楊松 劉曉林
(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一二研究所,武漢 430064)
采用針對(duì)電磁場(chǎng)計(jì)算而開(kāi)發(fā)的Ansoft EM軟件對(duì)實(shí)心轉(zhuǎn)子同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程進(jìn)行研究,解決了實(shí)心轉(zhuǎn)子電機(jī)中瞬態(tài)渦流場(chǎng)和機(jī)械運(yùn)動(dòng)相結(jié)合的電磁場(chǎng)、電路及機(jī)械系統(tǒng)的耦合問(wèn)題,得到了合理的工程解釋。
為了計(jì)算方便,在電磁場(chǎng)求解過(guò)程中假設(shè):
(1)電機(jī)鐵心的軸向長(zhǎng)度為無(wú)限長(zhǎng);
(2)定轉(zhuǎn)子鐵心外緣的漏磁忽略不計(jì);
(3)定子導(dǎo)體和鐵心中的集膚效應(yīng)忽略不計(jì)。
整個(gè)求解區(qū)域如圖1所示,采用直角坐標(biāo)系,由麥克斯韋方程,我們采用矢量磁位求解電磁場(chǎng)問(wèn)題,在求解區(qū)域內(nèi)矢量磁位A滿(mǎn)足渦流方程。
圖1 實(shí)心轉(zhuǎn)子同步電動(dòng)機(jī)的二維求解區(qū)域圖
在實(shí)心轉(zhuǎn)子同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中,勵(lì)磁繞組成同心式空間分布在實(shí)心轉(zhuǎn)子上,且在起動(dòng)過(guò)程中勵(lì)磁繞組必須處于閉合狀態(tài),滿(mǎn)足各繞組電流一致的矢量約束條件;同時(shí),必須正確考慮起動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)子槽楔區(qū)域銅條的作用。因此,整個(gè)仿真試驗(yàn)過(guò)程的電路繞組部分涉及到轉(zhuǎn)子限流電阻以及直流勵(lì)磁電源的切換,仿真結(jié)果正確與否,電路模型及相關(guān)電路參數(shù)的正確設(shè)置是關(guān)鍵。
依據(jù)同步電動(dòng)機(jī)的異步起動(dòng)原理,同時(shí)根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置了簡(jiǎn)單易用的開(kāi)關(guān)電路(速度函數(shù)控制的獨(dú)立的脈沖電壓源控制開(kāi)關(guān)),整個(gè)繞組電路如圖2所示。
圖2 電機(jī)繞組及其控制外部電路連接圖
其中:Va、Vb、Vc為三相正弦電壓源;Vcn1和Vcn2為脈沖控制電壓源;LPHASE_A、LPHASE_B、LPHASE_C為定子三相繞組直線(xiàn)部分有限元等效電抗;La、Lb、Lc為定子三相繞組漏電感;Ra、Rb、Rc為三相繞組相電阻;R1、R2為控制電路損耗電阻;V_a、V_lc均為電壓表;Ia、I_CON1、I_CON2為各支路電流表;S1、S2為開(kāi)關(guān)。其中,Vcn1、Vcn2分別控制開(kāi)關(guān)S1和S2。
時(shí)步有限元法是解決機(jī)電系統(tǒng)電磁-機(jī)械耦合問(wèn)題的有力工具之一。磁場(chǎng)的有限元方程、電路方程組以及機(jī)械方程的耦合求解能準(zhǔn)確地計(jì)算磁路的非線(xiàn)性、定子繞組的相間耦合,以及各變量隨轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)位置的變化。電機(jī)的機(jī)械方程為:
式中:Ω-轉(zhuǎn)子角速度;Tem-電磁轉(zhuǎn)矩;RΩ-阻尼系數(shù);TL-負(fù)載轉(zhuǎn)矩;G-轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
依據(jù)仿真環(huán)境提供的發(fā)電機(jī)(電動(dòng)機(jī))模式,可以給不同的負(fù)載轉(zhuǎn)矩,實(shí)現(xiàn)不同負(fù)載條件下電機(jī)的運(yùn)行仿真。
渦流問(wèn)題是實(shí)心轉(zhuǎn)子電機(jī)中一個(gè)普遍存在,但又極為復(fù)雜與棘手的問(wèn)題。它的存在不僅在于產(chǎn)生損耗,而且對(duì)電機(jī)中的電磁場(chǎng)分布有著直接的作用,對(duì)電機(jī)的性能產(chǎn)生較大的影響。用二維有限元法計(jì)算實(shí)心轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)分布時(shí),當(dāng)轉(zhuǎn)子中有渦流產(chǎn)生時(shí),由于擠流效應(yīng),渦流一般集中在轉(zhuǎn)子表面的透入深度范圍內(nèi)。本文對(duì)一臺(tái)3150 kW二極實(shí)心轉(zhuǎn)子同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了分析計(jì)算。
圖3和圖4為空載情況下某一時(shí)刻電機(jī)中磁場(chǎng)分布圖及相對(duì)應(yīng)的電密分布云圖。
圖3 t=0.4時(shí)的磁通分布圖
經(jīng)計(jì)算分析,起動(dòng)初期的集膚現(xiàn)象十分嚴(yán)重,在起動(dòng)初期轉(zhuǎn)子表面渦流數(shù)值很大,轉(zhuǎn)子渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生巨大作用;隨著轉(zhuǎn)差減小,渦流效應(yīng)逐漸減弱,當(dāng)電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子渦流現(xiàn)象消失。
圖4 t=0.4時(shí)的電密分布云圖
圖5、圖6分別為直流勵(lì)磁作用圖和電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)。由于實(shí)心轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大,電機(jī)在起動(dòng)初期轉(zhuǎn)速上升緩慢,不會(huì)出現(xiàn)很大的波動(dòng),當(dāng)速度上升到同步速度的95%,脈沖電壓源作用,直流勵(lì)磁電壓源串接入勵(lì)磁繞組電路,勵(lì)磁繞組電流出現(xiàn)較大的變化,利用直流同步轉(zhuǎn)矩提高電磁轉(zhuǎn)矩,將電機(jī)牽入同步運(yùn)行,當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到同步轉(zhuǎn)速后,發(fā)生微弱的轉(zhuǎn)速超調(diào)現(xiàn)象。
圖5 直流勵(lì)磁電壓源作用
圖6 轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化曲線(xiàn)
圖7至圖8分別為定子A相電流和電磁轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間變化曲線(xiàn)。從圖中可看出,在起動(dòng)時(shí),定子電流較正常運(yùn)行要大得多,所以電磁轉(zhuǎn)矩較大。同時(shí)由于電機(jī)氣隙磁場(chǎng)中存在非周期分量,波動(dòng)幅度較大,出現(xiàn)接近電源頻率的脈振,即起動(dòng)初期轉(zhuǎn)速存在脈動(dòng)現(xiàn)象。此后,隨著非周期分量的減弱直至為零,轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)幅度減小,電機(jī)轉(zhuǎn)速緩慢直線(xiàn)上升。在t=0.5 s附近,轉(zhuǎn)速超過(guò)同步速度,電磁轉(zhuǎn)矩表現(xiàn)為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩,出現(xiàn)大幅下降現(xiàn)象,短暫的自調(diào)整之后,電機(jī)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)同步運(yùn)行。
圖7 定子A相電流隨時(shí)間變化曲線(xiàn)
圖8 磁轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間變化曲線(xiàn)
經(jīng)過(guò)以上分析并計(jì)算,求得起動(dòng)電流、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、最大轉(zhuǎn)矩及牽入轉(zhuǎn)矩。如表1所示。顯然,實(shí)心轉(zhuǎn)子同步電動(dòng)機(jī)具有良好的起動(dòng)性能和牽入性能。
表1 空載情況下的啟動(dòng)性能
通過(guò)“場(chǎng)—路—運(yùn)動(dòng)”耦合的實(shí)現(xiàn),求解計(jì)算了實(shí)心轉(zhuǎn)子同步電動(dòng)機(jī)空載情況下的轉(zhuǎn)子電密分布,起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩;并通過(guò)計(jì)算實(shí)心轉(zhuǎn)子復(fù)合性材料不同電阻率和不同磁導(dǎo)率時(shí)的起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。得出以下結(jié)論:
(1)實(shí)心轉(zhuǎn)子同步電動(dòng)機(jī)與普通同步電動(dòng)機(jī)相比較,具有良好的起動(dòng)性能。
(2)實(shí)心轉(zhuǎn)子同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中的電磁場(chǎng)分布相當(dāng)復(fù)雜,實(shí)心轉(zhuǎn)子渦流現(xiàn)象十分嚴(yán)重;隨著轉(zhuǎn)差減小,渦流集膚效應(yīng)逐漸漸弱;穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí),渦流現(xiàn)象基本消失。
[1]唐孝鎬, 寧玉泉, 傅豐禮. 實(shí)心轉(zhuǎn)子異步電機(jī)及其應(yīng)用. 北京:機(jī)械出版社, 1991.
[2]湯蘊(yùn)璆. 電機(jī)內(nèi)的電磁場(chǎng). 北京: 科學(xué)出版社, 1998.
[3]劉長(zhǎng)紅, 姚若萍. 基于場(chǎng)路結(jié)合的實(shí)心轉(zhuǎn)子異步電機(jī)轉(zhuǎn)子參數(shù)計(jì)算. 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),2003,37(9):1372~1374.
[4]胡敏強(qiáng), 黃學(xué)良等編著. 電機(jī)運(yùn)行性能數(shù)值計(jì)算方法及應(yīng)用[M]. 南京: 東南大學(xué)出版社, 2003.