关键词：铁损；异步电机；同步调制策略；低开关频率

Abstract: On the basis of separate Bertotti iron loss calculation model ,combining the motor iron losses by sinusoidal voltage supply, a calculation model of the asynchronous motor loss calculation model fed by PWM inverter, the model mainly reflects the relationship between the motor iron losses and inverter parameters. In high power and low switching frequency of the railway system, using the above model further analysis and summary of the iron loss under constant flux and constant power changing with the operating motor’s frequency and inverter parameters.This paper studies the lower switching frequency synchronization modulation strategy for the influence of the motor iron losses, with a 7.5 kW motor iron losses calculation, and verifies the effectiveness and feasibility of this model, provides a reference basis for the high power traction driving system of motor efficiency research .

Keywords: Iron losses; Asynchronous motor; Synchronous modulation strategy; Low switching frequency 

【中图分类号】TM343 【文献标识码】B  【文章编号】1561-0330（2018）05-0000-00 

1 引言

相关资料显示，电机的效率每提高一个百分点，可以节省几个小型水电站的发电容量 。在中国高铁迅猛发展的每个步伐中，提高牵引电机效率成为国内外研究电机领域的热点 。对于牵引电机效率的研究，需要从笼型异步电机的损耗出发。在研究异步电机高性能变频控制领域，脉宽调制技术是牵引逆变系统核心控制技术之一，由于变频器供电电源非正弦的性质，严重导致电机内磁场波形畸，故而需要深入分析异步电机主磁路饱和与铁损等非线性因素 。有实验数据表明，采用PWM供电时，电机铁耗比正弦供电时高出20%左右 。目前，诸多文献已对PWM逆变器供电下电机铁心损耗进行了相关的研究。文献 采用有限元法计算PWM供电时的电机铁心损耗，计算比较精确。在计算应用过程中，因为有限元法的边界条件很难明确，且前后期处理比较复杂，下硅钢片损耗的计算模型的基础上，着重将调制比、载波比与损耗结合起来分析研究，并且建立了在PWM供电时铁心损耗与标准正弦供电时的损耗之间的数量关系，体现了较好的工程应用价值。文献 提出了一种计算非正弦供电时的高速变频电机铁耗的方法。虽然该方法与有限元法计算结果的比较表明,具有较高的精度，然而在求取谐波磁场在电机不同部分的磁通密度时，计算复杂，不是很方便。Boglietti等人经过研究将常系数三项铁耗模型整合为两项式铁耗模型，主要是在分析电压波形求出其特征参数，来求取PWM供电下的损耗 。文献 在常系数三项式模型的基础上，提出了变系数三项式模型。该模型的三项损耗变系数是利用电机铁芯损耗的实验数据曲线拟合得到的，计算过程繁琐。

本文在推导PWM激励下铁耗计算的基础上，建立了调制系数、频率与铁耗之间的关系，更深一步地分析与总结了恒磁通和恒功率下铁损随调制系数与运行频率的变化规律，着重研究了低开关频率下同步调制策略对电机铁耗的影响，并以某7.5kW的异步电机为例做了相应的计算与对比分析。

2 PWM逆变器供电下电机铁损计算模型

2.1 正弦激励下铁耗分析与计算

根据Bertotti建立的铁耗分离计算模型，铁耗由磁滞、经典涡流和异常涡流三个分量组成 ：

由式（5）可以看出，在磁通密度一定的条件下，异步电机铁耗，随着频率的增加而增加，并呈现2次曲线关系；在频率一定的条件下，异步电机铁耗，随着磁通密度的增加而增加，并呈现2次曲线关系。

可见，恒转矩段（恒磁通密度），异步电机铁耗，随着频率的增加而增加；恒功率段（降磁通密度），随着频率的增加异步电机铁耗增加；而随着磁通密度的降低异步电机铁耗有降低的趋势。

随着运行频率的增大，集肤效应不可忽略。文献[9]中，Aldo Boglietti在涡流损耗计算中添加集肤效应的影响系数，这样便可以更准确计算高频下的损耗，改进后的模型如下：

分析（17）式可得，随基波频率增加，恒电压条件下磁通密度减小，即在恒功率条件下铁损随基波频率增加而略有减少。

3 低开关频率下SVPWM调制策略

电力交流传动系统，电机启动时处于低频率区，考虑到对逆变器开关频率的充分利用以及负载电流谐波的降低，通常在低速区选择异步PWM技术。在列车恒牵引力输出的中高速区域，随着载波比的减小，高次谐波含量会大幅度增长，此时会采用同步PWM调制。在恒功率阶段，电机的运行频率已经较高，同时逆变器开关器件的通态电流较大，一般选择方波控制技术来控制逆变器。此外，牵引电机的调速范围大，最高输出频率可达200Hz，故而逆变器的开关频率与调制波基波频率的比值，即载波比的变化范围较大。

5 结论

通过建立PWM逆变器供电下硅钢片损耗的计算模型，从数量上直观地表达逆变器参数与电机铁损之间的关系，为低开关频率下异步电机铁损的研究提供了有效途径，可以对PWM供电下电机铁心损耗做出预算，在大功率牵引传动系统电机降低损耗的研究方面具有一定的参考价值和技术支持。

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