計及飽和時異步電機定子繞組環流特性及其對能效判定的影響

季瀾濤, 杜中蘭, 趙海森, 李佳宣, 李鵬宇, 陳 庚

[1.新能源電力系統國家重點實驗室(華北電力大學)，北京 102206;2.國網宣城供電公司，安徽 宣城 242099]

計及飽和時異步電機定子繞組環流特性及其對能效判定的影響

季瀾濤1, 杜中蘭2, 趙海森1, 李佳宣1, 李鵬宇1, 陳 庚1

[1.新能源電力系統國家重點實驗室(華北電力大學)，北京 102206;2.國網宣城供電公司，安徽 宣城 242099]

為了研究角接繞組環流特性及其對電機能效判定的影響，結合理論分析與時步有限元法，對由于磁路飽和引起的3次諧波磁密以及由此產生的角接繞組環流特性進行了分析。通過針對不同容量多臺中小型電機環流的試驗研究，獲得了環流對電機能效判定的影響規律，由此提出用于避免環流影響的能效判定改進措施。研究成果為高效電機設計和電機能效精密測試提供重要技術支持。

異步電機； 飽和； 角接環流； 能效

0 引 言

我國功率等級大于3 kW的中小型電機定子繞組通常采用角形接線方式[1]。在設計時為了提高鐵磁材料利用率，中小型異步電機工作點通常處于飽和狀態，但磁路飽和會導致電機內部產生3次諧波磁場，進一步在定子繞組中感生相應電勢及諧波環流。根據國家標準中方法對電機能效進行測試時，所測得定子電流均為線電流，并不包含環流，使得分離電機各項損耗時會產生一定偏差，影響能效判定準確性。因此，研究定子繞組環流特性及其對能效判定影響是有必要的。

針對電機能效測試相關內容，已有大量學者對此展開了研究工作。例如文獻[2]對三相異步電機效率測定方法進行了對比研究，設計并實現了一個效率測試系統滿足不同測定方法和型式試驗的要求。文獻[3]針對GB/T1032 B法中電動機內部各項損耗測試不確定度影響因素進行分析，并計算了效率擴展不確定度。文獻[4]通過對IEEE 112B法的計算方法以及不確定度原理的分析，設計出符合高效電機效率能效測試的系統。文獻[5]介紹了變頻電機能效試驗流程，從熱試驗、負載試驗、空載試驗所得到的數據中分析各項損耗。文獻[6]詳細闡述了空載特性和負載特性試驗的試驗目的、試驗方法和數據處理過程。文獻[7]介紹了高效電機檢測技術的發展及高效電機測試中的關鍵技術，著重介紹了基于靜止變頻電源的電機效率測試系統。文獻[8]對IEEE 112-B,IEC 34-2,JEC 3這三種主要國際測試標準進行對比，分析了雜散損耗判定方法對電機能效測試的影響。文獻[9]將電機附加損耗分為基波損耗與諧波損耗，并采用諧波注入法實現了對電機附加損耗的測試。文獻[10]分別采用IEEE標準與IEC標準對電機進行多組能效試驗，通過對試驗結果差異的分析，為實際測試提供一定參考。以上文獻在電機能效測試方面取得了豐富的成果，但均側重于對現有標準的能效測試方法對比及測試系統設計方面，對于計及飽和時異步電機定子繞組環流特性及其對能效判定的影響尚未涉及。

針對這一問題，本文通過理論研究和時步有限元法從電機磁場角度說明角接環流的產生原因，分析了環流對異步電機能效判定的影響，通過對容量為4～55 kW的不同功率等級角接異步電機進行實測分析，獲得了環流對電機能效判定的影響規律，提出了用于避免環流影響的能效測試改進措施。本文研究成果為高效電機設計和電機能效精密測試提供了重要技術支持。

1 定子繞組環流產生的原因及磁場特性分析

1.1 磁路飽和導致定子繞組環流

異步電機定轉子鐵心由硅鋼片疊壓而成，磁場通過定轉子鐵心構成回路。為了提高鐵磁材料利用率，通常在設計異步電機時其鐵心磁路處于一定飽和狀態。當定子繞組中通入正弦電流，若磁化特性是線性變化的，根據Ф=F/Rm，其產生的正弦磁動勢會在磁路中產生正弦的磁通，但由于實際磁路的飽和特性，正弦磁動勢會產生平頂波磁通，進而產生主要諧波為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

根據感應電動勢與磁通密度關系：

e=blv=B1lvsin(ωt+α)+

(2)

可知基波磁通密度產生基波感應電動勢，3次諧波磁通密度產生3次諧波感應電動勢，向量圖如圖2所示。對于3次諧波來說，可表示為

(3)

圖2 定子三相繞組感應電動勢向量圖

三相繞組中的3次諧波電動勢大小相等、相位相同，就會在角形接線異步電機定子繞組的三角形回路中產生3次諧波環形電流。

1.2 基于時步有限元的磁路飽和特性分析

對一臺5.5 kW電機空載運行時的定子磁場進行時步有限元仿真，得到了定子各部位磁密隨時間變化的波形。以其中3個典型位置為例，如圖3所示。磁密波形及其經傅里葉分解后所得的各次諧波幅值如圖4所示。通過分析圖中曲線可得如下結論:雖然定子空載運行時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象，磁密中存在明顯的3次諧波。

圖3 電機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 環流對損耗影響及其測試方法

2.1 環流對損耗判定的影響

異步電機損耗包括定子銅耗、轉子銅耗、鐵耗、風摩耗和雜散損耗，其中鐵耗和風摩耗通過空載試驗獲得，對于定子繞組角接異步電機，在根據GB/T 1032中B法[11]進行損耗判定時，存在以下問題：

(1) 國標方法沒有考慮電機在額定電壓下磁路飽和現象，無法計及定子角接繞組中環流對損耗分離的影響；

(2) 國標中測試的電流均為線電流，計算損耗時環流產生的損耗歸為鐵耗，導致最終鐵耗值偏大。

綜上，如果環流產生的銅耗被忽略，會導致空載銅耗PCu1小于實際空載銅耗，恒定損耗PCON大于實際恒定損耗。

(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。

將空載試驗數據中50%額定電壓至最低電壓范圍內的各電壓點的PCON值與其對應的(U0/UN)2值進行曲線擬合，并延長至零電壓點，縱軸上的截距即為風摩耗Pfw，鐵耗PFe=PCON-Pfw。

計算風摩耗時所用數據點電壓較低，基本不存在飽和現象，所以環流對風摩耗的判定無影響。綜上所述，定子繞組角接環流主要影響電機鐵耗判定。

2.2 定子繞組環流測試方法

為得到準確的鐵耗值，必須要測得包含環流在內的各相定子繞組電流，將3個電流表分別接入三角形繞組內部，測得三相繞組的相電流，即可達到以上要求。如圖5所示，電流表A1、A2、A3的讀數即為各相電流值。

圖5 異步電機測試接線原理圖

3 環流對電機能效判定影響的試驗研究

3.1 試驗方案

為了研究3次諧波環流對異步電機能效判定的影響，對容量范圍為4～55 kW的多臺異步電機進行空載試驗，采用高精度功率分析儀采集電機功率、電壓、電流、波形等數據，同時測量三相線電流和相電流，并在斷電且電機停轉時立即測量定子三相繞組的電阻值，接線原理圖如圖5所示。在計算定子繞組空載銅耗PCu1時分兩種方法。

(1) 以線電流計算(所測電流不含3次諧波環流)：

(7)

(2) 以相電流計算(所測電流含3次諧波環流)：

(8)

比較兩種方法下損耗分離所得結果的差異并分析其與3次諧波環流之間的關系。

3.2 試驗結果及分析

首先以YB2-132M2-6，5.5 kW異步電機為例，空載額定電壓運行時三相線電流與相電流波形如圖6所示。

圖6 空載試驗額定電壓下線、相電流波形

通過對相電流進行傅里葉分解，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算空載銅耗，求得鐵耗分離結果如表1所示。

表1 兩種方法下的損耗分離結果對比 W

從表1可以看出，不同方法得到的鐵耗存在明顯差異，以線電流計算空載銅耗時所得鐵耗要大于以相電流計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次諧波分量計算出環流引起的空載銅耗，得到其結果為7.5 W。

結合以上數據及分析可以得出，當異步電機定子繞組采用角形接線時，按照標準測試方法得到的鐵耗要比電機實際鐵耗多，多的這部分鐵耗基本等于3次諧波環流產生的空載銅耗。角接異步電機由于環流影響而產生的鐵耗偏差占實際總鐵耗的5.61%，占電機額定功率的0.146 7%。

為了驗證此結論的可靠性與普遍性，并從中得到能為異步電機能效判定及設計提供參考的理論依據。除了以上這臺異步電機外，又對多臺異步電機進行了同樣的空載試驗，其中一部分試驗數據如表2所示。

表2 環流對鐵耗分離結果的影響

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

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

(2) 極數越多，影響越明顯。這是因為隨著異步電機極數的增加，定子軛部相對變小，增加了磁化材料的飽和程度，從而使感應出的3次諧波電流及其空載銅耗增多，導致影響更明顯。

(3) 在同樣極數和功率等級條件下，電機磁化材料的飽和特性、制造工藝、測試的不確定性等因素也會對結果產生一定影響。例如數據中的兩臺型號同為YX3E112-4的4 kW異步電機，其測試結果也存在一定差異。

3.3 避免環流對能效判定影響的措施

由前文分析可知，環流對小容量電機能效判定具有較大影響，由其引起能效判定偏差接近0.2%，而小容量電機在降耗方面本身難度較大，避免由于測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結果，提出相應改進措施如下：

(1) 在對定子繞組角形接線異步電機進行能效測試時，為了準確分離鐵耗，空載試驗應測三相相電流，用以計算定子空載銅耗。

(2) 有些角形接線異步電機出廠后，由于封裝原因，無法測得其相電流，那么在進行鐵耗分離時應該考慮到3次諧波環流的影響，根據電機的各項參數來設置修正系數。

(3) 對于容量較小的電機，例如文中4 kW、5.5 kW、7.5 kW電機，為了減小角接環流帶來的能效判定誤差，可將定子繞組設計為星接。

4 結 語

本文通過理論研究和電機磁場的時步有限元仿真，闡述了異步電機磁路的飽和現象及角接環流的產生原因，進而對環流在異步電機能效判定中所產生的影響加以詳細分析，并通過試驗驗證，得出以下結論：

(1) 定子繞組角接的異步電機由于磁路飽和而產生3次諧波環流，由于環流的影響，基于標準測試方法所得鐵耗要高于實際鐵耗值，高出部分與環流產生的空載銅耗值相等，從而影響最終能效判定結果，使測試效率值偏低。

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

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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，研究方向為電機能效測試。 李佳宣(1993—)，女，碩士研究生，研究方向為變頻電機節能。

TM 301.2

A

1673-6540(2017)03- 0085- 05

2016 -09 -19