一种降低感应电机开关频率振动的方法

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利用带电容器的辅助绕组来降低感应电机开关频率振动的研究

摘要：电力电子器件的开关动作会引起由逆变器供电的感应电机中产生高频电流、磁场、振动和噪声，这些高频分量的频率集中在开关频率及其倍数。为了削弱高频磁场，增加带电容器的辅助绕组是减少高频振动的有效方法。为了分析添加电容器辅助绕组的减振效果，本文对该方法进行了系统理论分析。考虑定子主绕组和辅助绕组之间的互感，提出了带辅助绕组感应电机的精确等效电路。推导的电动势传递函数及其频率响应用于解释这种方法对电机振动的影响。为了验证分析的正确性，对两台具有不同辅助绕组布置的感应电机样机进行了测试。

引言

随着人们生活质量的提高和科技的不断发展，对电气装备的噪声振动要求越来越苛刻。电机作为传动装置中应用最广泛的装备之一，减小其振动噪声一直都是研究的热点。

国内外学者对由逆变器供电的感应电机系统产生高频振动进行了许多与之相关，有价值的研究工作。本文主要详细研究了感应电机定子上加入带电容的辅助绕组来降低振动的方法，提出了等效电路模型，讨论了电容选取优化问题。为了验证分析的正确性，设计了两台具有不同辅助绕组布置的感应电机样机，并进行了样机测试。

PWM引起的高频振动分析

SPWM调制的三相逆变器将直流电压转换为可变压变频的交流电压，向感应电机的定子主绕组供电。开关频率附近的高次谐波包括：fc，fc±2fr，2fc±fr，2fc±3fr，3fc，3fc±2fr，3fc±4fr，其中fc为载波频率，fr为调制波频率，如图1(a)所示。为了减少由气隙中高频谐波主磁场引起的高频振动，如图1(b)所示，可将与电容器串联的辅助绕组添加到感应电机的定子中来削弱高频谐波磁场，并且不会影响用于能量转换的基波磁场。

感应电机的供电方式和绕组连接方式如图2所示。在50Hz工频下，带电容器的辅助绕组阻抗非常大，此时辅助绕组相当于开路，对电机的正常运行没有影响。但在开关频率附近，带电容器的辅助绕组的阻抗非常小，带电容器的辅助绕组为高频谐波分量提供了通道。因此，可以减少气隙中的高频谐波磁场。定子主绕组和辅助绕组均位于具有相同极性的定子槽中，但它们之间没有电气连接。

图1 PWM引起的高频振动

图2 感应电机的供电方式和绕组连接图

从磁场的角度来看，由于定子主绕组和辅助绕组之间的强磁耦合，由PWM供电的定子主绕组中高频分量产生的可变高频磁场在辅助绕组中产生高频感应电动势。由于辅助绕组的阻抗很小，辅助绕组中会产生具有去磁作用的大电流，因此辅助绕组电流的去磁作用会削弱气隙中的高频磁场，高频振动将减少。

带辅助绕组感应电机等效电路的分析

电机漏感会导致电机性能恶化，例如，功率因数低。在电机设计过程中应始终减少漏感。但当感应电机受变频器供电时，漏感可以减少高频谐波。感应电机的漏感可包括谐波漏感Lδ、槽漏感Lu、齿尖漏感Ld、端部绕组漏感Lw和斜槽漏感Lsq。转子绕组漏感主要包括转子槽漏感和笼型绕组短路环的漏感。

由于定子绕组和辅助绕组在同一槽中，具有相同的极性，因此定子主绕组和辅助绕组之间存在相互漏磁ΦMσ。互漏磁通主要由谐波互漏磁通、齿尖互漏磁通、槽隙互漏磁通和端部绕组互漏磁通组成。这些互漏磁通产生互漏电感Mσ。

三相感应电机的电磁关系如图3所示。气隙磁动势F0由定子主绕组磁动势Fs、辅助绕组磁动势Fa和转子绕组磁动势Fr合成。气隙磁动势产生气隙磁通密度B0。定子主绕组漏磁Φsσ可分为自漏磁Φsσ’和互漏磁ΦMσ。辅助绕组漏磁Φaσ也可分为自漏磁Φaσ’和互漏磁ΦMσ。得到的感应电机等效电路如图4和图5所示。

图3 三相感应电机与辅助绕组的电磁关系示意图

图4 感应电机等效电路

图5 感应电机解耦等效电路

由于转子电阻太小，可以忽略不计。简化后的等效电路可表示为图6，

图6 简化后的感应电机等效电路

假设：

其中，Lsu是定子绕组的槽漏感，Lsw和Law分别是定子绕组和辅助绕组的端部绕组漏感。由图6可以看出，当电路频率较低时，辅助绕组支路是电容性的，并且辅助绕组支路可能与其并联支路L1产生并联谐振。此时，并联等效阻抗较大。根据电路分压原理，感应电动势将很大，电机的振动将增加。此时最差电容可以表示为：

随着频率的增加，当辅助绕组支路为中性时，即电容Ca’电感L2产生串联谐振，辅助绕组支路的阻抗最小。根据电路分压原理，感应电动势应最小。因此，最佳电容可以表示为:

实验验证

为了有效验证等效电路的准确性和采用带电容的辅助绕组对高频振动减小的正确性，设计了两台感应电机样机A和B，绕组排列如如图7(a)所示，样机参数如图7(b)所示。

图7 感应电机样机

样机带辅助绕组和不带辅助绕组的测试电流波形如图8到10所示。图8和图9对比可以发现，样机带辅助绕组后的电流中产生大量谐波电流。通过图10的局部放大后，可以看到：辅助电流仅包含高频谐波及其振幅小于0.5A；高频分量的相位关系是定子电流与辅助电流相反，定子电流高频分量的幅值为与图10中的辅助电流相同。因此可以减小定子中高频磁场，从而减小高频振动。

图8 不带辅助绕组的样机测试电流波形

图9 带辅助绕组的样机测试电流波形

图10 局部放大的带辅助绕组样机测试电流波形

图11和图12分别给出了样机A和样机B不带电容和带电容0.01μF~10μF下振动加速度分析结果，可以看出由逆变器供电的感应电机振动主要来源于开关频率及其倍数下高频分量谐波。样机A和样机B振动最小时对应的电容分别是4.7μF和0.1μF，这与上面用电容公式计算出的最优电容值5.066μF和0.099μF是相吻合的，相比于不带电容下的样机，振动加速度分别减少了54%和40%。