諧波注入多相感應(yīng)電機(jī)分析

陳震林 潘躍林 呂敬高

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

1 引言

隨著電機(jī)功率的需求的不斷增大，對(duì)于要求變頻調(diào)速的電機(jī)應(yīng)用場(chǎng)合來(lái)說(shuō)，三相電機(jī)通過(guò)低壓大電流或高壓低電流來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是無(wú)論是低壓還是高壓，都存在控制系統(tǒng)選型的困難。于是，人們把研究目光轉(zhuǎn)向多相電機(jī)，多相電機(jī)和三相電機(jī)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）多相電動(dòng)機(jī)可以通過(guò)增加電機(jī)相數(shù)，實(shí)現(xiàn)低壓大容量，避免功率器件的串并聯(lián)；（2）電機(jī)相數(shù)的增多，使得影響較大的空間諧波次數(shù)增大，且幅值下降，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)下降，脈動(dòng)頻率增加；（3）由于相數(shù)增加，使系統(tǒng)的可靠性提高，多相電機(jī)在定子缺相時(shí)可降額繼續(xù)運(yùn)行而不必停車(chē)。由于上述優(yōu)點(diǎn)，多相感應(yīng)電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)在電廠輔機(jī)等可靠性要求高的場(chǎng)合，如核電主泵電機(jī)、船舶推進(jìn)等有廣闊的應(yīng)用前景。

2 多相電機(jī)磁勢(shì)分析

磁勢(shì)分析是進(jìn)行多相電機(jī)研究重要手段。根據(jù)交流電機(jī)繞組理論，m相對(duì)稱(chēng)繞組，各相繞組由μ次時(shí)間諧波電流產(chǎn)生的ν空間諧波磁勢(shì)的合成磁勢(shì)可表示為：

其中：μ—時(shí)間諧波電流的次數(shù)；

ν—空間諧波磁勢(shì)的次數(shù)；p—電機(jī)的極對(duì)數(shù)；

N—每相繞組串聯(lián)匝數(shù)；Imμ—相電流基波幅值；

Kwv—ν次空間諧波的繞組系數(shù)；

合成磁勢(shì)包含兩個(gè)分量，一個(gè)為順轉(zhuǎn)磁勢(shì)分量，一個(gè)為逆轉(zhuǎn)磁勢(shì)分量。

其中：

表1為三相電機(jī)磁勢(shì)分布圖，由表1可知：(a).主對(duì)角線(xiàn)上的各磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)速度都相等，為基波同步速，但當(dāng)v=μ且都為3的倍數(shù)時(shí)，該磁場(chǎng)為一駐波；(b).同一列中兩磁場(chǎng)作用產(chǎn)生脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩主要源于5次諧波電流與1次電流產(chǎn)生的1次磁場(chǎng)間的相互作用。

表2為5相電機(jī)的磁場(chǎng)分布情況，可見(jiàn)(a)隨著相數(shù)的增大，磁勢(shì)諧波次數(shù)增大、幅值減小，同時(shí)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的頻率增大、幅值減小；(b)從表 2我們看到，若電機(jī)繞組采用方波繞組（整距集中繞組），3次諧波電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)切割繞組會(huì)感應(yīng)出3次反電勢(shì)，對(duì)于相同的3次諧波電壓，多相方波繞組電機(jī)中的3次電流要小得多，而且3次諧波電流也會(huì)產(chǎn)生正的穩(wěn)定的轉(zhuǎn)矩。

表1 三相電機(jī)磁勢(shì)分布圖

表2 五相電機(jī)磁勢(shì)分布圖

表3 十五相電機(jī)磁勢(shì)分布圖

同理，表3為15相電機(jī)的磁場(chǎng)分布情況，可見(jiàn)15相方波繞組電機(jī)可利用1、3、5、7、9、11、13次電流諧波來(lái)產(chǎn)生有用的轉(zhuǎn)矩，依次類(lèi)推。多相方波繞組電機(jī)可利用諧波電流改善氣隙磁密波形，提高鐵心利用率，并產(chǎn)生有用的轉(zhuǎn)矩。

由此可見(jiàn)在集中整距繞組函數(shù)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(chǎn)生有效轉(zhuǎn)矩。

3 考慮諧波注入電機(jī)磁勢(shì)分析

一般來(lái)說(shuō)，氣隙磁密是正弦分布的，設(shè)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(biāo)么值為：

其中，b=Bg/B1；a=B3/B1。可求得當(dāng)a=1/6時(shí)，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(shí)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(xiàn)性問(wèn)題）。因此，

圖1 氣隙磁密加入三次諧波前后對(duì)比圖

4 仿真計(jì)算與試驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證分析的正確性和可行性，我們對(duì)一臺(tái)45 kW十五相感應(yīng)電機(jī)進(jìn)行仿真計(jì)算。該電機(jī)基本參數(shù)為：相電壓為140 V，頻率為24 Hz，額定轉(zhuǎn)速為700 rpm，定子繞組采用1×15相連接，在滿(mǎn)載情況下對(duì)其進(jìn)行分析。

圖2 電機(jī)仿真模型圖

圖3 電機(jī)模型剖分圖

未注入三次諧波時(shí)，采用電壓源對(duì)電機(jī)定子繞組供電，基波電壓為注入三次諧波時(shí)，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(jì)算結(jié)果，圖6和圖7為注入諧波電壓的計(jì)算結(jié)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(duì)比可以明顯看出，當(dāng)注入三次諧波時(shí)，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(yàn)電流波形圖

圖9 仿真電流波形圖

圖8和圖9分別為穩(wěn)態(tài)時(shí)試驗(yàn)電流波形和仿真電流波形，表明仿真和試驗(yàn)具有很好的一致性。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)多相電機(jī)的磁勢(shì)分析和諧波注入的磁勢(shì)分析，得到了一些可供設(shè)計(jì)參考的結(jié)論：

1) 在多相感應(yīng)電機(jī)中注入三次諧波對(duì)提高電機(jī)出力有一定的作用，由于諧波磁場(chǎng)的加入會(huì)減小氣隙磁密的幅值，使其呈現(xiàn)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(huì)帶來(lái)振動(dòng)噪聲的增加，需進(jìn)行深入研究。

[1]Renato O.C.Lyra,Thomas A.Lipo, Torque density improvement in a six-phase induction motor with third harmonic current injection, IEEE, TRANS, Vol. 38,2002.

[2]湯蘊(yùn)璆. 電機(jī)內(nèi)的電磁場(chǎng). 北京： 科學(xué)出版社, 1998.

[3]許實(shí)章. 電機(jī)學(xué). 北京： 機(jī)械出版社, 1991.

[4]湯蘊(yùn)璆. 電機(jī)理論與運(yùn)行. 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社,1993.

[5]王鳳翔. 交流電機(jī)的非正弦供電. 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社. 1997.

[6]康敏, 黃進(jìn). 大功率多相感應(yīng)電機(jī)的非正弦供電技術(shù).大電機(jī)技術(shù), 2006, 9.