屏蔽電機的建模與仿真?

申 喜

（中國艦船研究設計中心 武漢 430000）

屏蔽電機的建模與仿真?

申 喜

（中國艦船研究設計中心 武漢 430000）

為了對屏蔽電機開展仿真研究，在同步旋轉坐標系下建立了屏蔽電機的數學模型，通過參考相關資料給出了屏蔽電機參數的估算方法。利用PSCAD開展了相應的仿真計算，通過仿真結果與給定值的比較，證明估算的電機參數能較好地反映屏蔽電機的啟動特性，可以用于實際仿真中去。

屏蔽電機；旋轉坐標系；PSCAD

ClassNum ber TM314

1 引言

屏蔽電機是一種特殊的異步電機，通過聯軸器將泵的葉輪軸與電動機軸相連，使葉輪與電動機一起旋轉而工作，達到完全無泄漏。屏蔽電動機定、轉子分別用非磁性耐腐蝕薄壁套（即屏蔽套）隔離起來，輸送介質可以進入電機內部，卻無法進入定、轉子及鐵心［1～3］。因此，屏蔽電機可以輸送易燃、有毒、有腐蝕性及放射性等各種介質，應用于石油、化工、制藥、食品和軍工等領域［4～6］。

不同于一般的異步電動機，屏蔽電機在定子與轉子之間加入了各自的屏蔽套，因此氣隙較大，特別是低速小容量工況下，勵磁電流占較大比例，因而功率因數較低。同時將屏蔽套置于電機的交變磁場中，在屏蔽套中就必然產生渦流，引起渦流損耗。另一方面，屏蔽套內的時變磁場同主磁場合成，改變了氣隙磁場分布，使電機磁場和繞組電流情況發生了變化［7～9］。

華中科技大學周理兵等對屏蔽電機模型及其調速系統進行研究，給出了屏蔽套渦流損耗的計算方法［10］。哈爾濱理工大學梁艷萍等對雙屏蔽復合轉子電機的不同工況下的性能參數進行了分析，利用有限元法計算了屏蔽電機的動態參數曲線，并得到了屏蔽套的等效阻抗參數和電路模型［11］。

本文通過借助上述幾位的研究成果，在此基礎上，給出了在給定參數不全的情況下，屏蔽電機參數的估算方法，并通過PSCAD仿真軟件進行了建模仿真分析，仿真結果表明在只關注電機起動對系統的影響時，所搭建的屏蔽電機模型能較好地反映屏蔽電機的啟動特性，可以應用于實際的仿真系統中去。

2 屏蔽電機的建模

屏蔽電機定子側有定子繞組和屏蔽套兩個導電層，轉子側有鼠籠繞組和屏蔽套兩個導電層。每個導電層相當于一套繞組。穩態運行時，轉子轉速與氣隙基波旋轉速度之間相對速度小，旋轉磁場切割轉子的頻率為轉差頻率，由基波磁場切割引起的渦流損耗可忽略，因此轉子屏蔽套支路視為開路。屏蔽電機等效電路如圖1所示［12］。

圖1 屏蔽電機的等效電路模型

屏蔽電機在d-q旋轉坐標系下電壓方程為

其中：ωs=ω1-ω為dq坐標系相對于轉子的速度。

屏蔽電機磁鏈方程為

轉矩方程為

運動方程為

式中，J為機組的轉動慣量，Te為電磁轉矩，TL為包括摩擦阻轉矩和彈性扭矩的負載轉矩。us，is，ψs為定子電壓、電流和磁鏈；ur，ir，ψr為轉子電壓、電流和磁鏈；uc，ic，ψc為屏蔽回路的電壓、電流和磁鏈；Ls，Lr，Lc為定子、轉子和屏蔽回路的等效自感；Lm為等效互感；np為極對數；ω為電機轉子的旋轉角速度。上述各量都已折算到定子側。

基于數學方程（1～4），可以建立屏蔽電機的仿真模型。如圖2所示。

圖2 屏蔽電機的仿真模型

3 屏蔽電機的參數估算

3.1 屏蔽電機參數的給定

本仿真中給出的屏蔽電機為立式單繞組庶極式屏蔽電機，有4/8極庶極式繞組，具有高速和低速運行兩種方式，同步轉速分別為1500r/min、750r/min，半流量惰轉時間為1.5s。該電機為雙速鼠籠感應電動機，其他關鍵參數如表1所示。

為了仿真結果的準確性，一般需要通過相關試驗得到電機內部的相關參數。通過空載試驗，可以測定電機勵磁電阻、勵磁電抗、鐵耗和機械損耗，此時轉子電流小，忽略轉子銅耗，轉子支路近似開路。通過短路試驗，可以測定電機短路阻抗、轉子電阻、定轉子漏抗，由于Xm＞＞Rm，忽略Rm，近似認為X1s=X2s。

表1 屏蔽電機關鍵參數

本文通過給定輸入參數、起動和最大轉矩等數據，計算出電機定轉子電阻和漏電抗，并參考文獻數據，對屏蔽電機Xm估算，然后在PSCAD中對電機模型進行反復仿真，得到較為合適的電機模型和參數。

3.2 屏蔽電機參數的參考

華中科技大學周理兵等對屏蔽電機模型及其調速系統進行研究，實驗驗證中的電機型號為Y180M-2，功率為22kW，額定電壓380V，額定電流42.2A，額定轉速2940r/min，額定頻率50Hz，極對數1，功率因數 0.89［10］。實心鼠籠型復合轉子，等效電機帶屏蔽套，試驗測得參數如表2所示。

表2 屏蔽電機參數

哈爾濱理工大學梁艷萍等對雙屏蔽復合轉子電機的不同工況下的性能參數進行了分析，利用有限元法計算了屏蔽電機的動態參數曲線，并得到了屏蔽套的等效阻抗參數和電路模型［11］。仿真參數如表3所示。

3.3 屏蔽電機參數的計算

1）電機相關參數

屏蔽電機除了普通電機的各種損耗（定子銅耗PCu1、轉子銅耗 PCu2、鐵耗PFe、機械損耗PΩ、附加損耗Pad）外，還多了定轉子屏蔽套損耗（定子PCon1、轉子PCon2）和水磨損耗Pwa兩部分。水磨損耗是指定、轉子屏蔽套間循環水引起的損耗［13］。

表3 屏蔽電機參數

總機械功率為

電磁功率為

輸入功率為

轉差率為

其中，n1為同步轉速，nN為額定轉速。那么，nN=（1-s）n1。

機械角速度：

額定電流為

其中，P1=PN，為額定功率；η為效率；UN為額定線電壓；cosφ為功率因數。

2）特性參數

（1）起動特性：

根據起動轉矩倍數kst=1.01，有

得到起動電磁功率為Pems=kstΩ1/Ω·PN。

表4 屏蔽電機參數

當屏蔽電機為8極時，當 nN=742、η=0.85、K2=4.2，模擬參數如表5所示。

表5 屏蔽電機參數

4 屏蔽電機仿真分析

4.1 高速運行

根據表4參數，在PSCAD/EMTDC x4.5中建立高速屏蔽電機模型，仿真模型如圖3所示。

在高速運行時的仿真波形如圖4～圖6所示。

圖3 屏蔽電機供電系統模型

圖4 高速屏蔽電機定子電流波形

圖5 高速屏蔽電機轉速波形

圖6 高速屏蔽電機電磁轉矩波形

從圖中可以看出，電機電流最大為770A，穩定有效值為203.7A，穩定轉速為1418r/min，最大電磁功率7120N·m，穩定后平均電磁轉矩4480N·m。與模擬值相比，電流偏差為2%，穩定值偏差1.85%，轉速偏差3.9%。起動電流偏差較小，而電磁轉矩參數相差較大。原因是，對電機的等效電感、轉動慣量等參數的估計存在偏差，而仿真中，主要關注電機起動對系統的影響。因此，該電機模型可以用來仿真屏蔽電機的運行工況。

4.2 低速運行

根據表5參數，在圖3中搭建低速運行屏蔽電機供電系統模型，仿真波形如圖7～圖9所示。

圖7 低速屏蔽電機定子電流波形

圖9 低速屏蔽電機電磁轉矩波形

從圖中可以看出，電機電流最大為155A，穩定有效值為60.1A，穩定轉速為703r/min，最大電磁功率1950N·m，穩定后平均電磁轉矩1380N·m。與模擬值相比，電流偏差為3.3%，穩定值偏差3.8%，轉速偏差5.3%。起動電流偏差較小，而電磁轉矩參數相差較大。原因是，對電機的等效電感、轉動慣量等參數的估計存在偏差，而仿真中，主要關注電機起動對系統的影響。因此，該電機模型可以用來仿真屏蔽電機的運行工況。

5 結語

本文系統分析了屏蔽電機的數學模型，利用電壓方程、磁鏈方程、電磁轉矩方程及機械特性方程，建立了屏蔽電機的仿真模型。給出了在給定參數不全的情況下，屏蔽電機參數的估算方法，并通過PSCAD仿真軟件進行了建模仿真分析，仿真結果表明：所搭建的屏蔽電機在高速和低速運行工況下，能較好地反映屏蔽電機的啟動特性，可以應用于實際的仿真系統中去。

［1］楊勝利，孫昌志.多極理論及其在屏蔽電機中的應用［J］，沈陽工業大學學報，1999（01）：26-29.

［2］高蓮蓮，梁艷萍.雙屏蔽電機定子端部漏抗計算及其影響分析［J］，電機與控制學報，2015（19）：53-57.

［3］宋艷文，林艷江.屏蔽電動機屏蔽套的設計特點及常見問題的預防措施［J］.防暴電機，2002（1）：16-18.

［4］劉立剛，常煥亮，于玉平.屏蔽電泵及其應用［J］.防暴電機，1996（2）：14-17.

［5］李革，李德成，楊霞.屏蔽式感應電動機的設計特點［J］.沈陽工業大學學報，2001，23（4）：295-297.

［6］索文旭.屏蔽電機技術特點［J］.大電機技術，2006（9）：57-59.

［7］張曉晨，李偉力，曹君慈.屏蔽電機屏蔽損耗與電機性能的計算與分析［J］，哈爾濱工業大學學報，2007（09）：1422-1426.

［8］周明榮.永磁屏蔽電泵電磁場有限元分析及其屏蔽套渦流損耗計算等［D］.杭州：浙江工程大學碩士學位論文，2004：1-2.

［9］孫樹林，李覺民.屏蔽式感應電動機屏蔽套損耗的計算及減少途徑［J］.大電機技術，1987（6）：30-33.

［10］蔣煒，周理兵，楊通.變頻調速屏蔽電機仿真及其損耗計算［J］.電機與控制應用，2006（08）：27-31.

［11］張建濤，梁艷萍，王鴻鵠等.雙屏蔽復合轉子電動機性能分析［J］.大電機技術，2006（07）：22-26.

［12］呂昊，馬偉明，聶子玲，等.轉子磁場定向矢量控制中異步電機鐵損模型分析［J］.中小型電機，2004，31（2）：10-13.

［13］陳世坤.電機設計［M］.第二版.北京：科學出版社，2000：272-274.

Modeling and Simulation of Canned Motor

SHEN Xi
（China Ship Research and Design Center，Wuhan 430000）

In this paper，canned motormathematicalmodel in rotational coordinate system is deduced for simulation and researching.The parameters of canned motor are given by referring to the relevant data.Then themodel of canned motor is deduced with PSCAD software，which provides that the estimated motor parameters can reflect the starting characteristics of canned motor reasonable by comparing the simulation resultswith the given results.Themodel of cannedmotor in PSCAD can be used for actual simulation.

cannedmotor，rotational coordinate system，PSCAD

TM314

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.09.014

2017年3月11日，

2017年4月28日

申喜，男，工程師，研究方向：艦船電力系統仿真分析。