復(fù)合籠條轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能的研究
關(guān)鍵詞:復(fù)合籠條轉(zhuǎn)子 異步電動(dòng)機(jī) 仿真
1 引言
眾所周知,普通異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩小,起動(dòng)電流大。這使得它在某些場(chǎng)合的應(yīng)用受到了限制。為了改善普通感應(yīng)電機(jī)的起動(dòng)性能,許多學(xué)者進(jìn)行了有意義的研究。先后提出了雙鼠籠電機(jī),轉(zhuǎn)子采用刀形、凸形槽等方法來提高電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。20世紀(jì)初國外學(xué)者提出了實(shí)心轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī),它具有高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和低起動(dòng)電流的特點(diǎn),但其效率和功率因數(shù)較差。為了既有起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、起動(dòng)電流小的特點(diǎn);又兼顧效率和功率因數(shù)高,我們提出了復(fù)合籠條轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)。本文基于交流電機(jī)理論仿真分析了這種電機(jī)起動(dòng)性能,并研究了轉(zhuǎn)子槽內(nèi)材料磁導(dǎo)率和電阻率的變化對(duì)這種電機(jī)起動(dòng)性能的影響。
2 復(fù)合籠條異步電動(dòng)機(jī)的仿真數(shù)學(xué)模型
2.1 復(fù)合籠條轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)
復(fù)合籠條轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)定子結(jié)構(gòu)、電磁關(guān)系與普通籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相同,所不同的是它的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。電機(jī)的剖面圖如圖1所示。復(fù)合籠條轉(zhuǎn)子采用雙鼠籠結(jié)構(gòu),上層籠采用高電阻率材料,該復(fù)合材料是用一定比例的銅鐵合金材料構(gòu)成,下層籠采用鑄鋁材料,端部是由鋁構(gòu)成端部回路。采用這種復(fù)合材料制成的上層籠條,可通過改變電阻率ρ和磁導(dǎo)率μ而改變起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和起動(dòng)電流的大小。
2.2 復(fù)合籠條轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型
根據(jù)文獻(xiàn),在不計(jì)鐵心飽和,忽略諧波磁勢(shì)影響,氣隙均勻的情況下,復(fù)合籠條轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)的基本方程為:
式中:下標(biāo)s,r分別代表定子、轉(zhuǎn)子各分量;
下標(biāo)d,q分別代表d,q,0坐標(biāo)系下的量;
Xss為定子自電感;
Xrr為轉(zhuǎn)子自電感;
Xm為定轉(zhuǎn)子間互感;
Rs為定子電阻;
Rr為轉(zhuǎn)子電阻;
p為微分算子;
ω為轉(zhuǎn)子角速度;
i為電流;
u為電壓。
定子自感Xss=Xm+X1σ,轉(zhuǎn)子自電感Xrr=Xm+X2σ,X1σ和X2σ分別為定轉(zhuǎn)子漏感。
式(1)可改寫成狀態(tài)方程的形式并簡(jiǎn)記為:
其中I為電流矩陣;X為電感矩陣;U為電壓矩陣;R為電阻矩陣;G為與旋轉(zhuǎn)電勢(shì)有關(guān)的電感矩陣。
復(fù)合籠條轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程為:
式中:H為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;
Mm為機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩;
將式(2)、(3)合并起來即得復(fù)合籠條轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)的狀態(tài)方程。記為:
式中:u為輸入電壓矩陣;
t為連續(xù)時(shí)間。
3 仿真分析
為了研究復(fù)合籠條轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能,我們制造了一臺(tái)3KW的該電動(dòng)機(jī)。對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),得到了該電機(jī)實(shí)測(cè)參數(shù)和起動(dòng)時(shí)電流曲線、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩曲線。電機(jī)的實(shí)測(cè)參數(shù)為p=3KW,Ist=31.2,Test=24N.m,cosΦ=0.81,η=78.5%。給該電機(jī)加380V,50Hz的額定電壓,帶額定負(fù)載,利用建立的數(shù)學(xué)模型對(duì)該電機(jī)起動(dòng)過程進(jìn)行了仿真,得到了起動(dòng)時(shí)電流變化曲線如圖2所示和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速曲線如圖3所示,并與實(shí)驗(yàn)曲線進(jìn)行了比較,說明了仿真的正確性。實(shí)驗(yàn)電流曲線如圖4所示,轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速曲線如圖3中的虛線。圖5,圖6給出了普通3KW、2極感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流變化曲線和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速變化曲線,與圖2,3比較,可得知復(fù)合籠條感應(yīng)電動(dòng)機(jī)具有良好的起動(dòng)性能。
4 轉(zhuǎn)子材料對(duì)復(fù)合籠條感應(yīng)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)特性的影響
4.1 轉(zhuǎn)子籠條電阻率的影響
根據(jù)電機(jī)設(shè)計(jì)的知識(shí),通過不同轉(zhuǎn)子電阻下的仿真結(jié)果,可以得到起動(dòng)轉(zhuǎn)矩隨籠條電阻率的變化曲線(如圖7所示)和電流隨轉(zhuǎn)子電阻率的變化曲線(如圖8所示)。一般認(rèn)為電阻率增大,起動(dòng)轉(zhuǎn)矩增大。但從曲線可以看出當(dāng)轉(zhuǎn)子電阻率增大到一定范圍時(shí),轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)子電阻率的增大反而減小。從仿真結(jié)果知,轉(zhuǎn)子電阻率增大,起動(dòng)時(shí)間加長(zhǎng),故轉(zhuǎn)子電阻率增大并不一定對(duì)起動(dòng)有利。
4.2 轉(zhuǎn)子籠條磁導(dǎo)率的影響
根據(jù)電機(jī)設(shè)計(jì)的知識(shí),通過不同轉(zhuǎn)子漏抗下的仿真結(jié)果得到了起動(dòng)轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)子籠條磁導(dǎo)率變化曲線(如圖9所示)、起動(dòng)電流隨籠條磁導(dǎo)率變化曲線(如圖10所示)??梢钥闯鲭S磁導(dǎo)率的增加,起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和起動(dòng)電流都在減小,為了獲得較小的起動(dòng)電流可以增大磁導(dǎo)率,但必然減小起動(dòng)轉(zhuǎn)矩,所以在設(shè)計(jì)電機(jī)時(shí),應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇兩者的最佳結(jié)合點(diǎn)。磁導(dǎo)率越大,電機(jī)起動(dòng)時(shí)間越長(zhǎng),當(dāng)磁導(dǎo)率大到一定時(shí),由于轉(zhuǎn)矩減小,電機(jī)將無法起動(dòng)。
5 結(jié)論
(1)采用復(fù)合籠條的異步電動(dòng)機(jī)比采用鑄鋁籠條的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大,起動(dòng)電流小。
(2)起動(dòng)電流隨籠條電阻率的增大而減小,當(dāng)電阻率為鑄鋁電阻率的約3.5倍時(shí),起動(dòng)轉(zhuǎn)矩最大。
(3)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和電流隨籠條磁導(dǎo)率的增大基本按線性減小。
參考文獻(xiàn):
[1]D.C.White,H.H.Woodson.Electromechanical Energy Conversion[M].Wiley Sons,1959
[2]C.M.Ong“Dynamic simulation of electric machinery using Matlab/Simulink”[S].Ed.Mc GrawHill.1998,New Jersey pp.202-204
[3]J.Appelbaum,I.A.Khan,and E.F.Fuchs,“Optimization of three_phase induction motor design.Pt Ⅱ:The efficiency and Cost of an option design”[J].IEEE Trans.On Energy Conversion Vol.Ec-2,1987,pp.145-422
[4]R.Ramarathman and B.G.Desai,“Optimization of polyphase induction motordesign_A nonlinear programming approach”[J].IEEE trans.On Power Apparatus and Systems.Vol PAS-80,1971,pp.570-578
評(píng)論