電力開關(guān)作業(yè)

1、0、引言目前人們常用的交流電機(jī)主要有兩種，分別為三相異步電機(jī)和同步電機(jī)。這兩種電機(jī)中電勵(lì)磁同步電機(jī)與繞線式異步電機(jī)都含有滑環(huán)和電刷，使得這兩種電機(jī)維護(hù)成本增加而且電機(jī)運(yùn)行的可靠性降低。對于永磁同步電機(jī)雖然取消了電刷和滑環(huán)但其最大轉(zhuǎn)矩卻受到了永磁體的限制，永磁材料價(jià)格變高使其成本增加。無刷電勵(lì)磁同步電機(jī)是一種新型的電機(jī)。定子上嵌有一套三相對稱繞組和一套單相同心式繞組；轉(zhuǎn)子分為磁阻轉(zhuǎn)子、籠型轉(zhuǎn)子和混合型轉(zhuǎn)子。常規(guī)轉(zhuǎn)子無刷電勵(lì)磁同步電機(jī)耦合能力差，諧波磁場比較多，導(dǎo)致電機(jī)效率和功率密度較低，從而影響了其在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用。為了提高轉(zhuǎn)子的耦合能力采取磁阻轉(zhuǎn)子與籠型轉(zhuǎn)子相結(jié)合的混合轉(zhuǎn)子。該種電機(jī)同時(shí)兼顧

2、了同步電機(jī)和無刷雙饋電機(jī)這兩種電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。其取消了電刷和滑環(huán)，解決了困擾電勵(lì)磁同步電機(jī)發(fā)展的瓶頸，使得該種電機(jī)的維護(hù)成本降低。無刷電勵(lì)磁同步電機(jī)是通過特殊轉(zhuǎn)子對三相對稱繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場和單相繞組產(chǎn)生的靜止恒定磁場進(jìn)行調(diào)制，實(shí)現(xiàn)電機(jī)機(jī)電能量的轉(zhuǎn)換。本文針對無刷電勵(lì)磁同步電機(jī)主要做了以下工作：；將首先介紹該種電機(jī)的原理及仿真的要求；對無刷電勵(lì)磁同步電機(jī)定、轉(zhuǎn)子參數(shù)進(jìn)行選取；分別對電機(jī)的電動(dòng)和發(fā)電性能進(jìn)行仿真。1、無刷電勵(lì)磁同步電機(jī)原理無刷電勵(lì)磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)特殊，定子具有兩套繞組，一套是三相的繞組，另一套是單相繞組，分別叫做功率繞組和控制繞組，或者主繞組和副繞組，兩套繞組的極數(shù)差一般大于4；轉(zhuǎn)子

3、為混合型轉(zhuǎn)子。機(jī)電能量轉(zhuǎn)換是通過轉(zhuǎn)子對定子磁場進(jìn)行調(diào)制實(shí)現(xiàn)的。圖1-1表示無刷電勵(lì)磁同步電機(jī)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。圖1-2表示的是轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)圖。圖1-1 無刷電勵(lì)磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖圖1-2 無刷電勵(lì)磁同步混合結(jié)構(gòu)圖當(dāng)功率繞組通入的電頻率為時(shí)，無刷電勵(lì)磁同步電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速為：其中為電機(jī)功率繞組的極數(shù)，為電機(jī)控制繞組的極數(shù)，為電機(jī)轉(zhuǎn)子的極數(shù)。接下來討論一下在對涉及好的電機(jī)進(jìn)行仿真時(shí)應(yīng)該注意的事項(xiàng)：無刷勵(lì)磁同步電機(jī)的磁力線分布不同于常規(guī)電機(jī)，由于特殊轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對磁場的調(diào)制作用，使得電機(jī)磁力線分布具有不對稱性，故建模仿真時(shí)必須建立整體模型而不能利用1/n模型對其進(jìn)行仿真運(yùn)算。在進(jìn)行有限元分析時(shí)，為了簡化和分析

4、，必須對電機(jī)模型做出以下的假設(shè)：（1） 忽略無刷電勵(lì)磁同步電機(jī)的端部磁場效應(yīng)；（2） 鐵心中的材料具有各項(xiàng)同性的特點(diǎn)，具有單值B-H曲線；（3） 定子外圓矢量磁位為零；（4） 將磁導(dǎo)率為常數(shù)，忽略磁損耗。采用有限元的方法求解，要將待求解區(qū)域剖分為若干個(gè)小三角形的剖分單元，本文中采用Ansoft軟件的剖分系統(tǒng)，進(jìn)行自動(dòng)剖分，導(dǎo)磁部分剖分單元最大邊長限制為4.6mm，非導(dǎo)磁部分導(dǎo)線2.8mm，氣隙為1mm。通過計(jì)算可以得到無刷電勵(lì)磁同步電機(jī)的磁力線分布情況和磁密云圖。根據(jù)磁密的分布情況，從而判定電機(jī)的工作情況或觀察電機(jī)是否合格。同時(shí)為了比較各種參數(shù)對磁場極數(shù)的轉(zhuǎn)化能力的影響，必須對氣隙磁密進(jìn)行分析

5、。為了對不同轉(zhuǎn)子耦合能力進(jìn)行定量計(jì)算，需對磁密波形通過Matlab進(jìn)行傅里葉分析，從而確定電機(jī)的參數(shù)。2、無刷電勵(lì)磁同步電機(jī)參數(shù)確定2.1定子參數(shù)確定我們以機(jī)座號為Y250M-6的異步電機(jī)為基礎(chǔ)，并根據(jù)電機(jī)設(shè)計(jì)書的計(jì)算公式對11KW電機(jī)進(jìn)的定子參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。2.1.1繞組節(jié)距確定為了使繞組基波系數(shù)盡可能的大，減少主副繞組之間的直接耦合，減少附加的損耗，因此，三相交流繞組一般采用的是雙層短距分布繞組，單相直流繞組采用的是與普通凸極轉(zhuǎn)電勵(lì)磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組相同的排列方式。因此，每個(gè)槽中含有3套導(dǎo)體。對于三相繞組理想節(jié)據(jù)選擇： 其中Z為電機(jī)定子槽數(shù)，P為繞組極數(shù)，y8為電機(jī)繞組節(jié)距。這種選擇考慮了盡

6、可能減少兩套繞組之間的直接耦合,從而減少其附加損耗。對于直流繞組,其為單相同心式繞組。對電機(jī)進(jìn)行勵(lì)磁。無刷電勵(lì)磁同步電機(jī)不僅共用一套磁路，而且還共同承擔(dān)輸入功率。因此，當(dāng)電機(jī)工作在一種運(yùn)行狀態(tài)時(shí)為了合理的提高電機(jī)的性能應(yīng)根據(jù)其運(yùn)行狀態(tài)選擇合理的磁密以及計(jì)算其匝數(shù)時(shí)還應(yīng)考慮到電壓等級與其運(yùn)行方式,進(jìn)而使得電機(jī)的工作性能最佳。2.1.2繞組匝數(shù)的選擇及參數(shù)計(jì)算根據(jù)電機(jī)的參數(shù)和電機(jī)設(shè)計(jì)的要求初選匝數(shù)和線規(guī)初選功率繞組每項(xiàng)串聯(lián)匝數(shù)為192，初定電密為，因此，線規(guī)選取線規(guī)直徑兩根導(dǎo)線并繞，而控制繞組匝數(shù)為320選取的線規(guī)為進(jìn)行6根并繞。經(jīng)初步計(jì)算可知槽滿率為76%。滿足下線要求。通過電機(jī)設(shè)計(jì)原理，計(jì)算的

7、出功率繞組電阻為，其端部漏感為?？刂评@組電阻為，其端部漏感為。2.1.2電機(jī)定子的主要參數(shù)（1）定子參數(shù)定子槽數(shù)：Q1=72；定子外徑：D1=400mm；定子內(nèi)徑：Di1=285mm；鐵長度：Lef=225mm。（2）定子槽尺寸b0=3.8mm; h01=1mm; b1=6.2mm; a1=35o; r1=4.1mm;h12=24.8mm。（3）氣隙長度g=0.55mm。（4）定子繞組位置如圖2-1所示：1功率繞組，2控制繞組。三相繞組節(jié)距：為短距分布繞組三相繞組連接方式：三相繞組為Y接。（5）定子極數(shù)功率繞組極數(shù)；控制繞組：。（6）定子每槽導(dǎo)體數(shù)功率繞組，控制繞組。圖2-1 定子槽型與繞組所

8、放位置下圖為定子沖片圖：圖2-2定子沖片圖2.2轉(zhuǎn)子參數(shù)確定轉(zhuǎn)子決定兩套定子繞組耦合能力。因此對轉(zhuǎn)子對耦合能力的研究是必要的。通過研究極弧系數(shù)，磁障數(shù)量，導(dǎo)磁層與非導(dǎo)磁層之比以及是否帶公共籠條和短路繞組的組數(shù)對轉(zhuǎn)子耦合能力的影響，對混合型轉(zhuǎn)子的各項(xiàng)參數(shù)確定最佳方案。采取的方法是逐個(gè)改變參數(shù)，然后通過Ansoft對其進(jìn)行建模計(jì)算，計(jì)算結(jié)束以后取出氣隙磁密通過MATLAB對其進(jìn)行傅里葉分析得出各次諧波的比例，再結(jié)合其它因素最后確定電機(jī)轉(zhuǎn)子參數(shù)。根據(jù)參考資料可知凸極高度一般為22mm。2.2.1極弧系數(shù)的選取極弧系數(shù)影響了凸極之間的氣隙大小，從而影響了轉(zhuǎn)子的耦合能力。為了分析在不同極弧系數(shù)下的轉(zhuǎn)子的

9、耦合能力，分別建立極弧系數(shù)從0.2到0.8增量為0.1的不同的轉(zhuǎn)子模型。得到由控制繞組單獨(dú)勵(lì)磁的氣隙磁密，并對氣隙磁密進(jìn)行傅里葉分解，得到不同極弧系數(shù)下的有用諧波占基波的百分比。其對轉(zhuǎn)子耦合能力的影響如圖2-3所示。圖2-3 極弧系數(shù)對轉(zhuǎn)子耦合能力的影響圖2-3說明，極弧系數(shù)小時(shí)耦合能力好。極弧系數(shù)增加導(dǎo)致凸極間的氣隙減小，從而磁阻降低耦合能力下降。但極弧系數(shù)過小可能會(huì)導(dǎo)致磁路飽和程度增加，使得高次諧波增加電機(jī)性能下降。同時(shí)考慮無刷電勵(lì)磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子耦合能力和磁路飽和的問題，以及轉(zhuǎn)子上有非導(dǎo)磁層的存在，因此選取的極弧系數(shù)為 0.7。下圖既為所選取的極弧系數(shù)下的電機(jī)轉(zhuǎn)子耦合能力的有用諧波占基波的

10、百分比的條形圖。有用諧波占基波百分比/%諧波次數(shù)圖 2-4由控制繞組單獨(dú)勵(lì)磁時(shí)氣隙磁密諧波含量2.2.2磁障數(shù)量的確定轉(zhuǎn)子中的磁障是用來限制磁通的路徑。只為有用的諧波提供通路，提高了轉(zhuǎn)子的耦合能力。該轉(zhuǎn)子是由導(dǎo)磁材料和非導(dǎo)磁材料間隔排列形成的，導(dǎo)磁材料只連接著兩個(gè)相鄰的齒。分別對磁障數(shù)量為1、3、5、7的電機(jī)進(jìn)行分析。對氣隙磁密進(jìn)行傅里葉分析，得出控制繞組單獨(dú)磁情況下的有用諧波幅值占基波的百分比。如圖2-5所示磁障數(shù)量越多，其耦合能力越好。但是當(dāng)磁障數(shù)量當(dāng)增加到5時(shí)轉(zhuǎn)子的耦合能力基本維持不變。但隨著磁障數(shù)量的增加制作工藝變得越復(fù)雜，因此磁障的數(shù)量選擇為3個(gè)。磁障數(shù)量有用諧波占基波百分比%圖2-

11、5磁障數(shù)量對轉(zhuǎn)子耦合能力的影響2.2.3導(dǎo)磁層與非導(dǎo)磁層比的確定選取合理的導(dǎo)磁層與非導(dǎo)磁層比是很有必要的。較小的寬度比不但不會(huì)使電機(jī)耦合能力有較大的提高反而會(huì)使磁路出現(xiàn)飽和現(xiàn)象；反之，浪費(fèi)磁路。對不同寬度比的電機(jī)進(jìn)行有限元分析，導(dǎo)磁層與非導(dǎo)磁層寬度比取從1:1到2.5:1間隔為0.5。然后利用傅立葉分解得出電機(jī)的氣隙磁密諧波含量，從而得出寬度比對轉(zhuǎn)子耦合能力的影響。如圖 2-6所示。當(dāng)控制繞組單獨(dú)勵(lì)磁時(shí)，寬度比為2 時(shí)，轉(zhuǎn)子耦合能力最好。有用諧波占基波百分比/%導(dǎo)磁層與非導(dǎo)磁層之比圖2-6 導(dǎo)磁層與非導(dǎo)磁層寬度比對轉(zhuǎn)子耦合能力的影響 2.2.4短路籠條組數(shù)的確定短路籠條的作用是為了在原有磁阻磁

12、障轉(zhuǎn)子的基礎(chǔ)上對電機(jī)的磁路進(jìn)行限制。由于短路環(huán)的存在使得當(dāng)磁力線從交軸進(jìn)入鐵芯時(shí)會(huì)穿過短路環(huán)，由楞次定律可知短路環(huán)會(huì)阻止其穿過，從而使得交軸磁阻增加。但是當(dāng)磁力線由直軸進(jìn)入則不會(huì)穿過短路環(huán)，短路環(huán)不會(huì)對其產(chǎn)生阻礙。因此磁路更加規(guī)整。本文利用Ansoft對不同的短路籠條組數(shù)進(jìn)行仿真研究最后用Matlab對氣隙磁密進(jìn)行傅里葉分解得出不同組數(shù)的短路籠條對混合轉(zhuǎn)子耦合能力的影響。如表3-1所示：表2-1短路籠條組數(shù)對轉(zhuǎn)子耦合能力的影響短路籠條組數(shù)4級勵(lì)磁諧波幅值占基波百分比/0123102129144144由表2-1可得隨著短路籠條組數(shù)的增加混合轉(zhuǎn)子的耦合能力不斷加強(qiáng)，但當(dāng)短路籠條組數(shù)達(dá)到2后轉(zhuǎn)子的耦

13、合能力基本不變，因此應(yīng)選取的短路籠條組數(shù)為2。2.2.5轉(zhuǎn)子參數(shù)無刷電勵(lì)磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子是重要的結(jié)構(gòu)部分，因此轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的選擇是非常重要的。本文對混合轉(zhuǎn)子不同參數(shù)對其耦合能力的影響進(jìn)行了研究和分析，最終得出混合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的具體參數(shù)如下：極弧系數(shù)：0.7導(dǎo)磁層數(shù)量：4導(dǎo)磁層與非導(dǎo)磁層寬度比：2:1帶公共籠條短路籠條組數(shù)：2轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)圖及籠條連接方法如下圖所示：圖2-7混合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)子模型中紅色表示公共籠條，綠色為短路籠條,灰色為鐵心，白色為磁障既空氣。圖2-7轉(zhuǎn)子繞組連接圖3、無刷電勵(lì)磁同步電機(jī)建模和電磁仿真下圖為確定參數(shù)后的無刷電勵(lì)磁同步電機(jī)的模型。圖3-7無刷電勵(lì)磁同步電機(jī)模型其中綠色代表公共籠

14、條；淺藍(lán)色代表普通籠條；深藍(lán)色代表定轉(zhuǎn)子鐵芯；橘黃色代表定子兩套繞組。用Ansoft對電機(jī)進(jìn)行仿真，的出磁力線如圖3-8所示，大部分磁力線沿著規(guī)定的磁路在導(dǎo)磁材料中通過，而磁障的隔磁效果很好。圖3-9表明控制繞組單獨(dú)勵(lì)磁時(shí)有用諧波占基波的百分比已達(dá)到144%。所以轉(zhuǎn)子的耦合能力較強(qiáng)。圖3-8磁力線分布圖諧波次數(shù)有用諧波占基波百分比%圖3-9控制繞組單獨(dú)勵(lì)磁時(shí)氣隙波形及有用諧波的百分比接下來我們對該電機(jī)的電動(dòng)和發(fā)電兩種運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行了仿真。無刷電勵(lì)磁同步電機(jī)電動(dòng)運(yùn)行時(shí)，在0-1s將控制繞組串電阻短路，使其進(jìn)入異步啟動(dòng)過程當(dāng)異步運(yùn)行穩(wěn)定在同步轉(zhuǎn)速附近時(shí)將直流電源接入將電機(jī)牽入同步此時(shí)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性

15、仿真就結(jié)束了。以下是電動(dòng)運(yùn)行的過程中的一些特性曲線。時(shí)間(s)轉(zhuǎn)速（r/min）牽入同步及同步運(yùn)行過程異步啟動(dòng)及異步運(yùn)行時(shí)過程a） 電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線牽入同步及同步運(yùn)行過程時(shí)間(s)異步啟動(dòng)及異步運(yùn)行時(shí)過程電流（A）b） 電機(jī)三相電流曲線圖3-10無刷電勵(lì)磁同步電機(jī)特性曲線無刷電勵(lì)磁同步電機(jī)發(fā)電運(yùn)行時(shí)。通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流使輸出端電壓為380V，帶不同負(fù)載時(shí)得出發(fā)電機(jī)磁密云圖。 a)空載 b） c） e）（額定）圖3-11不同負(fù)載下電機(jī)磁密云圖4總結(jié)首先，對定子繞組等參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算。接下來，確定了混合轉(zhuǎn)子的一些參數(shù)。先對極弧系數(shù)對轉(zhuǎn)子耦合能力的影響進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，并通過編寫的快速傅里葉分解的程序?qū)庀洞琶苓M(jìn)行了分析對比。發(fā)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子的耦合能力隨著極弧系數(shù)的增加而減小，但考慮到磁路飽和還有加磁障等問題，因此極弧系數(shù)選擇0.7，其有用諧波占基波的20%。然后對轉(zhuǎn)子的磁障數(shù)量進(jìn)行了特性仿真，對氣隙磁密經(jīng)過傅里葉分析可知隨著磁障數(shù)量的增加耦合能力越強(qiáng)但當(dāng)數(shù)量增加到5時(shí)基本處于不變了，又考慮到隨著磁障數(shù)量的增加制造工藝的難度增加，因此最后選磁障數(shù)量為3，其有用諧波占基波的79%。在確定了磁障數(shù)量以后對導(dǎo)磁層與非導(dǎo)磁層寬度比進(jìn)行了仿真和分析發(fā)現(xiàn)比為2時(shí)，耦合能力最好，其有用諧波占基波的87.5%。