葉 飛

(西安清泰科新能源技術(shù)有限責(zé)任公司，西安 710077)

0 引 言

隨著變頻調(diào)速技術(shù)、電力電子變流技術(shù)的迅速發(fā)展，異步電機(jī)的調(diào)速性能和應(yīng)用范圍得到了巨大的提升和開拓。然而，變頻器輸出的電壓和電流多為非正弦波，包含了大量的高次諧波，這使得電機(jī)產(chǎn)生了附加的銅耗、鐵損以及其他的一些損耗，而且由于集膚效應(yīng)顯著，電機(jī)定、轉(zhuǎn)子電阻會隨頻率非線性增大，這也增加了定、轉(zhuǎn)子的諧波損耗，所以電機(jī)的效率與功率因數(shù)都將降低[1]。文獻(xiàn)[2]指出,對于定子采用散嵌線繞組的電機(jī)，由于線徑很小，對集膚效應(yīng)不敏感，因此應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注轉(zhuǎn)子的集膚效應(yīng)。文獻(xiàn)[3]研究了變頻異步電機(jī)轉(zhuǎn)子集膚效應(yīng)與轉(zhuǎn)子槽形尺寸的關(guān)系，提出降低轉(zhuǎn)子集膚效應(yīng)的最優(yōu)轉(zhuǎn)子槽形尺寸公式。

以上學(xué)者均在一定程度上就轉(zhuǎn)子槽形對變頻電機(jī)性能的影響進(jìn)行了深入研究，考慮高次諧波下轉(zhuǎn)子集膚效應(yīng)問題，由于變頻電機(jī)起動時電壓和頻率都非常小，起動電流一般為2～3倍的額定電流，不需要利用轉(zhuǎn)子的集膚效應(yīng)降低起動電流，因此宜采用梨形槽或梯形槽[3-4]。

然而，機(jī)車用異步電機(jī)通常并非變頻起動，而供電線路中卻包含有變頻器，電源諧波含量大，這就要求電機(jī)在額定或某些特定頻率下具有良好的起動性能，顯然采用梨形槽或梯形槽是不合適的。

本文在文獻(xiàn)[5]研究的基礎(chǔ)上，利用ANSYS軟件中的電磁模塊Simplorer+Maxwell進(jìn)行聯(lián)合仿真，探析轉(zhuǎn)子槽形如何在充分考慮轉(zhuǎn)子集膚效應(yīng)、保證電機(jī)良好起動性能的同時，又能抑制高次諧波對電機(jī)的影響，并著重講述三相諧波含量不等時新設(shè)計槽形對三相電流不平衡現(xiàn)象的抑制作用，為類似工程應(yīng)用提供參考。

1 轉(zhuǎn)子槽形的選擇及設(shè)計

對于供電電源中含有的高次諧波所形成的高頻旋轉(zhuǎn)磁場，電機(jī)轉(zhuǎn)子接近于堵轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)差率恒約等于1，定、轉(zhuǎn)子電抗遠(yuǎn)大于電阻[6]。再考慮到電機(jī)的激磁電抗遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)子電抗，因此異步電機(jī)k次諧波的等效電路可以由圖1(a)簡化為圖1(b)。圖1中σx為因集膚效應(yīng)轉(zhuǎn)子電抗減小系數(shù)，σr為因集膚效應(yīng)轉(zhuǎn)子電阻增加系數(shù)。

(a) 等效電路

文獻(xiàn)[5]研究表明，1 700 Hz時，閉口圓形槽電抗減小系數(shù)0.949 3，閉口梨形槽、梨形槽、梯形槽、刀形槽依次次之，凸形槽最差，電抗減小系數(shù)0.670 6。閉口槽有較好的消弱因集膚效應(yīng)引起的轉(zhuǎn)子電抗減小的能力，隨著頻率的增加，電抗幾乎不變，能夠有效地抵抗諧波對電機(jī)帶來的危害。但圓形槽或梨形槽起動電阻較小，起動性能差，不適合作為機(jī)車用異步電機(jī)轉(zhuǎn)子槽形。

常用的轉(zhuǎn)子槽形中，凸形槽集膚效應(yīng)最好，但槽形復(fù)雜，沖模制造較困難；相較而言，刀形槽由于有較好的集膚效應(yīng)，起動電阻大，在中小型異步電機(jī)中被廣泛采用。

某型電機(jī)轉(zhuǎn)子槽形如圖2所示，充分考慮了異步電機(jī)的集膚效應(yīng)，工頻電源下，電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行和起動性能都能達(dá)標(biāo)；但當(dāng)變頻器供電時，高次諧波電流激增，溫升升高，甚至三相電流不平衡度﹥20%，迫使跳閘，電機(jī)停止運(yùn)行，影響機(jī)車正常工作。

圖2 半開口刀形槽

為了保證電機(jī)的起動性能，要求消弱諧波危害，將圖2槽形頂部增加鐵橋，改為閉口槽，加大轉(zhuǎn)子電抗消弱諧波電流，如圖3所示。但刀形槽集膚效應(yīng)明顯，電阻增加系數(shù)較大[5]，應(yīng)設(shè)法消除由高次諧波引起的附加轉(zhuǎn)子鋁耗，保證電機(jī)效率。

圖3 閉口刀形槽

對于鑄鋁轉(zhuǎn)子，ν次諧波集膚效應(yīng)導(dǎo)條有效高度：

(1)

式中：h1為導(dǎo)條有效高度，單位cm；f1為電源運(yùn)行基波頻率。

諧波次數(shù)越大，導(dǎo)條有效高度越小。因此，可將轉(zhuǎn)子槽形上部設(shè)計成上寬下窄,以削弱高次諧波集膚效應(yīng)引起的轉(zhuǎn)子電阻的增加，如圖4(a)所示。但槽口變大后，必然會降低轉(zhuǎn)子電抗，不利于抑制諧波。保證槽口不變，將槽形變換成如圖4(b)所示，進(jìn)一步還可以設(shè)計成圖4(c)。

(a) 閉口寬頂?shù)缎尾?/p>

2 方案對比及分析

不同轉(zhuǎn)子槽形，電機(jī)電流和轉(zhuǎn)矩仿真結(jié)果對比如表1所示。

表1 電機(jī)電流和轉(zhuǎn)矩仿真結(jié)果對比

經(jīng)過對比，正弦波電源下，電機(jī)額定電流相差不大。諧波電源下，圖3槽型電流可減小15.1%，圖4(b)槽型電流可減小28.6%?？梢?，閉口槽對諧波電流的抵制有明顯的作用。

圖3槽形因采用閉口槽，較圖2槽形槽漏抗增大，導(dǎo)致起動性能下降；圖4(b)槽形槽上部形狀可以靈活調(diào)整，能使轉(zhuǎn)子基波槽漏抗和電阻與圖2槽形相近，起動性能基本保持不變。

對諧波電源下Maxwell的仿真電流曲線進(jìn)行快速傅里葉變換，得到基波和各次諧波電流幅值，如表2所示。圖4(b)槽型對5次和7次諧波的抑制要優(yōu)于圖3槽型，而對于更高次諧波抵制作用則較差。根據(jù)式(1)可知，諧波次數(shù)越高，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的有效高度越小，圖4(c)槽形導(dǎo)條頂部較圖3槽形寬，更高次諧波轉(zhuǎn)子有效電抗小，因此更高次諧波電流大。

表2 電機(jī)基波和各次諧波電流幅值i/A

某型電機(jī)服役于機(jī)車?yán)鋮s系統(tǒng)，由發(fā)電機(jī)供電，為節(jié)能減排，當(dāng)被冷卻設(shè)備溫升較低時，機(jī)車控制系統(tǒng)會自動降低發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，改變供電頻率，必要時還會進(jìn)行一次斬波，進(jìn)一步降低電機(jī)轉(zhuǎn)速，而斬波后電源諧波含量較大。

表3是某型電機(jī)工作過程中，供電電壓斬波后的諧波含量，其中5次和7次諧波含量最高，使用本文設(shè)計的圖4(b)槽形尺寸能夠較好地抑制5次和7次諧波，在一定程度上要優(yōu)于圖3槽形。實(shí)際設(shè)計中，根據(jù)所要重點(diǎn)抑制的諧波次數(shù)，可以利用式(1)對導(dǎo)條有效高度進(jìn)行計算來獲得最佳槽形尺寸。

表3 電機(jī)1/2額定速度下變頻器輸出電壓諧波含量

3 轉(zhuǎn)子槽形對三相電流不平衡的影響

3.1 諧波電源

電源諧波含量如表3所示，以某型電機(jī)IDLE工作狀態(tài)為例，斬波后頻率16.8 Hz，電壓基波有效值37 V，利用Simplorer建立諧波電源，如圖5所示。

圖5 諧波電源

3.2 耦合電路

Simplorer聯(lián)合Maxwell協(xié)同仿真電路如圖6。將圖5的諧波電源加載至C相，A相和B相加載正弦波電源，以模擬最大程度上三相諧波含量不等時電機(jī)三相電流不平衡情況。

圖6 諧波電源

3.3 仿真結(jié)果

不同轉(zhuǎn)子槽形，電機(jī)電流Maxwell仿真結(jié)果如圖7～圖9所示。

圖7 三相電流不平衡情況(圖2槽形)

圖8 三相電流不平衡情況(圖3槽形)

圖9 三相電流不平衡情況(圖4(b)槽形)

圖2槽形三相電流不平度24.5%，圖3槽形不平度17.8%，圖4(b)槽形不平度11.9%，說明轉(zhuǎn)子采用閉口槽的中小型三相異步電機(jī)在由變頻器供電的系統(tǒng)中能夠很好地抑制三相電流不平衡現(xiàn)象。

某型電機(jī)在改型前采用圖2槽形，該電機(jī)所服役的機(jī)車供電系統(tǒng)設(shè)定的三相電流不平衡度保護(hù)限值為20%，電機(jī)在運(yùn)行過程中頻繁跳閘，改型后，采用圖4(b)槽形，再無因電流不平衡跳閘現(xiàn)象。

4 結(jié) 語

本文利用Simplorer+Maxwell聯(lián)合搭建仿真電路，通過場路耦合得到諧波電源下三相異步電機(jī)的電流情況，說明了轉(zhuǎn)子閉口槽在抑制諧波電流和改善三相電流不平衡方面的有效性，并從理論上對閉口槽抑制諧波電流進(jìn)行了深入分析，最后以某型電機(jī)實(shí)際運(yùn)行情況為例，驗(yàn)證了本文觀點(diǎn)的正確性，為應(yīng)用于要求具有一定起動性能而又富含諧波場合的異步電機(jī)設(shè)計提供了參考。