中小型變頻電機優化電磁設計軟件開發

肖金鳳　扶文靜　潘文濤

摘 要：為抑制變頻電源的高次諧波對變頻調速異步電機的影響,提出從定轉子槽配合的優化選擇、轉子槽形及氣隙的優化設計、建立電機模糊自適應設計模型幾方面進行變頻調速異步電機的優化電磁設計；為提高現有變頻調速異步電機電磁設計軟件的實用性,利用Visual Basic 6.0,開發出變頻調速異步電機的優化電磁設計軟件,完成了一臺7.5 kW變頻調速異步電機的電磁設計。設計結果表明,設計的電機性能好,提出的優化電磁設計方法可行,開發的電磁設計軟件輸出性能良好,達到了設計要求,具有實用性。

關鍵詞：變頻調速異步電機；優化設計；電磁設計軟件；模糊自適應；Visual Basic 6.0

中圖分類號：TM343文獻標識碼：B

文章編號：1004-373X(2009)03-148-03

Development of Optimal Electromagnetic Design Software of

Small and Medium Variable-Frequency Motor

XIAO Jinfeng,FU Wenjing,PAN Wentao

(School of Electrical Engineering,University of South China,Hengyang,421001,China)

Abstract：In order to restrain the influence of high frequency harmonics on the variable frequency source to inverter-driven induction motor,this paper presents the optimal electromagnetic design method of inverter-driven induction motor,such as optimal stator and rotor slot matching,optimal design of rotor slot type and airgap,constructing inverter-driven induction motor fuzzy self-adaptive design model.Using Visual Basic 6.0 as a tool,the optimal electromagnetic design software of inverter-driven induction motor is developed to improve practicability of optimal design Software,the 7.5 kW inverter-driven induction motor is designed by the electromagnetic design software.The result indicates that good performance of the motor,feasibility of the optimal design method and practicability of the optimal electromagnetic design,the performance of the software is excellent to accord with the request of design.

Keywords：inverter-driven induction motor;optimal design;electromagnetic design software;fuzzy self-adaptive ；Visual Basic 6.0

0 引 言

變頻調速異步電機由變頻裝置供電,由于變頻器的輸出電壓和電流中包含一系列的高次諧波,將使電機效率降低,溫升升高,低速運行時產生轉矩脈動,高速運行時產生較大的振動和噪聲［1-4］。

變頻調速異步電機的諧波抑制方法一直是傳動領域中一個研究的熱點問題［1-5］ 。

該文以抑制變頻調速異步電機的諧波為目的,從改動和優化變頻調速異步電機設計出發,提出了變頻電機的優化電磁設計方法。文獻［5］提出了變頻調速異步電機自適應設計模型優化電磁設計方法,本文將模糊控制應用至電磁優化設計中,得到模糊自適應設計模型,可進一步提高設計電機的性能。

文獻［6］研發的變頻三相感應電動機設計CAD系統功能強大,操作方便,但該系統設計前需輸入變頻器控制參數,不同變頻器參數不同,使設計的電機應用范圍受到限制。該設計將利用Visual Basic 6.0開發變頻調速異步電機的電磁設計軟件,設計時只需從主窗口輸入電機在額定狀態下的主要性能參數,即可通過計算機自動優化,得到氣隙、定轉子槽形尺寸、電機損耗效率等輸出性能參數。

1 優化電磁設計

1.1 定轉子槽配合的優化選擇

在變頻異步電機槽數設計方面,定轉子槽配合的約束得到放寬,考慮槽配合時,主要考慮避免一階定、轉子齒諧波產生的低階力波(n=0,1,2,3,…),這些力波可能與定子的固有頻率接近,發生共振［7］。

(1)削弱力波的槽配合

為削弱變頻電機齒諧波產生的力波,要求槽配合滿足表1要求。

表1 變頻調速異步電機槽配合

避免力波次數槽配合要求

0Z1－Z2≠0,2p

1Z1－Z2≠±1,2p±1

2Z1－Z2≠±2,2p±2

3Z1－Z2≠±3,2p±3

表1中：Z1為定子槽數,Z2為轉子槽數,p為電機極對數。

更高次力波引起的振動幅值小,一般中小型電機中可不予考慮。

(2) 對籠型電動機,定子槽數越多、諧波損耗越少、異步附加轉矩越小,定子槽數大于轉子槽數,還可以降低雜散損耗。

(3) 轉子采用奇數槽,這樣可以減少同步寄生轉矩,避免起動時產生堵轉。

(4) 采用5/6短矩系數可大大削弱5次諧波和7次諧波產生的附加轉矩影響,對變頻電機減少高次諧波影響起到十分重要的作用。

1.2 轉子槽形優化設計

(1) 為了抑制高次諧波損耗的增加,異步電機轉子應采用集膚效應小的特殊槽形,槽面積盡可能大,槽形宜淺不宜深,槽形總體上寬下窄；采用直槽而非斜槽轉子結構以減少其負載損耗［8］。

(2) 采用磁性槽楔,不但能減小有效氣隙,降低空載電流,改善功率因數,還能降低氣隙諧波磁勢分量,減小諧波磁勢引起的附加損耗和其他不良影響。

(3) 在定、轉子槽數相同的情況下,可選擇不同的轉子槽形、尺寸,進行效率和功率因數優化設計,從而確定高效優化的最終電磁設計方案。

1.3 氣隙的優化設計

電機的氣隙增大,將使勵磁電流增加,電機功率因數下降,同時氣隙中的諧波磁場也將降低,附加損耗減少。另氣隙的增大可以使定轉子結構配合部件的加工精度和同心度適當降低,減小了加工的難度和時間。

普通電機氣隙通常采用經驗公式：

δ=Di11001+92p

其中:δ為電機的氣隙(mm)；Di為電機定子內徑(cm)；p為電機極對數。

變頻電機氣隙應比同容量普通電機氣隙稍大一些。

1.4 基于模糊自適應設計模型的電磁優化設計

文獻［5］給出了變頻調速異步電機不同定子槽形的定子設計公式,一旦給定定子電密、氣隙磁密、定子齒軛磁密(J1,Bg,Bt1,By1)等參數,定子結構和主要尺寸就完全確定,并隨槽形和定子內外徑比值的改變而改變。這些公式使變頻調速異步電機的設計完全由其電密和磁密的設定值控制,不僅消去了傳統設計中的經驗參數,而且使這些電密和磁密的設定與變頻調速系統中電機的運行性能建立密切關系。

文獻［5］以此為基礎進行了基于自適應模型的電磁優化設計。在該自適應模型中,定子內外徑之比λ是不確定的,這個變量的選取對電機的性能會有很大的影響。該設計則將模糊控制應用到系統設計中,建立一變頻調速異步電機模糊自適應模型,通過模糊自適應過程不斷調整選取λ參數,以達到同時滿足定、轉子電磁負荷設定的目的。

變頻調速異步電機模糊自適應設計流程見圖1。

圖1 變頻調速異步電機模糊自適應設計流程圖

2 變頻電機電磁設計軟件開發

本設計軟件是在Windows平臺上用VB 6.0開發的,適用于Windows 98以上的操作系統,視窗化設計,全漢化顯示,界面友好,人機交互,提高了工作效率。

圖2所示為該軟件編寫的結構框圖。

圖2 電磁設計軟件結構框圖

電磁設計程序采用VB語言編寫。優化電磁計算方法以文獻［5,8,9］為基礎,并對其提出的電磁計算方法進行改良,將模糊控制應用至文獻［5］提出的異步電機自適應設計模型中,得到了異步電機模糊自適應設計模型。

3 設計實例

現利用開發的變頻調速異步電機電磁設計軟件進行一7.5 kW變頻調速異步電機的電磁設計。

3.1 數據輸入主體窗口

其主要額定參數輸入主體窗口見圖3。

圖3 額定參數輸入界面

點擊界面上的“計算”,軟件中將自動優化,得出定子參數,轉子參數,電路參數、電流及損耗等參數,然后進行整體優化,得出最佳設計方案。

3.2 計算結果

定子參數如圖4所示,轉子參數如圖5所示,損耗及效率如圖6所示。

圖4 定子參數

圖5 轉子參數

設計結果：

(1) 定轉子槽配合為36/23；

(2) 轉子槽形選擇上寬下窄的平底槽；

(3) 氣隙比同容量普通電機氣隙稍大,增大0.026 mm。

(4) 效率為92%,比設計要求的性能還要好。

依據以上參數設計的變頻調速異步電機性能良好,滿足設計要求。

圖6 損耗及效率

4 結 語

變頻調速異步電機應用日益廣泛,其設計水平也越來越高。該文提出了變頻調速異步電機的優化電磁設計方法，利用VB 6.0研制了變頻調速異步電機的電磁設計軟件。實例結果表明本文提出的電磁設計方法是有效、正確、先進的,開發出的電磁設計軟件設計準確、方便實用。

參考文獻

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作者簡介 肖金鳳 女,1972出生,湖南衡陽人,碩士,副教授,碩士生導師。主要研究方向為電機及其控制、智能控制。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。