異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)往復(fù)式壓縮機(jī)電流脈動(dòng)計(jì)算與飛輪力矩計(jì)算

劉晶，王殿友，王立名

(佳木斯電機(jī)股份有限公司，黑龍江佳木斯154002)

異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)往復(fù)式壓縮機(jī)電流脈動(dòng)計(jì)算與飛輪力矩計(jì)算

劉晶，王殿友，王立名

(佳木斯電機(jī)股份有限公司，黑龍江佳木斯154002)

主要結(jié)合往復(fù)式壓縮機(jī)的工作原理，從理論上對電流脈動(dòng)進(jìn)行了分析，介紹了一種采用有限元計(jì)算異步電動(dòng)機(jī)電流脈動(dòng)的方法。通過對如何正確選擇飛輪力矩和計(jì)算定子電流波動(dòng)方法的介紹，將其應(yīng)用到產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，提高了產(chǎn)品的可靠性和安全性，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

異步電動(dòng)機(jī)；往復(fù)式壓縮機(jī)；電流脈動(dòng)；飛輪力矩

0 引言

異步電動(dòng)機(jī)在驅(qū)動(dòng)往復(fù)式壓縮機(jī)等類型機(jī)械設(shè)備時(shí)，由于其負(fù)載力矩特性不均勻或呈周期性變化，諧波力矩在運(yùn)行中持續(xù)存在，作用于異步電動(dòng)機(jī)主軸上的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩將使動(dòng)態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生強(qiáng)制振蕩，也就是引起異步電動(dòng)機(jī)功率角相對于其平均值作周期性變化，從而使異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和電流產(chǎn)生波動(dòng)。

電流脈動(dòng)是考核壓縮機(jī)用電機(jī)的一個(gè)重要指標(biāo)，若電流脈動(dòng)過大，將嚴(yán)重影響電機(jī)溫升、傳動(dòng)系統(tǒng)精度，并引起供電電網(wǎng)中的電壓波動(dòng)，對電網(wǎng)產(chǎn)生不利影響。目前石化行業(yè)往復(fù)式壓縮機(jī)設(shè)計(jì)、制造、銷售的通用執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)是：美國石油會(huì)標(biāo)準(zhǔn)-石油、化工和氣體工業(yè)用往復(fù)式壓縮機(jī)API618，其中對電機(jī)的電流脈動(dòng)提出了要求。

1 往復(fù)式壓縮機(jī)運(yùn)行原理

往復(fù)式壓縮機(jī)屬于容積式壓縮機(jī)，是使一定容積的氣體順序地吸入和排出封閉空間提高靜壓力的壓縮機(jī)。曲軸帶動(dòng)連桿，連桿帶動(dòng)活塞，活塞做上下運(yùn)動(dòng)。活塞運(yùn)動(dòng)使氣缸內(nèi)的容積發(fā)生變化，當(dāng)活塞向下運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，汽缸容積增大，進(jìn)氣閥打開，排氣閥關(guān)閉，空氣被吸進(jìn)來，完成進(jìn)氣過程；當(dāng)活塞向上運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，氣缸容積減小，出氣閥打開，進(jìn)氣閥關(guān)閉，完成壓縮過程。通?；钊嫌谢钊h(huán)來密封氣缸和活塞之間的間隙，氣缸內(nèi)有潤滑油潤滑活塞環(huán)。往復(fù)式壓縮機(jī)氣缸圖如圖1所示。

圖1 往復(fù)式壓縮機(jī)氣缸圖

往復(fù)式壓縮機(jī)工作原理可分為以下幾點(diǎn)

(1)電動(dòng)機(jī)通過聯(lián)軸器帶動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)；

(2)曲柄連桿機(jī)構(gòu)將曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成十字頭的往復(fù)運(yùn)動(dòng)；

(3)十字頭帶動(dòng)活塞桿，使活塞在汽缸內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)；

(4)曲軸旋轉(zhuǎn)一周，活塞在汽缸內(nèi)往復(fù)一次，壓縮機(jī)完成一次工作循環(huán)；

(5)一個(gè)工作循環(huán)有膨脹、吸氣、壓縮、排氣四個(gè)過程。

2 電機(jī)飛輪矩的計(jì)算

在旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中，常需求出飛輪力矩之值，尤其是在驅(qū)動(dòng)往復(fù)式壓縮機(jī)不均勻負(fù)等類型機(jī)械設(shè)備的異步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)中。

當(dāng)物體繞某固定軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，飛輪轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量均代表該物體保持它原來運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(角速度)的能力。在旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中飛輪力矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的概念是表示旋轉(zhuǎn)體在轉(zhuǎn)矩作用下所產(chǎn)生角速度關(guān)系的常數(shù)，與轉(zhuǎn)速無關(guān)。旋轉(zhuǎn)體對于轉(zhuǎn)軸的飛輪轉(zhuǎn)矩等于它的重量微元與微元到轉(zhuǎn)軸的直徑二次方乘積的總和，即

式中，D—物體的慣性直徑D=2p×10-2(m)；ρ—物體的慣性半徑(cm)；Mi、Gi—物體微小單元的質(zhì)量和重量；M、G—微小單元體的質(zhì)量和重量的總和，即物體的質(zhì)量和重量。

其兩者的關(guān)系為

轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與飛輪力矩公式的換算

[GD]2=4gJ×10-7=393J×106( t·m2)

以往，飛輪轉(zhuǎn)矩計(jì)算一般采用公式法進(jìn)行初步估算。如今，隨著三維繪圖軟件的快速發(fā)展，在設(shè)計(jì)過程中將轉(zhuǎn)子的三維圖形模擬出來，三維繪圖軟件會(huì)根據(jù)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)尺寸自動(dòng)計(jì)算出飛輪轉(zhuǎn)矩，這種方法對于結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的轉(zhuǎn)子飛輪力矩計(jì)算是非常準(zhǔn)確的。在異步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，采用Solidworks軟件生成實(shí)體模型，仿真生成轉(zhuǎn)動(dòng)慣量更加準(zhǔn)確，為精細(xì)化設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)，由圖2可知電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為1.66kg·m2，飛輪矩為6.64 kg·m2。

圖2 電機(jī)飛輪力矩的計(jì)算

3 異步電機(jī)電流脈動(dòng)的計(jì)算

3.1 電流脈動(dòng)的概念與重要性

根據(jù)NEMA標(biāo)準(zhǔn)定義：電流脈動(dòng)被解釋為電流最大振幅和最小振幅的差值與1.414倍電機(jī)滿載額定電流之比值。

按照NEMA MG1和API618標(biāo)準(zhǔn)，異步電機(jī)電流變化不應(yīng)超過全負(fù)荷電流的40%，但需指出的是電流波動(dòng)值不是極限值，在個(gè)別條件下可以更大些，在大容量的電網(wǎng)中或不可能保證拖動(dòng)具有必要的飛輪力矩的條件下，電流波動(dòng)允許提高，在小容量的電網(wǎng)中電流波動(dòng)的允許值要減少。

3.2 具體計(jì)算過程

下面以YAKK 710-16 630kW 11kV電機(jī)為例，根據(jù)電機(jī)的自身GD2、用戶提供的負(fù)載GD2和壓縮機(jī)不同曲軸拐角下的力矩曲線進(jìn)行計(jì)算。由于壓縮機(jī)在額定運(yùn)行狀態(tài)是往復(fù)運(yùn)動(dòng)，故其轉(zhuǎn)矩呈周期性變化—往復(fù)式壓縮機(jī)曲柄軸運(yùn)行一個(gè)來回的行程為一周期。圖3和圖4為壓縮機(jī)廠提供的不同曲柄轉(zhuǎn)角(單位：度)下對應(yīng)的壓縮機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩(單位： N·m)的數(shù)據(jù)表和曲線，即機(jī)器的綜合扭數(shù)據(jù)表。

圖3 壓縮機(jī)不同曲軸拐角下對應(yīng)的力矩值

圖4 壓縮機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩vs.曲柄轉(zhuǎn)角曲線

本文采用有限元的方法對如何選擇該電機(jī)飛輪力矩和定子電流波動(dòng)計(jì)算進(jìn)行相關(guān)介紹

(1)首先利用Ansoft建立電機(jī)模型，用Ansoft RMxprt路算法對電機(jī)進(jìn)行電磁計(jì)算。

(2)將路算法導(dǎo)入至Ansoft的Maxwell2D模塊，根據(jù)負(fù)載實(shí)際狀態(tài)可對電機(jī)各種瞬態(tài)過程進(jìn)行分析。設(shè)置Maxwell 2D模型的運(yùn)行特性，速度為372r/min，計(jì)算額定工況，其電流時(shí)間曲線見圖5。

圖5 電機(jī)額定運(yùn)行狀態(tài)電流時(shí)間曲線

(3)利用電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與用戶壓縮機(jī)所提供的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之和作為仿真中轉(zhuǎn)動(dòng)慣量輸入，利用pwlx函數(shù)，按圖3和圖4的壓縮機(jī)不同曲柄角對應(yīng)的力矩值，設(shè)置Dataset數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)輸入到ansoft中，作為實(shí)際負(fù)載模擬現(xiàn)場工況進(jìn)行有限元法分析，其負(fù)載時(shí)的電流時(shí)間曲線和轉(zhuǎn)矩時(shí)間曲線見圖6。

圖6 電機(jī)帶壓縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài)電流時(shí)間曲線

(4)根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行合理性判斷

圖6表明帶壓縮機(jī)負(fù)載穩(wěn)定時(shí)的電機(jī)電流明顯存在波動(dòng)，這個(gè)波動(dòng)是與壓縮機(jī)運(yùn)動(dòng)特性相一致的，也是呈周期性變化，即產(chǎn)生了電流脈動(dòng)。根據(jù)圖6所示結(jié)果，本次設(shè)計(jì)電機(jī)的電流脈動(dòng)值Icp(%)=10.5%符合NEMA規(guī)定的上限40%，即電流脈動(dòng)合格。

4 電流脈動(dòng)計(jì)算不合格的調(diào)整

對于電機(jī)設(shè)計(jì)自身來說，電流脈動(dòng)將會(huì)升高電機(jī)繞組的溫度，這就要求在設(shè)計(jì)該類電機(jī)時(shí)對其熱負(fù)荷進(jìn)行合理的選擇。另外就是為了增加電機(jī)抗脈動(dòng)的能力，需要提高電機(jī)的過載能力，即提高最大轉(zhuǎn)矩。如果壓縮機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量值足夠大，并且不同曲軸拐角下對應(yīng)的力矩設(shè)計(jì)合理，電機(jī)的電流脈動(dòng)都會(huì)合格。但也有在計(jì)算中不合格的現(xiàn)象存在。

為用戶計(jì)算時(shí)，就遇到過這種情況，下面舉例進(jìn)行說明，為用戶所配電機(jī)YZYKK 900-18 1450kW 10kV的自身轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為1600kg.m2，負(fù)載壓縮機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為561kg.m2，根據(jù)用戶提供的負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和曲軸拐角對應(yīng)的力矩值，按照上面的計(jì)算方法，經(jīng)有限元法計(jì)算，電機(jī)帶壓縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài)電流時(shí)間曲線見圖7，電機(jī)的電流脈動(dòng)為61%，很明顯電流脈動(dòng)不合格。

圖7 電機(jī)帶壓縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài)電流時(shí)間曲線如何將電機(jī)的電流波動(dòng)降低，首先嘗試將電磁性能參數(shù)做了調(diào)整，將起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩提高，重新采用有限元進(jìn)行了計(jì)算，電流脈動(dòng)為57%。電流波動(dòng)降低的很小。由于電機(jī)負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量僅為電機(jī)自身轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的1/3左右，因此又嘗試將壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量加大至2000kg.m2，重新利用有限元進(jìn)行了脈動(dòng)計(jì)算，電流脈動(dòng)為30%，電流脈動(dòng)降低的非常大，具體見圖8。

圖8 加大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量后電機(jī)帶壓縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài)電流時(shí)間曲線

最終對壓縮機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量加至2100kg.m2，同時(shí)壓縮機(jī)廠也對不同曲軸拐角下對應(yīng)的力矩值進(jìn)行了修正，以保證電流脈動(dòng)合格。壓縮機(jī)的負(fù)載大的變化，會(huì)引起電動(dòng)機(jī)中的電流波動(dòng)和供電網(wǎng)中的電壓波動(dòng)，從而破壞了電網(wǎng)和電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行，所以，壓縮機(jī)應(yīng)有比較均勻的阻力矩和足夠的飛輪矩。

通過實(shí)例可以看出，對電流脈動(dòng)影響最關(guān)鍵的參數(shù)就是整個(gè)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，如果用戶的負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量太小，對電機(jī)的電流波動(dòng)就會(huì)有很大的影響。若電流脈動(dòng)不合格，主要有以下三種方法進(jìn)行調(diào)整

(1)對系統(tǒng)的飛輪力矩進(jìn)行調(diào)整 (推薦)；

(2)不同曲軸拐角下對應(yīng)的力矩值進(jìn)行調(diào)整；

(3)調(diào)整電機(jī)的性能參數(shù)。

5 結(jié)語

本文提出了一種利用有限元方法計(jì)算電流脈動(dòng)的方法，并介紹了異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)往復(fù)式壓縮機(jī)時(shí)正確選擇飛輪轉(zhuǎn)矩的必要性，為技術(shù)人員提供異步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)參考。精確選擇電動(dòng)機(jī)的飛輪轉(zhuǎn)矩可以保證電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)限制電流波動(dòng)及電壓波動(dòng)，保證電網(wǎng)質(zhì)量。

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Current Pulse and Flywheel Torque Calculations of Induction Motor for Reciprocating Compressor

LiuJing,WangDianyou,andWangLiming

(Jiamusi Electric Machine Co., Ltd., Jiamusi 154002, China)

Combining with the working principle of reciprocating compressor and theoretically analysis on current pulse, this paper introduces a method to calculate the current pulse of induction motor by finite-element method. Under the introduction of how to correct select flywheel torque and calculate stator current pulse, it is applied to product design. It can improve reliability and safety of product, and has strong practical value.

Induction motor；reciprocating compressor；current pulse；flywheel torque

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2017.03.08

TM301.2

A

1008-7281(2017)02-0026-004

劉晶 女 1985年生；畢業(yè)于哈爾濱理工大學(xué)電子信息工程專業(yè)，現(xiàn)從事電機(jī)設(shè)計(jì)工作.

2016-10-13