軸向迭片各異性轉(zhuǎn)子電機(jī)振蕩及異步運(yùn)行分析

1、軸向迭片各異性轉(zhuǎn)子電機(jī)振蕩及異步運(yùn)行分析第2O卷第l2期2000年l2月中國(guó)電機(jī)工程PmceedinoftheCSEE文章編號(hào):02588013(2000)l2000704軸向迭片各向異性轉(zhuǎn)子電機(jī)振蕩及異步運(yùn)行分析一Df8重,型堡T藥Z'_一l1ILu(華中理工大學(xué)電力系,湖北省武漢市430074)STUDY0F0SCILLAT10NANDASYNCHR0N0US0PERAT10N0NALAR0T0RM0T0RGUChenghn,YIMinun(HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,China)ABSTRACT:Asa

2、newypeofRSM(ReuctanceSynchronousMachine)ALA(.Axially-LaminatedPmimtropic)mtorn'lotorhasbeendelopedmpiysincethe90sExperimentalresearchonatwo-poeprototypellotorshowsthatbothoscillationandasyrmhrortousoperationmayOCCUrFocusingontheseproblems,theoreticalresearchdrawsthatthesingle-axistoque,inducedin

3、theironlaminationsaq-axiswhitethepeedaxistoqueisdeducedAccordingly,thepmpesalsaimedtoimprovethemotor'sstructureanddynamicperformancesignificantlyfirementionedKEYWORDS:AIA(axlally-laminatedanisotmpic)rotor;RSM(reluctancesynchronousmachine);singleaxistorque;oscillation摘要:軸向迭片各向異性ALA轉(zhuǎn)子電機(jī)是90年代以來(lái)得到較快

4、發(fā)展的1種新型磁阻同步電機(jī).在實(shí)驗(yàn)研究中,發(fā)現(xiàn)二論分折與探討,揭示出電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵芯口軸導(dǎo)磁疊片中產(chǎn)生的單軸轉(zhuǎn)矩"是造成這種現(xiàn)象的根本原固,并在簡(jiǎn)化分析基出了算倒,最后提出了改進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)的措施關(guān)鍵詞振蕩磁阻同步電機(jī);單軸轉(zhuǎn)矩中圖分類(lèi)號(hào):TM352文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A1引言基主項(xiàng)且:教育部博士點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)基金項(xiàng)目(97048732)和湖北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(98J066)現(xiàn)代交流變速傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展,使得軸向疊片各向異性AIA轉(zhuǎn)子磁阻同步電機(jī)成為新型電機(jī)研相同,但轉(zhuǎn)子由高導(dǎo)磁材料和非導(dǎo)磁絕緣材料的軸ALA轉(zhuǎn)子電機(jī)有很高的凸極比(/L.),并具有高轉(zhuǎn)矩密度,快速動(dòng)態(tài)響應(yīng),低轉(zhuǎn)矩詠動(dòng),低損耗,可靠而簡(jiǎn)單的控

5、制系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn)00J,較之傳統(tǒng)電機(jī),能更好地適應(yīng)高品質(zhì)交流變速傳動(dòng)的需要.磁阻電機(jī)的啟動(dòng)遠(yuǎn)較異步電機(jī)困難,歷來(lái)是研究重點(diǎn)筆者對(duì)1臺(tái)三相二極ALA轉(zhuǎn)子電機(jī)的啟動(dòng)性能進(jìn)行了全面的實(shí)驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)電機(jī)在啟動(dòng)過(guò)擾動(dòng)失步時(shí)產(chǎn)生的"單軸轉(zhuǎn)矩"是導(dǎo)致異?，F(xiàn)象的根本原因,并提出了改進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)的具體措施研究結(jié)果對(duì)于AIA轉(zhuǎn)子電機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)性能的改善具有重要指導(dǎo)意義,亦有助于該類(lèi)電機(jī)的實(shí)用化進(jìn)程.2ALA轉(zhuǎn)子電機(jī)的非同步運(yùn)行現(xiàn)象首先介紹電機(jī)啟動(dòng)性能的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果,內(nèi)容包括:50Hz三相電源直接啟動(dòng),逆變器電源變頻啟動(dòng),三相交流發(fā)電機(jī)組變頻啟動(dòng),小轉(zhuǎn)差法啟動(dòng)等.圖1是記憶示波器拍攝的50H

6、z三相電源供電時(shí),電機(jī)直接合閘啟動(dòng)后05s內(nèi)的轉(zhuǎn)速及相電流變化曲線(xiàn);圖2是恒壓頻比(u/f=const)開(kāi)環(huán)控制V8中國(guó)電機(jī)工程第20卷電壓型SPWM變頻電源供電時(shí)3】,啟動(dòng)后5s內(nèi)轉(zhuǎn)速,相電流的變化情況.圖中曲線(xiàn)均用電壓值定標(biāo),轉(zhuǎn)速標(biāo)尺34.55UminiV,電流標(biāo)尺8A/V由圖1可見(jiàn),在工頻電源直接啟動(dòng)方式下,電機(jī)不能進(jìn)入同步運(yùn)行,而在43×3455=1485r/rain(略小于112同步速)附近振蕩.電源頻率50Hz,相電壓120V圖1直接啟動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速及電流曲線(xiàn)Fig.1Speedandcurrentduringline?startprOCeSs電源頻率0-52Hz.相電壓42

7、85v圉2變頻啟動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速及電流曲線(xiàn)圖2顯示,實(shí)驗(yàn)電機(jī)在變頻啟動(dòng)過(guò)程中也存在一個(gè)"振蕩區(qū)":在電源頻率低于臨界值(12Hz左右)時(shí),電機(jī)可以跟隨同步速運(yùn)行;當(dāng)r1高于_廠(chǎng)l而低于頻率_廠(chǎng)2(2OHz左右)時(shí),電機(jī)發(fā)生較為嚴(yán)重的失步振蕩i而當(dāng)_,1大于,2后,電機(jī)在略小于l_廠(chǎng)1<fl=60fl_廠(chǎng)l<fI<fz振蕩(1)【_廠(chǎng)1>f26O,l/2為了同變頻電源供電情況相比較,實(shí)驗(yàn)中還用1臺(tái)由直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的四極三相,6kVA自勵(lì)同明,此時(shí),二極ALA轉(zhuǎn)子電機(jī)轉(zhuǎn)速與四極發(fā)電機(jī)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速之間始終保持同步關(guān)系.最后,小轉(zhuǎn)差法啟

8、動(dòng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果亦證實(shí),AIA轉(zhuǎn)子電機(jī)被相同極數(shù)的異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)至準(zhǔn)同步速后,可以自整步順利進(jìn)入同步穩(wěn)定運(yùn)行表1變頻發(fā)電機(jī)組供電啟動(dòng)記錄3電磁物理過(guò)程分析對(duì)于ALA轉(zhuǎn)子磁阻同步電機(jī),僅當(dāng)定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子保持相對(duì)靜止時(shí)才能產(chǎn)生有效平均磁阻轉(zhuǎn)矩,電機(jī)才可能以同步速穩(wěn)定運(yùn)行.現(xiàn)在,電機(jī)中出現(xiàn)了振蕩及異步運(yùn)行現(xiàn)象,說(shuō)明除正常磁阻轉(zhuǎn)矩之由感應(yīng)電流產(chǎn)生,它的出現(xiàn)表明電機(jī)轉(zhuǎn)子中必然存導(dǎo)磁疊片之間是絕緣的,不可能存在d軸方向的閉合回路;但所有導(dǎo)磁疊片都沒(méi)有經(jīng)過(guò)軸向分段處理,機(jī)因振蕩而異步運(yùn)行時(shí),由于轉(zhuǎn)差率大,就會(huì)在口軸方向的鐵芯疊片回路(相當(dāng)于同心式單相繞組)中感應(yīng)出較大的電流,該電流與氣隙磁場(chǎng)作用將產(chǎn)生較大的異

9、步轉(zhuǎn)矩,即所謂"單軸轉(zhuǎn)矩"J,其特點(diǎn)是在略大于1/2同步速(簡(jiǎn)稱(chēng)"半速")處產(chǎn)生負(fù)轉(zhuǎn)矩,從而有可能將電機(jī)"卡住"在"半速"附近振蕩或作異步運(yùn)行.圖3顯示,ALA電機(jī)異步運(yùn)行時(shí),定子基波旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)將在轉(zhuǎn)子疊片中感應(yīng)出頻率為s的電流,從而產(chǎn)生額率為s的脈振磁勢(shì)F.,該磁勢(shì)可分解為正,反兩個(gè)旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)F】和F2F與定子旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)相對(duì)靜止,產(chǎn)生普通感應(yīng)電機(jī)性質(zhì)的異步轉(zhuǎn)矩T1.F2相對(duì)于定子的轉(zhuǎn)速為(12s)】,因此,將在定子繞組中感應(yīng)出額率=(12s)的電流,2,在定子繞組中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)F2,與F2組成另一對(duì)相對(duì)靜止的磁勢(shì),也類(lèi)

10、似于1臺(tái)感應(yīng)電機(jī),但一次繞組是轉(zhuǎn)子,二次繞組是定子,二者相互作用產(chǎn)生另一種性質(zhì)的異步轉(zhuǎn)矩T,.當(dāng)s=0.5時(shí),=0,定子(二次繞組)無(wú)感應(yīng)電流,不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩:當(dāng)s>05時(shí),(12s).為負(fù)值,F2和F2反方向旋轉(zhuǎn),因此定子受到一個(gè)沿負(fù)方向的異步轉(zhuǎn)矩.但因定子固定,從作用和反作用原理可見(jiàn),轉(zhuǎn)子將承受正向助動(dòng)轉(zhuǎn)矩T2;當(dāng)<0.5時(shí),(1以同步速運(yùn)行,轉(zhuǎn)子疊片中不再有感應(yīng)電流.第12期辜承林等:軸向造片各向異性轉(zhuǎn)子電機(jī)振蕩及異步運(yùn)行分析圈3異步運(yùn)行時(shí)口軸脈振磁勢(shì)示意圉F.3PulseMMFofq-axisataynchrononsoperation上述2種異步轉(zhuǎn)矩丁,丁2合

11、稱(chēng)為"單軸轉(zhuǎn)矩",其變化曲線(xiàn)如圖4中T.所示.從圖4可見(jiàn),單軸轉(zhuǎn)矩的合成曲線(xiàn)在轉(zhuǎn)差率從1到s.(略小于0.5)的范圍內(nèi)為正值;而在.至2的范圍內(nèi)將為負(fù)值;在為二極電機(jī),疊片在q軸方向面積較大,因此,電機(jī)非正常異步運(yùn)行時(shí),將感應(yīng)出大小足以影響電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的"單軸轉(zhuǎn)矩".這就是實(shí)驗(yàn)樣機(jī)出現(xiàn)"半速"運(yùn)行現(xiàn)象的原固.圉4單軸轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn).4Curveofsingie-axitorque考察實(shí)驗(yàn)電機(jī)參數(shù)后得知,電機(jī)的自由振蕩頻機(jī)容易受擾動(dòng)(如諧波轉(zhuǎn)矩等因素)發(fā)生振蕩,而一直至運(yùn)行于"單軸轉(zhuǎn)矩"同系統(tǒng)空載轉(zhuǎn)矩相平衡的轉(zhuǎn)速點(diǎn)(略低于

12、半速);此后,電機(jī)就在呈交變性質(zhì)的磁阻轉(zhuǎn)矩(平均值為零)的作用下,以平衡轉(zhuǎn)速點(diǎn)為中心作振蕩運(yùn)行.這時(shí),增加或減小電源頻率都描述的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.實(shí)驗(yàn)電機(jī)由變頻電源調(diào)頻供電時(shí)存在"振蕩區(qū)".而改用變頻發(fā)電機(jī)組調(diào)速卻能?chē)?yán)格同電源保持同步.這一對(duì)比還說(shuō)明"振蕩區(qū)"的出現(xiàn)同電源的性質(zhì)有密切關(guān)系.變頻電源輸出電壓中含有大量高次諧波,這些諧波在電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的非同步轉(zhuǎn)矩對(duì)電機(jī)的同步運(yùn)行不利;變頻電源的輸出頻率是根據(jù)控制指令階躍式變化的,作為一個(gè)電子系統(tǒng)其變化速度遠(yuǎn)高于屬于機(jī)電動(dòng)力系統(tǒng)的ALA轉(zhuǎn)子電機(jī)的響應(yīng)速度.這樣,當(dāng)輸出頻率升高時(shí),定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同轉(zhuǎn)子之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)加

13、劇,磁阻轉(zhuǎn)矩呈交變性質(zhì)不利于產(chǎn)生使電機(jī)升速的有效平均轉(zhuǎn)矩;實(shí)驗(yàn)用變頻電源的容量較小,亦使電機(jī)的反應(yīng)速頻電源不同的是,三相交流發(fā)電機(jī)機(jī)組與ALA轉(zhuǎn)子電機(jī)同屬機(jī)電動(dòng)力系統(tǒng),2者機(jī)電時(shí)間常數(shù)較為接近,固而實(shí)驗(yàn)電機(jī)能夠跟上發(fā)電機(jī)組輸出頻率的變化,始終保持同步運(yùn)行.4單軸轉(zhuǎn)矩分析先取一片轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁疊片(長(zhǎng)2,寬h,厚)來(lái)分磁場(chǎng)在口軸疊片表面均勻分布;忽略鐵芯的飽和效應(yīng);忽略磁場(chǎng)的高冼諧波分量.參照?qǐng)D5,仿硅鋼片渦流損耗分析的常規(guī)處理方法l4J,經(jīng)推導(dǎo),異步運(yùn)行時(shí)定子基波磁勢(shì)F在轉(zhuǎn)子疊片中感應(yīng)的電流為?一'一r一:Ai1:圉5轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁疊片渦流回路分析圉Fig一5Eddy-cnrrentcircuit

14、inh'onlamination一51sin(1)(2)式中女為疊片感應(yīng)系數(shù),計(jì)算公式為一?in¨(3)一|_l卜l(3)對(duì)實(shí)驗(yàn)樣機(jī),已知f=011Om,0044m,T10中國(guó)電機(jī)工程第20卷,=00003m,疊片電導(dǎo)率p=43×10.n-1TI,q×10H.n.令j.=klsco1q軸相鄰疊片間透入磁通之比k=0.88,容易證明.這也是相鄰疊片中渦流之比.由此可得,每極磁勢(shì)作用下,n片鐵芯疊片感應(yīng)渦流之和J為=J=(+女L+女:+女j.)=.(4)式中k為求和系數(shù).實(shí)驗(yàn)樣機(jī)n=123,k=8.333.將q軸疊片回路等效為單匝繞組(N=1),且轉(zhuǎn)子另一側(cè)疊

15、片中也將產(chǎn)生同樣的效應(yīng),則疊片感應(yīng)電流產(chǎn)生的脈振磁勢(shì)的基波幅值F為=女iSO1(5)分解為正,反2個(gè)旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)F1和F2F.=F2=2=女is1(6)JL對(duì)AIJA轉(zhuǎn)子電機(jī),因RRLT,故以下分析中平均磁阻近似取作為R/2.正轉(zhuǎn)分量Fl同F(xiàn)l相對(duì)靜止,二者相互作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為川T一(7)式中為F1與間的夾角,若忽略疊片漏感,=90.,則公式可寫(xiě)為T(mén)1:2R(8)反轉(zhuǎn)分量F2在定子繞組中感應(yīng)頻率為(12s)f.的電勢(shì)和電流,產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為】z=22籬2LR一r+(1一)1j式中為定子電阻;L為定子漏感;Nk.為定子每相有效串聯(lián)匝數(shù).顯然,5>05時(shí),T2<0,對(duì)轉(zhuǎn)子起助動(dòng)

16、作用;S<0.5時(shí),T2>0,對(duì)轉(zhuǎn)子起制動(dòng)作用.對(duì)三相交流電機(jī),旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)基波幅值FI為F:(10)式中j為相電流有效值.取定子基波旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向?yàn)檗D(zhuǎn)矩正方向,則單軸轉(zhuǎn)矩忽略疊片漏感近似計(jì)算公式為=t+(z)=×!=2型pr+(12s)m1LR(11)對(duì)于實(shí)驗(yàn)樣機(jī),=25t3,L=13mH,Nl=174,因此,單軸轉(zhuǎn)矩簡(jiǎn)化計(jì)算公式×10s1j×(一2墜704X102】1+.一(1一s)J上述推導(dǎo)過(guò)程中采用了大量簡(jiǎn)化,所得結(jié)論只能是近似結(jié)果,尤其是忽略了轉(zhuǎn)子疊片漏感影響后,疊片感應(yīng)電流值增加,功率因數(shù)提高,這對(duì)單軸轉(zhuǎn)矩波形是會(huì)產(chǎn)生影響的.額定

17、值(即10A,與圖1所示的相電流大致相等)時(shí).由式(12)計(jì)算出的單軸轉(zhuǎn)矩變化曲線(xiàn);圖6(b)為考慮一定轉(zhuǎn)子疊片漏抗(設(shè)s=1時(shí),漏抗大約是疊片電阻的6倍)情況下計(jì)算出的單軸轉(zhuǎn)矩變化曲線(xiàn).I510目量5.28加20.(aI不計(jì)疊片漏抗.l,LDo0750:;/./)考慮疊片漏抗s:l一0.,=50,=10A圖6計(jì)算單軸轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn)Fig?6Calculatedcurveofsingle-axistorque-FJ888頁(yè)continuedoup姆88中國(guó)電機(jī)工程第20卷汽水系統(tǒng)的吸熱量,從而影響主汽壓力和溫度等參說(shuō),床溫調(diào)節(jié)效果的好壞直接關(guān)系到整個(gè)鍋爐運(yùn)行的穩(wěn)定性.(2)送風(fēng)量對(duì)爐內(nèi)各物質(zhì)濃度和床

18、溫有一定的影響.同時(shí),送風(fēng)量的改變還會(huì)影響爐內(nèi)流動(dòng)狀況.(3)CO燃燒生成CO,的反應(yīng)速率對(duì)動(dòng)態(tài)過(guò)程中CO和C02濃度影響較大.(4)本文所建立的模型基本可以準(zhǔn)確反應(yīng)所仿真鍋爐的動(dòng)態(tài)特性.模型不僅可預(yù)測(cè)鍋爐特性,為設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供指導(dǎo),可用丁二開(kāi)發(fā)模擬培訓(xùn)仿真器,還可為將來(lái)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和控制策略的選擇提供必要的研究對(duì)象.參考文獻(xiàn):1】KD.LenspMOFluidizationengineeringM】2ndEdition2】BretoncMH.GraceJRMicrostructureasptsoftheb-harlotdCFBs【】ChicalEnRineerngScience,19934

19、8(14):307314.3GIatzerAFtstoffverteilungundwaeeuebergangdLLmhLL11ginzirkuIierMenwitbelschichtenM】Austria:Viea【上接第10頁(yè)continuedfrompagelO其變化趨勢(shì)與上節(jié)討論的單軸轉(zhuǎn)矩變化規(guī)律基本一致.計(jì)算結(jié)果表明,單軸轉(zhuǎn)矩會(huì)對(duì)ALA轉(zhuǎn)子電機(jī)的同步穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生影響,計(jì)及疊片漏抗后更明顯,這與理論分析結(jié)果是吻臺(tái)的.44單軸轉(zhuǎn)矩的消除及轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的改進(jìn)綜上所述,單軸轉(zhuǎn)矩的大小與疊片電阻率,交軸磁路的磁阻大小成反比例關(guān)系,而同疊片面積大小成正比例關(guān)系.因此,總結(jié)出改進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu),減小單軸轉(zhuǎn)矩

20、的措施如下:(1)對(duì)轉(zhuǎn)子鐵芯外層疊片(10片左右)分段或設(shè)置磁柵;(2)增大轉(zhuǎn)子交軸磁阻,如減小轉(zhuǎn)子極靴寬度張角(增大交軸磁路氣隙長(zhǎng)度),或者改作多極(四極以上)轉(zhuǎn)子(使得口軸實(shí)際氣隙增大,減小進(jìn)入疊片表面的磁通量);(3)轉(zhuǎn)子疊片采用高電阻率材料.5結(jié)語(yǔ)理論分析表明,單軸轉(zhuǎn)矩是ALA轉(zhuǎn)子電機(jī)半速際困難,本文在簡(jiǎn)化分析基礎(chǔ)上推導(dǎo)l近似計(jì)算公Univemitaet,19944:Erg_JnSFu【idflowthoughpackedmlummJ】.ChemEngProe1952,48:8994f5GetD.CulllnJ,GeoIgchiadesSetcTeeffee;traimentfromgasfluidizedbedsJTICbemE,1979,57:269275.verbrennungv0nkohleJ】.wK,1985,37(12):20-287】MerrickDMathematicalmoddsdthe"thermal旺mpnted1evclutionmatterJFuel,1983.62:5345398】FieldMA.GiltDW,Morga