起重機用繞線轉(zhuǎn)子自起動永磁同步電動機起動過程仿真

石有計

(鐵嶺師范高等?？茖W校，遼寧鐵嶺112000)

0引 言

近年來起重機行業(yè)發(fā)展迅速，行業(yè)處于市場高速發(fā)展期。目前具有低轉(zhuǎn)速和超大轉(zhuǎn)矩特性起重機的起升裝置一般采用異步電動機驅(qū)動齒輪減速機的驅(qū)動方式。這種驅(qū)動方式存在效率低、笨重、振動和噪聲嚴重、故障率較高、調(diào)整維護困難等缺點。本文研究了一種繞線轉(zhuǎn)子自起動永磁同步電動機，可以取代機械減速機，實現(xiàn)直驅(qū)。該電機起動時在三相轉(zhuǎn)子電路中分別串入同樣大小的電阻，供電采用工頻電源的情況下，通過對轉(zhuǎn)子外串起動電阻阻值的適當調(diào)節(jié)，使電機的起動和牽入同步的能力得到顯著增強，能更好地滿足起重機的對力能指標的高要求，同時性價比會更高，可靠性會更好。

1繞線轉(zhuǎn)子自起動永磁同步電動機的原理

三相異步電動機的轉(zhuǎn)子電阻與電磁轉(zhuǎn)矩關(guān)系［1］如圖1 所示。

根據(jù)電機學知識可知，籠型異步電動機起動時的轉(zhuǎn)矩相對較小，而繞線式電動機通過轉(zhuǎn)子串電阻起動可以獲得較小的起動電流，同時可獲得較大的起動轉(zhuǎn)矩。利用這種思路，自起動永磁同步電動機中的轉(zhuǎn)子用繞線轉(zhuǎn)子來替代，就成了繞線轉(zhuǎn)子自起動永磁同步電動機，轉(zhuǎn)子繞組為該種電機提供了異步起動轉(zhuǎn)矩?；\型自起動永磁同步電動機在起動和牽入同步的過程中會遇到很多問題，諸如起動和牽入轉(zhuǎn)矩矛盾，起動電流較大，不能頻繁起動;起動特性較硬，會對機械系統(tǒng)造成沖擊等。由圖1可以看出，當轉(zhuǎn)子外串起動電阻增加時，曲線M=f(s)左移，對應最大電磁轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)差率變大，改變了最大電磁轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)的位置，這樣就可以改善電動機的起動能力。在電機起動瞬間，轉(zhuǎn)子電阻增加，這樣臨界轉(zhuǎn)差率便增加，起動電流降低，由于提高了轉(zhuǎn)子回路功率因數(shù)，因此轉(zhuǎn)子電流的有功分量和起動轉(zhuǎn)矩反而增加。然后電阻逐極地切除，當電機旋轉(zhuǎn)速度趨近于同步轉(zhuǎn)速開始牽入同步時，外串轉(zhuǎn)子電阻可以完全切除，此時電機的起動過程便完成。

圖1 電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子電阻的關(guān)系(rb＞ra)

2繞線轉(zhuǎn)子自起動永磁同步電動機起動過程中的電機轉(zhuǎn)矩

在起動過程中，繞線轉(zhuǎn)子自起動永磁同步電動機需要具有一定倍數(shù)的起動轉(zhuǎn)矩、一定倍數(shù)起動電流和最小倍數(shù)轉(zhuǎn)矩，此外還要求電機具有足夠的牽入同步的能力。一般情況下，繞線轉(zhuǎn)子自起動永磁同步電動機起動過程中的電機轉(zhuǎn)矩由異步轉(zhuǎn)矩Ta、磁阻負序分量轉(zhuǎn)矩Tb以及發(fā)電制動轉(zhuǎn)矩Tg這三種轉(zhuǎn)矩合成(Ta+Tb=Tc)［1］。

繞線轉(zhuǎn)子自起動永磁同步電動機在起動過程中產(chǎn)生的發(fā)電制動轉(zhuǎn)矩的表達式［1］:

由上式知道，轉(zhuǎn)子電阻參數(shù)對發(fā)電制動轉(zhuǎn)矩沒有影響。通過適當調(diào)整轉(zhuǎn)子電阻大小，當發(fā)電制動轉(zhuǎn)矩到達最大值時，使此處對應的合成轉(zhuǎn)矩得以增加，進而使最小轉(zhuǎn)矩得到提升，使發(fā)電制動轉(zhuǎn)矩所帶來的負面影響得以最大程度的彌補。

3繞線轉(zhuǎn)子自起動永磁同步電動機起動過程的仿真分析

選用一臺用于起重機械的繞線轉(zhuǎn)子自起動永磁同步電動機采用Ansoft仿真軟件進行分析。電機的基本參數(shù)如下:額定功率為75 kW，磁極數(shù)為30極。額定電壓為380 V，額定轉(zhuǎn)速為200 r/min，額定轉(zhuǎn)矩為3 580 N·m，定子電阻為0．025 38 Ω，定子漏抗為 0．198 27 Ω，轉(zhuǎn)子電阻為 0．108 1 Ω，轉(zhuǎn)子漏抗為 0．070 45 Ω，直軸電樞反應電抗為 0．607 2 Ω，交軸電樞反應電抗為1．015 01 Ω，定子繞組采用分數(shù)槽繞組(135槽)，轉(zhuǎn)子繞組采用波繞組整距(180槽)。圖2為電機的有限元模型。把定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組進行分相，對它們各部分賦予相應材料，然后對它們進行分割、加載，并且賦予邊界條件。圖3為轉(zhuǎn)子外接電路。

仿真步驟如下:

電機未起動時(轉(zhuǎn)差率s=1)，轉(zhuǎn)子外串電阻R1=R2=R3=0．2 Ω，此時，臨界轉(zhuǎn)差率 sm=1，電機起動轉(zhuǎn)矩接近于最大轉(zhuǎn)矩;當轉(zhuǎn)差率s=0．5時，轉(zhuǎn)子外串電阻 R1=R2=R3=0．062 Ω;當轉(zhuǎn)差率 s=0．28時，轉(zhuǎn)子外串電阻 R1=R2=R3=0．015 4 Ω;逐步合理調(diào)控轉(zhuǎn)子電阻值，當轉(zhuǎn)差率s=0．05時，轉(zhuǎn)子外串電阻R1=R2=R3≈0，轉(zhuǎn)子電阻接近全部切除，此刻電機轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速并開始牽入同步，由此起動過程完成。

通過對該電動機的起動過程進行仿真，可以得到起動電流曲線、起動轉(zhuǎn)矩曲線和轉(zhuǎn)速曲線。把它和一臺功率相同、極數(shù)相同的籠型自起動永磁同步電動機的起動特性曲線進行比較分析，得到如下結(jié)果。該電機參數(shù):額定功率為75 kW，磁極數(shù)為30極，額定電壓為380 V，額定轉(zhuǎn)速為200 r/min，額定轉(zhuǎn)矩為3 580 N·m，定子電阻為0．026 15 Ω，定子漏抗為0．201 2 Ω，轉(zhuǎn)子電阻為0．230 1 Ω，轉(zhuǎn)子漏抗為0．090 4 Ω，直軸電樞反應電抗為0．703 4 Ω，交軸電樞反應電抗為1．638 1 Ω。

圖4顯示了穩(wěn)態(tài)運行時電機的磁場分布波形。從磁場分布圖知道，如果電機的極數(shù)較多，永磁體的放置方式采用切向式的磁路拓撲結(jié)構(gòu)，將得到更為明顯的優(yōu)勢，可以使每極磁通變得更大。

圖4 為某瞬間起動過程中的磁場分布波形

圖5 A相定子電流波形

圖5為電機起動時，負載額定狀態(tài)下，A相定子電流隨時間變化曲線。圖中顯示，鼠籠轉(zhuǎn)子自起動永磁同步電動機起動電流的最高倍數(shù)約為15倍，繞線轉(zhuǎn)子電動機起動電流的最高倍數(shù)約為6倍。經(jīng)過一段時間的振蕩，最終兩者的穩(wěn)態(tài)電流大約穩(wěn)定在160 A左右。通過調(diào)整轉(zhuǎn)子外串起動電阻，繞線轉(zhuǎn)子自起動永磁同步電動機的起動電流得到顯著降低。

圖6為電機起動時拖動額定負載，轉(zhuǎn)矩隨起動時間變化曲線，通過多極降低同步轉(zhuǎn)速和提高了額定轉(zhuǎn)矩。起動初期，兩種電機的瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩都出現(xiàn)了一定程度的波動現(xiàn)象，這個瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩主要由異步轉(zhuǎn)矩、磁阻負序轉(zhuǎn)矩、發(fā)電制動轉(zhuǎn)矩和脈動轉(zhuǎn)矩疊加而成。由于齒槽效應和定子電流中存在非周期分量等因素的影響，使起動初期波形脈動加大。從圖6可看出，鼠籠轉(zhuǎn)子比繞線轉(zhuǎn)子沖擊轉(zhuǎn)矩更大一些，經(jīng)過一段時間振蕩，波動逐漸減弱，最后在額定負載轉(zhuǎn)矩處達到穩(wěn)定。從圖6還可看出，對于繞線轉(zhuǎn)子自起動永磁同步電動機通過對轉(zhuǎn)子外串起動電阻的阻值大小的合理調(diào)控，可以改善電機的瞬時轉(zhuǎn)矩沖擊問題，使轉(zhuǎn)矩曲線波動減弱，起動更加平穩(wěn)。

圖6 電磁轉(zhuǎn)矩隨時間變化的曲線

圖7為電機起動時，在負載額定狀態(tài)下，轉(zhuǎn)速隨時間變化的曲線。大約在0．5 s以后，繞線轉(zhuǎn)子自起動永磁同步電動機開始牽入同步轉(zhuǎn)速進入額定狀態(tài)，對比籠型自起動永磁同步電動機，電機起動時間略短，明顯改善了轉(zhuǎn)速曲線的初始波動情況，能夠成功地牽入同步，完成起動過程。

圖7 轉(zhuǎn)速隨時間變化的曲線

圖8為起動過程中發(fā)電制動轉(zhuǎn)矩的波形。圖中顯示發(fā)電制動轉(zhuǎn)矩最大值約在8 200 N·m。為了減小發(fā)電制動轉(zhuǎn)矩在起動過程中產(chǎn)生的負面影響，通過對轉(zhuǎn)子外串起動電阻阻值的合理調(diào)控，使合成轉(zhuǎn)矩的最大值和發(fā)電制動轉(zhuǎn)矩最大值出現(xiàn)在同一位置，使合成轉(zhuǎn)矩的值得以增加，在一定程度上改善并增強了電機的起動性能。

圖8 發(fā)電制動轉(zhuǎn)矩隨時間變化的曲線

采用MATLAB編程，處理兩種電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩曲線數(shù)據(jù)，繪制出如圖9所示的波形。

圖9 轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線

圖9中，剛開始時曲線轉(zhuǎn)圈，轉(zhuǎn)過幾個圈后，逐漸成為螺旋狀，最后會聚在同步點。從圖中可以看出，在起動開始時，繞線轉(zhuǎn)子自起動永磁同步電動機曲線螺旋圈數(shù)比較少，輪廓也比較小，比籠型自起動永磁同步電動機更具突出優(yōu)勢。由于籠型自起動永磁同步電動機存在起動轉(zhuǎn)矩和牽入轉(zhuǎn)矩矛盾的問題，由圖9可以看出，通過對轉(zhuǎn)子外串起動電阻的合理調(diào)節(jié)，對于繞線轉(zhuǎn)子自起動永磁同步電動機使得起動轉(zhuǎn)矩和牽入轉(zhuǎn)矩得到兼顧，解決了籠型自起動永磁同步電動機起動困難的問題。

4結(jié) 語

本文探討了在起動過程中，通過對外串轉(zhuǎn)子電阻的阻值大小的合理調(diào)控，使繞線轉(zhuǎn)子自起動永磁同步電動機的異步轉(zhuǎn)矩得以增加的技術(shù)措施，通過仿真對比分析，驗證了繞線轉(zhuǎn)子比籠型轉(zhuǎn)子的自起動永磁同步電動機增加了起動轉(zhuǎn)矩，降低了起動電流，明顯改善起動能力和牽入同步能力，為起重機械裝備的研究與開發(fā)指明了新的方向。

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