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摘要：本文以异步电机变频系统为研究对象，从理论上分析了电机变频系统的电机损耗和变频器损耗的组成，以及损耗的影响因素，介绍了各部分损耗与载波频率的关系，并对系统损耗进行效率优化分析。
关键词：变频系统；载波频率；损耗
1异步电机变频系统损耗
异步电机变频系统的损耗主要包括两部分：电机损耗和变频器损耗。因为变频系统的效率与系统的损耗有关系，所以提高系统效率的唯一途径就是减少系统的损耗。
1.1 电机损耗分析
对于这小型异步电机来说，电机的铜耗占主要地位，而且铜耗的大小与流过绕组的电流大小、绕组的组织和温度紧密相关。绕组温升超过允许的阻值，会影响电机的使用寿命，而且铜损耗增加，效率也会降低。1）铜耗是由电机定转子绕组有电流流过时而产生的损耗，分为定子铜耗和转子铜耗两个部分。定子和转子铜耗也被称为电机的负载损耗，而铜耗取决于负载电流大小和绕组的电阻值。因此在设计和制造异步电动机时，可以通过减少空载电流和绕组电阻，并提高异步电机的效率和功率因数来达到减少铜损耗的目的。2)铁心内的损耗包括基本铁耗和附加铁耗两个部分，基本铁耗是铁心内由交变磁场所引起的磁滞损耗和涡流损耗，附加损耗则是由于铁心开槽在其铁心内中所产生由气隙磁导谐波磁场引起的损耗，空载运行时因其附加损耗很小可以忽略。（1）磁滞损耗:铁磁材料在交变的磁场中，其内部磁畴会来回翻转，以使其与外磁场的方向一致，这样彼此之间的摩擦就会产生损耗，称为磁滞损耗。磁滞损耗与铁心体积、交变的磁场频率和磁滞回线的面积成正比关系。（2）涡流损耗:涡流损耗与磁场交变频率的二次方、硅钢片厚度的二次方和磁密幅值的二次方成正比的关系，与铁心的电阻率是反比的关系。为了减少损耗，除了在电机的制造上，可提高铁芯的质量、降低磁通密度的不均匀性、硅钢片选用优质的和降低单位铁损外，还可以通过降低异步电机的端电压或者降低气隙磁链的方法降低铁损。实际上，根据具体的负载情况，可以采用适当降低气隙磁链来降低异步电机的铁损耗，实现节能控制。3)机械损耗包括电动机的转轴和轴承之间的摩擦引起的损耗及通风系统的损耗等。减少机械损耗的方法是调高风扇性能，电机专用轴承选用低噪音和高精度的，来改善电机本身的装配质量。4)杂散损耗也称为附加损耗，杂散损耗是由异步电机的定子角频率与负载转矩决定，即杂散损耗与异步电机的实际工况有密切的关系。异步电动机的杂散损耗与设计的假定值差异很大；同系列、同容量电机的杂散损耗，分散度也较大。
1.2变频器损耗分析
变频器的损耗主要包括制冷风扇、控制部分损耗、驱动部分损耗和电力电子器件本身的损耗，变频系统的电子器件大部分是以 IGBT 为主，只有 IGBT 的损耗是可变的，其他几部分损耗不变，IGBT 的损耗对变频器的损耗影响比较大，IGBT 的损耗主要就是管子的导通损耗和关断损耗。IGBT 的导通和关断是有一个过程的，不是瞬间完成的。IGBT 导通一次和关断一次的损耗曲线如图1-1和图1-2所示：
由图1-1和1-2所示可知，导通损耗和关断损耗与集电极电流和 IGBT 的工作温度紧密相关，在相同的集电极电流和 IGBT 的工作温度下，关断损耗要比导通损耗偏大，这是由于在电流下降的第二阶段比较缓慢，使电流下降时间偏长引起的缘故。集电极电流越大、IGBT 的工作温度高，开关频率较高，IGBT 就会有更大的损耗。
2 系统损耗与载波频率的关系特点
异步电机变频系统的损耗即电机和变频器的损耗，其损耗的大小与载波频率有直接的关系。当载波频率越低时，电流波形中的谐波含量就比较大，这样各次谐波叠加在一起，就会使电机电流的总有效值增大，电机的集肤效应也会越严重，使电机的铜耗和铁耗增加；当载波频率越大，电机的振动很小，运行时噪音较小，电机的电流波形更接近于正弦波形，谐波含量小，铜耗、铁耗的增加会减少，但附加铁耗受载波频率影响较小，铜耗受载波频率影响较大，可以看出，电机总损耗随着载波频率的增大呈下降趋势；而理论上随着载波频率的增加，变频器的损耗就会增大，其关系曲线近似于一条直线。而且变频供电时，含有谐波的相电流有效值高于基波相电流有效值，如果提高载波频率，则幅值较大的谐波分量将朝着频率增大的方向移动，谐波电流有效值将减小。谐波电流在定、转子铁芯中产生的附加铁损耗与谐波电压分量的幅值成正比，与谐波次数成反比，提高载波频率后，幅值较高的电压谐波分量将向频率增大的方向移动，则谐波铁损耗相应减小。谐波电流产生附加杂散损耗与谐波电压分量的幅值成正比，与谐波次数成反比，提高调制频率后，幅值较高的电压谐波分量将向频率增大的方向移动，则附加杂散损耗将减少。系统各部分损耗和载波频率的关系如图 2-1所示。
3系统效率优化
异步电机变频调速系统效率的优化即调速系统效率最大值点的寻找，而最大值点即系统总损耗的最小值点，理论上存在于系统不变损耗和系统可变损耗的相等点。因此系统优化的方法是，首先将系统各部分的不变损耗和可变损耗进行划分，然后得出不变损耗和可变损耗的各自特性，不变损耗特性和可变损耗特性的交点即为不变损耗和可变损耗相等点，即系统效率的最大点。在实际应用当中，首先根据对系统进行仿真计算找到理论的效率最大点，然后根据变频器载频段的范围进行实验测试，修正理论的仿真计算结果，确认实际的载频频率具体值，以达到系统运行效率的最大化。对于特定的负载条件下，例如半载，轻载效率优化的方法与满载的优化方法类似，进行不变损耗和可变损耗划分之后，再寻找效率最大点。
当电机处于轻载或者非满载的情况下运行时，转速和负载转矩在一定的条件下，随着电机定子电压的减小，又因磁通和定子电压近似成正比关系，所以伴随着磁通的减小，励磁电流也会减小的，使得铁耗和由励磁电流产生的定子铜耗也会随之降低；但是在励磁电流减小的同时，为了维持系统转矩的不变，使得转矩电流增加，从而使得电机的铜耗升高。如果电机定子电压大大降低的话，虽然铁损很小，但是由于转矩电流的增大而导致在转子和定子中产生的铜损会明显增加。如果不考虑磁通饱和的条件下，无论电机处于轻载还是在重载的条件下，对于某一给定的转矩、转速运行点，存在一个使电机的总损耗最小时的最优定子电压，使得电机的铁耗和铜耗达到某种平衡，从而达到系统运行的最优效率。由于电机的参数不同，对电机变频系统的损耗也是有一定的影响的。对于通用的中、小型电机而言，通常在负载率为 80-90%范围，系统的效率达到最高，当负载率进一步提高至接近额定负载时，电机的效率反而会降低，因此不同参数及不同大小电机，效率的优化要跟据各自特点具体处理。
4结语
本文针对异步电机变频系统进行了仔细的分析研究，为了达到节能的目的，分析了系统损耗与载波频率的关系，并结合理论和实际应用对系统进行效率优化，提高了电机变频系统的效率。
参考文献:
[1]柯岩.变频器谐波对电机效率的影响分析[J].电力学报，2010，25（3）:221-224.
[2]张立伟.电动汽车用异步电机系统效率优化控制研究[D]. 北京:中国科学院电工研究所，2006.
论文作者:田增明
论文发表刊物:《电力设备》2017年第6期
论文发表时间:2017/6/13
标签：电机论文; 谐波论文; 系统论文; 载波论文; 电流论文; 频率论文; 效率论文; 《电力设备》2017年第6期论文;