槽號(hào)相位圖在雙繞組變極電機(jī)中的應(yīng)用

唐慶華

(中國長江航運(yùn)集團(tuán)電機(jī)廠，湖北武漢430205)

槽號(hào)相位圖在雙繞組變極電機(jī)中的應(yīng)用

唐慶華

(中國長江航運(yùn)集團(tuán)電機(jī)廠，湖北武漢430205)

通過對(duì)一臺(tái)低速極空載電流表現(xiàn)異常的雙繞組變極電機(jī)的檢查、分析及處理，介紹了槽號(hào)相位圖在雙繞組變極電機(jī)中的應(yīng)用。同時(shí)通過這個(gè)實(shí)例證明，槽號(hào)相位圖是一種簡捷可靠的分析手段，可以廣泛地應(yīng)用于雙繞組變極電機(jī)的設(shè)計(jì)和制造中。

變極；環(huán)流；槽號(hào)相位圖

0 引言

我公司生產(chǎn)了一臺(tái)YZDS 225M-6/20 15/4.5kW鼠籠型雙速電動(dòng)機(jī)，該雙速電動(dòng)機(jī)的定子繞組為兩套獨(dú)立繞組，兩個(gè)極數(shù)接線方式分別為3Y(6極)/Y(20極)。在進(jìn)行出廠試驗(yàn)時(shí)，該電機(jī)兩個(gè)極下分別接入380V/50Hz工頻電源后，高速極的空載電流和低壓堵轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)均正常。但是進(jìn)行低速極測試時(shí)，其空載電流接近40A，比試驗(yàn)系統(tǒng)中的歷史記錄數(shù)據(jù)大了接近10A，而且空載時(shí)還存在電磁噪聲異常的情況。

經(jīng)過技術(shù)人員現(xiàn)場的檢查與處理后，發(fā)現(xiàn)是由于操作人員沒有按照?qǐng)D紙規(guī)定的順序接線，從而使低速極通電時(shí)在高速極繞組內(nèi)部產(chǎn)生了環(huán)流導(dǎo)致低速極的空載電流和噪聲發(fā)聲異常。本文將結(jié)合槽號(hào)相位圖的運(yùn)用以及現(xiàn)場處理的方法，詳細(xì)分析該電動(dòng)機(jī)環(huán)流產(chǎn)生的原因。

1 電動(dòng)機(jī)環(huán)流

本文舉例的電動(dòng)機(jī)為雙繞組雙速籠型電動(dòng)機(jī)，也就是電動(dòng)機(jī)的定子部分是將兩套相互獨(dú)立的繞組依次嵌入同一個(gè)定子鐵心的槽中。在實(shí)際使用中，電動(dòng)機(jī)的兩個(gè)極數(shù)是分別通電，根據(jù)通電順序的不同，就會(huì)產(chǎn)生工作繞組和休息繞組的區(qū)別(注：當(dāng)6p繞組通入交流電源時(shí)，6p的繞組就會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)交變磁場，此時(shí)6p繞組即為工作繞組，而沒有給電的20p繞組則是休息繞組，反之亦然)。

當(dāng)工作繞組中通電時(shí)，由于電磁感應(yīng)的作用電機(jī)氣隙中將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場。旋轉(zhuǎn)的磁場不僅在鼠籠轉(zhuǎn)子的導(dǎo)條中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，而且根據(jù)變壓器原理也會(huì)在休息繞組的定子線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。如果該休息繞組本身已構(gòu)成閉合回路，并且回路中感應(yīng)電動(dòng)勢不能互相抵消，則非工作繞組中會(huì)產(chǎn)生環(huán)流。環(huán)流的疊加影響將導(dǎo)致工作繞組的電流急劇增加，影響工作繞組的正常運(yùn)行，嚴(yán)重的還將因迅速過熱而導(dǎo)致繞組和絕緣燒毀。

所以對(duì)于雙繞組多速電動(dòng)機(jī)，我們要使繞組聯(lián)接的每條支路中感應(yīng)電勢互相抵消，使其合成電勢為0而不能形成環(huán)流，進(jìn)而杜絕環(huán)流對(duì)電機(jī)運(yùn)行過程產(chǎn)生傷害[1]。可以利用槽號(hào)相位圖對(duì)這臺(tái)雙繞組雙速電動(dòng)機(jī)高速極繞組產(chǎn)生的環(huán)流的具體原因進(jìn)行分析。

2 槽號(hào)相位圖

根據(jù)交流電機(jī)的繞組理論，把槽矢量星形圖的圓周展開成直線，取消表示矢量的箭頭，留下矢量的槽號(hào)，以表格形式來進(jìn)行表示就得“槽號(hào)相位圖”。

“槽號(hào)相位圖”實(shí)質(zhì)上就是同時(shí)畫出電機(jī)繞組正槽號(hào)矢量和負(fù)槽號(hào)矢量的槽矢量星形圖，只是表示形式不同而已。相位圖以表格形式出現(xiàn)，整個(gè)表格的水平長度相當(dāng)于2π(弧度)或360°，其中每個(gè)槽號(hào)代表一個(gè)矢量(導(dǎo)體矢量或線圈矢量)，同一縱列的所有槽號(hào)所代表的矢量都是同相位，而兩槽號(hào)之間的水平距離則代表相應(yīng)兩矢量之間的相位差，用弧度或角度表示[2]。

這臺(tái)雙繞組雙速電動(dòng)機(jī)的定子槽數(shù)為72槽，極數(shù)分別為6極和20極，因此6極的每極每相槽數(shù)為q1=72/(3×6)=4,而20極的每極每相槽數(shù)則為q1=72/(3×20)=6/5，很明顯20極為分?jǐn)?shù)槽繞組的分布形式。

圖1 6級(jí)槽號(hào)相位圖

圖2 20極槽號(hào)相位圖

根據(jù)參考文獻(xiàn)[2]中描述的方法，可畫出6極和20極的槽號(hào)相位圖分別見圖1、圖2。其中對(duì)于分?jǐn)?shù)槽繞組，20極的槽號(hào)相位圖中每一個(gè)橫行應(yīng)有6×6=36個(gè)小格，然后相鄰槽號(hào)需要位移5小格。

該雙速電動(dòng)機(jī)的定子繞組接線方式分別為3Y(6極)/Y(20極)，并且兩個(gè)極數(shù)的線圈均分別按照等匝數(shù)繞制，不存在多匝少匝的情況。由此可知，當(dāng)6極繞組通電運(yùn)行時(shí)，由于20極為1路聯(lián)接，其三相繞組未形成閉合回路，所以在20極繞組內(nèi)部不可能產(chǎn)生環(huán)流。而6極為多路并聯(lián)，所以需要單獨(dú)分析當(dāng)20極繞組通電運(yùn)行時(shí)，6極繞組內(nèi)部的環(huán)流情況。

正常生產(chǎn)的6極3Y接線圖如圖3所示。我們可以選擇其中的一相繞組來簡化分析過程，結(jié)合圖2的槽號(hào)相位圖來分析當(dāng)20極繞組通電運(yùn)行時(shí)6極繞組內(nèi)部的環(huán)流情況。以U相為例，從圖2分布情況可以看出，槽號(hào)組(1，37)、(2，38)、(3，39)、(4，40)、(13，49)、(14，50)、(15，51)、(16，52)、(25，61)、(26，62)、(27，63)、(28，64)在20極槽號(hào)相位圖中分別位于同一縱列，因此這些槽號(hào)組所代表的矢量都是同相位的，再加上線圈為等匝數(shù)繞制方式，所以上述槽號(hào)組就是大小相等、方向相同的不同矢量對(duì)。

當(dāng)U相的內(nèi)部繞組按照?qǐng)D3的聯(lián)接方式進(jìn)行內(nèi)部接線時(shí)，第一條支路里面的“1-2-3-4”和“37-38-39-40”矢量大小相等，但是“37-38-39-40”通過反接后，其負(fù)槽號(hào)所處的位置正好與“1-2-3-4”槽號(hào)成180°電角度，所以第一條支路中矢量大小相等、方向相反，感應(yīng)電勢相互抵消，不會(huì)產(chǎn)生環(huán)流。同樣的原因，在第二條支路和第三條支路里面也不會(huì)有環(huán)流產(chǎn)生，U相無環(huán)流的影響。

圖3 6級(jí)定子繞組接線圖

按照同樣的方法對(duì)V相、W相進(jìn)行分析，也可以得出V相和W相無環(huán)流產(chǎn)生的結(jié)論。所以只要按照?qǐng)D3的方法對(duì)6極繞組進(jìn)行正確接線，當(dāng)20極繞組通電運(yùn)行時(shí)，在6極的繞組內(nèi)部是不會(huì)有環(huán)流產(chǎn)生的。

3 電動(dòng)機(jī)異常的原因

結(jié)合上述槽號(hào)相位圖的分析，我們可以得知，當(dāng)電機(jī)的6極或者20極分別通電運(yùn)行時(shí)，在另一套休息繞組的內(nèi)部中均無環(huán)流產(chǎn)生，但是這臺(tái)雙速電動(dòng)機(jī)在低速極卻出現(xiàn)了異常的電磁噪聲等情況。經(jīng)過技術(shù)人員的詳細(xì)了解，發(fā)現(xiàn)在定子整形過程中，操作人員為了減少繞組內(nèi)部的相間連接線，在接線的時(shí)候沒有嚴(yán)格按照?qǐng)D3的槽號(hào)關(guān)系來進(jìn)行連接，而是按照同相繞組相鄰槽號(hào)進(jìn)行了就近連接。把異常狀況下6極繞組按就近連接的順序把其接線圖畫出來，如圖4所示。

圖4 異常情況下6級(jí)接線圖

根據(jù)此情況，我們繼續(xù)結(jié)合圖2的槽號(hào)相位圖來分析在2極通電運(yùn)行時(shí)6極繞組按圖4連接的環(huán)流情況。以U相的第一條支路為例，標(biāo)號(hào)“1-2-3-4”和“13-14-15-16”所處的槽號(hào)不在同一縱列位置，所以這兩組矢量不是同相位的。通過圖2我們可以進(jìn)一步看到，正槽號(hào)“1”、“2”、“3”、“4”和負(fù)槽號(hào)“-13”、“-14”、“-15”、“-16”的對(duì)稱軸線在槽號(hào)“3”和槽號(hào)“-14”之間，所以第一條支路中矢量產(chǎn)生的合成感應(yīng)電勢不為為，也就是不能完全相互抵消，這樣就會(huì)形成支路電壓，從而在支路中就會(huì)有環(huán)流產(chǎn)生。同樣的道理，可知在U、V、W三相中均會(huì)形成支路電壓。因此，當(dāng)20極繞組通電運(yùn)行時(shí)，6極繞組內(nèi)部會(huì)有環(huán)流產(chǎn)生。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證這臺(tái)表現(xiàn)異常電動(dòng)機(jī)繞組內(nèi)部存在環(huán)流的情況，我們在空載運(yùn)行的情況下來測量兩個(gè)極數(shù)的相互感應(yīng)電壓。當(dāng)6極繞組通電空載運(yùn)行時(shí)20極繞組接線端測得的相互感應(yīng)電壓數(shù)值可忽略不計(jì)，說明6極繞組通電時(shí)20極繞組內(nèi)部無環(huán)流產(chǎn)生，所以高速極空載電流正常。相反地，給20極繞組輸入工頻電源，然后用電壓表測量6極三相引線上的端電壓。當(dāng)20極繞組輸入電壓為376V時(shí)，在6極三相引線上測得的相間電壓分別為1.69V、1.65V、1.35V，這就充分說明了按圖4進(jìn)行接線的6極繞組內(nèi)部合成電勢不為0，所以內(nèi)部會(huì)存在環(huán)流，從而電機(jī)的空載電流和電磁噪聲異常。

隨后我們把6極繞組的連接順序嚴(yán)格按照?qǐng)D3進(jìn)行接線，20極繞組重新通電空載運(yùn)行時(shí)，在6極繞組接線端測得的相互感應(yīng)電壓數(shù)值也可忽略不計(jì)，實(shí)測空載電流數(shù)值和設(shè)計(jì)值以及整改前測試值列表見表1。

表1 電流數(shù)值列表

從表格中可以明顯看出，低速極的空載電流與設(shè)計(jì)值非常接近，已經(jīng)恢復(fù)到了正常數(shù)值。此外，電磁噪聲值也降低到了正常水平，電機(jī)恢復(fù)到正常水平。

4 結(jié)語

通過結(jié)合具體實(shí)例、槽號(hào)相位圖對(duì)雙繞組多速變極電動(dòng)機(jī)繞組內(nèi)部的環(huán)流情況進(jìn)行分析，解決了電動(dòng)機(jī)環(huán)流及噪聲問題。在其他倍極比或者非倍極比雙繞組變極電機(jī)的設(shè)計(jì)過程中，我們同樣可以通過對(duì)槽號(hào)相位圖的具體分析，找到繞組內(nèi)部連接的正確路徑，采取合理的措施避免和消除環(huán)流的影響，使電機(jī)運(yùn)行更加可靠平穩(wěn)。

另外通過槽號(hào)相位圖，我們還可以對(duì)非正規(guī)繞組的矢量磁勢和諧波情況進(jìn)行分析，比較方便地計(jì)算多速變極電機(jī)非正規(guī)排列情況下繞組的分布系數(shù)。因此槽號(hào)相位圖是一種簡捷可靠的分析手段，可以廣泛地應(yīng)用于雙繞組變極電機(jī)的設(shè)計(jì)和制造中。

[1] 唐慶華.四速電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)與制造.防爆電機(jī)，2016.4.

[2] 許實(shí)章.交流電機(jī)的繞組理論.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1985.12.

[3] 程友明，王澤威.隔爆型雙繞組雙速電動(dòng)機(jī)繞組環(huán)流分析.電氣防爆，2014.3.

[4] 唐慶華，張林.采用斜槽降低三相異步電動(dòng)機(jī)電磁噪聲.防爆電機(jī)，2015.1.

Application of Slot-Number Phase Graph to Double-Winding Variable-Pole Motor

TangQinghua

(Electric Motor Factory of China Changjiang Shipping Group, Wuhan 430205, China)

Based on inspection, analysis and treatment of a double-winding variable-pole motor with low speed and abnormal noload current, this paper introduces application of slot-number phase graph to this kind of motor. This practical example has proved that slot-number phase graph is a simple and reliable analysis method. It can widely be used in design and manufacture of double-winding variable-pole motor.

Variable pole；loop current；slot-number phase graph

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2017.01.08

TM302

B

1008-7281(2017)01-0028-003

唐慶華 男 1976年生；畢業(yè)于湖南工程學(xué)院，現(xiàn)從事電機(jī)設(shè)計(jì)及技術(shù)管理工作.

2016-06-07