水利設(shè)施中變頻調(diào)速異步電機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

吳菲菲 厲彥玉 劉中偉

(1.臨沂市河?xùn)|區(qū)水利工程保障中心，山東 臨沂 276029;2.臨沂市河?xùn)|區(qū)水務(wù)局，山東 臨沂 276029)

1 研究背景

為提高城區(qū)低洼地區(qū)的排澇能力，臨沂市實(shí)施開源路泵站、解放路泵站、書圣路泵站、水田路泵站4項(xiàng)工程建設(shè)，4大排水泵站分別位于城區(qū)的東南西北四個(gè)方位。北面是位于書圣路與柳青河交會(huì)處的書圣路泵站，南面是位于陶然路與開源路交會(huì)處的開源路泵站，東面是位于涑河南街與青楊路橋交會(huì)處的水田路泵站，西面是位于濱河西路與解放路立交交會(huì)處綠化帶內(nèi)的解放路泵站。泵站建成后大量的變頻調(diào)速電機(jī)會(huì)大量使用，然而原有的高耗能、低效能電機(jī)的長(zhǎng)期使用必然會(huì)造成造成巨大的用電損失，因此，對(duì)變頻調(diào)速異步電機(jī)結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)水利設(shè)施電機(jī)設(shè)備提效降耗具有重要意義。

由于影響變頻調(diào)速異步電機(jī)效率的主要因素是其內(nèi)部存在的高次諧波。因此，變頻調(diào)速轉(zhuǎn)異步電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要出發(fā)點(diǎn)要最大限度地抑制諧波，降低電機(jī)損耗，這需要從電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)兩方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 定子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 定子槽型尺寸設(shè)計(jì)

變頻調(diào)速異步電機(jī)定子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要內(nèi)容是定子槽型尺寸的設(shè)計(jì)。無論電機(jī)處于空載、滿載，還是其他運(yùn)行狀態(tài)，電機(jī)的諧波電流幾乎是保持不變的，這是由于流入電機(jī)的諧波電流并不受電機(jī)的負(fù)荷或轉(zhuǎn)速大小影響，而是由諧波電壓以及電機(jī)回路的參數(shù)決定的。因此，從電機(jī)本體而言，較大的定子漏抗，可以有效地抑制電流諧波，提高電機(jī)功率因數(shù)。

電機(jī)定子漏抗可以反映電磁負(fù)荷，并受到繞組參數(shù)和定子槽型結(jié)構(gòu)的影響。變頻調(diào)速異步電機(jī)漏電抗的計(jì)算公式為

其中∑λ為電機(jī)的比漏磁導(dǎo)。由此可知，通過增加定子繞組匝數(shù)和將定子槽設(shè)計(jì)成深而窄的結(jié)構(gòu)的方法可以增加定子漏抗。

以往的定子槽型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，是在假設(shè)硅鋼片具有良好導(dǎo)磁性的基礎(chǔ)上，綜合考慮定子磁密和機(jī)械強(qiáng)度等相關(guān)參數(shù)，對(duì)電機(jī)槽型尺寸進(jìn)行選擇。這種基于磁路分析的方法無法準(zhǔn)確考慮磁路飽和及諧波磁場(chǎng)的影響，也無法分析某一特定槽尺寸對(duì)電機(jī)損耗的影響。本文采用場(chǎng)路耦合有限元的損耗分析方法，建立變頻調(diào)速異步電機(jī)的損耗計(jì)算模型，詳細(xì)討論定子槽口寬度、槽口高度、槽肩角、槽寬、槽高以及槽半徑6個(gè)槽型尺寸對(duì)電機(jī)損耗的影響，進(jìn)而指導(dǎo)電機(jī)定子槽型設(shè)計(jì)[1]。

梨形槽為中小型電機(jī)中最常用的定子槽型[1](見圖1)。其中，b01為槽口寬度、hs0為槽口高度、α為槽肩角、bs1為槽寬、hs12為槽高、Rs為槽半徑。

圖1 變頻調(diào)速異步電機(jī)定子槽結(jié)構(gòu)

針對(duì)以上槽型尺寸，利用前面介紹的損耗計(jì)算方法，并結(jié)合變頻調(diào)速異步電機(jī)的場(chǎng)路有限元模型，得到電機(jī)空載損耗隨不同槽型尺寸的變化曲線(見圖2)。

圖2 電機(jī)空載損耗隨不同槽型尺寸的變化曲線

通過曲線可以直觀看出，槽高、槽半徑以及槽寬對(duì)損耗影響較大，隨著三者的增大，電機(jī)空載損耗明顯增加；槽肩角、槽口寬度以及槽口高度則對(duì)損耗的影響較小，電機(jī)損耗隨三者的變化并不明顯。

2.2 繞組形式選擇

變頻調(diào)速異步電機(jī)定子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的另一個(gè)重要方面是繞組形式的選擇。對(duì)于中小型變頻調(diào)速轉(zhuǎn)子異步電機(jī)而言，其定子繞組應(yīng)采用短矩或分布繞組，繞組節(jié)距一般取5/6極距，能削弱5次與7次相帶諧波磁動(dòng)勢(shì)，減小基波和諧波銅損耗。對(duì)于大功率高轉(zhuǎn)速的變頻調(diào)速異步電機(jī)，應(yīng)該考慮把定子繞組接成六相雙Y偏30°繞組[2]，這種繞組形式可以完全消除所有的6k±1(k為奇數(shù))次諧波，同時(shí)采用節(jié)距為11/12極距的短距繞組來消除11次、13次諧波，進(jìn)而達(dá)到消除所有對(duì)電機(jī)影響較大的諧波的目的。此外，為了減小諧波引起的集膚效應(yīng)影響，變頻調(diào)速異步電機(jī)的繞組應(yīng)采用扁平導(dǎo)體水平布置，并用多根互相絕緣的導(dǎo)體并聯(lián)。

3 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子槽型設(shè)計(jì)主要考慮電機(jī)的啟動(dòng)性能，轉(zhuǎn)子槽深而窄，可以有效提高電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。由于變頻調(diào)速異步電機(jī)采用變頻控制，啟動(dòng)參數(shù)靈活可調(diào)，因此對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)子槽型設(shè)計(jì)時(shí)不用考慮電機(jī)啟動(dòng)性能參數(shù)的大小。

變頻調(diào)速異步電機(jī)的諧波影響明顯，為降低轉(zhuǎn)子損耗，轉(zhuǎn)子槽型設(shè)計(jì)上需要考慮集膚效應(yīng)的影響。在轉(zhuǎn)子磁密允許的情況下盡可能地增大槽面積，槽宜淺不宜深，槽型總體上設(shè)計(jì)成上寬下窄的矮胖形結(jié)構(gòu)(見圖3)。

圖3 變頻調(diào)速異步電機(jī)轉(zhuǎn)子槽結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)子斜槽為一般異步電機(jī)設(shè)計(jì)中較為常用的方式，斜槽一方面可以降低由于齒諧波產(chǎn)生的定轉(zhuǎn)子諧波銅耗，另一方面由于鐵芯軸向飽和程度增加會(huì)導(dǎo)致電機(jī)鐵耗增加[3]。因此，當(dāng)轉(zhuǎn)子斜槽達(dá)到一定的斜槽度時(shí)，在使齒諧波銅耗得到有效降低的同時(shí)，還能確保電機(jī)損耗降到最小，這個(gè)斜槽度稱之為最佳的斜槽度。本文針對(duì)變頻調(diào)速異步電機(jī)，利用有限元方法分析不同轉(zhuǎn)子斜槽度對(duì)損耗的影響，得到電機(jī)的空載損耗及負(fù)載損耗隨不同斜槽度的變化曲線(見圖4)。

圖4 電機(jī)空載及負(fù)載損耗隨斜槽度的變化曲線

從圖4中可以看出，轉(zhuǎn)子斜槽為0.8倍齒距時(shí)，電機(jī)空載損耗和負(fù)載損耗均最小，其原因是由于轉(zhuǎn)子斜槽后轉(zhuǎn)子導(dǎo)條齒諧波電勢(shì)減小，定轉(zhuǎn)子諧波銅耗都隨之降低。此外，諧波磁場(chǎng)沿軸向分布的不均勻程度決定了轉(zhuǎn)子諧波鐵耗的大下，其受到轉(zhuǎn)子電流和轉(zhuǎn)子斜槽度共同影響。在相同的轉(zhuǎn)子電流下，雖然諧波磁場(chǎng)的不均勻程度會(huì)隨著轉(zhuǎn)子斜槽度的增加而增加，但隨著斜槽度的增加，轉(zhuǎn)子諧波電流并非保持不變，而是會(huì)相應(yīng)減小，這會(huì)進(jìn)一步削弱轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的去磁作用，導(dǎo)致鐵耗降低。

變頻調(diào)速異步電機(jī)中的高頻脈沖波，會(huì)使得轉(zhuǎn)子軸與軸承之間產(chǎn)生較大的軸電壓，并且零點(diǎn)漂移電壓中含有的高次諧波會(huì)使軸電流增大。當(dāng)軸承電壓超過一定值時(shí)，會(huì)使軸承放電，引起電弧，加速軸承磨損。因此，在進(jìn)行變頻調(diào)速異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，還必須考慮軸和軸承的選擇及保護(hù)問題。為了盡可能地降價(jià)軸電壓，除了抑制電源諧波以外，還可以采取電機(jī)負(fù)荷側(cè)軸承接地、非負(fù)荷側(cè)軸承絕緣的方法，同時(shí)也可采用接地電刷將轉(zhuǎn)子軸接地[4]。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

基于以上分析，設(shè)計(jì)并加工完成了變頻調(diào)速異步電機(jī)，樣機(jī)實(shí)物見圖5。

圖5 變頻調(diào)速異步電機(jī)轉(zhuǎn)子及樣機(jī)

通過對(duì)電機(jī)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試(見圖6)，得到電機(jī)的主要性能參數(shù)(見表1)。

圖6 變頻調(diào)速異步電機(jī)實(shí)驗(yàn)測(cè)試

表1 變頻調(diào)速異步電機(jī)主要性能參數(shù)

從表1可以看出，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，變頻調(diào)速異步電機(jī)表現(xiàn)出了優(yōu)于傳統(tǒng)異步電機(jī)或變頻電機(jī)的機(jī)械性能，尤其是在效率上有了明顯提高。電機(jī)系統(tǒng)效能的提高對(duì)響應(yīng)國(guó)家節(jié)能降耗、節(jié)約能源和節(jié)省電費(fèi)開支具有重要意義。