2024年2月18日发(作者：查夏萱)
第36卷 第1期2008年 1月 华 中 科 技 大 学 学 报(自然科学版).&Tech.(NaturalScienceEdition)Vol.36No.1 Jan. 2008三相单绕组变极鼠笼式异步电机CAD系统熊 飞 王雪帆(华中科技大学电气与电子工程学院,湖北武汉430074)摘要:根据变极电机的特点,建立链型等效电路的计算模型,对传统中小型三相感应电机电磁设计程序作了改进.基于VisualC++6.0研制了三相单绕组变极鼠笼式异步电机CAD系统.实际算例表明:该系统计算结果准确,对于快速地利用计算机进行变极电机设计具有很强的实用性.关 键 词:鼠笼式异步电机;变极;链型等效电路;计算机辅助设计中图分类号:TM346 文献标识码:A 文章编号:167124512(204TheCADsystemofthethree2phasesingle2windingpole2changingsquirrel2cageasynchronousmachineXiongFei WangXuefan(CollegeofElectricalandElectronicsEngineering,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,China)Abstract:Accordingtothecharacteristicsofthepole2changinginductionmotors,thecalculatingmod2elofthechainequivalentcircuitwasestablishedandtheelectromagneticdesignprogramofthetradi2tionasystemofthethree2phasesingle2windingpole2changingsquirrel2cageasynchronousmachinewasdevelopedbyusingthesoftwareofVisualC++culatingexampleinthepaperindicatedthattheresultsofthissystemwereaccurateandthesystemhadpracticalvaluefordesds:squirrel2cageasynchronousmachine;pole2changing;chainequivalentcircuit;computerai2deddesign(CAD)1 电磁计算数学模型1.1 三相绕组谐波分析和谐波转矩的计算的槽号和线圈匝数可以计算基波及各次谐波的绕组系数及磁势幅值大小,按对称分量法计算不对称磁势波中正序、负序分量及对应的三相综合分布系数.由于一般变极电机中磁场谐波含量较多,幅值较大,由此产生的谐波转矩对电机的影响较大,特别是对于电机的启动性能影响很大,绕组设计不当,容易导致电机低速爬行,不能正常启动,因此,需要分别计算基波和谐波的电磁转矩,然后叠加,分析电机启动过程中转矩变化情况[2,3].1.2 链型等效电路的计算模型本文引入比T型等效电路更准确的链型等变极电机设计首要的是绕组的设计.对于单绕组变极电机,为满足变极的要求,绕组连接方式会比较复杂,为了确定这些绕组方案的合理性,了解这些绕组方案的性能和特点,需要对各种绕组方案进行谐波分析.本文从电机绕组磁势的基本定义入手,用复数解析法,设计出任意绕组的谐波分析程序[1].程序根据给定的任意三相绕组所占收稿日期:2006210220.作者简介:熊 飞(19832),男,博士研究生;武汉,华中科技大学电气与电子工程学院(430074).E2mail:hust-xf@
・104・ 华 中 科 技 大 学 学 报(自然科学版) 第35卷效电路[4,5].其等效电路见图1,其中:r1为定子每相的电阻值;x1为定子每相的漏抗值,包括定子侧的槽漏抗和端部漏抗;xmv是每相v对极谐波等效电路的激磁电抗值;r′2v是折算到定子的转子每相电阻值;x′2v是折算到定子的对极谐波的转子每相漏抗值,包括转子侧槽漏抗、端部漏抗、斜槽漏抗和谐波差漏抗;sv是v对极谐波的转差率.1.3 节距漏抗系数的计算方法本研究引入节距漏抗系数Ku和Kl来反映双层短距绕组的槽漏抗较同样双层整距绕组减小的程度[6].对于正规绕组,Ku和Kl已有简单公式可求,而变极电机的绕组不仅可能非正规(非60°或120°相带),而且上下层导体的安匝数也可能不等,如果仍然套用正规绕组的公式进行估算或利用正规绕组的Ku和Kl曲线插值,必将引起很大的误差,显然不合理.本文通过给定的任意三相绕组所占的槽号和线圈匝数,对非正规绕组的节距漏抗系数采用逐槽累加平均法,即采用表1所列出的Ku和Kl值,根据一相各槽中上下层圈边的实际安匝数和电流相位差计算每槽的Ku和Kl,再将一相中各槽的值加起来,取其平均值作为该相的Ku和Kl值,从而适应变极电机中各种特殊绕组节距漏抗系数的计算.表1 上下层线圈不同相位差时的Ku和Kl值KuKl0°30°60°90°120°150°180°只有上层1.00000.93300.75000.50000.25000.067000.25000.25001.00000.94960.81250.62500.43700.30020.25000.12500.5000上下层不同相位差图1 异步电机的链型等效电路当三相绕组不对称时,三相绕组产生的是椭圆形旋转磁动势,将它分解为正转和反转两个分量.对于对称的三相绕组而言,三相绕组产生的正转和反转磁动势中必有一个为零,对于不对称的三相绕组两个均不为零.为了具有一般性,考虑到不对称三相绕组的谐波分析结果,对v对极谐波等效电路进行修正,将原来的单个谐波电路拆分成正转和反转两个部分,分别表示正转和反转磁动势的影响,如图2所示.只有下层2 主计算程序总框图和电机CAD系统 根据以上的改进,给出了如图3所示的主计图2 v对极谐波的等效电路图3 主计算程序流程图
第1期 熊 飞等:三相单绕组变极鼠笼式异步电机CAD系统 ・105・算程序流程图.主计算程序主要包括磁路计算、额定工况下性能计算及启动性能计算三部分.从流程图可看出:电磁计算事先必须假定4个值Ft,Ke,η和Ist.根据计算结果加以调整,直到计算值与假定值误差不超过给定误差范围(一般取0.001～0.005).编写这部分程序时,要注意:a.尽量将与假定值无关的计算部分放在循环外,以免重复;b.应选用较为合适的初始假定值,以减少循环次数,误差范围也不宜太小;c.为了保证收敛,公式调整必须合适,否则,会出现发散甚至振荡,使程序无法继续运行.为避免这一现象,在程序中设置了4个循环次数控制值,当循环次数超过控制值时,显示出错信息,并提示重新输入主要数据,然后再转入重新运行.在异步电机电磁设计的整个计算过程中,迭代循环部分占很大份量,这部分程序处理的好坏,直接影响整个程序的质量,必须注意.VisualC++6.0支持面向对象的程序设计,在界面设计上采用可视化方式,用户不用编写源代码,只需用它所提供的工具即可做出美观的界面,是开发windows环境下应用程序的理想工具[7].系统用HTML文档的方式提供全部的计算结果,并可按要求打印计算单,方便用户的使用和后处理.系统还根据计算结果自动绘制电机工作特性曲线和启动Tem2n曲线,每条曲线都用不同的颜色表示,方便计算结果的观察和分析,并可打印输出.观察结果窗口如图4所示.图4 观察结果窗口波含量比较大,这与在图5中变极电机8极启动3 算例YD132M28/6变极异步电机的实际算例与工过程中转速大致在500r/min时电机转矩曲线下凹是相符合的;6极绕组谐波分析中极数为10的高次谐波含量比较大,这与在图6中变极电机6表2 电机设计值与工厂实际技术参数对比设计值功率/kW额定电流/A额定转速/(r・min-1)效率/%功率因数启动电流倍数启动转矩倍数最大转矩倍数2.6/3.78.21/9.34733.1/976.277.39/83.440.621/0.7215.71/5.662.60/1.873.20/2.40厂技术参数的对比如表2所示.从表2中看出计算结果与工厂实际技术参数基本相符.YD132M28/6变极异步电机8极和6极绕组谐波分析结果如表3所示,启动Tem2n曲线如图5和图6所示.从图5和图6中可以看出,由于YD132M28/6变极电机采用了非正规绕组,谐波含量比较大,使得启动过程中转矩不同程度地产生下凹,对启动性能有比较大的影响.从表3中可以看出,8极绕组谐波分析中极数为12的高次谐[8,9]实际值2.6/3.78.20/9.40730/97078/820.620/0.7305.00/6.001.90/1.90
・106・ 华 中 科 技 大 学 学 报(自然科学版)表3 YD132M28/6变极鼠笼式异步电机和绕组谐波分析结果8极6极 第35卷极数v48121620正转波百分比59.8798100.00009.04910.00001.3574反转波百分比6.78680.00004.52463.20893.3301极数v26101422正转波百分比10.8654100.000011.50750.63572.2092反转波百分比15.79500.00005.45940.30371.2389计会有很大的帮助.研究表明:本文提出的三相单绕组变极鼠笼式异步电机CAD系统,操作方便、灵活、准确,数据输入容易,计算准确,而且根据绕组谐波分析的结果,能够分析谐波磁场所产生的附加转矩对电机启动性能的影响,具有很强的实用性,较好地满足变极电机设计的要求.参图5 YD132M28/6变极异步电机8极启动Tem2n曲线考文献[1]许实章.交流电机的绕组理论[M].北京:机械工业出版社,1985.[2]李开成,马志云.考虑空间谐波磁场作用的异步电机电磁转矩通用算法[J].大电机技术,1996(1):33236.[3]许实章.新型电机绕组:理论与设计[M].北京:机械工业出版社,2002.[4]汤蕴璆,史 乃,沈文豹.电机理论与运行(上册)[M].北京:水利电力出版社,1983.[5]张经纬,王雪帆.基于链型等效电路的鼠笼式异步电机启动研究[J].华中科技大学学报:自然科学版,图6 YD132M28/6变极异步电机6极启动Tem2n曲线2007,35(2):90292.[6]胡虔生,周达伟,濮开贵.三相单绕组变极电机CAD极启动过程中转速大致在600r/min时电机转矩曲线很明显地下凹是相符的.说明所建立的计算模型和电磁计算程序是准确的.根据绕组谐波分析的结果,本电机CAD系统能比较准确地给出电机启动过程中转矩的变化情况,直观地分析出高次谐波产生的附加转矩对于电机启动性能的影响,这对于分析电机启动性能和进行变极电机设系统[J].电机技术,1994(2):21224.[7]王 晖.精通VisualC++6.0[M].北京:机械工业出版社,1999.[8]濮绍文,濮少文.三相鼠笼式单绕组多速电动机[M].2版.上海:上海科学技术出版社,1996.[9]潘品英.中小型电机绕组修理[M].北京:电子工业出版社,1997.
2024年2月18日发(作者：查夏萱)
第36卷 第1期2008年 1月 华 中 科 技 大 学 学 报(自然科学版).&Tech.(NaturalScienceEdition)Vol.36No.1 Jan. 2008三相单绕组变极鼠笼式异步电机CAD系统熊 飞 王雪帆(华中科技大学电气与电子工程学院,湖北武汉430074)摘要:根据变极电机的特点,建立链型等效电路的计算模型,对传统中小型三相感应电机电磁设计程序作了改进.基于VisualC++6.0研制了三相单绕组变极鼠笼式异步电机CAD系统.实际算例表明:该系统计算结果准确,对于快速地利用计算机进行变极电机设计具有很强的实用性.关 键 词:鼠笼式异步电机;变极;链型等效电路;计算机辅助设计中图分类号:TM346 文献标识码:A 文章编号:167124512(204TheCADsystemofthethree2phasesingle2windingpole2changingsquirrel2cageasynchronousmachineXiongFei WangXuefan(CollegeofElectricalandElectronicsEngineering,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,China)Abstract:Accordingtothecharacteristicsofthepole2changinginductionmotors,thecalculatingmod2elofthechainequivalentcircuitwasestablishedandtheelectromagneticdesignprogramofthetradi2tionasystemofthethree2phasesingle2windingpole2changingsquirrel2cageasynchronousmachinewasdevelopedbyusingthesoftwareofVisualC++culatingexampleinthepaperindicatedthattheresultsofthissystemwereaccurateandthesystemhadpracticalvaluefordesds:squirrel2cageasynchronousmachine;pole2changing;chainequivalentcircuit;computerai2deddesign(CAD)1 电磁计算数学模型1.1 三相绕组谐波分析和谐波转矩的计算的槽号和线圈匝数可以计算基波及各次谐波的绕组系数及磁势幅值大小,按对称分量法计算不对称磁势波中正序、负序分量及对应的三相综合分布系数.由于一般变极电机中磁场谐波含量较多,幅值较大,由此产生的谐波转矩对电机的影响较大,特别是对于电机的启动性能影响很大,绕组设计不当,容易导致电机低速爬行,不能正常启动,因此,需要分别计算基波和谐波的电磁转矩,然后叠加,分析电机启动过程中转矩变化情况[2,3].1.2 链型等效电路的计算模型本文引入比T型等效电路更准确的链型等变极电机设计首要的是绕组的设计.对于单绕组变极电机,为满足变极的要求,绕组连接方式会比较复杂,为了确定这些绕组方案的合理性,了解这些绕组方案的性能和特点,需要对各种绕组方案进行谐波分析.本文从电机绕组磁势的基本定义入手,用复数解析法,设计出任意绕组的谐波分析程序[1].程序根据给定的任意三相绕组所占收稿日期:2006210220.作者简介:熊 飞(19832),男,博士研究生;武汉,华中科技大学电气与电子工程学院(430074).E2mail:hust-xf@
・104・ 华 中 科 技 大 学 学 报(自然科学版) 第35卷效电路[4,5].其等效电路见图1,其中:r1为定子每相的电阻值;x1为定子每相的漏抗值,包括定子侧的槽漏抗和端部漏抗;xmv是每相v对极谐波等效电路的激磁电抗值;r′2v是折算到定子的转子每相电阻值;x′2v是折算到定子的对极谐波的转子每相漏抗值,包括转子侧槽漏抗、端部漏抗、斜槽漏抗和谐波差漏抗;sv是v对极谐波的转差率.1.3 节距漏抗系数的计算方法本研究引入节距漏抗系数Ku和Kl来反映双层短距绕组的槽漏抗较同样双层整距绕组减小的程度[6].对于正规绕组,Ku和Kl已有简单公式可求,而变极电机的绕组不仅可能非正规(非60°或120°相带),而且上下层导体的安匝数也可能不等,如果仍然套用正规绕组的公式进行估算或利用正规绕组的Ku和Kl曲线插值,必将引起很大的误差,显然不合理.本文通过给定的任意三相绕组所占的槽号和线圈匝数,对非正规绕组的节距漏抗系数采用逐槽累加平均法,即采用表1所列出的Ku和Kl值,根据一相各槽中上下层圈边的实际安匝数和电流相位差计算每槽的Ku和Kl,再将一相中各槽的值加起来,取其平均值作为该相的Ku和Kl值,从而适应变极电机中各种特殊绕组节距漏抗系数的计算.表1 上下层线圈不同相位差时的Ku和Kl值KuKl0°30°60°90°120°150°180°只有上层1.00000.93300.75000.50000.25000.067000.25000.25001.00000.94960.81250.62500.43700.30020.25000.12500.5000上下层不同相位差图1 异步电机的链型等效电路当三相绕组不对称时,三相绕组产生的是椭圆形旋转磁动势,将它分解为正转和反转两个分量.对于对称的三相绕组而言,三相绕组产生的正转和反转磁动势中必有一个为零,对于不对称的三相绕组两个均不为零.为了具有一般性,考虑到不对称三相绕组的谐波分析结果,对v对极谐波等效电路进行修正,将原来的单个谐波电路拆分成正转和反转两个部分,分别表示正转和反转磁动势的影响,如图2所示.只有下层2 主计算程序总框图和电机CAD系统 根据以上的改进,给出了如图3所示的主计图2 v对极谐波的等效电路图3 主计算程序流程图
第1期 熊 飞等:三相单绕组变极鼠笼式异步电机CAD系统 ・105・算程序流程图.主计算程序主要包括磁路计算、额定工况下性能计算及启动性能计算三部分.从流程图可看出:电磁计算事先必须假定4个值Ft,Ke,η和Ist.根据计算结果加以调整,直到计算值与假定值误差不超过给定误差范围(一般取0.001～0.005).编写这部分程序时,要注意:a.尽量将与假定值无关的计算部分放在循环外,以免重复;b.应选用较为合适的初始假定值,以减少循环次数,误差范围也不宜太小;c.为了保证收敛,公式调整必须合适,否则,会出现发散甚至振荡,使程序无法继续运行.为避免这一现象,在程序中设置了4个循环次数控制值,当循环次数超过控制值时,显示出错信息,并提示重新输入主要数据,然后再转入重新运行.在异步电机电磁设计的整个计算过程中,迭代循环部分占很大份量,这部分程序处理的好坏,直接影响整个程序的质量,必须注意.VisualC++6.0支持面向对象的程序设计,在界面设计上采用可视化方式,用户不用编写源代码,只需用它所提供的工具即可做出美观的界面,是开发windows环境下应用程序的理想工具[7].系统用HTML文档的方式提供全部的计算结果,并可按要求打印计算单,方便用户的使用和后处理.系统还根据计算结果自动绘制电机工作特性曲线和启动Tem2n曲线,每条曲线都用不同的颜色表示,方便计算结果的观察和分析,并可打印输出.观察结果窗口如图4所示.图4 观察结果窗口波含量比较大,这与在图5中变极电机8极启动3 算例YD132M28/6变极异步电机的实际算例与工过程中转速大致在500r/min时电机转矩曲线下凹是相符合的;6极绕组谐波分析中极数为10的高次谐波含量比较大,这与在图6中变极电机6表2 电机设计值与工厂实际技术参数对比设计值功率/kW额定电流/A额定转速/(r・min-1)效率/%功率因数启动电流倍数启动转矩倍数最大转矩倍数2.6/3.78.21/9.34733.1/976.277.39/83.440.621/0.7215.71/5.662.60/1.873.20/2.40厂技术参数的对比如表2所示.从表2中看出计算结果与工厂实际技术参数基本相符.YD132M28/6变极异步电机8极和6极绕组谐波分析结果如表3所示,启动Tem2n曲线如图5和图6所示.从图5和图6中可以看出,由于YD132M28/6变极电机采用了非正规绕组,谐波含量比较大,使得启动过程中转矩不同程度地产生下凹,对启动性能有比较大的影响.从表3中可以看出,8极绕组谐波分析中极数为12的高次谐[8,9]实际值2.6/3.78.20/9.40730/97078/820.620/0.7305.00/6.001.90/1.90
・106・ 华 中 科 技 大 学 学 报(自然科学版)表3 YD132M28/6变极鼠笼式异步电机和绕组谐波分析结果8极6极 第35卷极数v48121620正转波百分比59.8798100.00009.04910.00001.3574反转波百分比6.78680.00004.52463.20893.3301极数v26101422正转波百分比10.8654100.000011.50750.63572.2092反转波百分比15.79500.00005.45940.30371.2389计会有很大的帮助.研究表明:本文提出的三相单绕组变极鼠笼式异步电机CAD系统,操作方便、灵活、准确,数据输入容易,计算准确,而且根据绕组谐波分析的结果,能够分析谐波磁场所产生的附加转矩对电机启动性能的影响,具有很强的实用性,较好地满足变极电机设计的要求.参图5 YD132M28/6变极异步电机8极启动Tem2n曲线考文献[1]许实章.交流电机的绕组理论[M].北京:机械工业出版社,1985.[2]李开成,马志云.考虑空间谐波磁场作用的异步电机电磁转矩通用算法[J].大电机技术,1996(1):33236.[3]许实章.新型电机绕组:理论与设计[M].北京:机械工业出版社,2002.[4]汤蕴璆,史 乃,沈文豹.电机理论与运行(上册)[M].北京:水利电力出版社,1983.[5]张经纬,王雪帆.基于链型等效电路的鼠笼式异步电机启动研究[J].华中科技大学学报:自然科学版,图6 YD132M28/6变极异步电机6极启动Tem2n曲线2007,35(2):90292.[6]胡虔生,周达伟,濮开贵.三相单绕组变极电机CAD极启动过程中转速大致在600r/min时电机转矩曲线很明显地下凹是相符的.说明所建立的计算模型和电磁计算程序是准确的.根据绕组谐波分析的结果,本电机CAD系统能比较准确地给出电机启动过程中转矩的变化情况,直观地分析出高次谐波产生的附加转矩对于电机启动性能的影响,这对于分析电机启动性能和进行变极电机设系统[J].电机技术,1994(2):21224.[7]王 晖.精通VisualC++6.0[M].北京:机械工业出版社,1999.[8]濮绍文,濮少文.三相鼠笼式单绕组多速电动机[M].2版.上海:上海科学技术出版社,1996.[9]潘品英.中小型电机绕组修理[M].北京:电子工业出版社,1997.