起重機(jī)用繞線轉(zhuǎn)子自起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程仿真

石有計(jì)

(鐵嶺師范高等專(zhuān)科學(xué)校，遼寧鐵嶺112000)

0引 言

近年來(lái)起重機(jī)行業(yè)發(fā)展迅速，行業(yè)處于市場(chǎng)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(jī)的起升裝置一般采用異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪減速機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式。這種驅(qū)動(dòng)方式存在效率低、笨重、振動(dòng)和噪聲嚴(yán)重、故障率較高、調(diào)整維護(hù)困難等缺點(diǎn)。本文研究了一種繞線轉(zhuǎn)子自起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)，可以取代機(jī)械減速機(jī)，實(shí)現(xiàn)直驅(qū)。該電機(jī)起動(dòng)時(shí)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(guò)對(duì)轉(zhuǎn)子外串起動(dòng)電阻阻值的適當(dāng)調(diào)節(jié)，使電機(jī)的起動(dòng)和牽入同步的能力得到顯著增強(qiáng)，能更好地滿(mǎn)足起重機(jī)的對(duì)力能指標(biāo)的高要求，同時(shí)性?xún)r(jià)比會(huì)更高，可靠性會(huì)更好。

1繞線轉(zhuǎn)子自起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)的原理

三相異步電動(dòng)機(jī)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(jī)學(xué)知識(shí)可知，籠型異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)矩相對(duì)較小，而繞線式電動(dòng)機(jī)通過(guò)轉(zhuǎn)子串電阻起動(dòng)可以獲得較小的起動(dòng)電流，同時(shí)可獲得較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。利用這種思路，自起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)中的轉(zhuǎn)子用繞線轉(zhuǎn)子來(lái)替代，就成了繞線轉(zhuǎn)子自起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)子繞組為該種電機(jī)提供了異步起動(dòng)轉(zhuǎn)矩?；\型自起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)和牽入同步的過(guò)程中會(huì)遇到很多問(wèn)題，諸如起動(dòng)和牽入轉(zhuǎn)矩矛盾，起動(dòng)電流較大，不能頻繁起動(dòng);起動(dòng)特性較硬，會(huì)對(duì)機(jī)械系統(tǒng)造成沖擊等。由圖1可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)子外串起動(dòng)電阻增加時(shí)，曲線M=f(s)左移，對(duì)應(yīng)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(dòng)機(jī)的起動(dòng)能力。在電機(jī)起動(dòng)瞬間，轉(zhuǎn)子電阻增加，這樣臨界轉(zhuǎn)差率便增加，起動(dòng)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(dòng)轉(zhuǎn)矩反而增加。然后電阻逐極地切除，當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度趨近于同步轉(zhuǎn)速開(kāi)始牽入同步時(shí)，外串轉(zhuǎn)子電阻可以完全切除，此時(shí)電機(jī)的起動(dòng)過(guò)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(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中的電機(jī)轉(zhuǎn)矩

在起動(dòng)過(guò)程中，繞線轉(zhuǎn)子自起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)需要具有一定倍數(shù)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、一定倍數(shù)起動(dòng)電流和最小倍數(shù)轉(zhuǎn)矩，此外還要求電機(jī)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(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中的電機(jī)轉(zhuǎn)矩由異步轉(zhuǎn)矩Ta、磁阻負(fù)序分量轉(zhuǎn)矩Tb以及發(fā)電制動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tg這三種轉(zhuǎn)矩合成(Ta+Tb=Tc)［1］。

繞線轉(zhuǎn)子自起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的發(fā)電制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式［1］:

由上式知道，轉(zhuǎn)子電阻參數(shù)對(duì)發(fā)電制動(dòng)轉(zhuǎn)矩沒(méi)有影響。通過(guò)適當(dāng)調(diào)整轉(zhuǎn)子電阻大小，當(dāng)發(fā)電制動(dòng)轉(zhuǎn)矩到達(dá)最大值時(shí)，使此處對(duì)應(yīng)的合成轉(zhuǎn)矩得以增加，進(jìn)而使最小轉(zhuǎn)矩得到提升，使發(fā)電制動(dòng)轉(zhuǎn)矩所帶來(lái)的負(fù)面影響得以最大程度的彌補(bǔ)。

3繞線轉(zhuǎn)子自起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程的仿真分析

選用一臺(tái)用于起重機(jī)械的繞線轉(zhuǎn)子自起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)采用Ansoft仿真軟件進(jìn)行分析。電機(jī)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(yīng)電抗為 0．607 2 Ω，交軸電樞反應(yīng)電抗為1．015 01 Ω，定子繞組采用分?jǐn)?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(jī)的有限元模型。把定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組進(jìn)行分相，對(duì)它們各部分賦予相應(yīng)材料，然后對(duì)它們進(jìn)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(jī)未起動(dòng)時(shí)(轉(zhuǎn)差率s=1)，轉(zhuǎn)子外串電阻R1=R2=R3=0．2 Ω，此時(shí)，臨界轉(zhuǎn)差率 sm=1，電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩接近于最大轉(zhuǎn)矩;當(dāng)轉(zhuǎn)差率s=0．5時(shí)，轉(zhuǎn)子外串電阻 R1=R2=R3=0．062 Ω;當(dāng)轉(zhuǎn)差率 s=0．28時(shí)，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(dāng)轉(zhuǎn)差率s=0．05時(shí)，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(jī)轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速并開(kāi)始牽入同步，由此起動(dòng)過(guò)程完成。

通過(guò)對(duì)該電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過(guò)程進(jìn)行仿真，可以得到起動(dòng)電流曲線、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩曲線和轉(zhuǎn)速曲線。把它和一臺(tái)功率相同、極數(shù)相同的籠型自起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)特性曲線進(jìn)行比較分析，得到如下結(jié)果。該電機(jī)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(yīng)電抗為0．703 4 Ω，交軸電樞反應(yīng)電抗為1．638 1 Ω。

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

圖4 為某瞬間起動(dòng)過(guò)程中的磁場(chǎng)分布波形

圖5 A相定子電流波形

圖5為電機(jī)起動(dòng)時(shí)，負(fù)載額定狀態(tài)下，A相定子電流隨時(shí)間變化曲線。圖中顯示，鼠籠轉(zhuǎn)子自起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流的最高倍數(shù)約為15倍，繞線轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流的最高倍數(shù)約為6倍。經(jīng)過(guò)一段時(shí)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(guò)調(diào)整轉(zhuǎn)子外串起動(dòng)電阻，繞線轉(zhuǎn)子自起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流得到顯著降低。

圖6為電機(jī)起動(dòng)時(shí)拖動(dòng)額定負(fù)載，轉(zhuǎn)矩隨起動(dòng)時(shí)間變化曲線，通過(guò)多極降低同步轉(zhuǎn)速和提高了額定轉(zhuǎn)矩。起動(dòng)初期，兩種電機(jī)的瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩都出現(xiàn)了一定程度的波動(dòng)現(xiàn)象，這個(gè)瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩主要由異步轉(zhuǎn)矩、磁阻負(fù)序轉(zhuǎn)矩、發(fā)電制動(dòng)轉(zhuǎn)矩和脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩疊加而成。由于齒槽效應(yīng)和定子電流中存在非周期分量等因素的影響，使起動(dòng)初期波形脈動(dòng)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(guò)一段時(shí)間振蕩，波動(dòng)逐漸減弱，最后在額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩處達(dá)到穩(wěn)定。從圖6還可看出，對(duì)于繞線轉(zhuǎn)子自起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)子外串起動(dòng)電阻的阻值大小的合理調(diào)控，可以改善電機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩沖擊問(wèn)題，使轉(zhuǎn)矩曲線波動(dòng)減弱，起動(dòng)更加平穩(wěn)。

圖6 電磁轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間變化的曲線

圖7為電機(jī)起動(dòng)時(shí)，在負(fù)載額定狀態(tài)下，轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化的曲線。大約在0．5 s以后，繞線轉(zhuǎn)子自起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)開(kāi)始牽入同步轉(zhuǎn)速進(jìn)入額定狀態(tài)，對(duì)比籠型自起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)，電機(jī)起動(dòng)時(shí)間略短，明顯改善了轉(zhuǎn)速曲線的初始波動(dòng)情況，能夠成功地牽入同步，完成起動(dòng)過(guò)程。

圖7 轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化的曲線

圖8為起動(dòng)過(guò)程中發(fā)電制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的波形。圖中顯示發(fā)電制動(dòng)轉(zhuǎn)矩最大值約在8 200 N·m。為了減小發(fā)電制動(dòng)轉(zhuǎn)矩在起動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的負(fù)面影響，通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)子外串起動(dòng)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(dòng)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(qiáng)了電機(jī)的起動(dòng)性能。

圖8 發(fā)電制動(dòng)轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間變化的曲線

采用MATLAB編程，處理兩種電機(jī)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(kāi)始時(shí)曲線轉(zhuǎn)圈，轉(zhuǎn)過(guò)幾個(gè)圈后，逐漸成為螺旋狀，最后會(huì)聚在同步點(diǎn)。從圖中可以看出，在起動(dòng)開(kāi)始時(shí)，繞線轉(zhuǎn)子自起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)曲線螺旋圈數(shù)比較少，輪廓也比較小，比籠型自起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)更具突出優(yōu)勢(shì)。由于籠型自起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)存在起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和牽入轉(zhuǎn)矩矛盾的問(wèn)題，由圖9可以看出，通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)子外串起動(dòng)電阻的合理調(diào)節(jié)，對(duì)于繞線轉(zhuǎn)子自起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)使得起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和牽入轉(zhuǎn)矩得到兼顧，解決了籠型自起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)困難的問(wèn)題。

4結(jié) 語(yǔ)

本文探討了在起動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)對(duì)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(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)的異步轉(zhuǎn)矩得以增加的技術(shù)措施，通過(guò)仿真對(duì)比分析，驗(yàn)證了繞線轉(zhuǎn)子比籠型轉(zhuǎn)子的自起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)增加了起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，降低了起動(dòng)電流，明顯改善起動(dòng)能力和牽入同步能力，為起重機(jī)械裝備的研究與開(kāi)發(fā)指明了新的方向。

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