實(shí)心轉(zhuǎn)子同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程研究

楊松 劉曉林

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一二研究所，武漢 430064）

采用針對(duì)電磁場(chǎng)計(jì)算而開發(fā)的Ansoft EM軟件對(duì)實(shí)心轉(zhuǎn)子同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程進(jìn)行研究，解決了實(shí)心轉(zhuǎn)子電機(jī)中瞬態(tài)渦流場(chǎng)和機(jī)械運(yùn)動(dòng)相結(jié)合的電磁場(chǎng)、電路及機(jī)械系統(tǒng)的耦合問題，得到了合理的工程解釋。

1 電機(jī)仿真模型的建立

1.1 基本假定及求解區(qū)域

為了計(jì)算方便，在電磁場(chǎng)求解過程中假設(shè)：

（1）電機(jī)鐵心的軸向長(zhǎng)度為無限長(zhǎng)；

（2）定轉(zhuǎn)子鐵心外緣的漏磁忽略不計(jì)；

（3）定子導(dǎo)體和鐵心中的集膚效應(yīng)忽略不計(jì)。

整個(gè)求解區(qū)域如圖1所示，采用直角坐標(biāo)系，由麥克斯韋方程，我們采用矢量磁位求解電磁場(chǎng)問題，在求解區(qū)域內(nèi)矢量磁位A滿足渦流方程。

圖1 實(shí)心轉(zhuǎn)子同步電動(dòng)機(jī)的二維求解區(qū)域圖

1.2 繞組外部控制電路

在實(shí)心轉(zhuǎn)子同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程中，勵(lì)磁繞組成同心式空間分布在實(shí)心轉(zhuǎn)子上，且在起動(dòng)過程中勵(lì)磁繞組必須處于閉合狀態(tài)，滿足各繞組電流一致的矢量約束條件；同時(shí)，必須正確考慮起動(dòng)過程中轉(zhuǎn)子槽楔區(qū)域銅條的作用。因此，整個(gè)仿真試驗(yàn)過程的電路繞組部分涉及到轉(zhuǎn)子限流電阻以及直流勵(lì)磁電源的切換，仿真結(jié)果正確與否，電路模型及相關(guān)電路參數(shù)的正確設(shè)置是關(guān)鍵。

依據(jù)同步電動(dòng)機(jī)的異步起動(dòng)原理，同時(shí)根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置了簡(jiǎn)單易用的開關(guān)電路（速度函數(shù)控制的獨(dú)立的脈沖電壓源控制開關(guān)），整個(gè)繞組電路如圖2所示。

圖2 電機(jī)繞組及其控制外部電路連接圖

其中：Va、Vb、Vc為三相正弦電壓源；Vcn1和Vcn2為脈沖控制電壓源；LPHASE_A、LPHASE_B、LPHASE_C為定子三相繞組直線部分有限元等效電抗；La、Lb、Lc為定子三相繞組漏電感；Ra、Rb、Rc為三相繞組相電阻；R1、R2為控制電路損耗電阻；V_a、V_lc均為電壓表；Ia、I_CON1、I_CON2為各支路電流表；S1、S2為開關(guān)。其中，Vcn1、Vcn2分別控制開關(guān)S1和S2。

1.3 電機(jī)的機(jī)械方程

時(shí)步有限元法是解決機(jī)電系統(tǒng)電磁－機(jī)械耦合問題的有力工具之一。磁場(chǎng)的有限元方程、電路方程組以及機(jī)械方程的耦合求解能準(zhǔn)確地計(jì)算磁路的非線性、定子繞組的相間耦合，以及各變量隨轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)位置的變化。電機(jī)的機(jī)械方程為：

式中：Ω－轉(zhuǎn)子角速度；Tem－電磁轉(zhuǎn)矩；RΩ－阻尼系數(shù)；TL－負(fù)載轉(zhuǎn)矩；G－轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

依據(jù)仿真環(huán)境提供的發(fā)電機(jī)（電動(dòng)機(jī)）模式，可以給不同的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)不同負(fù)載條件下電機(jī)的運(yùn)行仿真。

2 啟動(dòng)性能的計(jì)算與分析

2.1 瞬時(shí)電磁場(chǎng)分布

渦流問題是實(shí)心轉(zhuǎn)子電機(jī)中一個(gè)普遍存在，但又極為復(fù)雜與棘手的問題。它的存在不僅在于產(chǎn)生損耗，而且對(duì)電機(jī)中的電磁場(chǎng)分布有著直接的作用，對(duì)電機(jī)的性能產(chǎn)生較大的影響。用二維有限元法計(jì)算實(shí)心轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)分布時(shí)，當(dāng)轉(zhuǎn)子中有渦流產(chǎn)生時(shí)，由于擠流效應(yīng)，渦流一般集中在轉(zhuǎn)子表面的透入深度范圍內(nèi)。本文對(duì)一臺(tái)3150 kW二極實(shí)心轉(zhuǎn)子同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了分析計(jì)算。

圖3和圖4為空載情況下某一時(shí)刻電機(jī)中磁場(chǎng)分布圖及相對(duì)應(yīng)的電密分布云圖。

圖3 t=0.4時(shí)的磁通分布圖

經(jīng)計(jì)算分析，起動(dòng)初期的集膚現(xiàn)象十分嚴(yán)重，在起動(dòng)初期轉(zhuǎn)子表面渦流數(shù)值很大，轉(zhuǎn)子渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生巨大作用；隨著轉(zhuǎn)差減小，渦流效應(yīng)逐漸減弱，當(dāng)電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子渦流現(xiàn)象消失。

圖4 t=0.4時(shí)的電密分布云圖

2.2 直流勵(lì)磁及轉(zhuǎn)速曲線

圖5、圖6分別為直流勵(lì)磁作用圖和電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線。由于實(shí)心轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，電機(jī)在起動(dòng)初期轉(zhuǎn)速上升緩慢，不會(huì)出現(xiàn)很大的波動(dòng)，當(dāng)速度上升到同步速度的95%，脈沖電壓源作用，直流勵(lì)磁電壓源串接入勵(lì)磁繞組電路，勵(lì)磁繞組電流出現(xiàn)較大的變化，利用直流同步轉(zhuǎn)矩提高電磁轉(zhuǎn)矩，將電機(jī)牽入同步運(yùn)行，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到同步轉(zhuǎn)速后，發(fā)生微弱的轉(zhuǎn)速超調(diào)現(xiàn)象。

圖5 直流勵(lì)磁電壓源作用

圖6 轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化曲線

2.3 起動(dòng)電流及起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的分析與計(jì)算

圖7至圖8分別為定子A相電流和電磁轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間變化曲線。從圖中可看出，在起動(dòng)時(shí)，定子電流較正常運(yùn)行要大得多，所以電磁轉(zhuǎn)矩較大。同時(shí)由于電機(jī)氣隙磁場(chǎng)中存在非周期分量，波動(dòng)幅度較大，出現(xiàn)接近電源頻率的脈振，即起動(dòng)初期轉(zhuǎn)速存在脈動(dòng)現(xiàn)象。此后，隨著非周期分量的減弱直至為零，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)幅度減小，電機(jī)轉(zhuǎn)速緩慢直線上升。在t=0.5 s附近，轉(zhuǎn)速超過同步速度，電磁轉(zhuǎn)矩表現(xiàn)為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，出現(xiàn)大幅下降現(xiàn)象，短暫的自調(diào)整之后，電機(jī)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)同步運(yùn)行。

圖7 定子A相電流隨時(shí)間變化曲線

圖8 磁轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間變化曲線

經(jīng)過以上分析并計(jì)算，求得起動(dòng)電流、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、最大轉(zhuǎn)矩及牽入轉(zhuǎn)矩。如表1所示。顯然，實(shí)心轉(zhuǎn)子同步電動(dòng)機(jī)具有良好的起動(dòng)性能和牽入性能。

表1 空載情況下的啟動(dòng)性能

3 結(jié)束語(yǔ)

通過“場(chǎng)—路—運(yùn)動(dòng)”耦合的實(shí)現(xiàn)，求解計(jì)算了實(shí)心轉(zhuǎn)子同步電動(dòng)機(jī)空載情況下的轉(zhuǎn)子電密分布，起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩；并通過計(jì)算實(shí)心轉(zhuǎn)子復(fù)合性材料不同電阻率和不同磁導(dǎo)率時(shí)的起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。得出以下結(jié)論：

（1）實(shí)心轉(zhuǎn)子同步電動(dòng)機(jī)與普通同步電動(dòng)機(jī)相比較，具有良好的起動(dòng)性能。

（2）實(shí)心轉(zhuǎn)子同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程中的電磁場(chǎng)分布相當(dāng)復(fù)雜，實(shí)心轉(zhuǎn)子渦流現(xiàn)象十分嚴(yán)重；隨著轉(zhuǎn)差減小，渦流集膚效應(yīng)逐漸漸弱；穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，渦流現(xiàn)象基本消失。

[1]唐孝鎬, 寧玉泉, 傅豐禮. 實(shí)心轉(zhuǎn)子異步電機(jī)及其應(yīng)用. 北京：機(jī)械出版社, 1991.

[2]湯蘊(yùn)璆. 電機(jī)內(nèi)的電磁場(chǎng). 北京： 科學(xué)出版社, 1998.

[3]劉長(zhǎng)紅, 姚若萍. 基于場(chǎng)路結(jié)合的實(shí)心轉(zhuǎn)子異步電機(jī)轉(zhuǎn)子參數(shù)計(jì)算. 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，37(9)：1372～1374.

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