李娟，沈建新

(浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，浙江杭州310027)

Y系列感應(yīng)電機(jī)采用低諧波繞組的高效化改造

李娟，沈建新

(浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，浙江杭州310027)

國家“電機(jī)能效提升計劃”指出對在用感應(yīng)電機(jī)進(jìn)行高效化改造是重要技術(shù)路線之一。本文以一臺常規(guī)Y系列感應(yīng)電機(jī)(22kW/Y-180L-4)為例，利用低諧波繞組理論對定子繞組進(jìn)行改造。有限元仿真表明，與改造前電機(jī)相比，低諧波繞組感應(yīng)電機(jī)的氣隙磁場各次諧波含量明顯削弱，磁負(fù)荷與電負(fù)荷有所降低，過載能力有所提升，在較寬負(fù)載范圍內(nèi)效率較高，起動轉(zhuǎn)矩更大而起動電流略小。本方案改造成本低，電機(jī)性能改善明顯。

感應(yīng)電機(jī);低諧波繞組;高效化改造

1 引言

感應(yīng)電機(jī)氣隙磁場空間諧波的來源主要有兩方面，一是由定轉(zhuǎn)子開槽引起的齒諧波，二是由于相帶存在引起的相帶諧波。減弱齒諧波的方法有斜槽、采用軟磁槽契等。削弱相帶諧波的方法主要有增加相數(shù)、調(diào)整繞組分布等。設(shè)計感應(yīng)電機(jī)時，可采用低諧波繞組，亦即通過合理設(shè)計槽內(nèi)繞組匝數(shù)，使定子安匝數(shù)沿圓周方向呈正弦分布，降低氣隙磁場相帶諧波，降低損耗，同時也能降低電機(jī)的電負(fù)荷和磁負(fù)荷，增強(qiáng)過載能力，提高電磁性能。然而槽內(nèi)導(dǎo)體數(shù)有一定的限制，很難達(dá)到理想正弦情況，因此，低諧波繞組仍會產(chǎn)生一些高次諧波。

現(xiàn)有文獻(xiàn)對低諧波繞組的原理、低諧波繞組感應(yīng)電機(jī)的設(shè)計方法和電磁性能進(jìn)行了比較詳細(xì)的分析［1-4］。在計算電磁性能時，一般采用基于等效電路的方法［1-3］和簡單的數(shù)值計算法［5］，前者忽略了電機(jī)內(nèi)的集膚效應(yīng)和鐵磁材料的非線性等，等效電路僅適用于額定轉(zhuǎn)速附近電機(jī)性能的粗略估計;后者在建立模型時，假設(shè)場域內(nèi)各處場量(包括磁場強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度、向量磁位和電流密度等)均隨時間正弦變化，忽略高次諧波，這些假設(shè)會在一定程度上影響計算結(jié)果的精確性。隨著計算機(jī)的發(fā)展，有限元軟件的計算結(jié)果準(zhǔn)確性較高［6-9］，但是在感應(yīng)電機(jī)的分析計算中應(yīng)用并不普及。目前的感應(yīng)電機(jī)設(shè)計絕大部分還是基于傳統(tǒng)的“電磁設(shè)計程序”來完成的，精度并不高。

根據(jù)工業(yè)和信息化部、質(zhì)檢總局提出的“電機(jī)能效提升計劃(2013～2015年)”［10］的要求，我國在近期內(nèi)提升電機(jī)能效主要有兩個舉措，即高效電機(jī)新產(chǎn)品的推廣以及低效舊電機(jī)的回收改造。本文的研究旨在對Y系列感應(yīng)電機(jī)進(jìn)行有限元分析，探究其電磁損耗中的主要成分之一——鐵心損耗，并利用低諧波繞組來替代傳統(tǒng)繞組，由此降低鐵耗、提升效率，以較低的材料和加工成本實現(xiàn)舊電機(jī)的高效化改造。本文將以一臺22kW/Y系列感應(yīng)電機(jī)(Y-180L-4)為例開展相關(guān)研究。有限元計算結(jié)果表明，采用低諧波繞組的方式是有效可行的。

2 低諧波繞組設(shè)計方案

以Y-180L-4感應(yīng)電機(jī)(參數(shù)見表1)為例，利用低諧波繞組理論，對定子繞組進(jìn)行重新設(shè)計。低諧波繞組感應(yīng)電機(jī)與改造前電機(jī)相比，僅是繞組形式和線圈匝數(shù)進(jìn)行調(diào)整，電機(jī)其他參數(shù)均保持不變。

由于篇幅有限，本文只提供電機(jī)一對極下的繞組分布，如表2所示，另外一對極下的繞組分布與此類似。鑒于文獻(xiàn)［2］中介紹的方法，對于低諧波繞組電機(jī)而言，每極每相4個線圈的理想匝數(shù)比為N1∶N2∶N3∶N4=1.67∶2.73∶1.93∶1。

表1 Y-180L-4感應(yīng)電機(jī)參數(shù)Tab．1Parameters of Y-180L-4

表2 一對極下電機(jī)繞組分布Tab．2Motor windings distribution under a pair of poles

改造前電機(jī)每槽導(dǎo)體數(shù)為30。在采用相同線徑的銅線和槽滿率基本相同的前提下，低諧波繞組感應(yīng)電機(jī)最終確定的線圈實際匝數(shù)分別為15、24、15和7，則每槽導(dǎo)體數(shù)為30、31、30和31。

3 電磁分析與計算

3.1 繞組系數(shù)

改造前電機(jī)的繞組系數(shù)為:

式中，q為每極每相槽數(shù);v為諧波次數(shù);α為槽距角;β為節(jié)距比。這里，q=4，v=1，2，．．．，n，α= 15°，β=10/12。

低諧波繞組感應(yīng)電機(jī)的繞組系數(shù):

式中，Nn為各線圈的匝數(shù);βn為各線圈的節(jié)距比。

低諧波繞組和改造前繞組各次諧波的繞組系數(shù)比較結(jié)果見表3，從中可以發(fā)現(xiàn)基波與五次諧波的繞組系數(shù)基本沒有變化，但是七次諧波以及更高次諧波的繞組系數(shù)大大降低。

3.2 氣隙磁場

利用Ansoft Maxwell 2D建立有限元模型，對電機(jī)進(jìn)行仿真。在建立電機(jī)有限元模型時:

(1)硅鋼片損耗是以損耗曲線的形式設(shè)定的，而不是單獨計算鐵心渦流損耗、磁滯損耗以及雜散損耗等。

(2)定子載流導(dǎo)體中的集膚效應(yīng)忽略不計。

(3)鐵心材料設(shè)為各向同性。

(4)電機(jī)軸向有效長度內(nèi)的電磁場按二維場處理，不計端部效應(yīng)。

為減少計算時間，根據(jù)感應(yīng)電機(jī)的對稱性，取出電機(jī)的四分之一進(jìn)行分析即可。由于計算區(qū)域中包含電流源，磁場用矢量磁位的z軸分量Az求解，其泊松方程邊值問題描述為:

邊界條件1:定子外徑和轉(zhuǎn)子內(nèi)徑處

邊界條件2:求解區(qū)域不同介質(zhì)間

式中，Jz為z軸方向電流密度;μ0為真空磁導(dǎo)率。

通過有限元仿真，得到改造前后電機(jī)的氣隙磁場波形，如圖1所示。對改造前電機(jī)與低諧波繞組感應(yīng)電機(jī)的氣隙磁場進(jìn)行傅里葉分解，得到各次諧波幅值，具體數(shù)據(jù)見表4。根據(jù)表3計算的各次諧波的繞組系數(shù)，采用低諧波繞組后，由于主要的低次諧波的繞組系數(shù)都有所下降(見表3)，所以電機(jī)的低次諧波含量明顯下降，齒諧波產(chǎn)生的21次和23次諧波的繞組系數(shù)略有下降。

圖1 一對極下氣隙磁場波形Fig．1Flux density waveforms under a pair of poles

表4 氣隙磁場基波及各次諧波幅值Tab．4Amplitude of fundamental and harmonic

3.3 穩(wěn)態(tài)性能

3.3.1 額定點電磁性能

Y系列感應(yīng)電機(jī)改造前電機(jī)線圈的跨距為10，節(jié)距比為0.83;采用低諧波繞組后，線圈跨距分為12、10、8和6，其中短跨距線圈的匝數(shù)比例較高，平均節(jié)距比變?yōu)?.81。所以定子繞組端部尺寸變小，繞組的平均半匝長度縮短，定子相電阻減小，諧波的繞組系數(shù)大大降低，從而電機(jī)的氣隙磁場諧波含量下降。諧波引起的雜散損耗隨之減小，諧波在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生的銅耗也有所下降。在額定點運(yùn)行時，低諧波繞組感應(yīng)電機(jī)勵磁電流較小，相電流減小，定子的銅耗降低。

在輸出功率相同的前提下，低諧波繞組感應(yīng)電機(jī)的相電流有效值和氣隙磁場都有所降低，電機(jī)的銅耗和鐵耗都相應(yīng)下降，效率提高1.7%，具體數(shù)據(jù)詳見表5。且其電負(fù)荷和磁負(fù)荷都有所降低，其過載能力略高。

表5 額定點性能比較Tab．5Performance comparison at rated point

3.3.2 不同負(fù)載率下的性能

低諧波繞組感應(yīng)電機(jī)在運(yùn)行時，由于定子電阻減小，氣隙磁場諧波含量下降，定子銅耗、定轉(zhuǎn)子鐵心損耗和鼠籠損耗均降低，電機(jī)的效率提高。由于低諧波繞組的端部較短，電機(jī)的定子端漏阻抗下降，定轉(zhuǎn)子互感增加，電機(jī)運(yùn)行時，無功電流下降，電機(jī)的功率因數(shù)上升。

性能優(yōu)越的異步電動機(jī)要求在一定的功率范圍(一般選取0.2～1.5倍額定功率)內(nèi)，其效率與功率因數(shù)保持在較高的水平。低諧波繞組感應(yīng)電機(jī)和改造前電機(jī)的效率-功率曲線以及功率因數(shù)-功率曲線如圖2所示。顯然，低諧波繞組感應(yīng)電機(jī)在該功率范圍內(nèi)，優(yōu)于改造前電機(jī)。

3.4 起動性能

電機(jī)的起動性能主要包括起動電流倍數(shù)和起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)。起動時，轉(zhuǎn)子鼠籠的集膚效應(yīng)明顯，在用有限元瞬態(tài)模型計算時，集膚效應(yīng)是考慮在內(nèi)的，導(dǎo)體電流被擠向槽口，產(chǎn)生的漏磁通減小，所以增加了電阻而減少了轉(zhuǎn)子漏感，進(jìn)而使電機(jī)獲得比較大的起動轉(zhuǎn)矩。

圖2 改造前電機(jī)與低諧波繞組感應(yīng)電機(jī)負(fù)載性能對比Fig．2Load performance comparison between normal induction and low-harmonic-winding motor

有限元計算表明，低諧波繞組感應(yīng)電機(jī)的起動轉(zhuǎn)矩為293.9N·m，為額定轉(zhuǎn)矩的2.1倍;起動電流為181.9A，為額定電流的7.7倍。而改造前Y-180L-4感應(yīng)電機(jī)的起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)為2.1，起動電流倍數(shù)為8.0。因此，改造后的低諧波繞組感應(yīng)電機(jī)具有更好的起動性能。

3.5 機(jī)械特性

在額定轉(zhuǎn)速附近的區(qū)間內(nèi)，由于轉(zhuǎn)差較小，轉(zhuǎn)子鼠籠的集膚效應(yīng)不明顯，電機(jī)的磁密處于臨界飽和狀態(tài)，采用磁路法計算，可獲得較高的精度。為了簡化計算，對傳統(tǒng)的T型等效電路做出如下假設(shè):

(1)電機(jī)的勵磁電流Im相對于定子電流I而言較小，可以忽略，則轉(zhuǎn)子漏感可以移到定子側(cè)。

(2)忽略鐵耗，在勵磁支路上僅有互感。

根據(jù)上述假設(shè)，對感應(yīng)電機(jī)等效電路做合理的修改，得到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時感應(yīng)電機(jī)一相的等效電路圖，如圖3所示［12］。圖3中，Rs為定子相電阻，Ll為定子漏感和等效到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子漏感之和，M為定轉(zhuǎn)子之間的互感，Rr為等效到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子電阻，ω為供電電壓頻率，ωs為轉(zhuǎn)差頻率，U是相電壓有效值，I為相電流有效值，Im為勵磁電流有效值，Ir為轉(zhuǎn)子電流有效值。

圖3 感應(yīng)電機(jī)等效電路Fig．3Equivalent circuit of induction motor

根據(jù)有限元仿真結(jié)果可計算出等效電路中各參數(shù)，結(jié)果見表6。低諧波繞組主要影響了電機(jī)定轉(zhuǎn)子之間的互感，其比改造前繞組的互感增加了10%，即產(chǎn)生相同的氣隙磁場時低諧波繞組感應(yīng)電機(jī)的勵磁電流要小于改造前電機(jī)。由于低諧波繞組的繞組系數(shù)較改造前繞組的繞組系數(shù)略小，所以在轉(zhuǎn)子鼠籠相同時，其等效到定子側(cè)后的轉(zhuǎn)子電阻要大，電機(jī)的臨界轉(zhuǎn)差率會增大，電機(jī)的機(jī)械性能有所變軟，機(jī)械特性曲線如圖4所示。

表6 等效電路參數(shù)Tab．6Parameters in equivalent circuit

圖4 機(jī)械特性曲線Fig．4Mechanical characteristic curves

4 結(jié)論

本文以22kW/Y-180L-4電機(jī)為例，經(jīng)過低諧波繞組改造，電機(jī)的氣隙磁場基波幅值由0.82T降為0.79T，氣隙磁場的諧波失真值(THD)由24.6%降低為18.4%，氣隙磁場諧波含量降低;電機(jī)的額定電流由24.2A降為23.5A，由于電機(jī)定子繞組的線規(guī)沒有變化，所以電流密度降低。根據(jù)以上分析可知，低諧波繞組可以降低電機(jī)的磁負(fù)荷和電負(fù)荷，提高電機(jī)過載能力。分析電機(jī)的效率與功率因數(shù)曲線可知，低諧波繞組感應(yīng)電機(jī)可以在較寬的負(fù)載范圍內(nèi)具有更好的運(yùn)行性能，并且在額定點處，電機(jī)的運(yùn)行效率提高了1.7%，電機(jī)在重載時效率提高更加明顯。改造后的電機(jī)的用銅量由原來的12.6kg降為12.5kg，成本降低。

采用低諧波繞組的結(jié)構(gòu)形式改造Y系列電機(jī)可以較低成本改善電機(jī)性能，符合國家電機(jī)能效提升計劃的要求，具有重要的實際意義。

致謝:感謝江潮電機(jī)有限公司對本項目的支持。

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High-efficiency modification of Y-series induction motors with low-harmonic winding

LI Juan，SHEN Jian-xin
(College of Electrical Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China)

It is pointed out in the National Program of Electrical Machines Efficiency Enhancement that high-efficiency modification of the existing induction motors is one of the important technique routes．In this paper，modification of a conventional Y-series induction motor(22kW/Y-180L-4)is taken as an example，of which the winding is redesigned according to the low-harmonic winding theory．Finite element analysis shows that，compared with the conventional motor，the low-harmonic-winding motor exhibits reduced harmonics in the airgap field，lower magnetic and electric loads and hence slightly better over-load capability，higher efficiency over a wide load range，and higher starting torque but slightly lower starting current．The modification cost is low whilst the performance improvement is effective．

induction motor;low-harmonic winding;high-efficiency modification

TM351

A

1003-3076(2014)12-0010-05

2013-12-31

李娟(1990-)，女，河北籍，碩士研究生，主要研究電機(jī)本體設(shè)計;沈建新(1969-)，男，浙江籍，教授，主要研究電機(jī)及其控制。