起重機用繞線轉子自起動永磁同步電動機起動過程仿真

石有計

(鐵嶺師范高等專科學校，遼寧鐵嶺112000)

0引 言

近年來起重機行業發展迅速，行業處于市場高速發展期。目前具有低轉速和超大轉矩特性起重機的起升裝置一般采用異步電動機驅動齒輪減速機的驅動方式。這種驅動方式存在效率低、笨重、振動和噪聲嚴重、故障率較高、調整維護困難等缺點。本文研究了一種繞線轉子自起動永磁同步電動機，可以取代機械減速機，實現直驅。該電機起動時在三相轉子電路中分別串入同樣大小的電阻，供電采用工頻電源的情況下，通過對轉子外串起動電阻阻值的適當調節，使電機的起動和牽入同步的能力得到顯著增強，能更好地滿足起重機的對力能指標的高要求，同時性價比會更高，可靠性會更好。

1繞線轉子自起動永磁同步電動機的原理

三相異步電動機的轉子電阻與電磁轉矩關系［1］如圖1 所示。

根據電機學知識可知，籠型異步電動機起動時的轉矩相對較小，而繞線式電動機通過轉子串電阻起動可以獲得較小的起動電流，同時可獲得較大的起動轉矩。利用這種思路，自起動永磁同步電動機中的轉子用繞線轉子來替代，就成了繞線轉子自起動永磁同步電動機，轉子繞組為該種電機提供了異步起動轉矩。籠型自起動永磁同步電動機在起動和牽入同步的過程中會遇到很多問題，諸如起動和牽入轉矩矛盾，起動電流較大，不能頻繁起動;起動特性較硬，會對機械系統造成沖擊等。由圖1可以看出，當轉子外串起動電阻增加時，曲線M=f(s)左移，對應最大電磁轉矩的轉差率變大，改變了最大電磁轉矩出現的位置，這樣就可以改善電動機的起動能力。在電機起動瞬間，轉子電阻增加，這樣臨界轉差率便增加，起動電流降低，由于提高了轉子回路功率因數，因此轉子電流的有功分量和起動轉矩反而增加。然后電阻逐極地切除，當電機旋轉速度趨近于同步轉速開始牽入同步時，外串轉子電阻可以完全切除，此時電機的起動過程便完成。

圖1 電磁轉矩與轉子電阻的關系(rb＞ra)

2繞線轉子自起動永磁同步電動機起動過程中的電機轉矩

在起動過程中，繞線轉子自起動永磁同步電動機需要具有一定倍數的起動轉矩、一定倍數起動電流和最小倍數轉矩，此外還要求電機具有足夠的牽入同步的能力。一般情況下，繞線轉子自起動永磁同步電動機起動過程中的電機轉矩由異步轉矩Ta、磁阻負序分量轉矩Tb以及發電制動轉矩Tg這三種轉矩合成(Ta+Tb=Tc)［1］。

繞線轉子自起動永磁同步電動機在起動過程中產生的發電制動轉矩的表達式［1］:

由上式知道，轉子電阻參數對發電制動轉矩沒有影響。通過適當調整轉子電阻大小，當發電制動轉矩到達最大值時，使此處對應的合成轉矩得以增加，進而使最小轉矩得到提升，使發電制動轉矩所帶來的負面影響得以最大程度的彌補。

3繞線轉子自起動永磁同步電動機起動過程的仿真分析

選用一臺用于起重機械的繞線轉子自起動永磁同步電動機采用Ansoft仿真軟件進行分析。電機的基本參數如下:額定功率為75 kW，磁極數為30極。額定電壓為380 V，額定轉速為200 r/min，額定轉矩為3 580 N·m，定子電阻為0．025 38 Ω，定子漏抗為 0．198 27 Ω，轉子電阻為 0．108 1 Ω，轉子漏抗為 0．070 45 Ω，直軸電樞反應電抗為 0．607 2 Ω，交軸電樞反應電抗為1．015 01 Ω，定子繞組采用分數槽繞組(135槽)，轉子繞組采用波繞組整距(180槽)。圖2為電機的有限元模型。把定子繞組和轉子繞組進行分相，對它們各部分賦予相應材料，然后對它們進行分割、加載，并且賦予邊界條件。圖3為轉子外接電路。

仿真步驟如下:

電機未起動時(轉差率s=1)，轉子外串電阻R1=R2=R3=0．2 Ω，此時，臨界轉差率 sm=1，電機起動轉矩接近于最大轉矩;當轉差率s=0．5時，轉子外串電阻 R1=R2=R3=0．062 Ω;當轉差率 s=0．28時，轉子外串電阻 R1=R2=R3=0．015 4 Ω;逐步合理調控轉子電阻值，當轉差率s=0．05時，轉子外串電阻R1=R2=R3≈0，轉子電阻接近全部切除，此刻電機轉速接近同步轉速并開始牽入同步，由此起動過程完成。

通過對該電動機的起動過程進行仿真，可以得到起動電流曲線、起動轉矩曲線和轉速曲線。把它和一臺功率相同、極數相同的籠型自起動永磁同步電動機的起動特性曲線進行比較分析，得到如下結果。該電機參數:額定功率為75 kW，磁極數為30極，額定電壓為380 V，額定轉速為200 r/min，額定轉矩為3 580 N·m，定子電阻為0．026 15 Ω，定子漏抗為0．201 2 Ω，轉子電阻為0．230 1 Ω，轉子漏抗為0．090 4 Ω，直軸電樞反應電抗為0．703 4 Ω，交軸電樞反應電抗為1．638 1 Ω。

圖4顯示了穩態運行時電機的磁場分布波形。從磁場分布圖知道，如果電機的極數較多，永磁體的放置方式采用切向式的磁路拓撲結構，將得到更為明顯的優勢，可以使每極磁通變得更大。

圖4 為某瞬間起動過程中的磁場分布波形

圖5 A相定子電流波形

圖5為電機起動時，負載額定狀態下，A相定子電流隨時間變化曲線。圖中顯示，鼠籠轉子自起動永磁同步電動機起動電流的最高倍數約為15倍，繞線轉子電動機起動電流的最高倍數約為6倍。經過一段時間的振蕩，最終兩者的穩態電流大約穩定在160 A左右。通過調整轉子外串起動電阻，繞線轉子自起動永磁同步電動機的起動電流得到顯著降低。

圖6為電機起動時拖動額定負載，轉矩隨起動時間變化曲線，通過多極降低同步轉速和提高了額定轉矩。起動初期，兩種電機的瞬態轉矩都出現了一定程度的波動現象，這個瞬態轉矩主要由異步轉矩、磁阻負序轉矩、發電制動轉矩和脈動轉矩疊加而成。由于齒槽效應和定子電流中存在非周期分量等因素的影響，使起動初期波形脈動加大。從圖6可看出，鼠籠轉子比繞線轉子沖擊轉矩更大一些，經過一段時間振蕩，波動逐漸減弱，最后在額定負載轉矩處達到穩定。從圖6還可看出，對于繞線轉子自起動永磁同步電動機通過對轉子外串起動電阻的阻值大小的合理調控，可以改善電機的瞬時轉矩沖擊問題，使轉矩曲線波動減弱，起動更加平穩。

圖6 電磁轉矩隨時間變化的曲線

圖7為電機起動時，在負載額定狀態下，轉速隨時間變化的曲線。大約在0．5 s以后，繞線轉子自起動永磁同步電動機開始牽入同步轉速進入額定狀態，對比籠型自起動永磁同步電動機，電機起動時間略短，明顯改善了轉速曲線的初始波動情況，能夠成功地牽入同步，完成起動過程。

圖7 轉速隨時間變化的曲線

圖8為起動過程中發電制動轉矩的波形。圖中顯示發電制動轉矩最大值約在8 200 N·m。為了減小發電制動轉矩在起動過程中產生的負面影響，通過對轉子外串起動電阻阻值的合理調控，使合成轉矩的最大值和發電制動轉矩最大值出現在同一位置，使合成轉矩的值得以增加，在一定程度上改善并增強了電機的起動性能。

圖8 發電制動轉矩隨時間變化的曲線

采用MATLAB編程，處理兩種電機的轉速和轉矩曲線數據，繪制出如圖9所示的波形。

圖9 轉矩-轉速曲線

圖9中，剛開始時曲線轉圈，轉過幾個圈后，逐漸成為螺旋狀，最后會聚在同步點。從圖中可以看出，在起動開始時，繞線轉子自起動永磁同步電動機曲線螺旋圈數比較少，輪廓也比較小，比籠型自起動永磁同步電動機更具突出優勢。由于籠型自起動永磁同步電動機存在起動轉矩和牽入轉矩矛盾的問題，由圖9可以看出，通過對轉子外串起動電阻的合理調節，對于繞線轉子自起動永磁同步電動機使得起動轉矩和牽入轉矩得到兼顧，解決了籠型自起動永磁同步電動機起動困難的問題。

4結 語

本文探討了在起動過程中，通過對外串轉子電阻的阻值大小的合理調控，使繞線轉子自起動永磁同步電動機的異步轉矩得以增加的技術措施，通過仿真對比分析，驗證了繞線轉子比籠型轉子的自起動永磁同步電動機增加了起動轉矩，降低了起動電流，明顯改善起動能力和牽入同步能力，為起重機械裝備的研究與開發指明了新的方向。

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