[发明专利]一种计及谐波条件下的变频电机铁耗快速计算方法

说明书

本发明公开了一种计及谐波条件下的变频电机铁耗快速预测模型建立计算方法及模型，属于交流电机损耗分析及计算领域，该方法以分段变系数模型为基础，将分段变系数模型中的磁密和频率变量用电压和转速变量替换，并通过分段变系数的方式计及了变频器输出谐波电压对电机铁耗的影响，处理精度高，能够为变频器和电机整体损耗最优控制提供理论支撑。本发明提出的铁耗模型，不仅适用于普通异步电机损耗分析，也可以用于永磁电机、开关磁阻电机及其它类型电机。

技术领域

本发明属于交流电机损耗分析及计算领域，具体涉及一种计及谐波条件下的变频电机铁耗快速计算方法及模型。

背景技术

随着变频驱动技术的发展，为变频调速需要，现在感应电机大多用PWM电压源型逆变器进行驱动。变频电机的电机和驱动电源一般是高度集成的，这使得驱动电源的谐波成分对整个电机系统损耗均有较大影响。快速准确的计算变频电机铁耗，对提出整个电机系统降耗措施有很大帮助。但是，PWM逆变器输出电压中含有大量的高次谐波成分，这使得快速计算感应电机的铁耗变得非常困难。为有效控制电机和变频器整体损耗，有必要提出一种计及谐波条件下的以变频器输出电压为变量的快速铁耗快速预测方法。

在电机设计阶段，为计算电机铁耗，有大量的铁耗计算模型可供工程师选择。这些模型中很大一部分是从Steinmetz方程中推导出的；随后，Jordan根据铁耗产生的原因不同，对Steinmetz方程做了改进，将电机铁耗分为磁滞损耗和涡流损耗两项，提出经典两项式铁耗模型(经典铁耗模型)。在经典铁耗模型中，磁滞损耗与低频时的磁滞回线的面积成正比；涡流损耗可根据Maxwell方程求出。然而经典铁耗模型对铁镍(NiFe)合金的铁耗预测的较精确，而对铁硅(SiFe)合金的铁耗预测精度较差；另外，经典铁耗模型的精确度在电机铁心磁密及频率较低时才能保证，在磁密及频率较高时(磁密大于1.2T或频率超过400Hz时)不适用。为了考虑谐波磁场对感应电机定转子铁芯损耗的影响，文献“张冬冬，赵海森等.用于电机损耗精细化分析的分段变系数铁耗计算模型[J].电工技术学报，2016，31(15)：16-24.”和“张冬冬,郭新志等.基于DFT的感应电机转子谐波磁通密度高效分离方法及负载条件下变频电机转子铁耗特性[J].电工技术学报,2019,34(01):75-83.”提出一种变参数铁耗计算方法，该方法以传统铁耗计算模型为基础，增加两个磁密或频率的方程项来计及谐波磁场和材料的饱和特性，另外，为了提高模型的适用性，该模型的主要参数均是随磁通密度变化。现阶段铁耗计算最精确的手段一般是基于有限元方法的。基于有限元方法的铁耗模型一般将铁耗表示成磁密与频率的函数，然而，磁密量在实际电机系统中是很难获得并调控的；另外基于有限元的方法铁耗模型的计算量通常是基于解析方法铁耗模型的成千上万倍，这给实时获得电机的铁耗带来了困难。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种计及谐波条件下的变频电机铁耗快速预测模型建立计算方法及模型，该方法以分段变系数模型为基础，将分段变系数模型中的磁密和频率变量用电压和转速变量替换，并通过分段变系数的方式计及了变频器输出谐波电压对电机铁耗的影响，处理精度高，能够为变频器和电机整体损耗最优控制提供理论支撑。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明公开的一种计及谐波条件下的变频电机铁耗快速计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)以分段变系数模型为基础，将分段变系数模型中的磁密和频率变量分别用电压和转速变量替换；

2)通过分段变系数的方式计及变频器输出谐波电压对电机铁耗的影响，构建得到铁耗计算模型；

3)利用步骤2)构建得到的铁耗计算模型计算变频电机铁耗。

优选地，步骤1)中，所述模型包括变频电机定子铁耗模型和变频电机转子铁耗模型。

优选地，步骤1)中，将分段变系数模型中的磁密和频率变量分别用电压和转速变量替换，具体如下：