異步電機瞬態起動性能仿真研究

蔣成勇，程文杰，肖 玲，葛研軍

(1.大連交通大學，大連 116028；2.西安科技大學，西安 710054)

異步電機瞬態起動性能仿真研究

蔣成勇1，程文杰2，肖 玲2，葛研軍1

(1.大連交通大學，大連 116028；2.西安科技大學，西安 710054)

為了縮短異步電機的設計周期，全面考察電機的設計水平，基于Ansoft軟件，給出了一種利用場路耦合法進行異步電機瞬態起動性能的計算方法。以11 kW，1 500 r/min三相異步電機為例，針對三種不同工況，即空載、漸變負載、瞬時大負載，分別利用該方法進行了計算，獲得了樣機在不同工況下的起動電流、電磁轉矩、轉子渦流損耗、升速曲線和氣隙磁密等電氣參數。結果表明，該方法簡單實用，能快速校核異步電機不同工況下的瞬態起動性能以及穩態工作點，以及相應的電磁場分布。

異步電機；起動性能；仿真方法；電磁場；場路耦合

0 引 言

電機已廣泛應用于工業自動化、家用電器等國民經濟的各個領域。運用可靠、準確和實用的仿真計算方法，可以節省大量的時間和成本使電機達到低噪、高性能的工作狀態[1]。Ansoft Maxwell是當前世界上著名的低頻電磁場有限元分析軟件之一，在多個工程電磁場領域都有廣泛的應用[2]，在建立電機2D有限元模型時可以直接用Ansoft RMxprt中的模型一鍵生成，生成的模型中邊界條件、材料屬性和激勵都已經自動添加，方便計算。文獻[3]介紹了由Ansoft RMxprt導入Maxwell 2D/3D的操作步驟，對計算過程和結果并沒有詳細說明。文獻[4]對三相異步電機的額定工況下的穩態性能做了仿真，但是忽略了轉子的機械特性，如轉動慣量，負載力矩等。事實上，電機的瞬態起動特性非常重要，它不僅可以獲得瞬態起動時電氣參數隨時間變化情況，還可以預測穩態性能。在瞬態起動求解時，需要給電機設置外電路。文獻[5]針對永磁開關磁阻電機的瞬態起動特性進行了仿真計算。文獻[6]采用Ansoft/Maxwell 2D和Ansoft/Simplorer聯合仿真技術來對異步電機的起動過程進行分析。這種技術雖然可行，但是涉及到兩個軟件的聯合操作比較麻煩。如果能直接在Ansoft/Maxwell 2D內解決問題，不僅操作方便，而且節約時間。

實際工程中異步電機的負載工況是多種多樣的，如何簡便、準確地估算其在不同負載工況下能否起動，以及起動后的電氣性能是非常重要的。另外，由于起動時轉子渦流非常大，渦流反磁場對氣隙磁場分布產生哪些影響，渦流密度幅值有多大，產生的損耗有多少，亦是值得了解的。針對以上問題，本文將基于Ansoft軟件，提出一種場路耦合的有限元仿真方法，求解電機起動時的特性和電磁場，為同類型的電機起動校核提供參考。

1 場路耦合的異步電機有限元模型

1.1 異步電機的參數

樣機的額定功率為11 kW，額定電壓為380 V，三相，四極，電源頻率為50 Hz，因此電機額定轉速為1 500 r/min。定子繞組布線采用單層結構，并聯支路數為1，每槽導體數為19。電機的額定電流約為21 A，額定扭矩約為70 N·m。該電機的結構尺寸如表1所示。

表1 異步電機的結構尺寸

1.2 異步電機的有限元模型

電機的二維有限元模型可以由RMxprt中的模型一鍵生成，采用三角形自適應網格，為了更準確地模擬轉子導條中的渦流，需將導條中的網格劃分更細密一些，另外還必須給導條設置渦流效應。因為其為四極電機，所以選擇兩級，即1/2對稱模型進行分析，如圖1所示。

圖1 樣機橫截面的1/2有限元模型

有限元模型中定子鐵心、轉子鐵心材料均為硅鋼片；定子繞組材料為銅；轉子導條材料為鋁，且轉子導條為鼠籠式結構；轉子軸為非導磁鋼。

在模型的兩徑向側面設置周期性邊界條件，在定子外徑處設置零矢量磁位邊界條件。

1.3 有限元模型與外電路的連接

可以通過外電路給電機供三相交流正弦電壓，模擬電機實際的起動過程。外電路可用Ansoft軟件自帶的circuit editor搭建。樣機的外電路如圖2所示，其中每相正弦電壓波幅值為310 V(對應220 V的有效值)，另外還需要計入每相繞組的端部漏電感以及每相繞組的電阻。外電路中的電機繞組部分連接著二維有限元模型，實現了電磁場-電路的耦合。

圖2 外電路

1.4 負載工況的設置

考慮三種不同的工況，即空載、漸變負載、瞬時大負載。在進行瞬態起動仿真時，轉子轉速應設為零，并且可以設置轉子的轉動慣量以及摩擦阻尼以真實地貼近實際情況。空載時，負載設置為零即可；瞬時大負載時，負載設置為負的常數，相當于與電機扭矩相反的恒定扭矩；漸變負載與時間有關，可以設置成時間的函數。在Ansoft的瞬態電磁場計算中，系統默認的時間變量記號為time(在離散系統里面，表示時間步長)，因此所有時變負載都可以設置成time的函數。以圖3所示的漸變負載為例，負載曲線可以設置成:

圖3 漸變負載曲線

式(1)中，TN為時間無窮大時的穩定負載，可選為額定負載；k為系數，用來控制到達穩定負載的速率。這種形式的負載可以描述載荷隨轉速上升而增大的情況，比如葉輪機械。

2 仿真結果及分析

2.1 空載

設定電機負載轉矩為零，轉子轉動慣量為0.134 kg·m2，接通外電壓后，電機的起動性能曲線如圖4所示。

(a) 電磁轉矩-時間曲線

(b) 轉速和轉子渦流損耗-時間曲線

圖4 空載時起動性能曲線

圖4(a)為轉子電磁轉矩隨時間變化的曲線，可以看到當轉子從靜止開始加速時，電磁轉矩即非常大，接近和超過了額定轉矩70 N·m，在0.23 s時達到峰值約100 N·m，這是由于需要克服轉子慣性轉矩。在這一階段，轉差率很大，轉子的渦流損耗也很大，起動時達到8 kW，隨轉速的上升逐漸減小，如圖4(b)所示。為了產生足夠強的電磁轉矩，定子繞組的電流也變得很大，起動時相電流有效值達到71 A。隨著轉速的繼續上升，電磁轉矩、定子電流和轉子渦流都迅速減小，空載時定子相電流有效值為4.7 A，轉子渦流損耗約為2 W。

2.2 漸變負載

設定如式(1)所示的負載轉矩，其中Tn設定為65 N·m，同時考慮轉子轉動慣量，接通外電壓后，電機的起動性能曲線如圖5所示。

(a) 電磁轉矩-時間曲線

(b) 轉速和轉子渦流損耗-時間曲線

圖5 漸變負載時起動性能曲線

圖5中,電機剛啟動時的情形與空載類似，即電磁轉矩、定子電流、轉子渦流損耗非常大;到0.5 s時，轉速已經接近額定速度，電磁轉矩、定子電流和渦流損耗都急劇下降。隨后電磁轉矩慢慢上升，并且一直與負載轉矩平衡，定子電流也隨時間慢慢上升，到4 s時，電磁轉矩接近65 N·m，定子相電流有效值為17.7 A。與空載不同的是，漸變負載時轉子轉速隨時間有微小的減小，而轉子渦流損耗隨時間略有上升，如圖5(b)所示。這個現象很容易解釋，即負載增大時，轉差率減小，定子磁場相對于轉子的切割速度增大，轉子渦流損耗上升。

圖4(d)和圖5(d)都顯示出線電壓Vac隨時間增加具有相似的變化，即起動初始階段，線電壓比較小峰值約為400 V，在0.3 s后峰值保持在500 V左右。這是因為選取的線電壓是圖2中電機繞組兩端的電壓之差，未計入繞組端部漏電感和繞組電阻引起的電壓差，故比電源供電電壓537 V略小。這說明了在起動初始期，過大的定子電流在定子繞組端部和繞組電阻上產生了不小的電壓差。

2.3 瞬時大負載

設定轉子負載力矩為50 N·m，同時考慮轉子轉動慣量，接通外電壓后，電機的起動性能曲線如圖6所示。

(a) 電磁轉矩-時間曲線

(b) 轉速和轉子渦流損耗-時間曲線

(c) 定子三相電流-時間曲線

對比空載起動和漸變負載起動，瞬時大負載起動時，轉子需要更長的時間才能達到穩定轉速。在初始起動時，轉子的轉速為負值，如圖6(b)所示，說明轉子由負載驅動旋轉，電機工作在發電機模式。電磁轉矩隨時間的增加而升高，如圖6(a)所示。隨后電磁轉矩超過負載轉矩，迫使轉子轉速反向，并上升至額定轉速附近。

值得注意的是在這種起動方式下，當負載轉矩過大時(如55 N·m)，即使未超過電機的額定轉矩，電機會一直保持在負轉速，即發電機運行狀態，進入不了電動機狀態。

2.4 氣隙磁密的變化

為了考察轉子渦流反磁場對氣隙磁密的影響，比對了空載時不同時刻下，定子內徑處徑向氣隙磁密Br分布(只取了兩極)，如圖7所示。

圖7 空載徑向氣隙磁密隨時間變化

從圖4(b)看到，當t=0.25 s時，轉子渦流損耗還比較大，其產生的反磁場對氣隙磁密的影響非常顯著，使得徑向磁密完全喪失了兩極磁場應有的正弦波的形狀，磁密峰值達到1.5T，如圖7所示。當t=0.3 s時，轉子轉速接近額定工作轉速，轉子渦流損耗衰弱明顯，其反磁場對氣隙磁密的影響仍然比較明顯，但是明顯小于0.25s時的情形。圖7中，t=0.4 s和t=0.77 s時的氣隙磁密分布很接近，說明轉子渦流對氣隙磁密的影響不再隨時間改變，即氣隙磁密操持穩定，峰值為0.75 T。對比可見，轉子渦流反磁場增強了氣隙磁密，有利于提高電磁轉矩，但同時轉子渦流反磁場帶入了大量的高次空間諧波，使得轉子損耗增加。

圖8(a)顯示了漸變負載情況下，t=4 s時的磁通密度分布云圖，定子齒部的磁密幅值最大，達到1.6～1.8 T；圖8(b)顯示了t=4 s時的轉子導條中的渦流密度矢量云圖，可見轉子導條中渦流密度有正有負，幅值的數量級為106A/mm2。

(a) 磁通密度

(b) 轉子渦流和磁力線

3 結 語

本文基于Ansoft軟件，給出了一種利用場路耦合法進行異步電機瞬態起動性能的分析方法，能夠求解樣機在不同工況下的起動電流、電磁轉矩、轉子渦流損耗、升速曲線和氣隙磁密等電氣參數，并以一臺11 kW，1 500 r/min三相異步電機為例進行了驗證。在初始起動時，即轉差率較大情況下，受轉子渦流反磁場的影響，氣隙磁密峰值顯著增強，為轉速穩定時的一倍以上，對起動有利但是對散熱無利。拖動負載轉矩65 N·m時，轉速穩定后，轉子導條的渦流密度幅值數量級為106A/mm2。

[1] 秦新燕，肖鵬程.基于Ansoft的電機設計及瞬態分析[J].湖北第二師范學院學報，2011，28(2)：89-92.

[2] 趙博,張洪亮.Ansoft12在工程電磁場中的應用[M].北京：中國水利水電出版社，2010.

[3] 王東，鄒會權.基于Ansoft RMxprt的三相異步電機有限元分析[J].能源研究與管理，2010(4)：69-71.

[4] 謝世強，鄔芝勝.基于Ansoft12的感應電機參數化及其瞬態仿真[J].防爆電機，2012，47(5)：27-34.

[5] 裴春興，李洪珠，楊玉崗，等.基于Ansoft Maxwell 2D的PMSR電機的起動特性的瞬態仿真[J].電氣技術，2007(8)：48-51.

[6] 孫立榮，樊馨月，張曉斌，等.基于Ansoft的異步電動機仿真方法研究[J].微特電機，2013，41(11)：38-41.

Study on Simulation of Transient Starting Ability of Asynchronous Motor

JIANGCheng-yong1，CHENGWen-jie2，XIAOLing2，GEYan-jun1

(1.Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China;2.Xi’an University of Science and Technology,Xi’an 710054,China)

In order to shorten the design period of the asynchronous machine and test the motor performance, based on the Ansoft software, this paper gives a simulation method of the transient starting of the asynchronous motor by using field-circuit coupling. Aiming at three types of working condition, that is no-load, gradual change load and transient heavy load, parameters of a prototype (11 kW，1 500 r/min, 3 phases asynchronous motor) such as starting current, electromagnetic torque, rotor eddy losse, rotor speed and air gap flux density and so on are obtained by this method. The calculation shows that the method is simple and practical and can fast check the transient starting performance, steady working point and electromagnetic field of the asynchronous motor.

asynchronous machine； starting performance； simulation method； electromagnetic field； field-circuit coupling

2016-06-01

國家自然科學基金項目(11502196)；中國博士后資助項目(2015M580865)；陜西省教育廳資助項目(15JK1483)

TM343

A

1004-7018(2016)12-0024-04

蔣成勇(1979-)，博士研究生，研究方向為電機控制系統。