大中型高壓高效異步電動機電磁設計程序優化

謝秋月，周玲慧，關世海

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大中型高壓高效異步電動機電磁設計程序優化

謝秋月，周玲慧，關世海

（湘潭電機股份有限公司，湖南 湘潭 411101）

根據電機學理論，結合電機廠大量大中型高壓高效異步電動機生產實際情況，利用VB匯編語言，對電磁設計程序進行優化。在優化過程中，對勵磁電抗、起動電流倍數和起動轉矩倍數以及鐵耗的計算公式進行了分析和修正，同時通過一系列高效異步電動機電磁計算結果和試驗結果的對比，驗證了程序優化的可行性和準確性。

高壓高效異步電動機；VB匯編語言；電磁設計程序

0 前言

目前采用的大中型高壓高效異步電動機電磁設計程序是基于《中小型三相異步電動機電磁計算程序》，并以40年代美國西屋公司的計算程序為基礎，結合電機理論和生產實際經驗，用Microsoft Visual Studio程序開發的設計軟件[1-3]。經過十幾年的運用，設計人員對該程序有了很好的掌握，在異步電動機的性能參數的選取方面積累了豐富的經驗。但隨著工藝加工水平的提高和硅鋼片性能的不斷改進，此程序漸漸與工廠試驗值偏離，故本優化主要針對電磁設計程序中的性能參數和鐵耗公式進行修正[4-5]，使之更好地與試驗值相吻合。另外因在實際工作中，經常提供給電動機客戶的勵磁電抗標幺值，客戶反應此值不是很準確，故在軟件中對勵磁電抗公式進行了改進，下面簡要介紹優化過程及驗證結果。

1 幾種參數優化過程分析

1.1 勵磁電抗計算

圖1 異步電動機的等效電路

但用于工廠電機設計的電磁軟件在計算勵磁電抗時，因定子阻抗較小，一般默認為內電勢接近于額定電壓，因此式（1）可作如下近似計算：

而電動機在實際運行時，內電勢小于額定電壓，所以此電磁設計軟件計算出的勵磁電抗標幺值是偏大的。由于以上原因，大中型高壓異步電動機電磁軟件優化針對勵磁電抗標幺值計算公式做了如下修改：

勵磁電抗標幺值不再由式（2）得出，而改為式（1）和式（3）合并后得出式（4）：

1.2 起動電流倍數和起動轉矩倍數計算

大中型高壓高效異步電動機在實際運行中，隨著轉速的改變，電機的磁路飽和程度和轉子的擠流效應也會發生相應改變。而大中型異步電動機設計程序在進行起動性能計算時，將所有極數的異步電動機全部利用同一種公式來計算起動性能，這樣雖然像6極、8極大中型高壓異步電動機的起動電流倍數和起動轉矩倍數與試驗結果相近，但其它極數電機明顯偏小，2極電機偏小更甚。因此需要對程序有關的起動公式進行修正。

假設定轉子槽磁勢全部落在漏磁路的氣隙部分，則有虛擬磁密：

表1參數

另外，異步電機在起動的過程中，因集膚效應，轉子導條電阻和槽漏感會隨著轉子電流頻率的不同而改變，傳統中計算集膚現象對轉子參數影響的過程如下：首先計算對應直流電流的轉子導條電阻和槽漏感，然后把不同形狀的轉子槽等效成相同高度的矩形槽，再用公式計算等效矩形槽的電阻增加系數和電感減小系數，最后把對應的直流電流參數值與相應的系數相乘[7-8]。但這種方法并不適用于所有的槽形，況且不同形狀的槽等效成矩形槽本身理論依據不足，因此用此公式來計算各種轉子集膚效應會有很大的誤差[9]，從我廠的生產經驗來看，某些極數的中大型高效異步電動機的起動轉矩倍數和起動電流倍數都計算的不是很精確，導致設計值和試驗值相差較大。

1.3 鐵耗

目前大中型異步電動機采用的硅鋼片都是冷軋硅鋼片，因采購的硅鋼片本身質量已提高，且電機制造廠家在硅鋼片加工工藝上有改進，另外磁通密度分布的不均勻以及旋轉磁化與交變磁化之間的損耗差異等引起的鐵耗不同，電機試驗時空載雜散損耗也包含在鐵耗中，由于工廠計算鐵耗的諸多因素，故在程序中計算鐵耗的公式加入了經驗系數，鐵耗公式如式（8）所示：

2 程序優化后試驗驗證

為驗證大中型異步電動機程序優化后的正確性和可行性，對一系列的大中型高效異步電動機設計值與試驗值進行對比分析。

表2 勵磁電抗標幺值參數對比

因文章篇幅限制，圖2和圖3中只給出4極6kV電動機在一系列不同功率下，高壓高效電機的起動轉矩倍數和起動電流倍數在優化前后的對比以及與試驗值的比較，其它極數的數據這里就不一一列出。根據圖2的數據分析，優化前的起動轉矩倍數與試驗值偏差率達到17.6%，而優化后的起動轉矩倍數與試驗值偏差率降低到了6.5%；從圖3中可看出優化前的起動電流倍數與試驗值偏差率達到8%，而優化后的起動電流倍數與試驗值偏差率降低到了2.65%。由此可見，優化后的起動轉矩倍數和起動電流倍數明顯優于優化前的設計值，提供的設計值更精確，很好的與試驗值相吻合。

這里仍以4極6kV高效高壓異步電動機為例，圖4中所示的是不同功率下鐵耗的曲線圖，從圖4中可看出，優化前的鐵耗與試驗值曲線偏差很大，而優化后大中型異步電動機的鐵耗設計值和試驗值偏差拉小很多，幾乎接近。

圖2 起動轉矩倍數分布圖

圖3 起動電流倍數分布圖

圖4 定子鐵耗分布圖

3 結論

本次大中型高壓高效異步電動機電磁計算軟件優化升級數據龐大，耗費時間較長。本優化通過對電磁計算源程序進行全面研究，參考了大量的書籍文獻，發現源程序中問題產生的原因，對舊的異步電動機電磁設計程序進行了優化，主要體現在勵磁電抗、起動轉矩倍數和起動電流倍數以及鐵耗這些參數上，并對這些參數作了較為符合生產實際的更正，使得程序得出的數據更加貼近電機理論，且與試驗值相符。這大大節省了設計者的時間，并能給客戶提供正確的電機參數，提高了計算精度，也方便了設計者，為以后大中型高壓高效電動機的設計提供了參考依據，所以大中型高壓高效異步電動機程序優化有很高的實用價值。

[1] 周貴厚, 解錦輝, 王少威. 基于VB和MATLAB的變頻異步電動機電磁設計程序[J]. 電機與控制應用, 2009, 36(6):39-44.

[2] 李秀英, 梁慶信, 趙志巖,等. Y3系列三相異步電動機設計——設計程序的修正[J]. 電機與控制應用, 2003, 30(6):4-7.

[3] 陳世坤. 電機設計（第二版）[M]. 機械工業出版, 2000.

[4] 黃國治, 傅豐禮. Y2系列三相異步電動機技術手冊[M]. 機械工業出版社, 2004.

[5] 寧玉泉, 鐘長青, 陳錫芳,等. 大型三相異步電機電磁設計程序[J]. 東方電機, 1995(4):99-105.

[6] 湯蘊璆, 史乃. 電機學[M]. 機械工業出版社, 2001.

[7] 孟大偉, 夏云彥, 楊洋,等. YKK系列中型高壓電機起動特性的計算[J]. 電機與控制學報, 2011, 15(7):50-53.

[8] 吳新振, 王祥珩. 異步電機雙籠轉子導條集膚效應的計算[J]. 中國電機工程學報, 2003, 23(3):116-120.

[9] 袁陽, 額爾和木巴亞爾, 張偉. 三相籠型異步電動機起動電流的瞬態計算與分析[J]. 電機與控制應用, 2015(6):73-76.

Optimization of Large and Medium-sized High Voltage and High Efficiency Induction Motor Electromagnetic Design Program

XIE Qiuyue, ZHOU Linghui, GUAN Shihai

(Xiangtan Electric Manufacturing Co., Ltd., Xiangtan 411101, China)

According to the principles of electromechanics, combined with the practicalities of large and medium-sized high voltage and high efficiency induction motor produced in the motor factory, electromagnetic design procedures are optimized by using VB assembly language. In the optimization process, the calculation formulas of excitation reactance, multiple of starting current, multiple of starting torque and iron loss are analyzed and revised. And the results of series high efficiency induction motor electromagnetic calculation values by the testing values are compared, which show electromagnetic program optimizations are feasible and precise.

high voltage and high efficiency induction motor; VB assembly language; electromagnetic design procedures

TM343

A

1000-3983(2018)06-0023-03

2018-06-15

謝秋月（1983-），2008年畢業于湖南大學，碩士研究生，原從事大型高壓高效異步電動機設計，現從事永磁同步電動機研究，工程師。