異步電動機驅動往復式壓縮機電流脈動計算與飛輪力矩計算

劉晶，王殿友，王立名

(佳木斯電機股份有限公司，黑龍江佳木斯154002)

異步電動機驅動往復式壓縮機電流脈動計算與飛輪力矩計算

劉晶，王殿友，王立名

(佳木斯電機股份有限公司，黑龍江佳木斯154002)

主要結合往復式壓縮機的工作原理，從理論上對電流脈動進行了分析，介紹了一種采用有限元計算異步電動機電流脈動的方法。通過對如何正確選擇飛輪力矩和計算定子電流波動方法的介紹，將其應用到產品設計中，提高了產品的可靠性和安全性，具有較強的實用價值。

異步電動機；往復式壓縮機；電流脈動；飛輪力矩

0 引言

異步電動機在驅動往復式壓縮機等類型機械設備時，由于其負載力矩特性不均勻或呈周期性變化，諧波力矩在運行中持續存在，作用于異步電動機主軸上的脈動轉矩將使動態穩定運行產生強制振蕩，也就是引起異步電動機功率角相對于其平均值作周期性變化，從而使異步電動機的轉矩和電流產生波動。

電流脈動是考核壓縮機用電機的一個重要指標，若電流脈動過大，將嚴重影響電機溫升、傳動系統精度，并引起供電電網中的電壓波動，對電網產生不利影響。目前石化行業往復式壓縮機設計、制造、銷售的通用執行標準是：美國石油會標準-石油、化工和氣體工業用往復式壓縮機API618，其中對電機的電流脈動提出了要求。

1 往復式壓縮機運行原理

往復式壓縮機屬于容積式壓縮機，是使一定容積的氣體順序地吸入和排出封閉空間提高靜壓力的壓縮機。曲軸帶動連桿，連桿帶動活塞，活塞做上下運動。活塞運動使氣缸內的容積發生變化，當活塞向下運動的時候，汽缸容積增大，進氣閥打開，排氣閥關閉，空氣被吸進來，完成進氣過程；當活塞向上運動的時候，氣缸容積減小，出氣閥打開，進氣閥關閉，完成壓縮過程。通常活塞上有活塞環來密封氣缸和活塞之間的間隙，氣缸內有潤滑油潤滑活塞環。往復式壓縮機氣缸圖如圖1所示。

圖1 往復式壓縮機氣缸圖

往復式壓縮機工作原理可分為以下幾點

(1)電動機通過聯軸器帶動曲軸旋轉；

(2)曲柄連桿機構將曲軸的旋轉運動變成十字頭的往復運動；

(3)十字頭帶動活塞桿，使活塞在汽缸內作往復運動；

(4)曲軸旋轉一周，活塞在汽缸內往復一次，壓縮機完成一次工作循環；

(5)一個工作循環有膨脹、吸氣、壓縮、排氣四個過程。

2 電機飛輪矩的計算

在旋轉電動機設計中，常需求出飛輪力矩之值，尤其是在驅動往復式壓縮機不均勻負等類型機械設備的異步電動機的設計中。

當物體繞某固定軸旋轉時，飛輪轉矩和轉動慣量均代表該物體保持它原來運動狀態(角速度)的能力。在旋轉電動機設計中飛輪力矩和轉動慣量的概念是表示旋轉體在轉矩作用下所產生角速度關系的常數，與轉速無關。旋轉體對于轉軸的飛輪轉矩等于它的重量微元與微元到轉軸的直徑二次方乘積的總和，即

式中，D—物體的慣性直徑D=2p×10-2(m)；ρ—物體的慣性半徑(cm)；Mi、Gi—物體微小單元的質量和重量；M、G—微小單元體的質量和重量的總和，即物體的質量和重量。

其兩者的關系為

轉動慣量與飛輪力矩公式的換算

[GD]2=4gJ×10-7=393J×106( t·m2)

以往，飛輪轉矩計算一般采用公式法進行初步估算。如今，隨著三維繪圖軟件的快速發展，在設計過程中將轉子的三維圖形模擬出來，三維繪圖軟件會根據轉子的結構尺寸自動計算出飛輪轉矩，這種方法對于結構較復雜的轉子飛輪力矩計算是非常準確的。在異步電動機設計時，采用Solidworks軟件生成實體模型，仿真生成轉動慣量更加準確，為精細化設計奠定了基礎，由圖2可知電動機轉子的轉動慣量為1.66kg·m2，飛輪矩為6.64 kg·m2。

圖2 電機飛輪力矩的計算

3 異步電機電流脈動的計算

3.1 電流脈動的概念與重要性

根據NEMA標準定義：電流脈動被解釋為電流最大振幅和最小振幅的差值與1.414倍電機滿載額定電流之比值。

按照NEMA MG1和API618標準，異步電機電流變化不應超過全負荷電流的40%，但需指出的是電流波動值不是極限值，在個別條件下可以更大些，在大容量的電網中或不可能保證拖動具有必要的飛輪力矩的條件下，電流波動允許提高，在小容量的電網中電流波動的允許值要減少。

3.2 具體計算過程

下面以YAKK 710-16 630kW 11kV電機為例，根據電機的自身GD2、用戶提供的負載GD2和壓縮機不同曲軸拐角下的力矩曲線進行計算。由于壓縮機在額定運行狀態是往復運動，故其轉矩呈周期性變化—往復式壓縮機曲柄軸運行一個來回的行程為一周期。圖3和圖4為壓縮機廠提供的不同曲柄轉角(單位：度)下對應的壓縮機負載轉矩(單位： N·m)的數據表和曲線，即機器的綜合扭數據表。

圖3 壓縮機不同曲軸拐角下對應的力矩值

圖4 壓縮機負載轉矩vs.曲柄轉角曲線

本文采用有限元的方法對如何選擇該電機飛輪力矩和定子電流波動計算進行相關介紹

(1)首先利用Ansoft建立電機模型，用Ansoft RMxprt路算法對電機進行電磁計算。

(2)將路算法導入至Ansoft的Maxwell2D模塊，根據負載實際狀態可對電機各種瞬態過程進行分析。設置Maxwell 2D模型的運行特性，速度為372r/min，計算額定工況，其電流時間曲線見圖5。

圖5 電機額定運行狀態電流時間曲線

(3)利用電機轉動慣量與用戶壓縮機所提供的轉動慣量之和作為仿真中轉動慣量輸入，利用pwlx函數，按圖3和圖4的壓縮機不同曲柄角對應的力矩值，設置Dataset數據，將數據輸入到ansoft中，作為實際負載模擬現場工況進行有限元法分析，其負載時的電流時間曲線和轉矩時間曲線見圖6。

圖6 電機帶壓縮機運行狀態電流時間曲線

(4)根據計算結果進行合理性判斷

圖6表明帶壓縮機負載穩定時的電機電流明顯存在波動，這個波動是與壓縮機運動特性相一致的，也是呈周期性變化，即產生了電流脈動。根據圖6所示結果，本次設計電機的電流脈動值Icp(%)=10.5%符合NEMA規定的上限40%，即電流脈動合格。

4 電流脈動計算不合格的調整

對于電機設計自身來說，電流脈動將會升高電機繞組的溫度，這就要求在設計該類電機時對其熱負荷進行合理的選擇。另外就是為了增加電機抗脈動的能力，需要提高電機的過載能力，即提高最大轉矩。如果壓縮機負載轉動慣量值足夠大，并且不同曲軸拐角下對應的力矩設計合理，電機的電流脈動都會合格。但也有在計算中不合格的現象存在。

為用戶計算時，就遇到過這種情況，下面舉例進行說明，為用戶所配電機YZYKK 900-18 1450kW 10kV的自身轉動慣量為1600kg.m2，負載壓縮機轉動慣量為561kg.m2，根據用戶提供的負載轉動慣量和曲軸拐角對應的力矩值，按照上面的計算方法，經有限元法計算，電機帶壓縮機運行狀態電流時間曲線見圖7，電機的電流脈動為61%，很明顯電流脈動不合格。

圖7 電機帶壓縮機運行狀態電流時間曲線如何將電機的電流波動降低，首先嘗試將電磁性能參數做了調整，將起動轉矩和最大轉矩提高，重新采用有限元進行了計算，電流脈動為57%。電流波動降低的很小。由于電機負載的轉動慣量僅為電機自身轉動慣量的1/3左右，因此又嘗試將壓縮機的轉動慣量加大至2000kg.m2，重新利用有限元進行了脈動計算，電流脈動為30%，電流脈動降低的非常大，具體見圖8。

圖8 加大轉動慣量后電機帶壓縮機運行狀態電流時間曲線

最終對壓縮機轉動慣量加至2100kg.m2，同時壓縮機廠也對不同曲軸拐角下對應的力矩值進行了修正，以保證電流脈動合格。壓縮機的負載大的變化，會引起電動機中的電流波動和供電網中的電壓波動，從而破壞了電網和電動機的正常運行，所以，壓縮機應有比較均勻的阻力矩和足夠的飛輪矩。

通過實例可以看出，對電流脈動影響最關鍵的參數就是整個系統的轉動慣量，如果用戶的負載轉動慣量太小，對電機的電流波動就會有很大的影響。若電流脈動不合格，主要有以下三種方法進行調整

(1)對系統的飛輪力矩進行調整 (推薦)；

(2)不同曲軸拐角下對應的力矩值進行調整；

(3)調整電機的性能參數。

5 結語

本文提出了一種利用有限元方法計算電流脈動的方法，并介紹了異步電動機驅動往復式壓縮機時正確選擇飛輪轉矩的必要性，為技術人員提供異步電動機設計參考。精確選擇電動機的飛輪轉矩可以保證電動機穩定運行，同時限制電流波動及電壓波動，保證電網質量。

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Current Pulse and Flywheel Torque Calculations of Induction Motor for Reciprocating Compressor

LiuJing,WangDianyou,andWangLiming

(Jiamusi Electric Machine Co., Ltd., Jiamusi 154002, China)

Combining with the working principle of reciprocating compressor and theoretically analysis on current pulse, this paper introduces a method to calculate the current pulse of induction motor by finite-element method. Under the introduction of how to correct select flywheel torque and calculate stator current pulse, it is applied to product design. It can improve reliability and safety of product, and has strong practical value.

Induction motor；reciprocating compressor；current pulse；flywheel torque

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2017.03.08

TM301.2

A

1008-7281(2017)02-0026-004

劉晶 女 1985年生；畢業于哈爾濱理工大學電子信息工程專業，現從事電機設計工作.

2016-10-13