基于調(diào)速器的給水泵用超大型異步電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)分析

孫冠群，張黎鎖

（1. 中國(guó)計(jì)量學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，杭州 310018；2. 中國(guó)北車(chē)·永濟(jì)新時(shí)速電機(jī)電器有限責(zé)任公司，山西 永濟(jì) 044502）

基于調(diào)速器的給水泵用超大型異步電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)分析

孫冠群1，張黎鎖2

（1. 中國(guó)計(jì)量學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，杭州 310018；2. 中國(guó)北車(chē)·永濟(jì)新時(shí)速電機(jī)電器有限責(zé)任公司，山西 永濟(jì) 044502）

傳統(tǒng)方式下的超大型鼠籠式三相異步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì),為了提高啟動(dòng)能力往往會(huì)犧牲掉效率、溫升、體積重量、甚至成本。近年來(lái)針對(duì)超大型三相異步電動(dòng)機(jī)的專(zhuān)用調(diào)速器（Adjustable-Speed Drive，簡(jiǎn)稱：ASD）應(yīng)運(yùn)而生并開(kāi)始應(yīng)用，但針對(duì)ASD的高性價(jià)比的電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)制造相對(duì)落后，一手的試驗(yàn)比較數(shù)據(jù)更加缺乏。如同變頻器促進(jìn)了專(zhuān)用的變頻調(diào)速型的中小型三相異步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)一樣，本文針對(duì)ASD應(yīng)用的超大型鼠籠式三相異步電動(dòng)機(jī)，從該類(lèi)電動(dòng)機(jī)關(guān)鍵的啟動(dòng)分析入手，以損耗與效率為關(guān)注重點(diǎn)，通過(guò)火電廠給水泵用3MW的ASD型超大鼠籠式三相異步電動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)比較分析，得出具有參考價(jià)值的試驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)論。

超大型異步電動(dòng)機(jī)；調(diào)速器；效率；損耗；啟動(dòng)電流與轉(zhuǎn)矩；試驗(yàn)研究

0 前言

超大型鼠籠式三相異步電動(dòng)機(jī)不同于中小型三相異步電動(dòng)機(jī)，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外大部分中小型三相異步電動(dòng)機(jī)為了因應(yīng)變頻器的使用，專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)系列化的變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)。但超大型三相異步電動(dòng)機(jī)（一般為 3MW 以上）則不同，它有著與中小型異步電動(dòng)機(jī)不同的現(xiàn)實(shí)與特點(diǎn)，近年來(lái)專(zhuān)用調(diào)速器（ASD）在超大型鼠籠式三相異步電動(dòng)機(jī)上的使用，增強(qiáng)了其調(diào)速和啟動(dòng)性能，并具有逐步蠶食原來(lái)由繞線式異步電動(dòng)機(jī)占據(jù)市場(chǎng)的趨勢(shì)，但因應(yīng)調(diào)速器的使用而針對(duì)性地設(shè)計(jì)系列化的調(diào)速型超大鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)的工作，在業(yè)界尚未成熟和完善，也缺乏一定的試驗(yàn)研究基礎(chǔ)。本文基于給水泵用超大型三相異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)分析入手，以電機(jī)效率作為關(guān)注重點(diǎn)，展開(kāi)基于ASD的超大型鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)研究，期待為系列化的超大型鼠籠式三相異步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)提供一些經(jīng)驗(yàn)。

1 異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)

1.1 異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的常規(guī)分析

長(zhǎng)期以來(lái)，對(duì)于超大型三相異步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，啟動(dòng)問(wèn)題是其設(shè)計(jì)該類(lèi)電機(jī)時(shí)重點(diǎn)考慮的。相較于直流電動(dòng)機(jī)和永磁電動(dòng)機(jī)，異步電動(dòng)機(jī)的主要弱點(diǎn)在于它的啟動(dòng)能力。轉(zhuǎn)矩角等于 9 0°是電機(jī)能獲得最大轉(zhuǎn)矩/電流比的條件，但異步電動(dòng)機(jī)在直接啟動(dòng)時(shí)定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)轉(zhuǎn)矩角遠(yuǎn)小于 9 0°。大型異步電動(dòng)機(jī)相對(duì)中小型的和低速的（四極以上）異步電動(dòng)機(jī)具有更低的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，啟動(dòng)過(guò)程更困難，對(duì)電網(wǎng)的影響更大[1]。

異步電動(dòng)機(jī)針對(duì)啟動(dòng)時(shí)的要求，可以概括為：盡量大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，盡量小的啟動(dòng)電流。電動(dòng)機(jī)必需能帶載從靜止到運(yùn)行速率，并且啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩應(yīng)當(dāng)至少為額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩的60%；其次，啟動(dòng)電流不能超過(guò)限定值，譬如由于實(shí)際電源的限制，最大啟動(dòng)電流不應(yīng)高于滿載電流的400%，具體啟動(dòng)方式一般有全電壓、降電壓、星-三角變換、輔助電容、軟啟動(dòng)器啟動(dòng)等[2,3]。

為了滿足上述的啟動(dòng)要求與限制，在電機(jī)設(shè)計(jì)方面，通常重點(diǎn)關(guān)注轉(zhuǎn)子槽形及其材料，以便于增加轉(zhuǎn)子電阻并且降低轉(zhuǎn)子電抗。在電機(jī)設(shè)計(jì)中有很多種轉(zhuǎn)子槽形可供選擇，所有槽形的設(shè)計(jì)都要考慮電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的集膚效應(yīng)[4]，由于集膚效應(yīng)，感應(yīng)電流主要集中在轉(zhuǎn)子（槽）導(dǎo)條的頂部，因此，轉(zhuǎn)子（槽）導(dǎo)條頂部對(duì)電機(jī)啟動(dòng)特性的影響非常關(guān)鍵[5]。導(dǎo)條材料的不同也有影響，越大的異步電動(dòng)機(jī)使用銅導(dǎo)條的比例越大，常規(guī)的改善啟動(dòng)性能的方法是采用高阻值導(dǎo)條[6]。

但是，靠增加轉(zhuǎn)子電阻、降低轉(zhuǎn)子電抗的方式在實(shí)際中的缺點(diǎn)是增加了電機(jī)損耗、犧牲了電機(jī)的效率，這與當(dāng)前高效電機(jī)的發(fā)展背道而馳！這樣往往也造成機(jī)座尺寸的增大，因?yàn)楦唠娮璧你~條產(chǎn)生更多的熱量需要較大的散熱面積。采用外圍的輔助電容、（磁控）軟啟動(dòng)器等方式雖然對(duì)電機(jī)的啟動(dòng)有一定幫助[7-9]，但對(duì)電機(jī)運(yùn)行期間的節(jié)能降耗并無(wú)多大意義，尤其在并不是頻繁啟停控制的火電廠給水泵的場(chǎng)合。

1.2 異步電動(dòng)機(jī)的ASD啟動(dòng)

當(dāng)一臺(tái)異步電動(dòng)機(jī)，用工頻（50Hz）電源全電壓供電啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)瞬間轉(zhuǎn)子靜止時(shí)的轉(zhuǎn)差頻率是50Hz，srδ是定子電流建立的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子電流建立的磁場(chǎng)間的空間電角度（即轉(zhuǎn)矩角），此時(shí)這個(gè)角度不過(guò)°20左右，如圖 1所示。雖然此時(shí)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)強(qiáng)度比較高，但電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩卻相當(dāng)小，而啟動(dòng)電流相當(dāng)大。

圖1 定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)軸線（夾角δsr＜20°）

低速時(shí)，轉(zhuǎn)子電路近似為無(wú)功電路（電抗為主），轉(zhuǎn)子電流和定子電流相位接近，因此，被這兩個(gè)電流建立的磁場(chǎng)之間僅僅有小的間隔，兩磁場(chǎng)間的轉(zhuǎn)矩夾角自然是相當(dāng)小。

ASD的作用就是可以任意改變電源頻率以滿足電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差控制時(shí)的需求，意味著轉(zhuǎn)差頻率能夠根據(jù)需要任意改變，所以定、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)間的夾角也是可以控制并調(diào)整到°90附近，如能達(dá)到圖 2所示，便能得到最大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩[4,10]。另外，當(dāng)電動(dòng)機(jī)加速時(shí)，或者運(yùn)行期間調(diào)速時(shí)，在速度變化過(guò)程中，電源頻率也可以通過(guò)ASD控制以維持最大轉(zhuǎn)矩。

圖2 定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)軸線（夾角 δ sr ≈90°）

可見(jiàn)，采用ASD之后，異步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中不需要考慮過(guò)多的啟動(dòng)設(shè)計(jì)需求，自然也應(yīng)該起到一定的降低電機(jī)損耗的作用。

2 基于 ASD的超大型鼠籠式三相異步電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)分析

對(duì)于所有超大型異步電動(dòng)機(jī)，啟動(dòng)問(wèn)題、效率問(wèn)題是必須關(guān)注的重要問(wèn)題。下面就以啟動(dòng)、效率和關(guān)注的特性試驗(yàn)為重點(diǎn)，針對(duì)采用新型ASD控制下的，為某電廠給水泵新開(kāi)發(fā)的 3MW 三相異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行部分試驗(yàn)分析。

圖3 電動(dòng)機(jī)圖片

試驗(yàn)負(fù)載采用額定輸出為 3000kVA的同步發(fā)電機(jī)，采用能量回饋型線路，基本保證異步電動(dòng)機(jī)所需約三分之二的電能來(lái)自其所帶動(dòng)的同步發(fā)電機(jī)，可節(jié)約試驗(yàn)用電能消耗。

2.1 電動(dòng)機(jī)損耗試驗(yàn)比較分析

為了獲得效率值，需要研究電機(jī)內(nèi)電能變換中的各種損耗。電動(dòng)機(jī)的五種主要損耗分別是：定子繞組電阻損耗（定子銅損）、轉(zhuǎn)子電阻損耗（轉(zhuǎn)子銅損）、鐵心損耗、風(fēng)摩損耗和雜散損耗。轉(zhuǎn)子電阻損耗由轉(zhuǎn)子槽尺寸和導(dǎo)體材料決定。鐵心損耗的決定因素有電工鋼片型號(hào)、電源頻率以及氣隙磁通密度。電動(dòng)機(jī)速度及冷卻風(fēng)扇影響風(fēng)摩損耗。雜散損耗一般與定轉(zhuǎn)子槽的幾何尺寸、氣隙磁密、電工鋼以及制造工藝有關(guān)。

表1是3MW四極異步電動(dòng)機(jī)，根據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[11,12]，將基于ASD設(shè)計(jì)的新電機(jī)與原來(lái)的幾款同功率同系列電機(jī)經(jīng)型式試驗(yàn)測(cè)試的典型損耗分布數(shù)據(jù)對(duì)比，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條材質(zhì)均為銅，表1顯示的是標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)子導(dǎo)條截面下的各損耗及占比，電動(dòng)機(jī)采用的是 T2型號(hào)的純銅材質(zhì)，這個(gè)作為下面各表對(duì)比的基礎(chǔ)。當(dāng)使用H85低導(dǎo)電率的黃銅做轉(zhuǎn)子導(dǎo)條材料時(shí)（表 2），轉(zhuǎn)子銅損從14.8kW增加到36.5kW，在電機(jī)設(shè)計(jì)中采用深槽T2導(dǎo)條時(shí)（表 3），轉(zhuǎn)子銅損也是增加的，不過(guò)從 14.8kW增加到16.2kW。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)子導(dǎo)條電機(jī)采用ASD控制時(shí)（表4），電流密度能增加到最大的允許值，定、轉(zhuǎn)子銅損均會(huì)下降，而鐵損則略有增加到16.8kW，這是因?yàn)殡姍C(jī)平均頻率增加導(dǎo)致了磁滯損耗的增加，但是電機(jī)總損耗是沒(méi)有增加的。

定子銅損主要與定子繞組電阻有關(guān)，在給定不變的定子槽尺寸下，電機(jī)電流和銅線線規(guī)將影響定子銅耗，另外，對(duì)于一定的給定電壓條件下，由于啟動(dòng)電流的要求需增加定子繞組匝數(shù)，這增加了定子的額外損耗。轉(zhuǎn)子銅損受轉(zhuǎn)矩和電流影響大。鐵損由磁密與頻率決定，雜散損耗則和轉(zhuǎn)子電流密切相關(guān)。表1～4中，雜散損耗根據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)被假定為額定功率的0.93%。風(fēng)摩損耗與速度和機(jī)座類(lèi)型有關(guān)。從表1～4中也可看出，高阻值的H85銅材的使用明顯地增加了轉(zhuǎn)子銅耗和電機(jī)總損耗。

表1 標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的損耗分布（T2，100%電導(dǎo)率）

表2 高電阻轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的損耗分布（H85，37%電導(dǎo)率）

表3 深轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的損耗分布（T2）

表4 ASD控制的損耗分布（T2）

應(yīng)用ASD時(shí)，轉(zhuǎn)差率被控制在正常的運(yùn)行轉(zhuǎn)差范圍內(nèi)，譬如 0.5～2Hz之間，因此，啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子電阻、電抗不會(huì)改變，而且ASD通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)差率的控制也同時(shí)增大了轉(zhuǎn)矩夾角接近 9 0°，達(dá)到最佳的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生條件。轉(zhuǎn)差率從50Hz到2Hz，幾乎是轉(zhuǎn)子等效電阻30倍的增加，因?yàn)榈刃щ娮枧c轉(zhuǎn)差是成反比關(guān)系。ASD控制時(shí)啟動(dòng)頻率的控制變化是有核心意義的，因?yàn)樗淖兞宿D(zhuǎn)矩角，從 2 0°到接近 9 0°，當(dāng)轉(zhuǎn)矩角小時(shí)，電能主要增強(qiáng)到轉(zhuǎn)子電路中并產(chǎn)生熱量（有功損耗），當(dāng)轉(zhuǎn)矩角大時(shí)，更多的電能轉(zhuǎn)化為建立磁場(chǎng)（無(wú)功）。可見(jiàn)，ASD提供了完整的解決方案。

2.2 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩與速度分析

電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩可通過(guò)轉(zhuǎn)矩公式獲得，即當(dāng) s=1時(shí)

式中p為極對(duì)數(shù)，U1是相電壓，f1是電源頻率，R1+R2是電機(jī)總電阻， X1+ X2是全部漏抗。

啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩與一定頻率下的1U成正比，與2R也成正比，與漏抗成反比。考慮到同功率不同極數(shù)的系列電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)，圖4給出極數(shù)與漏阻抗之間的關(guān)系，極數(shù)越多漏抗越低。

圖4 轉(zhuǎn)子電阻、漏抗與極數(shù)之間關(guān)系

這也證實(shí)了啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩隨著極數(shù)增加而增加的事實(shí)，如圖 5所示。轉(zhuǎn)子電阻值和全部電抗值是決定啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的主要因素。因而，對(duì)于電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)這些參數(shù)值是非常有必要的。

圖5 啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩與極數(shù)之間關(guān)系

2.3 不同轉(zhuǎn)子槽形電機(jī)的重點(diǎn)指標(biāo)比較

表5給出了四種不同設(shè)計(jì)方案的比較，分別采用：標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)條、高阻導(dǎo)條、深導(dǎo)條以及帶ASD控制標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)條。可見(jiàn)，ASD控制下的電機(jī)設(shè)計(jì)方案，除了有好的效率和啟動(dòng)性能，還具備更低的溫升以及較高的轉(zhuǎn)矩能力。

表5 不同方案的各項(xiàng)性能比較

當(dāng)應(yīng)用高阻導(dǎo)條時(shí)，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)條，其更多的額外熱量需從轉(zhuǎn)子散發(fā)，這就需要更大的電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸來(lái)保證溫升不至于超標(biāo)。除了電能節(jié)省外，損耗減少也降低了電機(jī)溫升，并且能保持電機(jī)在原有體積尺寸范圍內(nèi)不變，ASD控制的電機(jī)與H85高阻導(dǎo)條電機(jī)甚至有 22.5%的溫升差距，調(diào)速器的應(yīng)用使溫升降低的意義是重大的，尤其是一定范圍內(nèi)功率達(dá)到最大值時(shí)意義更加明顯。不過(guò)，由于ASD啟動(dòng)時(shí)的瞬間超低頻率（0.5-2Hz），對(duì)電網(wǎng)頻率還是有一定的沖擊性，文獻(xiàn)[13]通過(guò)頻率的計(jì)算校驗(yàn)安全性，確保頻率被控制在所檢驗(yàn)的安全范圍內(nèi)，這對(duì)高精度超大型低頻ASD啟動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)還是有一定的參考價(jià)值。

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)滿足較好的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和電流的電動(dòng)機(jī)，不得不增加了損耗犧牲了效率。反過(guò)來(lái)，這些高損耗導(dǎo)致需要增加電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸便于散熱。基于ASD的電動(dòng)機(jī)則消除了以上這些啟動(dòng)所需的要求限制，允許電機(jī)設(shè)計(jì)基于運(yùn)行工況而不是過(guò)多關(guān)注啟動(dòng)問(wèn)題，這樣才能設(shè)計(jì)出更高效、低溫升、小尺寸（高功率密度）的超大型三相異步電動(dòng)機(jī)。本文通過(guò) 3MW 的超大型鼠籠式三相異步電動(dòng)機(jī)的實(shí)踐，為設(shè)計(jì)師們提供了一點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。

[1] 葉吉成, 李德祥, 王政, 等. 5m 立式風(fēng)洞動(dòng)力系統(tǒng)[J]. 實(shí)驗(yàn)流體力學(xué), 2006, 20(4): 83-87.

[2] 蘇賢峰, 李賢明, 田婷. 電廠中繼泵大型異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速研究[J]. 大電機(jī)技術(shù), 2006(5):28-31.

[3] 陳萬(wàn)儉, 呂平, 候士亮. 大型異步電動(dòng)機(jī)的磁控軟啟動(dòng)[J]. 冶金自動(dòng)化, 2005(5): 59-61.

[4] 曹曉東, 黃保升. 大型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電容的應(yīng)用[J]. 石油化工建設(shè), 2005, 27(4): 35-38.

[5] 顏偉中, 丁寶, 楊春蕾. 大型異步電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)控制[J]. 哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)報(bào), 2000, 33(1):77-79.

[6] 應(yīng)偉航. STM系列高速緊湊大型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究[D]. 上海: 上海交通大學(xué), 2010.

[7] L.Manz and J. Oldenkamp. Starting high inertia loads on adjustable speed drives. IEEE Ind. Appl.Mag.1998, 4(1): 27-31.

[8] 王荀, 邱阿瑞. 考慮開(kāi)槽和飽和時(shí)鼠籠異步電動(dòng)機(jī)諧波的解析計(jì)算[J]. 清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）, 2011, 51(3): 377-382.

[9] J.Portos, R.King, and P.A.Gaynor, “The influence of magnetic retaining rings on AC motors for boosting touque and reducing starting current,” in Proc.IEEE Petroleum Chemical Ind.Tech.Conf.,2007, 1-8.

[10] R. F.McElveen andM. K. Toney. Starting high-inertia loads. IEEE Trans.Ind. Appl. 2001,37(1): 137-144.

[11] GB/T13957-2008[S]. 大型三相異步電動(dòng)機(jī)基本系列技術(shù)條件, 2008.

[12] GB/T1032-2005[S]. 三相異步電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)方法,2005.

[13] 何寶靈, 劉玉田, 王洪濤, 等. 利用抽水蓄能黑啟動(dòng)大型火電機(jī)組輔機(jī)的頻率估計(jì)[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備, 2008, 28(5): 68-71.

審稿人：富立新

Test Research of Super Large Induction Motors Based on ASD for Feedwater Pump

SUN Guanqun1, ZHANG Lisuo2
(1. College of Mechanical and Electrical Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China; 2. Yongji Xinshisu Electric Equipment CO., LTD, China CNR Corporation Limited, Yongji 044502, China)

The traditional methods of super large squirrel-cage three-phase asynchronous motor design, in order to improve the capacity to start, will tend to sacrifice efficiency, temperature,volume, weight and cost. In recent years, Adjustable-Speed Drive(abbreviation: ASD) of very large three-phase asynchronous motor special governor began to be used and mature. As the converter promoted the special frequency control type small three-phase induction motor design,according to the ASD application of super large squirrel-cage three-phase asynchronous motor design is not mature. This article analyzes the key of the motor firstly with efficiency as the core index. By design and experimental comparison and analysis of 3MW super squirrel-cage three-phase asynchronous motor of ASD drive, reached the high starting performance, low efficiency, small volume and weight, lower cost. This paper will give designers of asynchronous motor provide some experience.

super large induction motors; adjustable-speed drive (ASD); efficiency; loss; starting current and torque; test research

TM32

A

1000-3983(2014)05-0014-04

2014-01-19

孫冠群（1974-），2005年畢業(yè)于西北工業(yè)大學(xué)電力電子與電氣傳動(dòng)專(zhuān)業(yè)，獲碩士學(xué)位，主要從事電機(jī)及其控制方面的研究，講師。