CN112131520A - 一种考虑温度影响的绕组铜耗精确计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种考虑温度影响的绕组铜耗精确计算方法，涉及电磁装备领域，考虑绕组电流的谐波含量、导线穿透率等指标，利用实验方法获取绕组损耗参数，结合所确定的模型结构，建立考虑温度效应的绕组铜耗精确计算模型，计算任意温度下电机或变压器的绕组铜耗；与现有技术相比，本发明方法考虑了温度对于绕组铜耗的影响，建立了绕组铜耗计算模型，确立了绕组交流铜耗的计算方法，提高了绕组铜耗的计算和预测精度；同时，所建立的数学模型形式简洁、参数少、使用方便。基于常温实验结果，可以计算并预测其它温度下的绕组铜耗，无需开展繁琐的高温铜耗实验，适用于电机、变压器等电磁装备的绕组铜耗计算。

Description

一种考虑温度影响的绕组铜耗精确计算方法

技术领域

本发明涉及电磁装备领域，具体的是一种考虑温度影响的绕组铜耗精确计算方法。

背景技术

在铁耗和铜耗是电机和变压器等电磁装备的主要损耗，是造成设备温度升高的根本原因，直接决定着设备的运行效率和发热程度，损耗的准确计算成为电磁装备设计、分析及性能预测的重点和难点。

目前，对于绕组铜耗的温度相关性研究主要是基于直流铜耗的线性温升模型，该模型的缺点在于忽略了绕组交流铜耗的温度依赖性，导致计算结果小于实际绕组铜耗，需要寻求新的方法精确计算不同温度下的绕组铜耗。

发明内容

为解决上述背景技术中提到的不足，本发明的目的在于提供一种考虑温度影响的绕组铜耗精确计算方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种考虑温度影响的绕组铜耗精确计算方法，包括以下步骤：

S1、获取待计算绕组的各项参数，包括绕组的线径d，导线材料初始电阻率ρ0，电阻率温度系数k，材料磁导率μ，绕组电流频率f与温度变化量ΔT；

S2、利用S1获取的数据计算绕组的导线穿透率ξ，并根据绕组电流谐波含量建立考虑温度影响的绕组铜耗计算模型，即获取绕组铜耗精确数学模型；

S3、在常温情况下，开展绕组铜耗实验，获得铜耗实验数据，进而确定铜耗模型中的各项系数；

S4、根据S3得到的系数确定考虑温度影响的绕组铜耗精确计算模型，利用该模型计算并预测其它温度下的绕组铜耗。

进一步地，所述S2中：

S2.1、绕组导线穿透率为

电流谐波畸变率为

计算出的导线穿透率、谐波畸变率确定绕组铜耗模型；

S2.2、当绕组中电流谐波成分较小即I_THD<5％且导线穿透率

时，选择绕组定指数计算模型:

S2.3、当绕组中电流谐波成分较小即I_THD<5％且导线穿透率

时，选择绕组变指数计算模型：

S2.4、当绕组电流中谐波成分较大即I_THD>5％时，选择考虑谐波影响的绕组计算模型：

式中I_n，P_{tol_cu}，P_{dc_cu}，I，R，ΔT，K_ac，α，b分别表示各次谐波有效值，绕组总铜耗，直流铜耗，绕组电流有效值，绕组电阻，绕组温度变化量，绕组铜耗损耗系数，指数与常数。

进一步地，所述S3中：

S3.1、开展常温铜耗实验时，对于已投入使用的电磁装备，通过开展其常温下空载实验与负载实验得出装备绕组上的总损耗：

S3.2、对于未投入使用的电磁设备，通过测取绕组端口电压与电流以计算绕组的交流铜耗；由于装备未投入使用，直接在装备含绕组测进行实验；搭建实验平台，实验器材分别包括DSP控制器，功率逆变器，功率分析仪，直流电源，待测绕组，热电偶。

进一步地，所述S3.2的具体步骤为：

S3.2.1、首先，使用DSP控制器控制功率逆变器给绕组供电，通过调节逆变器的幅度调制比M与频率调制比N等参数调节绕组电流；

S3.2.2、然后，用热电偶测量绕组初始温度并确定在初始温度下绕组的各项参数；

S3.2.3、接着，使用功率分析仪测取绕组上的总损耗，绕组的总损耗可用绕组电流i₁(t)与u₁(t)乘积在单个周期内的积分值计算:

S3.2.4、最后，改变绕组电流频率f，重复上述步骤，测量若干组不同频率下绕组的常温损耗实验数据；该数据包含绕组的铜耗与铁芯上的铁芯损耗，需要进一步分离，

p_tol＝p_{tol_cu}+p_Fe

式中，P_Fe表示铁芯上的铁芯损耗。

本发明的有益效果：

1、本发明在计算绕组铜耗时，本发明方法考虑了温度对于绕组交流铜耗的影响，在当前广泛使用的绕组直流铜耗线性温N升模型的基础上创新性地提出了交流铜耗的计算方法，并将交流铜耗计算结果体现在损耗计算中，是对现有直流铜耗计算模型的补充和完善。与只考虑直流铜耗模型相比，本发明方法具有更高的计算精度；

2、本发明得出的绕组铜耗精确计算模型形式简洁，参数少且使用方便，可以基于常温实验结果，预测不同环境温度下绕组的交流铜耗，无需开展繁琐的高温铜耗实验，非常适用于工程应用中对各种电机、变压器的绕组铜耗进行估算和预测；

3、本发明的参数是基于实验数据获得，比数值算法与解析算法具有更高的精度，基于几组实验数据即可预测不同温度和电流频率下电磁设备的绕组铜耗，适用范围大、推广性强。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是本发明铜耗计算流程图；

图2是本发明绕组电流曲线图；

图3是本发明FFT仿真图；

图4是本发明常温铜耗实验平台示意框图；

图5是本发明变压器铁芯分区示意图；

图6是本发明电机铁芯分区示意图；

图7是本发明常温实验，分离，参数计算流程图；

图8是本发明通过有限元软件仿真计算的4极24槽电机绕组铜耗与本发明模型计算的结果对比图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“开孔”、“上”、“下”、“厚度”、“顶”、“中”、“长度”、“内”、“四周”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

一种考虑温度影响的绕组铜耗精确计算方法，包括以下步骤，流程图如图1所示。

S1:获取待计算绕组的各项参数，包括绕组的线径d，导线材料初始电阻率ρ0，电阻率温度系数k，材料磁导率μ，绕组电流频率f与温度变化量ΔT等。

S2:利用S1获取的数据计算绕组的导线穿透率ξ，并根据绕组电流谐波含量建立考虑温度影响的绕组铜耗计算模型，即获取绕组铜耗精确数学模型。

S2.1:绕组导线穿透率定义为:

电流谐波畸变率的计算公式为：

S2.2:通过计算出的导线穿透率与谐波畸变率确定不同的绕组铜耗模型。

当绕组中电流谐波成分较小(I_THD<5％，如图2和3所示)导线穿透率

时，将绕组总铜耗计算公式

使用泰勒展开后，使用小值近似方法将其中的高次项略去，则上式等号右边第一项近似为

等号右边第二项近似为

总铜耗可以表示为：

式中m表示绕组的层数。

将绕组穿透率计算公式带入上式并引入损耗系数K_ac得：

将直流铜耗用欧姆定律计算，得绕组定指数计算模型：

当绕组中电流谐波成分较小(I_THD<5％，如图2和3所示)且导线穿透率

时，总铜耗计算公式中的高次项不可忽略，为了考虑高次项的影响，将定指数计算模型中的指数2改为待定指数α，得变指数绕组计算模型：

当绕组电流中谐波成分较大(I_THD>5％，如图2和3所示)时，将绕组中电流分解为各次谐波之和：

式中i，ω_s，ω_c，n，l，A_nk，B_nk分别为绕组电流，调制波角频率，载波角频率，载波各次谐波次数，调制波各次谐波次数与各次谐波的幅值系数。

将上式与变指数计算模型结合并使用欧姆定律计算绕组铜耗，得各次谐波电流所产生的总铜耗计算公式：

式中，N，K_acnl，α_acnl分别表示频率调制比，各次谐波损耗系数与指数；

将上式中的基波分量提出，并对其归纳推导可得：

式中P_acB，P_acH，P_dcB，P_dcH分别表示基波交流铜耗，谐波交流铜耗，基波直流铜耗与谐波直流铜耗；

将上式的中的各次谐波用总的损耗系数K_ac和指数α来等效，则得考虑温度影响的交流铜耗精确计算模型：

S3：开展绕组的常温铜耗实验，获得包含铁耗与铜耗的总损耗数据p_tol。

S3.1：开展常温铜耗实验时，对于已投入使用的电机与变压器等电磁装备，可以通过开展其常温下空载实验与负载实验得出装备绕组上的总损耗：

S3.2：对于未投入使用的电机与变压器等电磁设备，可以通过测取绕组端口电压与电流以计算绕组的交流铜耗。由于装备未投入使用，可以直接在装备含绕组测进行实验(对于电机设备可直接在定子或转子含绕组侧进行实验，无需将电机转动)。按图4所示搭建实验平台，实验器材分别包括DSP控制器，功率逆变器，功率分析仪(示波器)，直流电源，待测绕组，热电偶(温度计)等。

S3.2.1：首先，使用DSP控制器控制功率逆变器给绕组供电，通过调节逆变器的幅度调制比M与频率调制比N等参数调节绕组电流。

S3.2.2：然后，用热电偶(温度计)测量绕组初始温度并确定改初始初始温度下绕组的各项参数。

S3.2.3：接着，使用功率分析仪(示波器)测取绕组上的总损耗，绕组的总损耗可用绕组电流i₁(t)与u₁(t)乘积在单个周期内的积分值计算:

S3.2.4：最后，改变绕组电流频率f，重复上述步骤，可以测量若干组不同频率下绕组的常温损耗实验数据。该数据包含绕组的铜耗与铁芯上的铁芯损耗，需要进一步分离。

p_tol＝p_{tol_cu}+p_Fe

式中，P_Fe表示铁芯上的铁芯损耗。

S4：进一步将测定的总损耗分离，使用分离而得的铜耗实验数据计算铜耗模型的损耗参数K_ac，指数α，常数b。

S4.1:对于已投入使用的电机、变压器等电磁装备，忽略其他损耗，总铜耗实验数据可以通过空载实验数据，负载实验室数据之差计算得出。

p_{tol_cu}＝p_load-p₀

式中P_load，P₀分别表示负载损耗实验与空载损耗实验数据。

S4.2:对于为投入使用的电机、变压器等电磁装备，可以基于有限元软件计算铁芯损耗从而分离出绕组总铜耗，具体步骤如下：

S4.2.1：首先，在有限元软件中对绕组铁芯进行建模并计算绕组铁芯的磁密数据。

S4.2.2：将铁芯进行分区，如图5和6所示。以每个区域中心处的磁密数据作为该区域的平均磁密；导出不同小区域的磁密数据B_i。

S4.2.3：使用下式的考虑温度影响的铁耗计算公式计算铁芯的损耗

式中，S_i，l，λ，N_B，x，k_h，k_e，k_a，m，n，h分别表示第i个小区域面积，铁芯纵向长度，铁芯材料密度，小区域个数，铁芯损耗待定参数等。

S4.2.4：将实验测得的总损耗减去上述计算的铁耗数据得到绕组的铜耗，从而将铁耗与铜耗分离，计算公式如下式所示：

p_{tol_cu}＝p_tol-p_Fe。

S4.3:将得出的铁耗数据使用最小二乘拟合法求出铜耗模型中的待定系数，拟合标准是使

最小。图7是S3，S4步骤的使用流程。

式中，ε为误差，p_{tol_cu}*为预测值，p_{tol_cu}为实际值，v为样本数量。

S5:用已确定参数的精确计算模型计算不同温度下绕组的铜耗。

使用常温实验下计算而得的参数代入本发明的模型计算任意温度下绕组的铜耗。图8是通过有限元软件仿真计算的4极24槽电机绕组铜耗与本发明模型计算的结果对比图，结果表明：计算精度很高，可以满足工程应用。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (4)

1.一种考虑温度影响的绕组铜耗精确计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、获取待计算绕组的各项参数，包括绕组的线径d，导线材料初始电阻率ρ₀，电阻率温度系数k，材料磁导率μ，绕组电流频率f与温度变化量ΔT；

S2、利用S1获取的数据计算绕组的导线穿透率ξ，并根据绕组电流谐波含量建立考虑温度影响的绕组铜耗计算模型，即获取绕组铜耗精确数学模型；

S3、在常温情况下，开展绕组铜耗实验，获得铜耗实验数据，进而确定铜耗模型中的各项系数；

S4、根据S3得到的系数确定考虑温度影响的绕组铜耗精确计算模型，利用该模型计算并预测其它温度下的绕组铜耗。

2.根据权利要求1所述的一种考虑温度影响的绕组铜耗精确计算方法，其特征在于，所述S2中：

S2.1、绕组导线穿透率为

电流谐波畸变率为

计算出的导线穿透率、谐波畸变率确定绕组铜耗模型；

S2.2、当绕组中电流谐波成分较小即I_THD<5％且导线穿透率

时，选择绕组定指数计算模型:

S2.3、当绕组中电流谐波成分较小即I_THD<5％且导线穿透率

时，选择绕组变指数计算模型：

S2.4、当绕组电流中谐波成分较大即I_THD>5％时，选择考虑谐波影响的绕组计算模型：

式中I_n，P_{tol_cu}，P_{dc_cu}，I，R，ΔT，K_ac，α，b分别表示各次谐波有效值，绕组总铜耗，直流铜耗，绕组电流有效值，绕组电阻，绕组温度变化量，绕组铜耗损耗系数，指数与常数。

3.根据权利要求1所述的一种考虑温度影响的绕组铜耗精确计算方法，其特征在于，所述S3中：

S3.1、开展常温铜耗实验时，对于已投入使用的电磁装备，通过开展其常温下空载实验与负载实验得出装备绕组上的总损耗：

S3.2、对于未投入使用的电磁设备，通过测取绕组端口电压与电流以计算绕组的交流铜耗；由于装备未投入使用，直接在装备含绕组测进行实验；搭建实验平台，实验器材分别包括DSP控制器，功率逆变器，功率分析仪，直流电源，待测绕组，热电偶。

4.根据权利要求3所述的一种考虑温度影响的绕组铜耗精确计算方法，其特征在于，所述S3.2的具体步骤为：

S3.2.1、首先，使用DSP控制器控制功率逆变器给绕组供电，通过调节逆变器的幅度调制比M与频率调制比N等参数调节绕组电流；

S3.2.2、然后，用热电偶测量绕组初始温度并确定在初始温度下绕组的各项参数；

S3.2.3、接着，使用功率分析仪测取绕组上的总损耗，绕组的总损耗可用绕组电流i₁(t)与u₁(t)乘积在单个周期内的积分值计算:

S3.2.4、最后，改变绕组电流频率f，重复上述步骤，测量若干组不同频率下绕组的常温损耗实验数据；该数据包含绕组的铜耗与铁芯上的铁芯损耗，需要进一步分离，

p_tol＝p_{tol_cu}+p_Fe

式中，P_Fe表示铁芯上的铁芯损耗。

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