單繞組變極調(diào)速異步電機有限元分析

周黎民，黃鵬程

(南車株洲電機有限公司，湖南株洲 412000)

1 問題的提出

單繞組變極電機一般用于異步電機拖動的風(fēng)機、水泵負(fù)載的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。對于葉片不能調(diào)節(jié)角度的風(fēng)機、水泵來說，如果不必連續(xù)平滑調(diào)速(如火力發(fā)電廠的循環(huán)水泵)，一般分為夏季和冬季兩個運行工況。這種情況下采用單繞組變極調(diào)速是一種有效的節(jié)能手段。

單繞組變極電機設(shè)計中，一般采用路計算進(jìn)行，由于繞組經(jīng)常采用非正規(guī)接法，不能和60°、120°相帶的繞組一樣進(jìn)行計算，而是通過對繞組進(jìn)行計算，得出繞組的短距系數(shù)、分布系數(shù)及諧波漏磁導(dǎo)系數(shù)等參數(shù)，再進(jìn)行等效計算。這種方法在小型電機設(shè)計中偏差不是很大，可通過樣機修正。但是在大型高壓電機設(shè)計中，由于槽漏抗等誤差積累，各種性能計算可能造成比較大的誤差。南車株洲電機有限公司在YKKL1 250-12/900-14 1 250 kW/900 kW 10 kV單繞組變極異步電機的研制過程中，采用電磁場有限元仿真的方法，進(jìn)行計算仿真，取得了較好的效果。

2 有限元仿真計算

2.1 建 模

對電機進(jìn)行建模，由于單繞組變極電機繞組接法沒有周期性，故采用了電機全模型進(jìn)行仿真，如圖1所示。

圖1 電機全模型

按照接線原理圖連接電機模型繞組，以便對電機的運行情況進(jìn)行仿真。如圖2所示。電機采用3Y/3Y+Y的接法，當(dāng)連接 U1、V1、W1端子時，電機為14p，連接 U2、V2、W2 端子時，電機為12p。

圖2 電機模型繞組

2.2 磁場分析

由于12極時，電機繞組接法為60°相帶正規(guī)接法。這種情況下，電機傳統(tǒng)計算一般誤差不大。針對14極連接情況下，電機采用非正規(guī)接法，采用傳統(tǒng)計算時，電機的漏抗，諧波漏磁導(dǎo)系數(shù)等都和正規(guī)接法的電機有一定的不同，采用傳統(tǒng)等效計算方法進(jìn)行分析時誤差會變大。

使用Maxwell v12軟件進(jìn)行電磁場有限元分析結(jié)果如下文所述。

14極磁場分布圖如圖3所示。從圖3可看出電機磁場構(gòu)成了14p對稱磁場。

圖3 14極磁場分布圖

2.3 諧波引起的損耗分析

由于14p時電機是非正規(guī)接法繞組，存在較大的繞組磁勢諧波。傳統(tǒng)計算時，一般是對電機繞組磁勢諧波進(jìn)行分析，得到諧波含量的比例，根據(jù)經(jīng)驗進(jìn)行判斷，避免出現(xiàn)因諧波造成比較大的附加損耗的情況，不能做到定量計算。采用有限元分析，除了可以考慮到繞組磁勢各次諧波的影響，還可以考慮定、轉(zhuǎn)子齒槽配合引起的諧波，更全面的分析諧波對電機性能的影響。經(jīng)過仿真計算得到了電機鐵耗和氣隙諧波磁場引起的渦流損耗，結(jié)果曲線如圖4所示。

圖4 損耗曲線

由計算可知，鐵耗為25.4 kW，氣隙諧波引起的導(dǎo)條損耗為2.8 kW。

2.4 起動過程的仿真

由于非正規(guī)接法的繞組諧波含量較豐富，易產(chǎn)生附加轉(zhuǎn)矩對異步電機的起動性能造成影響，一般計算是根據(jù)繞組磁勢諧波的分析結(jié)果運用經(jīng)驗進(jìn)行判斷，很難進(jìn)行定量分析。通過有限元仿真計算，可以對整個起動過程進(jìn)行模擬，判斷電機起動是否正常。仿真結(jié)果如圖5～圖7所示。

圖5 起動電流波形

圖6 起動轉(zhuǎn)矩波形

由圖可知，起動電流約556 A，起動轉(zhuǎn)矩約22 753 N·m。

考慮了負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量的情況下對電機的起動過程進(jìn)行仿真，電機可以正常起動，起動時間為1.4 s。

2.5 額定工況仿真

對電機在900 kW的額定工況下的工作情況(額定轉(zhuǎn)速、額定電流和功率因數(shù))進(jìn)行了仿真，結(jié)果如圖8、圖9所示。

根據(jù)仿真結(jié)果可知:電機額定轉(zhuǎn)速為427.2 r/min，額定電流為 78.4 A，額定功率因數(shù)為 0.72。

圖7 轉(zhuǎn)速與起動時間關(guān)系

圖8 額定轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)速波動

圖9 額定電流下電流波形

3 仿真計算與傳統(tǒng)計算方法的對比

將上述仿真計算、傳統(tǒng)計算方法試驗的結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果如表1所示。

4 結(jié)語

采用電磁場有限元仿真的計算方法可以對采用非正規(guī)接法的單繞組變極電機的繞組諧波進(jìn)行損耗定量的分析，對電機的起動性能和起動過程進(jìn)行仿真，相對于傳統(tǒng)計算方法的定性分析結(jié)果更加準(zhǔn)確。

表1 仿真計算與傳統(tǒng)計算方法試驗結(jié)果比較

傳統(tǒng)計算方法的電機性能計算結(jié)果和有限元仿真計算結(jié)果比較接近，但起動轉(zhuǎn)矩和起動電流差別較大，這是由于起動計算時，傳統(tǒng)計算未能考慮到非正規(guī)繞組各次諧波的影響，而有限元仿真綜合考慮了各方面因素。

通過以上分析可知，在單繞組變極電機電磁設(shè)計中，使用有限元電磁場分析和傳統(tǒng)計算相結(jié)合的設(shè)計方法是有效的，傳統(tǒng)計算方法的優(yōu)勢是有成熟的計算程序，可以快速地進(jìn)行大量方案篩選。通過電磁場仿真對其進(jìn)行進(jìn)一步計算，可以避免傳統(tǒng)計算中對非正規(guī)接法產(chǎn)生的磁勢諧波造成的損耗不能進(jìn)行定量分析的缺陷。

[1]許實章.交流電機的繞組理論[M].北京:機械工業(yè)出版社，1985.

[2]黃弟耀.電機繞組接線圖集[M].北京:中國水利水電出版社，1998.

[3]濮紹文.三相鼠籠式單繞組多速電動機[M].2版.上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1976.

[4]伍慶體，黃弟耀.單繞組繞線式變極調(diào)速高壓異步電動機的研制[J].電工技術(shù)，1999(6):25-27.