大中型高壓高效異步電動機(jī)電磁設(shè)計(jì)程序優(yōu)化

謝秋月，周玲慧，關(guān)世海

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大中型高壓高效異步電動機(jī)電磁設(shè)計(jì)程序優(yōu)化

謝秋月，周玲慧，關(guān)世海

（湘潭電機(jī)股份有限公司，湖南 湘潭 411101）

根據(jù)電機(jī)學(xué)理論，結(jié)合電機(jī)廠大量大中型高壓高效異步電動機(jī)生產(chǎn)實(shí)際情況，利用VB匯編語言，對電磁設(shè)計(jì)程序進(jìn)行優(yōu)化。在優(yōu)化過程中，對勵磁電抗、起動電流倍數(shù)和起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)以及鐵耗的計(jì)算公式進(jìn)行了分析和修正，同時(shí)通過一系列高效異步電動機(jī)電磁計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的對比，驗(yàn)證了程序優(yōu)化的可行性和準(zhǔn)確性。

高壓高效異步電動機(jī)；VB匯編語言；電磁設(shè)計(jì)程序

0 前言

目前采用的大中型高壓高效異步電動機(jī)電磁設(shè)計(jì)程序是基于《中小型三相異步電動機(jī)電磁計(jì)算程序》，并以40年代美國西屋公司的計(jì)算程序?yàn)榛A(chǔ)，結(jié)合電機(jī)理論和生產(chǎn)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，用Microsoft Visual Studio程序開發(fā)的設(shè)計(jì)軟件[1-3]。經(jīng)過十幾年的運(yùn)用，設(shè)計(jì)人員對該程序有了很好的掌握，在異步電動機(jī)的性能參數(shù)的選取方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。但隨著工藝加工水平的提高和硅鋼片性能的不斷改進(jìn)，此程序漸漸與工廠試驗(yàn)值偏離，故本優(yōu)化主要針對電磁設(shè)計(jì)程序中的性能參數(shù)和鐵耗公式進(jìn)行修正[4-5]，使之更好地與試驗(yàn)值相吻合。另外因在實(shí)際工作中，經(jīng)常提供給電動機(jī)客戶的勵磁電抗標(biāo)幺值，客戶反應(yīng)此值不是很準(zhǔn)確，故在軟件中對勵磁電抗公式進(jìn)行了改進(jìn)，下面簡要介紹優(yōu)化過程及驗(yàn)證結(jié)果。

1 幾種參數(shù)優(yōu)化過程分析

1.1 勵磁電抗計(jì)算

圖1 異步電動機(jī)的等效電路

但用于工廠電機(jī)設(shè)計(jì)的電磁軟件在計(jì)算勵磁電抗時(shí)，因定子阻抗較小，一般默認(rèn)為內(nèi)電勢接近于額定電壓，因此式（1）可作如下近似計(jì)算：

而電動機(jī)在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，內(nèi)電勢小于額定電壓，所以此電磁設(shè)計(jì)軟件計(jì)算出的勵磁電抗標(biāo)幺值是偏大的。由于以上原因，大中型高壓異步電動機(jī)電磁軟件優(yōu)化針對勵磁電抗標(biāo)幺值計(jì)算公式做了如下修改：

勵磁電抗標(biāo)幺值不再由式（2）得出，而改為式（1）和式（3）合并后得出式（4）：

1.2 起動電流倍數(shù)和起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)計(jì)算

大中型高壓高效異步電動機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中，隨著轉(zhuǎn)速的改變，電機(jī)的磁路飽和程度和轉(zhuǎn)子的擠流效應(yīng)也會發(fā)生相應(yīng)改變。而大中型異步電動機(jī)設(shè)計(jì)程序在進(jìn)行起動性能計(jì)算時(shí)，將所有極數(shù)的異步電動機(jī)全部利用同一種公式來計(jì)算起動性能，這樣雖然像6極、8極大中型高壓異步電動機(jī)的起動電流倍數(shù)和起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)與試驗(yàn)結(jié)果相近，但其它極數(shù)電機(jī)明顯偏小，2極電機(jī)偏小更甚。因此需要對程序有關(guān)的起動公式進(jìn)行修正。

假設(shè)定轉(zhuǎn)子槽磁勢全部落在漏磁路的氣隙部分，則有虛擬磁密：

表1參數(shù)

另外，異步電機(jī)在起動的過程中，因集膚效應(yīng)，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條電阻和槽漏感會隨著轉(zhuǎn)子電流頻率的不同而改變，傳統(tǒng)中計(jì)算集膚現(xiàn)象對轉(zhuǎn)子參數(shù)影響的過程如下：首先計(jì)算對應(yīng)直流電流的轉(zhuǎn)子導(dǎo)條電阻和槽漏感，然后把不同形狀的轉(zhuǎn)子槽等效成相同高度的矩形槽，再用公式計(jì)算等效矩形槽的電阻增加系數(shù)和電感減小系數(shù)，最后把對應(yīng)的直流電流參數(shù)值與相應(yīng)的系數(shù)相乘[7-8]。但這種方法并不適用于所有的槽形，況且不同形狀的槽等效成矩形槽本身理論依據(jù)不足，因此用此公式來計(jì)算各種轉(zhuǎn)子集膚效應(yīng)會有很大的誤差[9]，從我廠的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)來看，某些極數(shù)的中大型高效異步電動機(jī)的起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)和起動電流倍數(shù)都計(jì)算的不是很精確，導(dǎo)致設(shè)計(jì)值和試驗(yàn)值相差較大。

1.3 鐵耗

目前大中型異步電動機(jī)采用的硅鋼片都是冷軋硅鋼片，因采購的硅鋼片本身質(zhì)量已提高，且電機(jī)制造廠家在硅鋼片加工工藝上有改進(jìn)，另外磁通密度分布的不均勻以及旋轉(zhuǎn)磁化與交變磁化之間的損耗差異等引起的鐵耗不同，電機(jī)試驗(yàn)時(shí)空載雜散損耗也包含在鐵耗中，由于工廠計(jì)算鐵耗的諸多因素，故在程序中計(jì)算鐵耗的公式加入了經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，鐵耗公式如式（8）所示：

2 程序優(yōu)化后試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證大中型異步電動機(jī)程序優(yōu)化后的正確性和可行性，對一系列的大中型高效異步電動機(jī)設(shè)計(jì)值與試驗(yàn)值進(jìn)行對比分析。

表2 勵磁電抗標(biāo)幺值參數(shù)對比

因文章篇幅限制，圖2和圖3中只給出4極6kV電動機(jī)在一系列不同功率下，高壓高效電機(jī)的起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)和起動電流倍數(shù)在優(yōu)化前后的對比以及與試驗(yàn)值的比較，其它極數(shù)的數(shù)據(jù)這里就不一一列出。根據(jù)圖2的數(shù)據(jù)分析，優(yōu)化前的起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)與試驗(yàn)值偏差率達(dá)到17.6%，而優(yōu)化后的起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)與試驗(yàn)值偏差率降低到了6.5%；從圖3中可看出優(yōu)化前的起動電流倍數(shù)與試驗(yàn)值偏差率達(dá)到8%，而優(yōu)化后的起動電流倍數(shù)與試驗(yàn)值偏差率降低到了2.65%。由此可見，優(yōu)化后的起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)和起動電流倍數(shù)明顯優(yōu)于優(yōu)化前的設(shè)計(jì)值，提供的設(shè)計(jì)值更精確，很好的與試驗(yàn)值相吻合。

這里仍以4極6kV高效高壓異步電動機(jī)為例，圖4中所示的是不同功率下鐵耗的曲線圖，從圖4中可看出，優(yōu)化前的鐵耗與試驗(yàn)值曲線偏差很大，而優(yōu)化后大中型異步電動機(jī)的鐵耗設(shè)計(jì)值和試驗(yàn)值偏差拉小很多，幾乎接近。

圖2 起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)分布圖

圖3 起動電流倍數(shù)分布圖

圖4 定子鐵耗分布圖

3 結(jié)論

本次大中型高壓高效異步電動機(jī)電磁計(jì)算軟件優(yōu)化升級數(shù)據(jù)龐大，耗費(fèi)時(shí)間較長。本優(yōu)化通過對電磁計(jì)算源程序進(jìn)行全面研究，參考了大量的書籍文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)源程序中問題產(chǎn)生的原因，對舊的異步電動機(jī)電磁設(shè)計(jì)程序進(jìn)行了優(yōu)化，主要體現(xiàn)在勵磁電抗、起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)和起動電流倍數(shù)以及鐵耗這些參數(shù)上，并對這些參數(shù)作了較為符合生產(chǎn)實(shí)際的更正，使得程序得出的數(shù)據(jù)更加貼近電機(jī)理論，且與試驗(yàn)值相符。這大大節(jié)省了設(shè)計(jì)者的時(shí)間，并能給客戶提供正確的電機(jī)參數(shù)，提高了計(jì)算精度，也方便了設(shè)計(jì)者，為以后大中型高壓高效電動機(jī)的設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)，所以大中型高壓高效異步電動機(jī)程序優(yōu)化有很高的實(shí)用價(jià)值。

[1] 周貴厚, 解錦輝, 王少威. 基于VB和MATLAB的變頻異步電動機(jī)電磁設(shè)計(jì)程序[J]. 電機(jī)與控制應(yīng)用, 2009, 36(6):39-44.

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Optimization of Large and Medium-sized High Voltage and High Efficiency Induction Motor Electromagnetic Design Program

XIE Qiuyue, ZHOU Linghui, GUAN Shihai

(Xiangtan Electric Manufacturing Co., Ltd., Xiangtan 411101, China)

According to the principles of electromechanics, combined with the practicalities of large and medium-sized high voltage and high efficiency induction motor produced in the motor factory, electromagnetic design procedures are optimized by using VB assembly language. In the optimization process, the calculation formulas of excitation reactance, multiple of starting current, multiple of starting torque and iron loss are analyzed and revised. And the results of series high efficiency induction motor electromagnetic calculation values by the testing values are compared, which show electromagnetic program optimizations are feasible and precise.

high voltage and high efficiency induction motor; VB assembly language; electromagnetic design procedures

TM343

A

1000-3983(2018)06-0023-03

2018-06-15

謝秋月（1983-），2008年畢業(yè)于湖南大學(xué)，碩士研究生，原從事大型高壓高效異步電動機(jī)設(shè)計(jì)，現(xiàn)從事永磁同步電動機(jī)研究，工程師。