繞線式轉子電機定轉子參數的分離

繞線式轉子電機定轉子參數的分離

曹翰清1,吳冰2,王建良1,3

(1. 中國南車株洲電機有限公司,湖南 株洲412001；

2. 湖南鐵道職業技術學院,湖南 株洲412001；

3. 北京交通大學 電氣工程學院,北京100044)

摘要：對于通過在繞線式轉子上接變頻器進行調速的電機控制系統而言，其整機性能的好壞，關鍵取決于變頻器能否與電機的等效電路參數進行很好的匹配，而電機等效電路參數又將影響到電機電磁方案的選取。從繞線式轉子電機的等效電路出發，以試驗數據為依據，推導出了繞線式轉子電機定轉子參數分離的原理與計算方法。最后通過一臺樣機試驗驗證表明: 通過本方法理論計算的定轉子參數與試驗實測參數的誤差為5%以內，從而驗證了理論分析的正確性。

關鍵詞：繞線式轉子; 定轉子參數; 分離

通訊作者:曹翰清

中圖分類號：TM 302文獻標志碼： A

收稿日期:2014-11-10

Separation Method for Stator Parameter and Rotor

Parameter of Rotor Winding Motor

CAOHanqing1,WUBing2,WANGJianliang1,3

(1. CSR Zhuzhou Electric Motor Co., Ltd., Zhuzhou 412001， China;

2. Hunan Railway Professional Technology College, Zhuzhou 412001， China;

3. School of Electrical Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China)

Abstract：To the variable frequency speed regulation system which control motor by connecting convertor to rotor, the system performance is depended whether the convertor and the motor is good match or not. And the motor equivalent circuit parameter will influence the generator electromagnetic data. Based on the equivalent circuit of the rotor winding motor and the test data, the calculation principle and method for separation the sataor parameter and rotor parameter was derived. The sample motor test data showed that the difference value between theory calculation and test data was smaller than 5%, The correctness of separation calculation method was proved.

Key words： rotor winding motor; stator parameter and rotor parameter; separation

0引言

繞線電機是異步電機的一類，可以通過滑環在轉子繞組中串接電阻來改善電動機的機械特性，從而達到減小起動電流、增大起動轉矩及平滑調速的目的。同時也可以通過在轉子繞組上外加變頻電源，通過調節轉子外加電源的頻率、相位及電壓或電流的幅值大小實現電機調速。

隨著低碳經濟概念的提出，世界各國越來越重視綠色能源的需求。這種繞線式轉子的電機正在被引入到風力發電領域，即現在大規模使用的雙饋風力發電機。這種風力發電機由于其造價低、技術成熟，正在成為大功率并網型風力發電機的主流機型。

對于轉子外接變頻器電源供電調速電機，電機等效電路參數的精確與否，將在很大程度上影響電機與變頻器匹配性的好壞，進而影響整個機組的工作性能。但長期以來，在進行電機等效電路參數特別是電路中的電感參數分離時都進行了一些假設與簡化[1-3]，可能造成等效電路中的部分參數計算不準，并且傳統的試驗方法由于考慮轉子集膚效應等其他因素的影響，試驗時提出了需要變頻電源等更高的要求[4-5]，或是其計算方法過于復雜[6-8]，不適合工程計算。本文從繞線式轉子電機的特殊性出發，以相關試驗原理為基礎，推導出了一種分離繞線式轉子電機定轉子的等效電路參數的方法，并通過試驗驗證了其正確性。

1等效參數分離方法

通過文獻對雙饋風力發電機電磁關系的分析可知，對于與雙饋風力發電機相同結構的繞線轉子電機等效電路轉換為單相電路時，可用圖1所示的等效電路表示。

圖1　繞線式轉子電機等效電路圖

要對圖1所示等效電路參數進行分離，分別以如下3個試驗為基礎進行分析。

(1) 空載試驗。在進行此試驗時，將轉子繞組短接，定子側施加工頻額定網壓進行空載試驗，此時電機轉速接近于同步轉速。由文獻及文獻可知，此時繞線式轉子電機的等效電路圖如圖2所示。

圖2　繞線式轉子電機空載時等效電路圖

此時的激磁電阻即為圖1中等效電路中的激磁電阻值。

(2) 堵轉試驗。在進行此試驗時，將轉子繞組短接，定子側施加一工頻電壓使定子的相電流保持為額定相電流。由文獻可得出此時的等效電路圖如圖3所示。

圖3　繞線式轉子電機堵轉時等效電路圖

(3) 定子開路試驗。在進行此試驗時，將定子繞組斷開，在轉子側施加工頻電壓，使定子繞組的感應電壓為額定的工頻電壓。在該試驗時由于定、轉子都施加有工頻電壓，因此發電機的鐵耗值與空載試驗時不盡相同，應包含有定子鐵耗和轉子鐵耗兩部分。此時由于轉子施加的電壓是工頻電壓，因此此時的轉子阻值將不再是圖1所示的等效電路的電阻值，而是考慮集膚效應之后的電阻值；對于等效激磁電感值，由于此時定子感應的電壓為額定電壓，因此應與空載試驗時相同[10]。由此可以得出該試驗的等效電路圖如圖4所示。

圖4　繞線式轉子電機定子開路試驗等效電路圖

應注意，由于此時轉子上所施加的電壓為工頻電壓，因此等效激磁電阻Rm2應是考慮定子與轉子鐵耗之后的等效激磁電阻。

2等效電路參數分離原理

通過以上三個試驗可得到以下的電路方程:

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中:R1——定子繞組相電阻，可通過電阻測量直接得到;

X1——定子繞組漏感值;

Rm1——空載時的激磁電阻值;

Xm——激磁電感值;

P0——空載試驗時的輸入功率值;

Pfw——空載試驗時機械損耗值;

Pcb——炭刷接觸損耗值;

I1——空載試驗時定子相電流值;

U1——空載試驗時定子相電壓值;

U2——堵轉試驗時定子相電壓值;

I2——堵轉試驗時定子相電流值;

Ps——堵轉試驗時的輸入功率值;

Rm2——定子開路試驗激磁電阻值;

P3——定子開路試驗的輸入功率;

3試驗驗證

為驗證以上計算方法的正確性，以某公司所生產的額定功率為1650kW的一臺繞線式轉子電機為原型機進行試驗，在進行以上三個試驗時其試驗值如表1所示。

根據試驗結果其等效電路參數計算值如表2所示。

通過將電機的計算工作特性與實際運行的工作特性進行對比，就能發現其等效電路參數計算結果是否正確。在進行特性試驗時，為盡量減少外部因素的影響，僅將發電機轉子短接進行異步發電時的特性測試。其計算結果與試驗結果如表3所示。

表1　樣機試驗數據表

表2　樣機等效電路參數計算值　Ω

表3　異步發電時的特性試驗值及計算值

試驗驗證了以上計算方法是正確的。

4結語

本文所推導的繞線式轉子電機等效電路參數分離方法與傳統的計算方法相比，其試驗過程將不再需要變頻電源等復雜的設備，測量方法簡單，實施方便，且沒有采用傳統方法中參數分離時的假設條件，而計算精度精確可靠。

【參 考 文 獻】

[1]李發海，陳湯銘，鄭逢時，等.電機學[M].2版.北京: 科學出版社，1993.

[2]馮浩,金陽,鐘德剛,等.三相感應電動機等效電路參數的一種計算方法[J].電氣應用,2000,19(12): 3-5.

[3]董改花.三相異步電動機等效電路參數計算的綜述[J].煤礦機械,2006,27(2): 207-210.

[4]GASTLI A. Identification of induction motor equiva-lent circuit parameter using the single-phase test[J]. Energy Conversion， IEEE transactions， 1999(14): 51-56.

[5]IEC60034-2-1—2007Rotating electrical machines-part 2-1: Standardmethods for determining losses and efficiency from tests(excluding machines for traction vehicles).

[6]馮浩,金陽,鐘德剛,等.異步電動機等效電路參數高精度計算方法探討[J].電機與控制應用,2001,28(3): 1-6.

[7]張建華，楊鵬.三相異步電動機參數的確定[J].中小型電機,2003,30(4): 15-17.

[8]馮浩，岡田昌丈，鄭耀華.小型三相異步電動機等效電路參數的測定方法[J].微特電機，1994，(3): 30-33.

[9]吳冰,王建良.雙饋風力發電機運行原理分析[J].電氣開關,2008,46(6): 6-7.

[10]陳世坤.電機設計[M].北京: 機械工業出版社，1990.