中小型變頻電機(jī)優(yōu)化電磁設(shè)計(jì)軟件開(kāi)發(fā)

肖金鳳　扶文靜　潘文濤

摘 要：為抑制變頻電源的高次諧波對(duì)變頻調(diào)速異步電機(jī)的影響,提出從定轉(zhuǎn)子槽配合的優(yōu)化選擇、轉(zhuǎn)子槽形及氣隙的優(yōu)化設(shè)計(jì)、建立電機(jī)模糊自適應(yīng)設(shè)計(jì)模型幾方面進(jìn)行變頻調(diào)速異步電機(jī)的優(yōu)化電磁設(shè)計(jì)；為提高現(xiàn)有變頻調(diào)速異步電機(jī)電磁設(shè)計(jì)軟件的實(shí)用性,利用Visual Basic 6.0,開(kāi)發(fā)出變頻調(diào)速異步電機(jī)的優(yōu)化電磁設(shè)計(jì)軟件,完成了一臺(tái)7.5 kW變頻調(diào)速異步電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)結(jié)果表明,設(shè)計(jì)的電機(jī)性能好,提出的優(yōu)化電磁設(shè)計(jì)方法可行,開(kāi)發(fā)的電磁設(shè)計(jì)軟件輸出性能良好,達(dá)到了設(shè)計(jì)要求,具有實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速異步電機(jī)；優(yōu)化設(shè)計(jì)；電磁設(shè)計(jì)軟件；模糊自適應(yīng)；Visual Basic 6.0

中圖分類號(hào)：TM343文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-373X(2009)03-148-03

Development of Optimal Electromagnetic Design Software of

Small and Medium Variable-Frequency Motor

XIAO Jinfeng,FU Wenjing,PAN Wentao

(School of Electrical Engineering,University of South China,Hengyang,421001,China)

Abstract：In order to restrain the influence of high frequency harmonics on the variable frequency source to inverter-driven induction motor,this paper presents the optimal electromagnetic design method of inverter-driven induction motor,such as optimal stator and rotor slot matching,optimal design of rotor slot type and airgap,constructing inverter-driven induction motor fuzzy self-adaptive design model.Using Visual Basic 6.0 as a tool,the optimal electromagnetic design software of inverter-driven induction motor is developed to improve practicability of optimal design Software,the 7.5 kW inverter-driven induction motor is designed by the electromagnetic design software.The result indicates that good performance of the motor,feasibility of the optimal design method and practicability of the optimal electromagnetic design,the performance of the software is excellent to accord with the request of design.

Keywords：inverter-driven induction motor;optimal design;electromagnetic design software;fuzzy self-adaptive ；Visual Basic 6.0

0 引 言

變頻調(diào)速異步電機(jī)由變頻裝置供電,由于變頻器的輸出電壓和電流中包含一系列的高次諧波,將使電機(jī)效率降低,溫升升高,低速運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),高速運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生較大的振動(dòng)和噪聲［1-4］。

變頻調(diào)速異步電機(jī)的諧波抑制方法一直是傳動(dòng)領(lǐng)域中一個(gè)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題［1-5］ 。

該文以抑制變頻調(diào)速異步電機(jī)的諧波為目的,從改動(dòng)和優(yōu)化變頻調(diào)速異步電機(jī)設(shè)計(jì)出發(fā),提出了變頻電機(jī)的優(yōu)化電磁設(shè)計(jì)方法。文獻(xiàn)［5］提出了變頻調(diào)速異步電機(jī)自適應(yīng)設(shè)計(jì)模型優(yōu)化電磁設(shè)計(jì)方法,本文將模糊控制應(yīng)用至電磁優(yōu)化設(shè)計(jì)中,得到模糊自適應(yīng)設(shè)計(jì)模型,可進(jìn)一步提高設(shè)計(jì)電機(jī)的性能。

文獻(xiàn)［6］研發(fā)的變頻三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)CAD系統(tǒng)功能強(qiáng)大,操作方便,但該系統(tǒng)設(shè)計(jì)前需輸入變頻器控制參數(shù),不同變頻器參數(shù)不同,使設(shè)計(jì)的電機(jī)應(yīng)用范圍受到限制。該設(shè)計(jì)將利用Visual Basic 6.0開(kāi)發(fā)變頻調(diào)速異步電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)軟件,設(shè)計(jì)時(shí)只需從主窗口輸入電機(jī)在額定狀態(tài)下的主要性能參數(shù),即可通過(guò)計(jì)算機(jī)自動(dòng)優(yōu)化,得到氣隙、定轉(zhuǎn)子槽形尺寸、電機(jī)損耗效率等輸出性能參數(shù)。

1 優(yōu)化電磁設(shè)計(jì)

1.1 定轉(zhuǎn)子槽配合的優(yōu)化選擇

在變頻異步電機(jī)槽數(shù)設(shè)計(jì)方面,定轉(zhuǎn)子槽配合的約束得到放寬,考慮槽配合時(shí),主要考慮避免一階定、轉(zhuǎn)子齒諧波產(chǎn)生的低階力波(n=0,1,2,3,…),這些力波可能與定子的固有頻率接近,發(fā)生共振［7］。

(1)削弱力波的槽配合

為削弱變頻電機(jī)齒諧波產(chǎn)生的力波,要求槽配合滿足表1要求。

表1 變頻調(diào)速異步電機(jī)槽配合

避免力波次數(shù)槽配合要求

0Z1－Z2≠0,2p

1Z1－Z2≠±1,2p±1

2Z1－Z2≠±2,2p±2

3Z1－Z2≠±3,2p±3

表1中：Z1為定子槽數(shù),Z2為轉(zhuǎn)子槽數(shù),p為電機(jī)極對(duì)數(shù)。

更高次力波引起的振動(dòng)幅值小,一般中小型電機(jī)中可不予考慮。

(2) 對(duì)籠型電動(dòng)機(jī),定子槽數(shù)越多、諧波損耗越少、異步附加轉(zhuǎn)矩越小,定子槽數(shù)大于轉(zhuǎn)子槽數(shù),還可以降低雜散損耗。

(3) 轉(zhuǎn)子采用奇數(shù)槽,這樣可以減少同步寄生轉(zhuǎn)矩,避免起動(dòng)時(shí)產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)。

(4) 采用5/6短矩系數(shù)可大大削弱5次諧波和7次諧波產(chǎn)生的附加轉(zhuǎn)矩影響,對(duì)變頻電機(jī)減少高次諧波影響起到十分重要的作用。

1.2 轉(zhuǎn)子槽形優(yōu)化設(shè)計(jì)

(1) 為了抑制高次諧波損耗的增加,異步電機(jī)轉(zhuǎn)子應(yīng)采用集膚效應(yīng)小的特殊槽形,槽面積盡可能大,槽形宜淺不宜深,槽形總體上寬下窄；采用直槽而非斜槽轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)以減少其負(fù)載損耗［8］。

(2) 采用磁性槽楔,不但能減小有效氣隙,降低空載電流,改善功率因數(shù),還能降低氣隙諧波磁勢(shì)分量,減小諧波磁勢(shì)引起的附加損耗和其他不良影響。

(3) 在定、轉(zhuǎn)子槽數(shù)相同的情況下,可選擇不同的轉(zhuǎn)子槽形、尺寸,進(jìn)行效率和功率因數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì),從而確定高效優(yōu)化的最終電磁設(shè)計(jì)方案。

1.3 氣隙的優(yōu)化設(shè)計(jì)

電機(jī)的氣隙增大,將使勵(lì)磁電流增加,電機(jī)功率因數(shù)下降,同時(shí)氣隙中的諧波磁場(chǎng)也將降低,附加損耗減少。另氣隙的增大可以使定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)配合部件的加工精度和同心度適當(dāng)降低,減小了加工的難度和時(shí)間。

普通電機(jī)氣隙通常采用經(jīng)驗(yàn)公式：

δ=Di11001+92p

其中:δ為電機(jī)的氣隙(mm)；Di為電機(jī)定子內(nèi)徑(cm)；p為電機(jī)極對(duì)數(shù)。

變頻電機(jī)氣隙應(yīng)比同容量普通電機(jī)氣隙稍大一些。

1.4 基于模糊自適應(yīng)設(shè)計(jì)模型的電磁優(yōu)化設(shè)計(jì)

文獻(xiàn)［5］給出了變頻調(diào)速異步電機(jī)不同定子槽形的定子設(shè)計(jì)公式,一旦給定定子電密、氣隙磁密、定子齒軛磁密(J1,Bg,Bt1,By1)等參數(shù),定子結(jié)構(gòu)和主要尺寸就完全確定,并隨槽形和定子內(nèi)外徑比值的改變而改變。這些公式使變頻調(diào)速異步電機(jī)的設(shè)計(jì)完全由其電密和磁密的設(shè)定值控制,不僅消去了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中的經(jīng)驗(yàn)參數(shù),而且使這些電密和磁密的設(shè)定與變頻調(diào)速系統(tǒng)中電機(jī)的運(yùn)行性能建立密切關(guān)系。

文獻(xiàn)［5］以此為基礎(chǔ)進(jìn)行了基于自適應(yīng)模型的電磁優(yōu)化設(shè)計(jì)。在該自適應(yīng)模型中,定子內(nèi)外徑之比λ是不確定的,這個(gè)變量的選取對(duì)電機(jī)的性能會(huì)有很大的影響。該設(shè)計(jì)則將模糊控制應(yīng)用到系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,建立一變頻調(diào)速異步電機(jī)模糊自適應(yīng)模型,通過(guò)模糊自適應(yīng)過(guò)程不斷調(diào)整選取λ參數(shù),以達(dá)到同時(shí)滿足定、轉(zhuǎn)子電磁負(fù)荷設(shè)定的目的。

變頻調(diào)速異步電機(jī)模糊自適應(yīng)設(shè)計(jì)流程見(jiàn)圖1。

圖1 變頻調(diào)速異步電機(jī)模糊自適應(yīng)設(shè)計(jì)流程圖

2 變頻電機(jī)電磁設(shè)計(jì)軟件開(kāi)發(fā)

本設(shè)計(jì)軟件是在Windows平臺(tái)上用VB 6.0開(kāi)發(fā)的,適用于Windows 98以上的操作系統(tǒng),視窗化設(shè)計(jì),全漢化顯示,界面友好,人機(jī)交互,提高了工作效率。

圖2所示為該軟件編寫(xiě)的結(jié)構(gòu)框圖。

圖2 電磁設(shè)計(jì)軟件結(jié)構(gòu)框圖

電磁設(shè)計(jì)程序采用VB語(yǔ)言編寫(xiě)。優(yōu)化電磁計(jì)算方法以文獻(xiàn)［5,8,9］為基礎(chǔ),并對(duì)其提出的電磁計(jì)算方法進(jìn)行改良,將模糊控制應(yīng)用至文獻(xiàn)［5］提出的異步電機(jī)自適應(yīng)設(shè)計(jì)模型中,得到了異步電機(jī)模糊自適應(yīng)設(shè)計(jì)模型。

3 設(shè)計(jì)實(shí)例

現(xiàn)利用開(kāi)發(fā)的變頻調(diào)速異步電機(jī)電磁設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行一7.5 kW變頻調(diào)速異步電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)。

3.1 數(shù)據(jù)輸入主體窗口

其主要額定參數(shù)輸入主體窗口見(jiàn)圖3。

圖3 額定參數(shù)輸入界面

點(diǎn)擊界面上的“計(jì)算”,軟件中將自動(dòng)優(yōu)化,得出定子參數(shù),轉(zhuǎn)子參數(shù),電路參數(shù)、電流及損耗等參數(shù),然后進(jìn)行整體優(yōu)化,得出最佳設(shè)計(jì)方案。

3.2 計(jì)算結(jié)果

定子參數(shù)如圖4所示,轉(zhuǎn)子參數(shù)如圖5所示,損耗及效率如圖6所示。

圖4 定子參數(shù)

圖5 轉(zhuǎn)子參數(shù)

設(shè)計(jì)結(jié)果：

(1) 定轉(zhuǎn)子槽配合為36/23；

(2) 轉(zhuǎn)子槽形選擇上寬下窄的平底槽；

(3) 氣隙比同容量普通電機(jī)氣隙稍大,增大0.026 mm。

(4) 效率為92%,比設(shè)計(jì)要求的性能還要好。

依據(jù)以上參數(shù)設(shè)計(jì)的變頻調(diào)速異步電機(jī)性能良好,滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6 損耗及效率

4 結(jié) 語(yǔ)

變頻調(diào)速異步電機(jī)應(yīng)用日益廣泛,其設(shè)計(jì)水平也越來(lái)越高。該文提出了變頻調(diào)速異步電機(jī)的優(yōu)化電磁設(shè)計(jì)方法，利用VB 6.0研制了變頻調(diào)速異步電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)軟件。實(shí)例結(jié)果表明本文提出的電磁設(shè)計(jì)方法是有效、正確、先進(jìn)的,開(kāi)發(fā)出的電磁設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)準(zhǔn)確、方便實(shí)用。

參考文獻(xiàn)

［1］劉吉仿,李偉力,程樹(shù)康.異步變頻電機(jī)發(fā)展綜述［J］.微電機(jī),2007,40(6):76-79.

［2］魏華雄.SPWM逆變供電下感應(yīng)電機(jī)諧波分析及仿真［D］.哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué),2004.

［3］Wu Jia,Fred C Lee.Elimination of Low-Frequency Harmonics Caused by PWM in a Three-Phase Soft-Switched Boost Rectifier.IEEE Trans.on Industry Applications,2002,38(2)：483-488.

［4］許春家.變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)［J］.防爆電機(jī),2008,43(3):6-7.

［5］鄔向東,趙爭(zhēng)鳴,孟朔,等.大中型變頻調(diào)速高效電動(dòng)機(jī)的優(yōu)化電磁設(shè)計(jì)［J］.電工技術(shù)雜志,2003(3)：42-44,69.

［6］李輝,韓力,王亞峰,等.變頻三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)及其CAD系統(tǒng)開(kāi)發(fā)［A］.四川省電工技術(shù)學(xué)會(huì)電機(jī)專業(yè)委員會(huì)二00一年第十三屆學(xué)術(shù)年會(huì).2000.

［7］李莉,劉玉慶.變頻調(diào)速異步電機(jī)槽配合的探討［Ｊ］.電機(jī)技術(shù),2001(4):6-8.

［8］何春波,劉生.變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子槽優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.防爆電機(jī),2007,42(1):44-48.

［9］關(guān)慧,趙爭(zhēng)鳴,孟朔,等.變頻調(diào)速異步電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)(英文) ［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2004(7)：194-199.

作者簡(jiǎn)介 肖金鳳 女,1972出生,湖南衡陽(yáng)人,碩士,副教授,碩士生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)殡姍C(jī)及其控制、智能控制。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。