(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 110187276 A(43)申请公布日 2019.08.30
(21)申请号 201910506073.0(22)申请日 2019.06.12
(71)申请人 广东电网有限责任公司
地址 510600 广东省广州市越秀区东风东
路757号
申请人 广东电网有限责任公司江门供电局(72)发明人 刘贺 陈子辉 吴智影 刘勇浩
李辰盟 杨玺 叶伟玲 何兴华 倪惠浩 许巧云 (74)专利代理机构 广州粤高专利商标代理有限
公司 44102
代理人 林丽明(51)Int.Cl.
G01R 31/34(2006.01)G01R 23/16(2006.01)
权利要求书3页 说明书6页 附图6页
(54)发明名称
谐波对三相感应电机的运行状态影响的分析方法
(57)摘要
本发明涉及运行状态分析的技术领域，更具体地，涉及谐波对三相感应电机的运行状态影响的分析方法。本发明以三相感应电机作为研究对象，利用有限元软件建立发电机二维电磁场模型，得出了以三相感应电机的效率η为因变量，以谐波含量UHCi、气隙宽度δ、转矩变化相对值ΔT为自变量的拟合公式。可以更直观、精准的计算出电机效率，更适用于实际工业应用中。
CN 110187276 ACN 110187276 A
权 利 要 求 书
1/3页
1.谐波对三相感应电机的运行状态影响的分析方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.建立三相感应电机电磁场和结构场强耦合模型；S2.分析三相感应电机中的主要谐波成分，选择输入谐波电压；仿真三相感应电机的运行状态，获得所需指标数据；
S3.分析步骤S2得到的不同输入电源电压供电时电机转矩、功率特性，研究谐波对三相感应电机的运行状态的影响；
S4.对所得的数据进行数据处理拟合，得出相同输出容量下三相感应电机效率η与谐波种类i、谐波含量UHCi、气隙宽度δ以及转矩变化ΔT的计算公式。
2.根据权利要求1所述的谐波对三相感应电机的运行状态影响的分析方法，其特征在于：所述的步骤S1中，具体为：
S11.以三相感应电机具体结构参数建立不同气隙宽度，具有相同输出功率的三相感应电机2D电磁有限元模型；
S12.以三相感应电机具体结构参数建立不同气隙宽度，具有相同输出功率的三相感应电机3D定子结构模型；
S13.设置三相感应电机材料参数，建立三相感应电机电磁场和结构场强耦合模型，进行电磁场与结构场耦合仿真分析。
3.根据权利要求1所述的谐波对三相感应电机的运行状态影响的分析方法，其特征在于：所述的步骤S2中，具体为：
S21.对三次谐波V＝3可得：
由此可得3次谐波合成磁动势为：f3(α,t)＝fA3(α,t)+fB3(α,t)+fC3(α,t)＝Fφ3cos3α[sinωt+sin(ωt-120°)+sin(ωt-240°)]＝0
上式表明三相绕组的3次谐波合成磁动势为0，在对称三相电机中，3的倍数次谐波磁动势也有相同性质，则合成磁动势中夜不存在9、15次谐波；
S22.根据分析，影响三相感应电机的谐波主要为5，7，11次谐波；由此确定的输入电压为：
式中UHC0、UHC5、UHC7、UHC11分别为基波含量，和5、7、11次谐波含量；谐波含量UHCi为：
2
CN 110187276 A
权 利 要 求 书
2/3页
上式中Uhn为n次谐波，Urms为有效值，i为谐波种类；S23.首先输入单一谐波，分析单一谐波下的电机运行状态的影响，并比较5，7，11次谐波对不同气隙宽度，具有相同输出功率的三相感应电机影响程度；再输入多谐波作为对照组，比较多谐波与单一谐波对不同气隙宽度，具有相同输出功率的三相感应电机影响程度。
4.根据权利要求1所述的谐波对三相感应电机的运行状态影响的分析方法，其特征在于：所述的步骤S3中，具体为：
S31.首先输入单次谐波，可得仅含基波和单次谐波时三相感应电机转矩特性曲线；再输入多谐波作为对照组；根据所得的三相感应电机转矩特性曲线，在电机运行稳定后取点获取数据：
转矩平均值为：
其中为转矩平均值，T1、T2ΛTn为电机达到稳态时转矩的瞬时值；转矩峰峰值为：Tff＝Tmax-Tmin其中Tmax、Tmin为最大转矩和最小转矩；转矩变化相对值为：
上式中为转矩平均值，Tn为额定转矩；
S32.根据所得的三相感应输出功率特性曲线；再输入多谐波电压作为对照组；根据所得的三相感应电机输出功率特性曲线，在电机运行稳定后取点获取数据：
电功率平均值为：
上式中P1、P2、ΛPn为电机达到稳态后电功率的瞬时值；机械功率平均值为:
上式中P1、P2、ΛPn为电机达到稳态后机械功率的瞬时值；电机效率为：
上式中pmech为电机的机械功率，pele为电机的输入功率。
5.根据权利要求1所述的谐波对三相感应电机的运行状态影响的分析方法，其特征在
3
CN 110187276 A
权 利 要 求 书
3/3页
于：所述的步骤S4中，具体为：
S41.通过MATLAB中使用多元线性回归对转矩数据曲线进行拟合，则可以得出谐波下电机效率η与三相感应电机的气隙宽度δ、电机转矩变化相对值ΔT、输入谐波含量UHCi之间的拟合公式为：η＝ββββββδ0+1*UHC5+2*UHC7+3*UHC11+4*ΔT+5*上式中拟合系数为：ββββββ0＝0.8893，1＝-0.3492，2＝-0.2040，3＝-0.1268，4＝-0.0058，5＝-0.0075。6.根据权利要求2所述的谐波对三相感应电机的运行状态影响的分析方法，其特征在于：所述的步骤S11中，在Maxwell有限元仿真软件中以三相感应电机具体结构参数建立不同气隙宽度；
所述的步骤S12中，在solid works设计软件中以三相感应电机具体结构参数建立不同气隙宽度；
所述的步骤S13中，在workbench有限元仿真软件中设置三相感应电机材料参数。
4
CN 110187276 A
说 明 书
谐波对三相感应电机的运行状态影响的分析方法
1/6页
技术领域
[0001]本发明涉及运行状态分析的技术领域，更具体地，涉及谐波对三相感应电机的运行状态影响的分析方法。
背景技术
[0002]据统计现在我国每年发电量中60％用于电机，而其中90％电量是感应电机消耗。三相异步电机被广泛应用于机床、水泵、鼓风机等农产耕作的机械上。随电力电子技术发展，电网的电压畸变、谐波等电能质量问题加剧，导致三相感应电机运行稳定性和效率下降。所以分析谐波对三相感应电机运行效率的影响，对于电能如何提升三相感应电机的效率、稳定性具有重要意义。发明内容
[0003]本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题，提供谐波对三相感应电机的运行状态影响的分析方法，可提升三相感应电机的效率、稳定性。[0004]本发明的技术方案是：谐波对三相感应电机的运行状态影响的分析方法，其中，包括以下步骤：
[0005]S1.建立三相感应电机电磁场和结构场强耦合模型；[0006]S2.分析三相感应电机中的主要谐波成分，选择输入谐波电压；仿真三相感应电机的运行状态，获得所需指标数据；
[0007]S3.分析步骤S2得到的不同输入电源电压供电时电机转矩、功率特性，研究谐波对三相感应电机的运行状态的影响；
[0008]S4.对所得的数据进行数据处理拟合，得出相同输出容量下三相感应电机效率η与谐波种类i、谐波含量UHCi、气隙宽度δ以及转矩变化ΔT的计算公式。[0009]本发明是一种谐波对不同气隙宽度，具有相同输出容量的三相感应电机的运行状态影响的分析方法。对三相感应电机在含谐波的输入源时的电机转矩及功率变化进行了分析,提出在具有不同气隙宽度δ、相同输出容量p下电机效率η与谐波种类i、谐波含量UHCi的计算方法。对于如何提升三相感应电机的效率、稳定性具有重要意义。[0010]进一步的，所述的步骤S1中，具体为：
[0011]S11.以三相感应电机具体结构参数建立不同气隙宽度，具有相同输出功率的三相感应电机2D电磁有限元模型；
[0012]S12.以三相感应电机具体结构参数建立不同气隙宽度，具有相同输出功率的三相感应电机3D定子结构模型；
[0013]S13.设置三相感应电机材料参数，建立三相感应电机电磁场和结构场强耦合模型，进行电磁场与结构场耦合仿真分析。[0014]进一步的，所述的步骤S2中，具体为：[0015]S21.对三次谐波V＝3可得：
5
CN 110187276 A[0016][0017][0018][0019]
说 明 书
2/6页
由此可得3次谐波合成磁动势为：
[0020]
上式表明三相绕组的3次谐波合成磁动势为0，在对称三相电机中，3的倍数次谐波
磁动势也有相同性质，则合成磁动势中夜不存在9、15次谐波；[0022]S22.根据分析，影响三相感应电机的谐波主要为5，7，11次谐波；由此确定的输入电压为：
[0023][0024]
[0021]
[0025]
[0026][0027]
式中UHC0、UHC5、UHC7、UHC11分别为基波含量，和5、7、11次谐波含量；谐波含量UHCi为：
[0028]
上式中Uhn为n次谐波，Urms为有效值，i为谐波种类；
[0030]S23.首先输入单一谐波，分析单一谐波下的电机运行状态的影响，并比较5，7，11次谐波对不同气隙宽度，具有相同输出功率的三相感应电机影响程度；再输入多谐波作为对照组，比较多谐波与单一谐波对不同气隙宽度，具有相同输出功率的三相感应电机影响程度。
[0031]进一步的，所述的步骤S3中，具体为：[0032]S31.首先输入单次谐波，可得仅含基波和单次谐波时三相感应电机转矩特性曲线；再输入多谐波作为对照组；根据所得的三相感应电机转矩特性曲线，在电机运行稳定后取点获取数据：
[0033]
[0029]
转矩平均值为：
其中为转矩平均值，T1、T2ΛTn为电机达到稳态时转矩的瞬时值；转矩峰峰值为：
6
[0034][0035]
CN 110187276 A[0036][0037][0038][0039][0040][0041]
说 明 书
3/6页
Tff＝Tmax-Tmin其中Tmax、Tmin为最大转矩和最小转矩；转矩变化相对值为：
上式中为转矩平均值，Tn为额定转矩；
S32.根据所得的三相感应输出功率特性曲线；再输入多谐波电压作为对照组；根
据所得的三相感应电机输出功率特性曲线，在电机运行稳定后取点获取数据：[0042]电功率平均值为：
[0043][0044][0045][0046][0047][0048][0049]
上式中P1、P2、ΛPn为电机达到稳态后电功率的瞬时值；机械功率平均值为:
上式中P1、P2、ΛPn为电机达到稳态后机械功率的瞬时值；电机效率为：
上式中pmech为电机的机械功率，pele为电机的输入功率。
[0051]进一步的，所述的步骤S4中，具体为：
[0052]S41.通过MATLAB中使用多元线性回归对转矩数据曲线进行拟合，则可以得出谐波下电机效率η与三相感应电机的气隙宽度δ、电机转矩变化相对值ΔT、输入谐波含量UHCi之间的拟合公式为：[0053]η＝ββββββδ0+1*UHC5+2*UHC7+3*UHC11+4*ΔT+5*[0054]上式中拟合系数为：[0055]ββββββ0＝0.8893，1＝-0.3492，2＝-0.2040，3＝-0.1268，4＝-0.0058，5＝-0.0075。[0056]拟合系数的置信区间为：
[0050]
[0057]
7
CN 110187276 A[0058]
说 明 书
4/6页
进一步的，所述的步骤S11中，在Maxwell有限元仿真软件中以三相感应电机具体
结构参数建立不同气隙宽度；[0059]所述的步骤S12中，在solid works设计软件中以三相感应电机具体结构参数建立不同气隙宽度；
[0060]所述的步骤S13中，在workbench有限元仿真软件中设置三相感应电机材料参数。[0061]本发明使用上述的软件。[0062]与现有技术相比，有益效果是：本发明以三相感应电机作为研究对象，利用有限元软件建立发电机二维电磁场模型，得出了以三相感应电机的效率η为因变量，以谐波含量UHCi、气隙宽度δ、转矩变化相对值ΔT为自变量的拟合公式。可以更直观、精准的计算出电机效率，更适用于实际工业应用中。附图说明
[0063]图1为本发明谐波对三相感应电机的运行状态影响的分析方法流程示意图。[0064]图2为本发明三相感应电机2D电磁有限元模型图。[0065]图3为本发明三相感应电机2％、10％谐波含量下转矩图。[0066]图4为本发明三相感应电机2％、10％谐波含量下电功率图。[0067]图5为本发明三相感应电机2％、10％谐波含量下机械功率图。[0068]图6为本发明三相感应电机不同气隙宽度转矩对比图。[0069]图7为本发明三相感应电机效率-谐波含量图。
[0070]图8为本发明三相感应电机转矩相对值-谐波含量图。[0071]图9为本发明三相感应电机多元数据拟合程序图。[0072]图10为本发明三相感应电机数据散点分析图。
[0073]图11为本发明三相感应电机拟合数据异常点检测图。
具体实施方式
[0074]附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。[0075]步骤S1、步骤如图1所示，在Maxwell有限元仿真软件中以三相感应电机具体结构参数建立不同气隙宽度，具有相同输出容量的三相感应电机2D电磁有限元模型。在solid works设计软件中以三相感应电机具体结构参数建立不同气隙宽度，具有相同输出容量的三相感应电机3D定子结构模型。在workbench有限元仿真软件中设置三相感应电机材料参数，建立三相感应电机电磁场和结构场强耦合模型，进行电磁场与结构场耦合仿真分析。[0076]步骤S2、具体步骤如下：对三次谐波V＝3可得：
[0077][0078][0079]
8
CN 110187276 A[0080]
说 明 书
5/6页
由此可得3次谐波合成磁动势为：
[0081]
上式表明三相绕组的3次谐波合成磁动势为0，在对称三相电机中，3的倍数次谐波
磁动势也有相同性质，则合成磁动势中夜不存在9、15次谐波。[0083]步骤S3、分别输入单次谐波下谐波含量为2％-10％的电压，根据所得的三相感应电机转矩特性曲线(图3)，在电机运行稳定后取点获取数据，再输入多谐波电压，根据所得的三相感应电机转矩特性曲线，在电机运行稳定后取点获取数据。对数据进行处理：[0084]转矩平均值为：
[0085]
[0082]
[0086][0087][0088][0089][0090][0091][0092][0093]
其中为转矩平均值，T1、T2ΛTn为电机达到稳态时转矩的瞬时值。转矩峰峰值为：Tff＝Tmax-Tmin其中Tmax、Tmin为最大转矩和最小转矩。转矩变化相对值为：
上式中为转矩平均值，Tn为额定转矩。
分别输入单次谐波下谐波含量为2％-10％的电压，根据所得的三相感应电机输出
功率特性曲线(图6、7)，在电机运行稳定后取点获取数据，再输入多谐波电压，根据所得的三相感应电机输出功率特性曲线，在电机运行稳定后取点获取数据。对数据进行处理：[0094]电功率平均值为:
[0095]
[0096][0097][0098][0099][0100][0101][0102]
上式中P1、P2、ΛPn为电机达到稳态后电功率的瞬时值。机械功率平均值为:
上式中P1、P2、ΛPn为电机达到稳态后机械功率的瞬时值。电机效率为：
上式中pmach为电机的机械功率，pele为电机的输入功率。
9
CN 110187276 A[0103]
说 明 书
6/6页
步骤S4、通过MATLAB中使用多元线性回归对转矩数据曲线进行拟合(图
[0104]8)，则可以得出单一谐波下电机效率η与三相感应电机的气隙宽度δ、电机转矩变化相对值ΔT、输入谐波含量UHCi之间的拟合公式为(适用于单一谐波及多谐波下)：[0105]η＝ββββββδ0+1*UHC5+2*UHC7+3*UHC11+4*ΔT+5*[0106]上式中拟合系数为：[0107]ββββββ0＝0.8893，1＝-0.3492，2＝-0.2040，3＝-0.1268，4＝-0.0058，5＝-0.0075。[0108]拟合系数的置信区间为：
[0109]
本发明以三相感应电机作为研究对象，利用有限元软件建立发电机二维电磁场模
型，得出了以三相感应电机的效率η为因变量，以谐波种类i、谐波含量UHCi、气隙宽度δ、转矩变化相对值ΔT为自变量的拟合公式。可以更直观、精准的计算出电机效率，更适用于实际工业应用中。[0111]显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
[0110]
10
CN 110187276 A
说 明 书 附 图
1/6页
图1
11
CN 110187276 A
说 明 书 附 图
2/6页
图2
图3
12
CN 110187276 A
说 明 书 附 图
3/6页
图4
图5
13
CN 110187276 A
说 明 书 附 图
4/6页
图6
图7
14
CN 110187276 A
说 明 书 附 图
5/6页
图8
图9
15
CN 110187276 A
说 明 书 附 图
6/6页
图10
图11
16
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容