降低谐波铜耗的变频调速异步电机转子槽设计

摘要

随着电力电子技术的发展，变频调速异步电机越来越广泛地应用在各种工业领域。由于逆变器提供给电机的电压(电流)中含有大量的高次谐波成分，对电机的转矩、损耗及效率产生负面的影响，因此有必要分析谐波对电机性能的影响，并从电机设计角度采取措施来削弱谐波的影响。异步电机转子谐波铜耗由于集肤效应而集中在导条顶部引起损耗集中和局部发热。因此针对逆变器供电的特殊性设计变频调速异步电机转子槽，不仅在电机设计理论具有创新意义，在工程应用中更具有指导意义。
　　 异步电机转子槽是承接电机机电能量转换的主要载体，在电机电磁能量的传递过程中起着关键作用。逆变器供电与传统正弦供电相比，电机转子槽的设计原则发生很大的变化。传统设计的变频调速异步电机转子槽易引起谐波损耗集中，影响电机运行的稳定性，不能满足异步电机高可靠性的要求。本文所分析、设计的变频调速异步电机转子结构采用国外提出的带U形铁心桥的转子槽，能较好地解决上述问题。
　　 异步电机的转子参数是影响电机性能的重要因素，对电机的转矩、效率及功率因数均有重要影响。由于转子槽结构的特殊性，采用传统路的方式不能准确获得电机的转子电阻及转子漏抗等电磁参数。因此本文将通过电磁场有限元仿真软件Flux的稳态场模型求得电机转子参数，并将分析集肤效应对不同结构转子槽的影响，总结为降低谐波铜耗转子槽应采用的结构。
　　 转子导条谐波铜耗计算的难点在于集肤效应，当转子导条流过非正弦电流时，由于非正弦电流是由多个不同频率的正弦电流组合而成，集肤效应对铜耗的影响就必须考虑。鉴于集肤效应本身属于电磁场的范畴，通过电磁场有限元法计算转子导条集肤效应可解决上述难题。本文将通过电磁场有限元仿真软件Flux的瞬态场模型求得转子导条的谐波铜耗，并将总结带U形铁心桥的转子槽不同尺寸配合与导条谐波铜耗之间的变化规律。
　　 本文最后对一台样机的试验数据进行分析，并与电磁场有限元分析结果进行比较，验证电磁场有限元分析结果的可靠性，以指导电机设计。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1引言

1.2变频调速异步电机的发展和现状

1.2.1变频器供电对异步电机的影响

1.2.2变频调速异步电机的国内外研究现状

1.3本文的主要内容和工作

2变频调速异步电机中谐波问题的研究

2.1变频调速异步电机中的谐波分析

2.1.1变频调速异步电机中的空间谐波

2.1.2变频调速异步电机中的时间谐波

2.2变频调速异步电机的损耗计算及谐波对电机的影响

2.2.1变频调速异步电机等效电路

2.2.2变频调速异步电机谐波损耗计算

2.3应对谐波影响变频调速异步电机设计所采取的措施

2.3.1电机槽数配合的选取

2.3.2电机槽形设计

2.3.3电机绕组设计

2.3.4电机绝缘设计

2.4小结

3变频调速异步电机转子槽设计

3.1正弦供电异步电机转子槽设计

3.2逆变器供电异步电机转子槽设计

3.3降低变频调速异步电机转子谐波铜耗的意义

3.4降低变频调速异步电机转子谐波铜耗的转子槽设计

3.4.1带U形铁心桥的转子槽简述

3.4.2带U形铁心桥转子槽尺寸确定

3.4.3实例设计

3.5小结

4变频调速异步电机转子槽有限元分析

4.1电磁场分析有限元法及仿真软件Flux简介

4.1.1电磁场分析有限元法简介

4.1.2有限元专业电磁场仿真软件Flux

4.2求解变频调速异步电机转子参数的稳态场模型

4.2.1稳态场模型及计算方法实施

4.2.2实例分析

4.2.3集肤效应对转子参数的影响

4.3求解变频调速异步电机转子谐波铜耗的瞬态场模型

4.3.1电压谐波含量的确定

4.3.2求解转子谐波铜耗的瞬态场模型介绍

4.3.3转子导条谐波铜耗计算

4.3.4例算结果及分析

4.4试验验证

4.5小结

5结论与展望

5.1结论

5.2后续工作的展望

致 谢

参考文献

附 录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文