多功率電機(jī)的設(shè)計及性能分析

吳 冰，左繼紅

(湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，株洲 412001)

0 引 言

在油田機(jī)械采油所用的抽油機(jī)一般都工作在負(fù)荷呈周期性變化的情況下, 輕載狀態(tài)占一個工作周期的一半。對于電機(jī)這類感性負(fù)載，將造成其在輕載狀態(tài)下的無功損耗大，從而造成電能的大量浪費[1]。

上述問題的實質(zhì)是單一功率的電機(jī)無法適應(yīng)負(fù)載變化的工作情況，帶來電機(jī)運行效率低、電能損耗大、資源浪費等問題。為此，本文采用多功率電機(jī)來解決這一問題。

多功率電機(jī)的設(shè)計目的在于解決目前的異步電機(jī)只能穩(wěn)定運行于一種額定負(fù)載的問題，實現(xiàn)一臺異步電機(jī)能夠在多種額定負(fù)載情況下穩(wěn)定運行的設(shè)計目的[2-5]。

1 多功率電機(jī)的設(shè)計思想

首先，根據(jù)客戶提供的100%負(fù)載情況下的功率P、轉(zhuǎn)速n、起動轉(zhuǎn)矩Tst等性能指標(biāo)，完成高功率檔的電磁設(shè)計，并繪制出負(fù)載變化情況下的效率-功率因數(shù)曲線(從100%負(fù)載率到空載整個變化過程)。

由效率-功率因數(shù)曲線可知, 隨著負(fù)載功率的降低, 效率和功率因數(shù)也不同程度地下降，尤其在75%負(fù)載率后，出現(xiàn)大幅度的下降, 這就意味著電機(jī)開始進(jìn)入非經(jīng)濟(jì)運行區(qū)。因此，我們在70%～75%負(fù)載率區(qū)域內(nèi)，選取第一個功率切換點，把該功率作為中功率檔的額定功率值。由于在75%負(fù)載率后，效率和功率因數(shù)下降得非?？?，因此我們在中功率檔的基礎(chǔ)上，在其75%～85%負(fù)載率區(qū)域內(nèi)，選取第二個功率切換點，把該功率作為低功率檔的額定功率值。舉個例子，如果電機(jī)的最高額定功率為75 kW，那么我們可以選取55 kW作為其中功率檔，選取45 kW作為其低功率檔。

通過設(shè)計多檔功率, 可根據(jù)負(fù)載率的情況，適時轉(zhuǎn)換電機(jī)的功率擋位,讓電機(jī)在合適的功率情況下運行，以提高電機(jī)整個運行周期內(nèi)的效率和功率因數(shù)。

本文借鑒電機(jī)定子繞組采用Y-△接法的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)降壓起動的思想，也將通過定子繞組接法的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)高、中、低檔功率的轉(zhuǎn)換。

由Y-△變換法可知，對于同一臺異步電機(jī)，可以通過改變其定子繞組的連接方式(星形連接或三角形連接)，實現(xiàn)一臺電機(jī)具有多個穩(wěn)定運行的功率，進(jìn)而可以針對不同工況，選取不同的額定功率，從而獲得較高的運行效率和功率因數(shù)。

2 多功率電機(jī)的設(shè)計

本文對某一臺額定功率為75 kW異步電機(jī)進(jìn)行了多功率設(shè)計。電機(jī)的定子繞組設(shè)計為每相兩個繞組，共6個繞組，12個抽頭。由Y-△降壓起動的原理可知，如果按照不同的方式連接電機(jī)的定子繞組，便可獲得不同的輸出功率。本文給出了3種接法，可實現(xiàn)高、中、低三個功率等級。

高功率檔：定子繞組采用大三角形接法，多功率電機(jī)可運行在最大功率75 kW檔。其接法如圖1所示。

圖1 75 kW時電機(jī)定子繞組接線圖

中功率檔：定子繞組采用星三角混合接法，電機(jī)運行在55 kW功率檔。繞組接法如圖2所示。

圖2 55 kW時電機(jī)定子繞組接線圖

低功率檔：定子繞組采用大星形接法，電機(jī)運行在45 kW功率檔。繞組的連接方式如圖3所示。

圖3 45 kW時電機(jī)定子繞組接線圖

本設(shè)計的優(yōu)點在于，只改變電機(jī)定子繞組的連接方式，便可獲得多個功率等級，簡便易行。同時，該電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)仍可采用與普通異步電機(jī)轉(zhuǎn)子類似的結(jié)構(gòu)，既可用鼠籠式轉(zhuǎn)子，也可用繞線式轉(zhuǎn)子。

另外，為了實現(xiàn)多個功率等級，本電機(jī)定子繞組的聯(lián)接方式雖然復(fù)雜些，但在某一功率等級下，該電機(jī)的運行性能與普通電機(jī)是類似的，對電機(jī)的設(shè)計仍可參照普通異步電機(jī)的設(shè)計方法。

設(shè)計的主要思路如下：

(1)先以最高功率等級(75 kW)為基礎(chǔ)，根據(jù)電機(jī)的設(shè)計接口參數(shù)，確定電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子的主要尺寸以及定子繞組的基本結(jié)構(gòu)。

(2)進(jìn)行磁路計算和參數(shù)計算。

(3)對電機(jī)的性能(包括工作性能和起動性能)進(jìn)行計算，對五大性能指標(biāo)進(jìn)行分析，校核電機(jī)的性能。

(4)設(shè)計定子繞組的其他聯(lián)接方式，獲得其他的功率等級。利用相應(yīng)的設(shè)計程序，核算各功率等級下的電機(jī)性能。

值得一提的是，多功率電機(jī)的設(shè)計將涉及到功率因數(shù)、效率等參數(shù)的迭代問題，因此，在進(jìn)行電機(jī)設(shè)計時，應(yīng)將多功率設(shè)計帶來的額外因素考慮進(jìn)去，需要進(jìn)行更為復(fù)雜的分析和計算。

3 多功率電機(jī)的性能分析

3.1 高功率檔(75 kW)時電機(jī)的性能分析

電機(jī)的設(shè)計參數(shù)如下：輸出功率為75 kW，額定電壓為460 V(△接法)，3相，60 Hz，3對磁極。

根據(jù)上述參數(shù)，進(jìn)行電磁計算和結(jié)構(gòu)設(shè)計。對電機(jī)運行在75 kW功率的運行性能進(jìn)行分析，其性能指標(biāo)如表1所示。

表1 功率為75 kW時電機(jī)的主要性能指標(biāo)

表1給出了各性能指標(biāo)的計算值和設(shè)計給定值。進(jìn)行對比分析，結(jié)論如下：

(1)電機(jī)運行于額定功率為75 kW的工況時，效率、功率因數(shù)兩項性能指標(biāo)較好，略高于設(shè)計給定值。

(2)最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)、起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)、起動電流倍數(shù)略低于設(shè)計給定值，但在誤差范圍內(nèi)。

3.2 中、低功率檔時電機(jī)的性能分析

通過改變電機(jī)定子繞組抽頭的連接方式，可讓該電機(jī)獲得55 kW及45 kW的額定功率。對電機(jī)在75 kW、55 kW以及45 kW三種不同額定功率下的性能指標(biāo)進(jìn)行對比分析，具體數(shù)據(jù)如表2所示。

根據(jù)表2給出的電機(jī)在三種不同額定功率下運行的性能指標(biāo)數(shù)據(jù)，進(jìn)行對比分析，結(jié)論如下：

表2 不同額定功率下電機(jī)性能指標(biāo)的對比

(1)電機(jī)在三種功率下運行的效率和功率因數(shù)這兩項性能指標(biāo)比較好，這對于電機(jī)的實際運行是非常有益的。

(2)最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)、起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)及起動電流倍數(shù)都隨著電機(jī)輸出功率的降低而有所下降，但均能達(dá)到相應(yīng)輸出功率下電機(jī)的設(shè)計指標(biāo)要求。

4 結(jié) 語

本文通過改變電機(jī)定子繞組的連接方式，實現(xiàn)了一臺電機(jī)可以在多個額定功率下運行的設(shè)計目標(biāo)。通過上述關(guān)于電機(jī)的設(shè)計及性能分析可以看出，該電機(jī)在不同額定功率下運行時的主要性能指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計要求，證明該設(shè)計思想的可行性，從而解決了因負(fù)載變化而導(dǎo)致的電機(jī)效率低下的問題。