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电源电压畸变对线启动永磁电机能源效率的影响
Colin Debruyne, Peter Sergeant, Stijn Derammelaere, Member, IEEE,
Jan J. M. Desmet, Senior Member, IEEE, and Lieven Vandevelde
摘要：类似于标准三相直接联机感应电动机是易受电网电压畸变影响的三相线路启动永磁机器。虽然标准鼠笼式异步电动机以LSPMMs谐波损耗机制简单改编似乎是适当的，本研究将表明，感应电机的谐波损耗计算对于给电源电压失真对LSPMMs的影响作出准确的或者甚至是合理的估计是不合适的。本研究将具体地解决转子诱导谐波电流的相互作用。有限元建模被用来解决电源电压畸变在LSPMMs隔离损耗上的影响。有限元建模（FEM）分配大部分谐波损耗到转子上，并且展现在与第五和第七顺序相同幅度的叠加供给失真之间可以实现转子减少30%损耗和0.5个百分点的整体能源效率。这个结果由有限元建模得到是通过实际测量验证了的。
关键词：能效，有限元法，异步电动机，磁损耗，永磁机，电动质量，电力系统的谐波，同步电动机
I.简介
研究证明减缓供电电压失真可以实现为DOL节省大量能源。至于总电能的90%被感应电机分配，很明显几乎所有的研究关于关注供电失真对发动机效率的影响尤其对于IM。三相线路启动永磁机经常被推荐作为一种实现IE5效率的同时还符合标准的框架尺寸和维护DOL能力的可能性。如果LSPMMs要成为一个标准IMs的实际的替代品，电压异常对它们总体能源效率的影响应该计算出来。即使最初的工作已经发表了对电压不平衡在LSPMM能效上的影响的效果评估。
收稿于2013年5月3日；修订于2013年7月18日；公认于2013年7月22日。发布日期2013年8月7日；当前版本日期2014年3月17日。论文2013-EMC-203，R1,发表于2013年IEEE国际电机与驱动大会，芝加哥，伊利诺伊州，美国五月12-15，并且由IEEE的电机委员会工业应用学会批准在IEEE交易刊登。
作者在电气能源实验室（ILAB），电力部门，系统及自动化（EESA），根特大学，9000比利时根特（电子邮件: colin.debruyne@ugent.be; Peter.Sergeant@UGent.be; stijn.derammelaere@ugent.be; jan.desmet@ugent.be; Lieven.Vandevelde@UGent.be）。
更多版本数据在网站http://ieeexplore.ieee.org.备用。
数字对象标识10.1109/ TII.2013.2277593对作者的学识。此前没有第三方研究机构进行关于电源电压畸变对LSPMM效率影响的研究。
LSPMMs与IMs密切相关，它们共享相同的定子绕组布局。除了相当类似的永磁转子构造被关注以外，二者都是根据to the IEC60034-7 [7], [8].制造出来的。所以，一眼看上去IM的谐波损耗机制直接适用于LSPMM似乎是适当的。标准IM的谐波模型通常假定非饱和状态，随后忽视供点电压失真在铁损上的次要影响。在[11]里，通过测量已经显示出谐波的相位内容显然影响饱和并因此造成SPMM的全部损耗。作为抽象的铁损在为LSPMM计算谐波损耗的情况下将不再有效，这早已表明用IM模型对SPMM翻译谐波的不准确。此外，LSP的基本上是同步电机和同步操作导致由个别定子谐波感应转子谐波的特异性相互作用。因此，[11]已经暗示了转子引起谐波相互作用的可能性，并且因此[12]通过测量验证了这个假设。由于谐波电压畸变影响一个LSPMM多个组件的损失，应该对隔离损耗进行一个评估。定子和转子铜损的分析发表在II-A和B部分，供电电压失真对铁损的影响发表在II-C部分，与机械和杂散负载相互作用的损耗发表在II-D部分。对于电源电压失真相关的各个部件的相互作用的分析评价应该由测量来验证。然而，如果在纯正弦波电源隔离损耗要测量一个标准的IM，并相应地评估，研究参考IEC60034-2-1，间接测量[13]，[14]。在[2]里，它早已表明的是，由于技术限制即使在正弦波电源，使用IEC60034-2-1方法的评估对LSPMM损耗隔离也是被禁止的。降低电压测试是不适用的，因为永磁波动会导致过多的定子电流。虽然第五节的测量验证电源电压畸变造成了整体能效降低，在隔离损耗的空白评估以备用有限元建模（FEM）的方法解决电源电压畸变在第四节。
作为测量被测设备同时进行有限元法的是一个市售4kW的LSPMM。相应的电动机结构参数列于表Ⅰ中。[11]和[12]中的测量用来验证第七节中通过有限元建模得到的结果。
表I
4kW的LSPMM施工参数
II.电源电压畸变相关的损耗隔离的评估
所提出的研究将集中与电源电压畸变相关的LSPMM的DOL操作的能效。本文所评估的畸变被限制为350Hz这是远低于2kHz的限度，或者第40谐波，如[15]所示。虽然最终用户的实际电压可以额外不平衡，后者承担基波和谐波电压的平衡条件。
- 定子焦耳损
根据[9]、[10]，定子线圈当前的谐波损耗可以计算为
为定子焦耳损，为定子频率为h时的定子电阻，为定子链接到h的电流有效值。因为定子线圈一般是铜线缠绕，对低频失真来说这部分很小而且定子线圈内集肤效应的影响是微不足道的。所以（1）式可以简化为
（2）
为定子在h的电阻等于1，在失真电压参考一个纯粹基本供给的情况下电流的RMS值是更大的。所以，在非正弦电源，定子铜损与总的RMS电流的平方成正比。
B.转子焦耳损
在本文中，实施对称分量变换用于旋转电机的谐波分析，有与其有利于物理解释。为同步电机感应电流层为基本频率时的速度，为机械速度，为挂级对数。参数s为机械速度和基本同步速度之间的相对差。是定子谐波电流h推动的电流层同步转速，并且转子谐波电流的感应频率联接到转子的相对运动参考谐波电流层的速度。
通常的作法是把谐波次数表示为h=1 6k[16]；k不仅表示谐波次数，它也指示序列。如果k等于-1，一个-5的h可以得到并且得到的一个-6 s的转子诱导谐波S转子诱导谐波。如果K= 1,h= 7会得到6 s。如果k等于0，s的基本值已知。先前表明定子谐波klt;0导致一个逆序列，对于kgt;0得到一个直接序列。
根据（3）的定子谐波的相对移动在参考了转子速度当前层，可以计算
对于每个单独的定子谐波；因此，瞬时转子电流等于
其中，是链接的转子电流的RMS值到定子谐波h =1 6k和相位角的值psi;k为参考转子参考帧。类似于（1），相应的转子损耗可以根据下式计算
表示谐波转子电流的RMS值，表示在基本频率为h=1时的转子电阻值，因为6k s为转子电流的高频率，额外电压将被诱导迫使转子电流的流动
缩减部分。此效应被称为“深栏”的效果或“趋肤效应”，并被参数[17]作为每个谐波的蓝本。
假设两个不同的定子谐波导致转子谐波电流和。根据(4)计算转子的RMS电流为
表II
定子和对应的转子谐波IM和LSPMM
从（6）可以得到一些有趣的结论。
·如果sne;0, 从每个余弦函数的积分变零，k1和k2相互独立。
·因为sne;0，每个定子谐波h引起一个特定的转子频率。
·对标准IM，sne;0并且双乘积项等于零。这在本质上意味着，IM
对转子谐波损耗的叠加是有效的。正如[9]和[10]中所表明的。
然而，在LSPMM的情况下，由于同步操作，基本转子电流为零，滑值s也一样。当s=0并且k1ne;-k2，感应谐波转子电流将等于频率并且最后（6）中的积分部分将不等于零，后者可以有表二阐明。
在同步操作的情况下，某些转子引起谐波由于从定子到转子的过渡可以相互作用。s的缺失导致了定子谐波诱导转子谐波的相互作用，h=-5和h= 7由于h=-11和h= 13等。感应转子谐波电流的量值与电源电压失真有直接联系；随着h增大，供电电压失真的谐波幅值通常会降低[15]，[18]。因为谐波-5和7（对应于）, 增加的频率和所产生的定子阻抗结果在附加的阻尼[9]，[19]；所以，lt;。等式（6）可以被整合（5），得到
根据（6）和（7），可以得出以下结论。
·第二个阶段在（7）中的存在表示叠加不再在同步操作中有效。
·参照相移可以导致任一产生的电流的扩增或减轻。如果各个转子谐波电流为相等的幅度，这意味着6阶谐波转子电流加倍或完全抵消。
·相应的谐波转子损耗都等于电流的平方。如果=，谐波转子电流可以翻一番，损耗会随着因子4变化
C．铁损
当评估电网电压的当前畸变时，三重-N和偶次谐波通常可以被排除[18]，[20]。因此，只有奇次谐波在电网电压中被考虑。为了评估在机器的感应峰值，和相应的铁损，超过一半的基本周期的平均电压进行分析。在一个感应平均电压绕组，不含在定子电阻的电压降，等于终端绕组电压。超过半数时间的电压的平均值包括谐波含量可以被计算为
其中，是电动机转子的速度，等于。低阶谐波将对一个平均电压有更显著的影响，所得峰值感应，如图（8）所示。为了评价感应电压的增加或减小，和另外磁链Phi;max_h的峰值，（8）可设置它的参考值，作为正弦波条件 [10]的平均电压。（9）的比例关系是仅适用于一个线性磁性材料。
当铁损被耦合到峰值感应，因此平均电源电压时，铁损会增加，铁损将参考正弦波条件增加，如果（9）的比率高于1。虽然（9）给出了峰值感应的变化
在电源电压失真的情况下，更细致的铁损模型需要在精确的情况下确定，铁损失真的供应条件[21]。所实施的铁损模型将在第四节-B阐明。
D.机械和杂散负载损耗
机械损失，包含摩擦和风阻损失，主要由的机械速度确定。对于低失真率，LSPMM的速度是由基本电源频率固定的。因此，与机械损失有关的电源电压畸变的影响被忽略了[16]。
即使是在完美的电源电压的条件下，谐波通常是由磁的谐波失真产生力（MMF）由绕组离散成插槽。这些谐波导致了额外的转子损耗，它们通常集中在杂散负载损耗（PSLL）[22]–[25]。对电源电压谐波的影响严格分析应包括与MMF空间的相互作用，由定子绕组[16]，[17]产生的谐波。 参考
[16]表明的所有的谐波损耗的叠加，由于空间和时间谐波。FEM将表明，引起MMF失真附加转子焦耳损耗是比较小的，在正弦波供电条件下；因此，对这些损失电压谐波的相互作用不解析处理。注意电源电压畸变和MMF的相互作用的影响本质上是集成在FEM。
表三
一个IE1 4千瓦IM的仿真参数
图1.基本电气等效网络。
III.谐波转子电流相互作用的分析模型
正如II-B节中提出的同步操作转子LSPMM导致特定的相互作用的感应谐波电流。尽管实际操作在参考标准IM LSPMM不同，机械产生的谐波转子电流与标准的IM是相当类似的关系。因此,离散T形等效电路四阶整数使用Matlab仿真软件4千瓦IM模型
计算转子电流的RMS值。一个线性感应并且因此假设一个电源电压-定子电流链接和转子感应电流之间的关系。参数使用表III中所列的和模拟的，涉及到一个4KW IM IE1基本等效电路网络如图1中所示。因为铁损不影响转子诱导谐波电流的相互作用。这是仿真淘汰的。模拟同步操作,滑动s值被设置为0。
为了说明转子诱导谐波电流的影响，第五并且第七=1谐波定子电压设置成相等大小的10%，它们的相对相位偏差改变。对应的电源电压波形如图2所示。
尽管（7）里的相位角度ϕk1和ϕk2是参照的转子，定子电压叠加，更有意义的是指出定子电压的谐波相位角度。对谐波minus;5和7(对应于k1 =minus;1和k2 = 1)，（4）的角度必须转置成定子参考系按照
图2. 在该模型中执行得到的电压波形的gamma;函数。
图3.定子谐波5和7与各gamma;值引起的转子电流RMS值，对同步和异步操作。
第五次谐波的相位角被选择确定并且等于pi;，见图2.第七谐波的角度取得变量，用gamma;表示。所以(6)的角度（）变为（=pi; gamma;），表达式（7）改变为
在图3，滑移值从4％改变至0％。4％为4kW标称动作的共同的IM值和
0％的滑移指示同步操作，其中涉及到LSPMM能胜任4％，6科的RMS转子电流，
和Rr从表III，4千瓦的机械功率得到被确认。大量减少RMS电流明显的图3验证的假设，在同步运行基波转子电流是等于零。 另外，图3证实（6），如果滑移值不为零时，RMS在转子电流保持与gamma;不变，说明没有通过感应转子谐波相互作用定子谐波5和7然而，由于没有支路也导致在转子谐波由不同的定子诱导的
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