劉晶，王殿友，王立名

(佳木斯電機股份有限公司，黑龍江佳木斯154002)

異步電動機驅(qū)動往復(fù)式壓縮機電流脈動計算與飛輪力矩計算

劉晶，王殿友，王立名

(佳木斯電機股份有限公司，黑龍江佳木斯154002)

主要結(jié)合往復(fù)式壓縮機的工作原理，從理論上對電流脈動進行了分析，介紹了一種采用有限元計算異步電動機電流脈動的方法。通過對如何正確選擇飛輪力矩和計算定子電流波動方法的介紹，將其應(yīng)用到產(chǎn)品設(shè)計中，提高了產(chǎn)品的可靠性和安全性，具有較強的實用價值。

異步電動機；往復(fù)式壓縮機；電流脈動；飛輪力矩

0 引言

異步電動機在驅(qū)動往復(fù)式壓縮機等類型機械設(shè)備時，由于其負載力矩特性不均勻或呈周期性變化，諧波力矩在運行中持續(xù)存在，作用于異步電動機主軸上的脈動轉(zhuǎn)矩將使動態(tài)穩(wěn)定運行產(chǎn)生強制振蕩，也就是引起異步電動機功率角相對于其平均值作周期性變化，從而使異步電動機的轉(zhuǎn)矩和電流產(chǎn)生波動。

電流脈動是考核壓縮機用電機的一個重要指標，若電流脈動過大，將嚴重影響電機溫升、傳動系統(tǒng)精度，并引起供電電網(wǎng)中的電壓波動，對電網(wǎng)產(chǎn)生不利影響。目前石化行業(yè)往復(fù)式壓縮機設(shè)計、制造、銷售的通用執(zhí)行標準是：美國石油會標準-石油、化工和氣體工業(yè)用往復(fù)式壓縮機API618，其中對電機的電流脈動提出了要求。

1 往復(fù)式壓縮機運行原理

往復(fù)式壓縮機屬于容積式壓縮機，是使一定容積的氣體順序地吸入和排出封閉空間提高靜壓力的壓縮機。曲軸帶動連桿，連桿帶動活塞，活塞做上下運動。活塞運動使氣缸內(nèi)的容積發(fā)生變化，當活塞向下運動的時候，汽缸容積增大，進氣閥打開，排氣閥關(guān)閉，空氣被吸進來，完成進氣過程；當活塞向上運動的時候，氣缸容積減小，出氣閥打開，進氣閥關(guān)閉，完成壓縮過程。通?；钊嫌谢钊h(huán)來密封氣缸和活塞之間的間隙，氣缸內(nèi)有潤滑油潤滑活塞環(huán)。往復(fù)式壓縮機氣缸圖如圖1所示。

圖1 往復(fù)式壓縮機氣缸圖

往復(fù)式壓縮機工作原理可分為以下幾點

(1)電動機通過聯(lián)軸器帶動曲軸旋轉(zhuǎn)；

(2)曲柄連桿機構(gòu)將曲軸的旋轉(zhuǎn)運動變成十字頭的往復(fù)運動；

(3)十字頭帶動活塞桿，使活塞在汽缸內(nèi)作往復(fù)運動；

(4)曲軸旋轉(zhuǎn)一周，活塞在汽缸內(nèi)往復(fù)一次，壓縮機完成一次工作循環(huán)；

(5)一個工作循環(huán)有膨脹、吸氣、壓縮、排氣四個過程。

2 電機飛輪矩的計算

在旋轉(zhuǎn)電動機設(shè)計中，常需求出飛輪力矩之值，尤其是在驅(qū)動往復(fù)式壓縮機不均勻負等類型機械設(shè)備的異步電動機的設(shè)計中。

當物體繞某固定軸旋轉(zhuǎn)時，飛輪轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動慣量均代表該物體保持它原來運動狀態(tài)(角速度)的能力。在旋轉(zhuǎn)電動機設(shè)計中飛輪力矩和轉(zhuǎn)動慣量的概念是表示旋轉(zhuǎn)體在轉(zhuǎn)矩作用下所產(chǎn)生角速度關(guān)系的常數(shù)，與轉(zhuǎn)速無關(guān)。旋轉(zhuǎn)體對于轉(zhuǎn)軸的飛輪轉(zhuǎn)矩等于它的重量微元與微元到轉(zhuǎn)軸的直徑二次方乘積的總和，即

式中，D—物體的慣性直徑D=2p×10-2(m)；ρ—物體的慣性半徑(cm)；Mi、Gi—物體微小單元的質(zhì)量和重量；M、G—微小單元體的質(zhì)量和重量的總和，即物體的質(zhì)量和重量。

其兩者的關(guān)系為

轉(zhuǎn)動慣量與飛輪力矩公式的換算

[GD]2=4gJ×10-7=393J×106( t·m2)

以往，飛輪轉(zhuǎn)矩計算一般采用公式法進行初步估算。如今，隨著三維繪圖軟件的快速發(fā)展，在設(shè)計過程中將轉(zhuǎn)子的三維圖形模擬出來，三維繪圖軟件會根據(jù)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)尺寸自動計算出飛輪轉(zhuǎn)矩，這種方法對于結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的轉(zhuǎn)子飛輪力矩計算是非常準確的。在異步電動機設(shè)計時，采用Solidworks軟件生成實體模型，仿真生成轉(zhuǎn)動慣量更加準確，為精細化設(shè)計奠定了基礎(chǔ)，由圖2可知電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量為1.66kg·m2，飛輪矩為6.64 kg·m2。

圖2 電機飛輪力矩的計算

3 異步電機電流脈動的計算

3.1 電流脈動的概念與重要性

根據(jù)NEMA標準定義：電流脈動被解釋為電流最大振幅和最小振幅的差值與1.414倍電機滿載額定電流之比值。

按照NEMA MG1和API618標準，異步電機電流變化不應(yīng)超過全負荷電流的40%，但需指出的是電流波動值不是極限值，在個別條件下可以更大些，在大容量的電網(wǎng)中或不可能保證拖動具有必要的飛輪力矩的條件下，電流波動允許提高，在小容量的電網(wǎng)中電流波動的允許值要減少。

3.2 具體計算過程

下面以YAKK 710-16 630kW 11kV電機為例，根據(jù)電機的自身GD2、用戶提供的負載GD2和壓縮機不同曲軸拐角下的力矩曲線進行計算。由于壓縮機在額定運行狀態(tài)是往復(fù)運動，故其轉(zhuǎn)矩呈周期性變化—往復(fù)式壓縮機曲柄軸運行一個來回的行程為一周期。圖3和圖4為壓縮機廠提供的不同曲柄轉(zhuǎn)角(單位：度)下對應(yīng)的壓縮機負載轉(zhuǎn)矩(單位： N·m)的數(shù)據(jù)表和曲線，即機器的綜合扭數(shù)據(jù)表。

圖3 壓縮機不同曲軸拐角下對應(yīng)的力矩值

圖4 壓縮機負載轉(zhuǎn)矩vs.曲柄轉(zhuǎn)角曲線

本文采用有限元的方法對如何選擇該電機飛輪力矩和定子電流波動計算進行相關(guān)介紹

(1)首先利用Ansoft建立電機模型，用Ansoft RMxprt路算法對電機進行電磁計算。

(2)將路算法導(dǎo)入至Ansoft的Maxwell2D模塊，根據(jù)負載實際狀態(tài)可對電機各種瞬態(tài)過程進行分析。設(shè)置Maxwell 2D模型的運行特性，速度為372r/min，計算額定工況，其電流時間曲線見圖5。

圖5 電機額定運行狀態(tài)電流時間曲線

(3)利用電機轉(zhuǎn)動慣量與用戶壓縮機所提供的轉(zhuǎn)動慣量之和作為仿真中轉(zhuǎn)動慣量輸入，利用pwlx函數(shù)，按圖3和圖4的壓縮機不同曲柄角對應(yīng)的力矩值，設(shè)置Dataset數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)輸入到ansoft中，作為實際負載模擬現(xiàn)場工況進行有限元法分析，其負載時的電流時間曲線和轉(zhuǎn)矩時間曲線見圖6。

圖6 電機帶壓縮機運行狀態(tài)電流時間曲線

(4)根據(jù)計算結(jié)果進行合理性判斷

圖6表明帶壓縮機負載穩(wěn)定時的電機電流明顯存在波動，這個波動是與壓縮機運動特性相一致的，也是呈周期性變化，即產(chǎn)生了電流脈動。根據(jù)圖6所示結(jié)果，本次設(shè)計電機的電流脈動值Icp(%)=10.5%符合NEMA規(guī)定的上限40%，即電流脈動合格。

4 電流脈動計算不合格的調(diào)整

對于電機設(shè)計自身來說，電流脈動將會升高電機繞組的溫度，這就要求在設(shè)計該類電機時對其熱負荷進行合理的選擇。另外就是為了增加電機抗脈動的能力，需要提高電機的過載能力，即提高最大轉(zhuǎn)矩。如果壓縮機負載轉(zhuǎn)動慣量值足夠大，并且不同曲軸拐角下對應(yīng)的力矩設(shè)計合理，電機的電流脈動都會合格。但也有在計算中不合格的現(xiàn)象存在。

為用戶計算時，就遇到過這種情況，下面舉例進行說明，為用戶所配電機YZYKK 900-18 1450kW 10kV的自身轉(zhuǎn)動慣量為1600kg.m2，負載壓縮機轉(zhuǎn)動慣量為561kg.m2，根據(jù)用戶提供的負載轉(zhuǎn)動慣量和曲軸拐角對應(yīng)的力矩值，按照上面的計算方法，經(jīng)有限元法計算，電機帶壓縮機運行狀態(tài)電流時間曲線見圖7，電機的電流脈動為61%，很明顯電流脈動不合格。

圖7 電機帶壓縮機運行狀態(tài)電流時間曲線如何將電機的電流波動降低，首先嘗試將電磁性能參數(shù)做了調(diào)整，將起動轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩提高，重新采用有限元進行了計算，電流脈動為57%。電流波動降低的很小。由于電機負載的轉(zhuǎn)動慣量僅為電機自身轉(zhuǎn)動慣量的1/3左右，因此又嘗試將壓縮機的轉(zhuǎn)動慣量加大至2000kg.m2，重新利用有限元進行了脈動計算，電流脈動為30%，電流脈動降低的非常大，具體見圖8。

圖8 加大轉(zhuǎn)動慣量后電機帶壓縮機運行狀態(tài)電流時間曲線

最終對壓縮機轉(zhuǎn)動慣量加至2100kg.m2，同時壓縮機廠也對不同曲軸拐角下對應(yīng)的力矩值進行了修正，以保證電流脈動合格。壓縮機的負載大的變化，會引起電動機中的電流波動和供電網(wǎng)中的電壓波動，從而破壞了電網(wǎng)和電動機的正常運行，所以，壓縮機應(yīng)有比較均勻的阻力矩和足夠的飛輪矩。

通過實例可以看出，對電流脈動影響最關(guān)鍵的參數(shù)就是整個系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量，如果用戶的負載轉(zhuǎn)動慣量太小，對電機的電流波動就會有很大的影響。若電流脈動不合格，主要有以下三種方法進行調(diào)整

(1)對系統(tǒng)的飛輪力矩進行調(diào)整 (推薦)；

(2)不同曲軸拐角下對應(yīng)的力矩值進行調(diào)整；

(3)調(diào)整電機的性能參數(shù)。

5 結(jié)語

本文提出了一種利用有限元方法計算電流脈動的方法，并介紹了異步電動機驅(qū)動往復(fù)式壓縮機時正確選擇飛輪轉(zhuǎn)矩的必要性，為技術(shù)人員提供異步電動機設(shè)計參考。精確選擇電動機的飛輪轉(zhuǎn)矩可以保證電動機穩(wěn)定運行，同時限制電流波動及電壓波動，保證電網(wǎng)質(zhì)量。

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Current Pulse and Flywheel Torque Calculations of Induction Motor for Reciprocating Compressor

LiuJing,WangDianyou,andWangLiming

(Jiamusi Electric Machine Co., Ltd., Jiamusi 154002, China)

Combining with the working principle of reciprocating compressor and theoretically analysis on current pulse, this paper introduces a method to calculate the current pulse of induction motor by finite-element method. Under the introduction of how to correct select flywheel torque and calculate stator current pulse, it is applied to product design. It can improve reliability and safety of product, and has strong practical value.

Induction motor；reciprocating compressor；current pulse；flywheel torque

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2017.03.08

TM301.2

A

1008-7281(2017)02-0026-004

劉晶 女 1985年生；畢業(yè)于哈爾濱理工大學(xué)電子信息工程專業(yè)，現(xiàn)從事電機設(shè)計工作.

2016-10-13