变频器驱动下异步电机铁心损耗的研究

黄贺

[摘 要]在本文之中，主要是针对了变频器驱动下异步电机铁心损耗的研究进行了全面的分析研究，并且在这个基础之上提出了下文之中的一些内容，希望能够给与同行业进行工作的人员提供出一定价值的参考。

[关键词]变频器；驱动；异步电机；铁芯损耗；分析

中图分类号：TM343 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）25-0138-01

1 变频调速异步电机的发展以及现状

异步电机的广泛运用主要是因其结构简单、价格便宜、坚固耐用等特点但是因为异步电机只有一个供电回路所以速度控制方面非常难在最初出现时并不实用。在20世纪20年代人们发现变频调速可以很好地解决异步电机的速度控制问题启可以在较为广泛的范围内进行无极调速，而且还可以获得较好的运行性能。但是它也存在一定的弊端肖时受电力电子器件的限制段有办法获得一个理想的变频电源。直到20世纪50年代半导体以及集成电路的发明与发展使得变频异步电机实现了速度控制，而且变频器的发展也给异步电机的设计与分析带来了新的活力。

2 变频器驱动下的异步电机设计

异步电机是一种交流电机，因工作过程中转子和定子旋转不同步而得名异步电机的运行原理（图1所示）是定子通过交流电产生旋转磁场，与转子导体产生相对切割运动使转子导体产生感应电动势并产生感应电流，载流转子在双重磁场作用下跟着定子旋转。因为转子不直接产生电流，所以转子的转速必然小于定子的转速。与同步电机相比，异步电机的安装、使用和维护难度和成本比较低，但是同时也存在效率低，功率因数低的缺点。因此，异步电机多用于2500KW以下的电动机。

异步电机设计时都需要考虑运行能力因素和成本因素。传统的异步电机设计需要考虑的是价格因素，运行能力因素次之。而在变频器驱动下的异步电机设计中，由于考虑到电机与调速系统的整体配合，更加注重电机的运行能力，成本因素次之。因此，传统异步电机的设计方法不能适用于变频器驱动下的异步电机设计。具体体现在以下三个方面：

首先，传统电机设计方法对电机的主要尺寸设计顺序要求非常严格，不利于确定电机外形。电机的主要尺寸设计对传统异步电机的设计影响非常大。选择合理的尺寸能为电机后续的设计步骤打下坚实良好的基础。相反的，如果选择的尺寸不合理刽寸后续的工作产生不利的影响甚至导致异步电机设计全部失败。

其次，传统的异步电机设计运行性能考虑不足，没有顾及异步电机的实时动态特征。传统异步电机设计的成果不能投入到变频电机的使用当中。

最后，传统异步电机的设计对经验参数的依赖性大受到电机尺寸设计序的影响，在传统异步电机的设计方法中需要运用到大量的参数。这些参考数据基本都是根据传统异步电机的设计逐渐总结出来的，不适用于变频器驱动下的异步电机。

3 异步电机设计方法的特点及其局限性

在传统的异步电机的设计中除了要考虑电机的额定功率、功率因数、启动转矩等运行性能以外还要关注的一点就是电机的价格。但是我们在进行变频调速异步电机设计时要考虑整个变频调速系统的運行能力，电机要与实际的系统匹配才可以，也就是说我们在考虑变频调速时除了考虑电机的效率、最大的转矩等性能参数以外同时还要顾及异步电机的实时动态特征，所以传统的异步电机在这一点是行不通的。传统的异步电机有一定的局限性主要表现为：其一在设计开始时仅仅可以确定电机的定子内径而电机的定子外径要在槽尺寸设计完以后才可以确定，我们知道当处于一个应用场合时，电机的外形尺寸是要受到严格控制的加果在设计之初没有确定外径的尺寸，将会给以后的设计带来诸多不便。其二在传统的异步电机设计之初段有及时地考虑电机在非额定点时的运行能力，就会有可能造成变频调速系统不能够很好地进行配合。其三我们在设计变频调速异步电机时运用了大量的经验参数，运用参数做参考是可以的，但是不要全部都运用到设计中，因为这些参考数据基本都是根据传统异步电机的设计逐渐总结出来的并不完全适合于变频调速异步电机的设计。

4 变频电机铁耗计算及结果分析

异步电机在正弦交变磁场下的铁心损耗PFe1的计算式为：

PFel=GtsK1Pfs（Bts，f）+GjsK2Pfs（Bjs，F） （1）

（1）式中：Gts、Gjs——分别为电机定子齿部、轭部铁心质量，kg；tsB、jsB——分别为电机定子齿部、轭部磁通密度幅值，T；1K、2K——分别为电机定子齿部、轭部铁耗修正系数。变频器输出中不仅含有驱动电机所需的基波成分，还含有大量的谐波成分。谐波磁场与基波磁场不同，它不仅在定子铁心中产生损耗，而且在转子铁心中也产生损耗。

实际上齿部的磁密总是比轭部的磁密大，计算铁耗时应考虑这个因素，这里将齿部铁耗计算时的电压值乘以系数1.15来减小误差。以一台4500k W变频异步电动机为例，通过以上方法计算在PWM变频器供电条件下电动机在电源频率为67Hz情况下的铁心损耗，图2是牌号为35WW350，厚度为0.35 mm的冷轧无取向硅钢片在不同频率磁场下交变磁化时的损耗曲线。

5 结论

推导出了在变频器供电条件下的异步电机铁耗计算模型，在考虑变频器参数对铁心损耗影响的情况下，建立了变频器供电时和标准正弦供电时铁心损耗的数量关系，使对变频器供电下铁心损耗的计算更加精确。分析了变频器参数对铁心损耗的影响：调制比？越大，铁心损耗越小；载波比N与铁心损耗呈现非单调变化。推导了谐波分析的计算公式，并对比分析了不同方法计算变频供电下电机的铁心损耗，结果发现相对于传统方法，谐波分析法计算变频器供电下电机铁心损耗更加有效。

参考文献

[1] 李宏涛，戈宝军.变频器驱动下异步电机铁心损耗的研究[J].大电机技术，2013，01：4-6+10.

[2] 况燕.浅析变频器驱动下的异步电机设计[J].科技风，2014，20：97.

[3] 刘宝佳.变频器驱动下的异步电机设计与分析[J].黑龙江科学，2014，06：131.