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关于谐波电压畸变对感应电机与异步起动永磁电机的效率影响的比较研究
摘要： 感应电机几乎已经达到最高的效率。为了进一步提高永磁体的使用效率，结合感应电机的鲁棒性设计，得到了广泛的研究。这些所谓的线启动永磁电机在正弦波的条件下，相对于标准的感应电机的效率提高，然而，这些机器的效率是在扭曲的电压条件下研究。本文比较了谐波电压畸变和谐波含量的相位角对异步启动永磁电机和感应电机整体电机效率的影响。
关键词：永磁感应机械，汽车，能源效率，电力系统谐波、功率质量
一．介绍
感应电机有很多优点，其中最主要的是它们的鲁棒性，这就是为什么相对于其他电机而言，安装的电机中90%都是感应电机。对于经济和生态方面来说，效率变得越来越重要，因此这些电机的效率得到了广泛的研究和改进。为了防止感应电机产生额外损失，转子和定子的励磁功率需要外送。在转子中使用永磁体是最常见的解决方法。然而，一台电机只在转子内有永磁体是无法线性启动的，因此需要额外的启动方法。如果转子由永磁体和转子铜条组成，则电机可以视为感应电机。一旦靠近同步磁力强制启动的永磁体可以跟定子磁动势同步，该电机相结合的感应和同步电机的优点。这类电机通常被称为异步启动永磁电机。
在电力电子变换器的大背景下实施，会出现失真。电机的电压畸变对能源效率的影响可以用感应电机的作为标准。以防电压畸变，甚至给了评判降低效率的标准。最近感应电机的谐波失真的影响已得到一定的重视。电压谐波对异步启动永磁电机的影响尚未公布。研究比较异步启动永磁电机和电机运行的能源效率标准时提供一个电压畸变。在本文提供的电压畸变的感应电机的降额方法会被应用于异步启动永磁电机。
二．结构方面
提供一个电压畸变时，为了比较异步启动永磁电机和感应电机，必须解决两台机器的机械设计。异步启动永磁电机和感应电机在结构方面有很多相同之处。这两者之间最显著的差异是：
- 一个异步启动永磁电机感应水平不仅是所施加的电压的函数。感应电机和定子磁动势共同决定感应峰值。结构越复杂、转子不平衡磁拉力越大，当以感应电机为标准的时候，异步启动永磁电机的空气间隙就越大。
- 普遍认为，异步启动永磁电机的磁通与转子同步旋转。因此，转子中没有感应电流。这有时会导致大规模转子的结构简单。不仅简化了结构，这也是一个启动电机的方法。大转子结构会使启动时的集肤效应增加，因此，提高启动能力。大转子结构对增加空气间隙中的磁通密度也比较有帮助。
常见的异步启动永磁电机转子配置图1。
图1 常见的异步启动永磁电机转子配置
相对于感应电机，当机器提供非正弦波形时，这两个设计参数对于异步启动永磁电机应该具有更显著的效果：
- 较大的气隙，与存在的感应电机相结合，会导致更高的磁阻。高磁阻意味着感应能力的降低。对于相同的谐波电压畸变，感应能力的降低会产生更大的谐波电流，从而导致在机器的谐波磁势增加，定子铜损耗增加。这将导致对机器磁化的影响增加（附加励磁损失），以及转矩的增加。这些问题将在第三节中阐明。
- 如果转子结构很大，感应谐波电流会增加，转子集肤效应也更加明显。当转子的温度升高时，永磁感应就会下降。虽然很感兴趣，本文将不会再讨论集肤效应。
- 转子以同步转速旋转，谐波含量将以一个非常特别的方式进行交互。不同的谐波成分的相互作用将在第III部分解释
三、损失比较
A.感应电机磁化损失
感应电机在接近饱和水平的条件下工作。在这种方式中，磁性材料被用于在其最佳的重量/能量比。常用的磁性钢时要感应定位。根据方程1，可得到励磁损耗的峰值感应。虽然方程只适用于正弦波电压方程，指出了对磁化损失演变时感应电机提供扭曲的电压。
标准感应电机平均电压计算峰值感应的主要参数是。如果该机器是提供一个扭曲的电压也是一种情况。为了计算峰值感应水平当机器处于扭曲的电源电压条件下工作，可以使用公式2来表示。
研究表明，感应电机磁化损失的与谐波幅值和相位角的函数有关。感应电机的磁化主要是由于外加电压的作用。对于五分之一次谐波的相位角为0，平均电压较高，参照相同失真度。如果谐波相位在相里面，从而降低整体效率，将导致增加的磁化损失。
B．异步启动永磁电机的磁化损失
对一个异步启动永磁电机连续加载，峰值感应是一个永磁体的特性功能，气隙线和定子磁动势。由于在定子磁动势的是机器的负载率的函数，得到的感应是装载率函数。用于同步机的建模，它是常见的做法是使用戴维南等效方案。然而，诺顿等效法已经用来表明相互作用的定子和转子磁动势。
图2 异步启动永磁电机诺顿等效方案
是与定子磁动势电流等效，等价于导致励磁电流产生的磁动势。由此产的磁动势决定了产生的感应水平和由此引起的电压[V]。感应电压和电压降超过定子漏电感XS的组合。
在异步启动永磁电机中，其感应水平将功能线性的加载，这是由于一个事实，即在永磁电机工作的第二象限的磁化特性。当永磁电机试图保持在退磁特性的第一部分。（图3）这样做是为了防止磁铁永磁。随着定子磁动势减小，感应会根据回复线性增加。
图3 永磁特性
当给异步启动永磁电机提供一个电压畸变，电压平均值将发生变化。由于增加的平均电压定子减少消磁，将导致磁动势的整体下降。磁动势在一个较高的峰值感应的减少将导致磁化损失增加。
通过之前的部分得出结论，关于磁化损失，感应电机和异步启动永磁电机是相似的。
C.感应电机的转矩
当一个扭曲的电压被施加到感应电机，添加附加力矩，如果加以分析发现感应电机的扭矩生产，则确认产生线性感应。这个假设是有效的，因为事实上，它具有一个小的磁滞带和足够的磁性材料构成的，以此来减少磁化损失。
事实上，线性感应可以假定，在计算一个感应电机的平均转矩的时候，为其提供一个电压畸变。由于线性化影响，产生的单独的谐波的转矩可以彼此独立的计算，因此谐波转矩的谐波作用，从而允许该操作。
为了使得感应电机产生转矩，电流不得不随着转子流动。因此，转子旋转机械速度应与机器内的磁场的同步速度稍有不同。对于参数值，通常称为滑动值，是指机械旋转速度和基本磁场的旋转速度之间的差异。由于感应电机的谐波含量和转子的实际机械速度之间的差异，引起了转子的感应电流的频率。
如果是转子的机械速度，是电气调速，是极对数，是同步速度：
在转子的感应电流谐波的频率是在参考这些谐波磁势场的转子相对运动功能。
在这个表达式中，k不仅表示出了谐波的顺序，也表示了该领域的序列。如果k等于1，
通过方程4中获得得到6 s的值。如果k等于-1，等于7和6 s的值。如果k等于0，可以得到s的基本值。此前表示五分之一次谐波产生反磁场从而破坏力矩电动机运行。七分之一谐波产生直接磁场。
感应电机在一个五分之一和七分之一谐波电压畸变情况下会产生不同的频率。因此，不同的谐波之间没有相互作用，这也证实，如果谐波相位角的失真被改变，这将不会影响注入的转子电流的频率。虽然谐波磁场和电流的相同的顺序将产生基本的转矩，它可以显示，换档的谐波电压的相位角不影响平均转矩。
D.减小异步启动永磁电机的转矩
如果给一个异步启动永磁电机提供电压畸变，平均转矩是源于永磁的同步转矩和由于电源电压较高频率的异步转矩的结合。
在一个异步转矩值为s不等于0，一个同步转矩值为s等于0的情况下，异步启动永磁电机提供的纯正弦波的s值等于零，因此没有感应电流在转子内。相比之下，异步转矩是由于电流更高的频率，有一个较高的频率旋转。当一个电机，无论是感应电机还是异步启动永磁电机，被提供一个畸变电压，谐波磁势的会在转子产生谐波电流。
在估计平均转矩时面临的主要问题是，一个傅里叶变换不能用于一个异步启动永磁电机的案例。傅里叶变换仅在线性函数时有效，这符合标准方程5
f(a b) = f(a) f(b) (5)
根据回复线方程7，LSPMM的感应水平可被线性化，如图所示（图3）。然而，公式7不符合公式5规定的标准，因此常用的傅里叶变换不能用于分析磁动势和感应的相互作用。后者意味着，供给电压的谐波含量，将与基本的感应水平和基本转矩相互作用。如前面所述，由于谐波的内容将改变这，将影响同步转矩，但它也会影响异步转矩。简单的分析方程不能被导出来计算谐波电压畸变对平均转矩产生的影响。
E.对于不同的异步启动永磁电机谐波相互作用
电网电压畸变率不单频失真，因此第五和第七次谐波电流在转子产生不同的。公式4。由于皮肤效果要计算谐波分量额外的损失时，可以得到在感应电机的情况。
对于异步启动永磁电机转子与基频同步旋转这意味着，对于五分之一次谐波，k等于1，和七分之一次谐波，k等于- 1，相同的频率被诱导。如果想估计由于谐波失真的第五和第七谐波，不能单独审查的额外损失。
四．提供一个扭曲的降额电压
提供一个扭曲的电源电压效率时，给出几个参考标准，分析异步启动永磁电机和感应电机所受的影响。
VH是每对引用的基本电压幅值谐波阶H电压大小单位价值。注意到方程7中没有的独特的谐波相位参考是必要的。对于一个给定的效率在正弦波条件下，提供扭曲的电压降低效率可以用方程7中得到的估计结果。
当降级效率，DF降额因子功能是在正弦波条件下的效率。通过实例可以得知，第五谐波失真是通过计算得到相应的DF为0975，通过计算得，效率降低为百分之86。
五、测量
A. 测量的目标
进行测量分析谐波电压畸变对异步启动永磁电机和感应电机的整体能源效率的影响。通过现有的降额的方法对这些测量结果进行比较和匹配。
为了防止不同谐波交叉，在基本波形添加只有一个单一的谐波失真。高次谐波的产生对磁场的影响较小，因此，对旋转磁场影响最大的谐波是第五次谐波。
根据参考文献对样机的效率进行了测量。通过直接测量输入输出功率，在稳态条件下测试机器的工作效率。当直接使用方法时，通过输出转矩和电机的速度来衡量，以确定机械输出功率。测量电机的输入功率时，效率是输出/输入功率的比例。
在第一次测量是在纯正弦波控制的条件下完成的，第五次谐波被添加到基本的波形中，从8%，10%，12%至15%的幅度提高，这是在相位和反相位。对异步启动永磁电机和感应电机进行测量。
B. 设置
图5显示了一般的测试设置。实验1是一个架4KW 50Hz DOL 1M EFF 2额定转速1440 rpm和额定输出扭矩26.7牛米的标准
这是异步启动永磁电机的架子与额定转速为1500 rpm，额定输出扭矩为25NM的DC。装载机22KW直流电机在速度限制转矩闭环控制的应用。
图五 测试装置
电压源是免费的可编程的电源，其额定功率为240KVA。用于测量电机输入功率。直接测量在内部并联一个电流30apeak电流范围。速度是用于直流电机闭环转速测量。
C. 测量
图6 提供一个电压畸变
表1 感应电机在额定载荷时效率的绝对值
表二 异步启动永磁电机额定负载的绝对值
D. 测量的评价
虽然两台机器的绝对效率的变化对于扭曲电压的函数是很重要的，在这项研究中，提供一个纯粹的正弦波电压的绝对效率是被用来作为参考。因此绝对效率得测量和验证。测量感应电机的效率是在额定负载是87.5%符合规定的条件下进行的。在测量异步启动永磁电机的额定负载，测量效率为百分之93,符合相应的制造商的数据。
感应电机的测量数据如表所示，表明效率降低的谐波幅度增加。第五次谐波的移相角对谐波损耗的影响不大。这一事实表明，额定负载的定子的磁化损失是轻微的损失。当以局部加载的磁化损失成为占主导地位的损失和谐波相位角的影响，如图6表示。
异步启动永磁电机的评估结果如表二所示，效率也随着谐波幅度的增加而减小。谐波相位角对整体效率有明显的影响。如果谐波相位角是在反相位的一般趋势是效率是高于相同的谐波含量的相位角为0。
第五失真率减小导致感应电机和异步启动永磁电机的效率最大降低为1.5% 和1.2%。以往的评价证实异步启动永磁电机的谐波电压相对于感应电机更敏感。然而，如果绝对效率进行了评价，异步启动永磁电机仍然是更有效的。
对于一个异步启动永磁电机不仅谐波幅度增加。额外的测量也为第七次谐波，结果列于表四
E.比较好的方法
在本文的第一个目的是，提供一个电压畸变，评估异步启动永磁电机的效率。感兴趣的话题是，如果规范减免方法，提供电压畸变也适用于感应电机。感应电机和异步启动永磁电机的参考效率是用来估计效率的降低，并作为解释计算结果，然后对测得的效率进行比较。完整的分析总结在表三。
表三 感应电机
表四 异步启动永磁电机降额五分之一后的额定载荷
表五 异步启动永磁电机谐波降额七分之一后的额定载荷
当计算降低的效率，与实测效率进行比较，相对低失真率高达10%。对于高失真的计算效率实际上是低于测量效率。一个可能的解释是，样机由于定子漏磁引起谐波衰减，可以预计到更占主导地位的小功率发动机的额定功率。对于较大的电机，由于定子漏感引起的阻尼较小，整体的减少将更加明显。机器的额定功率不同，降额方法应该是有效的，它不包括这种阻尼效应的定子漏感。
异步启动永磁电机的估计的效率与实测效率相比，差异明显。对于第五次谐波失真，实际效率总是低于估计效率。计算中没有考虑到相位角，导致了一个大的误差。
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