走过的道路来看,人均GDP在1000至10000美元之间,人均能源消费量增长较快,GDP超过10000美元之后,人均能源消费量放缓。然而,世界能源消耗增长的同时,也带来了不小的环境问题,目前以煤炭、石油为主的世界能源结构带来全球性能源环境问题的主要表现为酸雨、臭氧层破坏、温室气体排放等。在许多发展中国家,城市大气污染已达到十分严重的程度,在欧洲和北美也出现了超越国界的大气污染,形成了广泛的环境酸化,上千个湖泊的湖水酸度达到了不能支持鱼类生存的程度,酸性气体所造成的腐蚀损失,每年高达10亿美元。

数据显示,受到资金、技术、能源价格等的影响,发达国家的能源效率比中国要高出很多。在国内,近期能源产业在各个方面的能源利用率与发达国家相比要低7%-10%。中国主要工业产品能耗平均高出国际先进水准的40%,能源在中国的综合利用水平较低,单位产值能源消耗和主要产品单位能耗较高。综合以上分析可以看出,就我国目前状况而言提高能源的使用效率已迫在眉睫,特别是电机这一能源消耗大户在节能方面具有很大的潜力可挖,降低电机损耗,提高电机系统效率,对节约能源、控制环境污染等方面有着重要意义。

在工业、农业、商业以及公用设施等各行各业中,许多设备都是由电动机驱动的。而在这些电动机中,又由于异步电机具备结构简单、制造方便、价格便宜、运行可靠和调速控制方式简单的特点,使得感应电机使用范围十分宽泛,电机系统耗电量在全国用电量中所占比例约为60%,其中80%被感应电机消耗。

随着电力电子技术的发展以及大功率器件的广泛使用,越来越多的电机采用逆变器进行供电,以实现对电机的各种复杂控制,PWM(pulsewidthmodulation)变频器就是应用得较为广泛的一种逆变器,而且大多高速电机也是通过PWM变频技术来驱动的。但采用PWM变频器驱动电机对电机系统也带来一些负面影响,变频器输出电压中包含大量的谐波分量,除了增加定转子的铜耗外,还在定转子铁芯中产生了附加铁耗,增加了电机发热。

异步电动机在运行时,会将电能转化为机械能,在转化过程中会同时产生一定的功率损耗,输出功率除以输入功率值即为效率。效率作为电机的一个主要性能指标,在电机工作时,其大小由电机产生的损耗决定,若损耗较小,则效率就会很高。电机所选择的电磁负荷也会影响电机损耗的大小,当选择的电磁负荷较小时,损耗下降,但是电机的尺寸及材料的使用量将随之增大。另外,材料属性、绕组类型、电机结构等也对损耗值有较大影响。在近年来,国外为了提高电机的效率,设计时有增加材料而使损耗减小的趋向。作为电机中的不变损耗,铁心损耗在总损耗中占有较大比例。

因此,铁耗的计算对于提高电机的运行性能有重要意义。

国内外关于电机铁芯损耗的研究现状:

虽然从18世纪开始就对电机进行设计和制造,但直至今日精确计算电机铁耗仍是电机设计过程中亟待解决的一个问题。设计人员计算出的电机铁耗与电机经实验测试得到的实验值通常有很大的差异。一般而言,计算损耗值过大,将会增电机制造成本,导致材料的浪费;计算损耗值偏小,电机效率将会降低。目前已经有许多专家学者对电机铁心损耗问题进行研究,Pstehoetz较早对铁耗进行研究,其利用传统的经验公式,计算铁磁材料的损耗。当前普遍使用的是Bertotti提出的常系数三项式模型,该模型将铁耗分为三项分开计算,最后将这三项叠加得到电机损耗,其包括磁滞损耗、涡流损耗以及附加损耗。

国外对逆变电源供电下异步电机铁耗研究较多也较深刻。Jeong-JongLee等人利用时步有限元方法建立异步电机物理模型,分析正弦供电下与PWM逆变器供电下异步电机损耗差异,研究PWM逆变器对电机损耗的影响。KatsulniYamazakih和YoshiakiSeto对PWM逆变器供电下内置式永磁电机的铁耗进行研究,对比定子基波铁耗,定转子谐波铁耗与定子中转子永磁体作用得到的铁耗,并研究电机转速和转矩变化下,电机中谐波铁耗所占的比例。A.Boglietti等人利用了工程实际计算方法,即通过研究非正弦供电下电机铁耗与正弦供电时铁耗的关系,来研究PWM逆变器驱动时的铁耗,这一方法具有很好的工程实际应用价值,但没有分析逆变器参数对损耗的影响。T.C.Green等人利用与电路方程耦合的时步有限元法,研究了供电方式变化对异步电机损耗的影响,对比正弦供电与逆变器供电下铁耗的计算结果,分析逆变器电源对铁耗的影响,同时计算了电机内的涡流损耗和磁滞损耗,分析逆变电源下涡流损耗和磁滞损耗的分布特点,改变逆变器的开关频率,研究开关频率对电机涡流损耗的影响。E.Nicol等人对传统的感应电机等效电路模型进行改进,利用新得到的电路模型研究PWM变频器供电下异步电机的铁耗。

国内关于变频器供电下的铁耗计算分析相对较少。

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