槽號相位圖在雙繞組變極電機中的應用

唐慶華

(中國長江航運集團電機廠，湖北武漢430205)

槽號相位圖在雙繞組變極電機中的應用

唐慶華

(中國長江航運集團電機廠，湖北武漢430205)

通過對一臺低速極空載電流表現(xiàn)異常的雙繞組變極電機的檢查、分析及處理，介紹了槽號相位圖在雙繞組變極電機中的應用。同時通過這個實例證明，槽號相位圖是一種簡捷可靠的分析手段，可以廣泛地應用于雙繞組變極電機的設計和制造中。

變極；環(huán)流；槽號相位圖

0 引言

我公司生產(chǎn)了一臺YZDS 225M-6/20 15/4.5kW鼠籠型雙速電動機，該雙速電動機的定子繞組為兩套獨立繞組，兩個極數(shù)接線方式分別為3Y(6極)/Y(20極)。在進行出廠試驗時，該電機兩個極下分別接入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。但是進行低速極測試時，其空載電流接近40A，比試驗系統(tǒng)中的歷史記錄數(shù)據(jù)大了接近10A，而且空載時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圖紙規(guī)定的順序接線，從而使低速極通電時在高速極繞組內(nèi)部產(chǎn)生了環(huán)流導致低速極的空載電流和噪聲發(fā)聲異常。本文將結(jié)合槽號相位圖的運用以及現(xiàn)場處理的方法，詳細分析該電動機環(huán)流產(chǎn)生的原因。

1 電動機環(huán)流

本文舉例的電動機為雙繞組雙速籠型電動機，也就是電動機的定子部分是將兩套相互獨立的繞組依次嵌入同一個定子鐵心的槽中。在實際使用中，電動機的兩個極數(shù)是分別通電，根據(jù)通電順序的不同，就會產(chǎn)生工作繞組和休息繞組的區(qū)別(注：當6p繞組通入交流電源時，6p的繞組就會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)交變磁場，此時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)。

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

所以對于雙繞組多速電動機，我們要使繞組聯(lián)接的每條支路中感應電勢互相抵消，使其合成電勢為0而不能形成環(huán)流，進而杜絕環(huán)流對電機運行過程產(chǎn)生傷害[1]。可以利用槽號相位圖對這臺雙繞組雙速電動機高速極繞組產(chǎn)生的環(huán)流的具體原因進行分析。

2 槽號相位圖

根據(jù)交流電機的繞組理論，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，以表格形式來進行表示就得“槽號相位圖”。

“槽號相位圖”實質(zhì)上就是同時畫出電機繞組正槽號矢量和負槽號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)，整個表格的水平長度相當于2π(弧度)或360°，其中每個槽號代表一個矢量(導體矢量或線圈矢量)，同一縱列的所有槽號所代表的矢量都是同相位，而兩槽號之間的水平距離則代表相應兩矢量之間的相位差，用弧度或角度表示[2]。

這臺雙繞組雙速電動機的定子槽數(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極為分數(shù)槽繞組的分布形式。

圖1 6級槽號相位圖

圖2 20極槽號相位圖

根據(jù)參考文獻[2]中描述的方法，可畫出6極和20極的槽號相位圖分別見圖1、圖2。其中對于分數(shù)槽繞組，20極的槽號相位圖中每一個橫行應有6×6=36個小格，然后相鄰槽號需要位移5小格。

該雙速電動機的定子繞組接線方式分別為3Y(6極)/Y(20極)，并且兩個極數(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6極繞組通電運行時，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)，所以需要單獨分析當20極繞組通電運行時，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的槽號相位圖來分析當20極繞組通電運行時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極槽號相位圖中分別位于同一縱列，因此這些槽號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，所以上述槽號組就是大小相等、方向相同的不同矢量對。

當U相的內(nèi)部繞組按照圖3的聯(lián)接方式進行內(nèi)部接線時，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，其負槽號所處的位置正好與“1-2-3-4”槽號成180°電角度，所以第一條支路中矢量大小相等、方向相反，感應電勢相互抵消，不會產(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有環(huán)流產(chǎn)生，U相無環(huán)流的影響。

圖3 6級定子繞組接線圖

按照同樣的方法對V相、W相進行分析，也可以得出V相和W相無環(huán)流產(chǎn)生的結(jié)論。所以只要按照圖3的方法對6極繞組進行正確接線，當20極繞組通電運行時，在6極的繞組內(nèi)部是不會有環(huán)流產(chǎn)生的。

3 電動機異常的原因

結(jié)合上述槽號相位圖的分析，我們可以得知，當電機的6極或者20極分別通電運行時，在另一套休息繞組的內(nèi)部中均無環(huán)流產(chǎn)生，但是這臺雙速電動機在低速極卻出現(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，在接線的時候沒有嚴格按照圖3的槽號關(guān)系來進行連接，而是按照同相繞組相鄰槽號進行了就近連接。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級接線圖

根據(jù)此情況，我們繼續(xù)結(jié)合圖2的槽號相位圖來分析在2極通電運行時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，標號“1-2-3-4”和“13-14-15-16”所處的槽號不在同一縱列位置，所以這兩組矢量不是同相位的。通過圖2我們可以進一步看到，正槽號“1”、“2”、“3”、“4”和負槽號“-13”、“-14”、“-15”、“-16”的對稱軸線在槽號“3”和槽號“-14”之間，所以第一條支路中矢量產(chǎn)生的合成感應電勢不為為，也就是不能完全相互抵消，這樣就會形成支路電壓，從而在支路中就會有環(huán)流產(chǎn)生。同樣的道理，可知在U、V、W三相中均會形成支路電壓。因此，當20極繞組通電運行時，6極繞組內(nèi)部會有環(huán)流產(chǎn)生。

為了進一步驗證這臺表現(xiàn)異常電動機繞組內(nèi)部存在環(huán)流的情況，我們在空載運行的情況下來測量兩個極數(shù)的相互感應電壓。當6極繞組通電空載運行時20極繞組接線端測得的相互感應電壓數(shù)值可忽略不計，說明6極繞組通電時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20極繞組輸入電壓為376V時，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進行接線的6極繞組內(nèi)部合成電勢不為0，所以內(nèi)部會存在環(huán)流，從而電機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格按照圖3進行接線，20極繞組重新通電空載運行時，在6極繞組接線端測得的相互感應電壓數(shù)值也可忽略不計，實測空載電流數(shù)值和設計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計值非常接近，已經(jīng)恢復到了正常數(shù)值。此外，電磁噪聲值也降低到了正常水平，電機恢復到正常水平。

4 結(jié)語

通過結(jié)合具體實例、槽號相位圖對雙繞組多速變極電動機繞組內(nèi)部的環(huán)流情況進行分析，解決了電動機環(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的設計過程中，我們同樣可以通過對槽號相位圖的具體分析，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，使電機運行更加可靠平穩(wěn)。

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

[1] 唐慶華.四速電動機的設計與制造.防爆電機，2016.4.

[2] 許實章.交流電機的繞組理論.北京：機械工業(yè)出版社，1985.12.

[3] 程友明，王澤威.隔爆型雙繞組雙速電動機繞組環(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機電磁噪聲.防爆電機，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)于湖南工程學院，現(xiàn)從事電機設計及技術(shù)管理工作.

2016-06-07