變頻調(diào)速感應(yīng)電機(jī)損耗分析

中車永濟(jì)電機(jī)有限公司 趙春祥 黃 娜 杜光輝 宋佩利

變頻調(diào)速感應(yīng)電機(jī)損耗分析

中車永濟(jì)電機(jī)有限公司 趙春祥 黃 娜 杜光輝 宋佩利

感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子有銅條，導(dǎo)條電導(dǎo)率較高，諧波在轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中易產(chǎn)生大量的渦流損耗，給感應(yīng)電機(jī)損耗的準(zhǔn)確計算帶來了很大的困難，針對以上問題，本文基于一臺400kW變頻調(diào)速感應(yīng)電機(jī)，采用有限元法對空載和負(fù)載下的電機(jī)損耗進(jìn)行了計算，并進(jìn)行了實驗驗證，結(jié)果表明：本文所采用的計算方法可以準(zhǔn)確的考慮諧波在轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的渦流損耗，為感應(yīng)電機(jī)損耗分析和設(shè)計提供了參考。

感應(yīng)電機(jī)；轉(zhuǎn)子損耗；有限元法；渦流損耗

1 引言

隨著變頻技術(shù)的飛速發(fā)展, 交流調(diào)速系統(tǒng)得到越來越廣泛的應(yīng)用。交流調(diào)速感應(yīng)電機(jī)相比于永磁電機(jī)，轉(zhuǎn)子上無永磁，可以承受較高的溫度，且在高速弱磁區(qū)，永磁電機(jī)存在空載反電勢高的問題，因此感應(yīng)電機(jī)具有更高的可靠性，在各種工業(yè)、軍工等調(diào)速領(lǐng)域都占有絕對的位置[1-2]。隨著技術(shù)的發(fā)展，對變頻調(diào)速電機(jī)性能、體積等要求越來越高，傳統(tǒng)的損耗計算和分析方法已不能滿足設(shè)計的要求[3]。由于感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子上有導(dǎo)體，導(dǎo)體具有高的電導(dǎo)率，時間和空間諧波會在轉(zhuǎn)子導(dǎo)體上產(chǎn)生大量的渦流損耗，而傳統(tǒng)的計算方法無法計算諧波對損耗的影響，對電機(jī)的精細(xì)化設(shè)計帶來了困難[4]。

針對以上問題，本文基于一臺400kW感應(yīng)電動機(jī)，采用了有限元法對不同工況下的損耗進(jìn)行了分析，該計算方法可以考慮諧波對各部分損耗的影響，并進(jìn)行了試驗驗證。

2 感應(yīng)電機(jī)損耗分析

本文所采用的變頻調(diào)速感應(yīng)電機(jī)額定功率為400kW，額定電壓為2400V，電機(jī)定子槽數(shù)為36槽，轉(zhuǎn)子槽數(shù)為44槽，定子為矩形槽，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體為銅條。

2.1 空載損耗分析

本文建立了有限元模型，如圖1所示，對50Hz空載狀況進(jìn)行了有限元分析，分析結(jié)果如圖2所示。50Hz空載運行時，定子空載電流為60A，定子鐵耗為1460W，諧波造成的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體渦流損耗為1560W，此部分損耗只是渦流在轉(zhuǎn)子導(dǎo)體所產(chǎn)生的損耗，不包括端環(huán)部分，由于渦流主要集中在導(dǎo)體中，而同時空載時轉(zhuǎn)子中的電流幾乎為0，因此轉(zhuǎn)子端環(huán)部分的損耗可以忽略。

圖1 有限元計算模型

圖2 50Hz空載仿真結(jié)果

2.2 負(fù)載損耗分析

利用有限元法對50Hz負(fù)載狀況進(jìn)行了分析，分析結(jié)果如圖3所示。50Hz負(fù)載運行時，定子空載電流為130A，對于感應(yīng)電機(jī)，空載和負(fù)載時定轉(zhuǎn)子鐵耗基本不變，因此主要分析負(fù)載時的轉(zhuǎn)子銅耗，負(fù)載時轉(zhuǎn)子導(dǎo)體的損耗為4950W，此部分損耗也不包括端環(huán)部分的損耗，根據(jù)端環(huán)的電阻和電流，端環(huán)部分的損耗為1350W，因此轉(zhuǎn)子銅耗為6300W。

圖3 50Hz負(fù)載仿真結(jié)果

3 試驗分析

對50Hz空載和負(fù)載下的變頻感應(yīng)電機(jī)的總損耗進(jìn)行了實驗測試，利用本文有限元法的計算結(jié)果與實驗結(jié)果進(jìn)行了對比分析，如表1所示。表1中定子銅耗是根據(jù)Pcu=3*I2*R計算得出，風(fēng)摩耗是根據(jù)電機(jī)空載試驗分離得出，其他損耗為有限元計算得出。從表1可以看出，本文所采用的有限元法與實驗結(jié)果非常接近，可以充分考慮諧波對轉(zhuǎn)子損耗的影響。

表1 50Hz時損耗計算值與實驗值對比

4 結(jié)論

本文基于一臺400kW變頻調(diào)速感應(yīng)電機(jī)，利用有限元法對不同運行工況下的定轉(zhuǎn)子損耗進(jìn)行了仿真分析，并與實驗結(jié)果進(jìn)行了對比分析，結(jié)果顯示，利用本文所采用的有限元法，可以充分考慮諧波對定轉(zhuǎn)子損耗的影響，尤其是轉(zhuǎn)子導(dǎo)體損耗，計算結(jié)果更加接近真實值，為變頻調(diào)速感應(yīng)電機(jī)的設(shè)計與分析提供了參考。

[1]段敏,徐長明,劉江天,等．三相鼠籠感應(yīng)電機(jī)損耗分析[J]．遼寧工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2012,32(5):317-320．

[2]李娟．高效感應(yīng)電機(jī)的仿真研究[D]．杭州:浙江大學(xué),2015．

[3]王曉迪,謝衛(wèi),沈業(yè)成,等．基于Ansoft的大功率感應(yīng)電動機(jī)的設(shè)計與分析[J]．上海大中型電機(jī),2016 (4): 12-15．

[4] 孔曉光．高速永磁電機(jī)定子損耗和溫升研究[D]．沈陽：沈陽工業(yè)大學(xué)，2011．

趙春祥（1982—），男，遼寧鞍山人，碩士，工程師，研究方向：特種電機(jī)設(shè)計與分析。

黃娜（1987—），女，陜西西安人，碩士，工程師，研究方向：特種電機(jī)設(shè)計與分析。

杜光輝（1987—），男，河南駐馬店人，博士，研究方向：特種電機(jī)設(shè)計與分析。

宋佩利（1983—），女，內(nèi)蒙古商都人，大學(xué)本科，工程師，研究方向：電機(jī)控制。