多功率電機的設計及性能分析

吳 冰，左繼紅

(湖南鐵道職業技術學院，株洲 412001)

0 引 言

在油田機械采油所用的抽油機一般都工作在負荷呈周期性變化的情況下, 輕載狀態占一個工作周期的一半。對于電機這類感性負載，將造成其在輕載狀態下的無功損耗大，從而造成電能的大量浪費[1]。

上述問題的實質是單一功率的電機無法適應負載變化的工作情況，帶來電機運行效率低、電能損耗大、資源浪費等問題。為此，本文采用多功率電機來解決這一問題。

多功率電機的設計目的在于解決目前的異步電機只能穩定運行于一種額定負載的問題，實現一臺異步電機能夠在多種額定負載情況下穩定運行的設計目的[2-5]。

1 多功率電機的設計思想

首先，根據客戶提供的100%負載情況下的功率P、轉速n、起動轉矩Tst等性能指標，完成高功率檔的電磁設計，并繪制出負載變化情況下的效率-功率因數曲線(從100%負載率到空載整個變化過程)。

由效率-功率因數曲線可知, 隨著負載功率的降低, 效率和功率因數也不同程度地下降，尤其在75%負載率后，出現大幅度的下降, 這就意味著電機開始進入非經濟運行區。因此，我們在70%～75%負載率區域內，選取第一個功率切換點，把該功率作為中功率檔的額定功率值。由于在75%負載率后，效率和功率因數下降得非常快，因此我們在中功率檔的基礎上，在其75%～85%負載率區域內，選取第二個功率切換點，把該功率作為低功率檔的額定功率值。舉個例子，如果電機的最高額定功率為75 kW，那么我們可以選取55 kW作為其中功率檔，選取45 kW作為其低功率檔。

通過設計多檔功率, 可根據負載率的情況，適時轉換電機的功率擋位,讓電機在合適的功率情況下運行，以提高電機整個運行周期內的效率和功率因數。

本文借鑒電機定子繞組采用Y-△接法的轉換，實現降壓起動的思想，也將通過定子繞組接法的轉換，實現高、中、低檔功率的轉換。

由Y-△變換法可知，對于同一臺異步電機，可以通過改變其定子繞組的連接方式(星形連接或三角形連接)，實現一臺電機具有多個穩定運行的功率，進而可以針對不同工況，選取不同的額定功率，從而獲得較高的運行效率和功率因數。

2 多功率電機的設計

本文對某一臺額定功率為75 kW異步電機進行了多功率設計。電機的定子繞組設計為每相兩個繞組，共6個繞組，12個抽頭。由Y-△降壓起動的原理可知，如果按照不同的方式連接電機的定子繞組，便可獲得不同的輸出功率。本文給出了3種接法，可實現高、中、低三個功率等級。

高功率檔：定子繞組采用大三角形接法，多功率電機可運行在最大功率75 kW檔。其接法如圖1所示。

圖1 75 kW時電機定子繞組接線圖

中功率檔：定子繞組采用星三角混合接法，電機運行在55 kW功率檔。繞組接法如圖2所示。

圖2 55 kW時電機定子繞組接線圖

低功率檔：定子繞組采用大星形接法，電機運行在45 kW功率檔。繞組的連接方式如圖3所示。

圖3 45 kW時電機定子繞組接線圖

本設計的優點在于，只改變電機定子繞組的連接方式，便可獲得多個功率等級，簡便易行。同時，該電機的轉子結構仍可采用與普通異步電機轉子類似的結構，既可用鼠籠式轉子，也可用繞線式轉子。

另外，為了實現多個功率等級，本電機定子繞組的聯接方式雖然復雜些，但在某一功率等級下，該電機的運行性能與普通電機是類似的，對電機的設計仍可參照普通異步電機的設計方法。

設計的主要思路如下：

(1)先以最高功率等級(75 kW)為基礎，根據電機的設計接口參數，確定電機定子、轉子的主要尺寸以及定子繞組的基本結構。

(2)進行磁路計算和參數計算。

(3)對電機的性能(包括工作性能和起動性能)進行計算，對五大性能指標進行分析，校核電機的性能。

(4)設計定子繞組的其他聯接方式，獲得其他的功率等級。利用相應的設計程序，核算各功率等級下的電機性能。

值得一提的是，多功率電機的設計將涉及到功率因數、效率等參數的迭代問題，因此，在進行電機設計時，應將多功率設計帶來的額外因素考慮進去，需要進行更為復雜的分析和計算。

3 多功率電機的性能分析

3.1 高功率檔(75 kW)時電機的性能分析

電機的設計參數如下：輸出功率為75 kW，額定電壓為460 V(△接法)，3相，60 Hz，3對磁極。

根據上述參數，進行電磁計算和結構設計。對電機運行在75 kW功率的運行性能進行分析，其性能指標如表1所示。

表1 功率為75 kW時電機的主要性能指標

表1給出了各性能指標的計算值和設計給定值。進行對比分析，結論如下：

(1)電機運行于額定功率為75 kW的工況時，效率、功率因數兩項性能指標較好，略高于設計給定值。

(2)最大轉矩倍數、起動轉矩倍數、起動電流倍數略低于設計給定值，但在誤差范圍內。

3.2 中、低功率檔時電機的性能分析

通過改變電機定子繞組抽頭的連接方式，可讓該電機獲得55 kW及45 kW的額定功率。對電機在75 kW、55 kW以及45 kW三種不同額定功率下的性能指標進行對比分析，具體數據如表2所示。

根據表2給出的電機在三種不同額定功率下運行的性能指標數據，進行對比分析，結論如下：

表2 不同額定功率下電機性能指標的對比

(1)電機在三種功率下運行的效率和功率因數這兩項性能指標比較好，這對于電機的實際運行是非常有益的。

(2)最大轉矩倍數、起動轉矩倍數及起動電流倍數都隨著電機輸出功率的降低而有所下降，但均能達到相應輸出功率下電機的設計指標要求。

4 結 語

本文通過改變電機定子繞組的連接方式，實現了一臺電機可以在多個額定功率下運行的設計目標。通過上述關于電機的設計及性能分析可以看出，該電機在不同額定功率下運行時的主要性能指標均達到了設計要求，證明該設計思想的可行性，從而解決了因負載變化而導致的電機效率低下的問題。