大中型高压高效异步电动机电磁设计程序优化

谢秋月，周玲慧，关世海



大中型高压高效异步电动机电磁设计程序优化

谢秋月，周玲慧，关世海

（湘潭电机股份有限公司，湖南 湘潭 411101）

根据电机学理论，结合电机厂大量大中型高压高效异步电动机生产实际情况，利用VB汇编语言，对电磁设计程序进行优化。在优化过程中，对励磁电抗、起动电流倍数和起动转矩倍数以及铁耗的计算公式进行了分析和修正，同时通过一系列高效异步电动机电磁计算结果和试验结果的对比，验证了程序优化的可行性和准确性。

高压高效异步电动机；VB汇编语言；电磁设计程序

0 前言

目前采用的大中型高压高效异步电动机电磁设计程序是基于《中小型三相异步电动机电磁计算程序》，并以40年代美国西屋公司的计算程序为基础，结合电机理论和生产实际经验，用Microsoft Visual Studio程序开发的设计软件[1-3]。经过十几年的运用，设计人员对该程序有了很好的掌握，在异步电动机的性能参数的选取方面积累了丰富的经验。但随着工艺加工水平的提高和硅钢片性能的不断改进，此程序渐渐与工厂试验值偏离，故本优化主要针对电磁设计程序中的性能参数和铁耗公式进行修正[4-5]，使之更好地与试验值相吻合。另外因在实际工作中，经常提供给电动机客户的励磁电抗标幺值，客户反应此值不是很准确，故在软件中对励磁电抗公式进行了改进，下面简要介绍优化过程及验证结果。

1 几种参数优化过程分析

1.1 励磁电抗计算

图1 异步电动机的等效电路

但用于工厂电机设计的电磁软件在计算励磁电抗时，因定子阻抗较小，一般默认为内电势接近于额定电压，因此式（1）可作如下近似计算：

而电动机在实际运行时，内电势小于额定电压，所以此电磁设计软件计算出的励磁电抗标幺值是偏大的。由于以上原因，大中型高压异步电动机电磁软件优化针对励磁电抗标幺值计算公式做了如下修改：

励磁电抗标幺值不再由式（2）得出，而改为式（1）和式（3）合并后得出式（4）：

1.2 起动电流倍数和起动转矩倍数计算

大中型高压高效异步电动机在实际运行中，随着转速的改变，电机的磁路饱和程度和转子的挤流效应也会发生相应改变。而大中型异步电动机设计程序在进行起动性能计算时，将所有极数的异步电动机全部利用同一种公式来计算起动性能，这样虽然像6极、8极大中型高压异步电动机的起动电流倍数和起动转矩倍数与试验结果相近，但其它极数电机明显偏小，2极电机偏小更甚。因此需要对程序有关的起动公式进行修正。

假设定转子槽磁势全部落在漏磁路的气隙部分，则有虚拟磁密：

表1参数

另外，异步电机在起动的过程中，因集肤效应，转子导条电阻和槽漏感会随着转子电流频率的不同而改变，传统中计算集肤现象对转子参数影响的过程如下：首先计算对应直流电流的转子导条电阻和槽漏感，然后把不同形状的转子槽等效成相同高度的矩形槽，再用公式计算等效矩形槽的电阻增加系数和电感减小系数，最后把对应的直流电流参数值与相应的系数相乘[7-8]。但这种方法并不适用于所有的槽形，况且不同形状的槽等效成矩形槽本身理论依据不足，因此用此公式来计算各种转子集肤效应会有很大的误差[9]，从我厂的生产经验来看，某些极数的中大型高效异步电动机的起动转矩倍数和起动电流倍数都计算的不是很精确，导致设计值和试验值相差较大。

1.3 铁耗

目前大中型异步电动机采用的硅钢片都是冷轧硅钢片，因采购的硅钢片本身质量已提高，且电机制造厂家在硅钢片加工工艺上有改进，另外磁通密度分布的不均匀以及旋转磁化与交变磁化之间的损耗差异等引起的铁耗不同，电机试验时空载杂散损耗也包含在铁耗中，由于工厂计算铁耗的诸多因素，故在程序中计算铁耗的公式加入了经验系数，铁耗公式如式（8）所示：

2 程序优化后试验验证

为验证大中型异步电动机程序优化后的正确性和可行性，对一系列的大中型高效异步电动机设计值与试验值进行对比分析。

表2 励磁电抗标幺值参数对比

因文章篇幅限制，图2和图3中只给出4极6kV电动机在一系列不同功率下，高压高效电机的起动转矩倍数和起动电流倍数在优化前后的对比以及与试验值的比较，其它极数的数据这里就不一一列出。根据图2的数据分析，优化前的起动转矩倍数与试验值偏差率达到17.6%，而优化后的起动转矩倍数与试验值偏差率降低到了6.5%；从图3中可看出优化前的起动电流倍数与试验值偏差率达到8%，而优化后的起动电流倍数与试验值偏差率降低到了2.65%。由此可见，优化后的起动转矩倍数和起动电流倍数明显优于优化前的设计值，提供的设计值更精确，很好的与试验值相吻合。

这里仍以4极6kV高效高压异步电动机为例，图4中所示的是不同功率下铁耗的曲线图，从图4中可看出，优化前的铁耗与试验值曲线偏差很大，而优化后大中型异步电动机的铁耗设计值和试验值偏差拉小很多，几乎接近。

图2 起动转矩倍数分布图

图3 起动电流倍数分布图

图4 定子铁耗分布图

3 结论

本次大中型高压高效异步电动机电磁计算软件优化升级数据庞大，耗费时间较长。本优化通过对电磁计算源程序进行全面研究，参考了大量的书籍文献，发现源程序中问题产生的原因，对旧的异步电动机电磁设计程序进行了优化，主要体现在励磁电抗、起动转矩倍数和起动电流倍数以及铁耗这些参数上，并对这些参数作了较为符合生产实际的更正，使得程序得出的数据更加贴近电机理论，且与试验值相符。这大大节省了设计者的时间，并能给客户提供正确的电机参数，提高了计算精度，也方便了设计者，为以后大中型高压高效电动机的设计提供了参考依据，所以大中型高压高效异步电动机程序优化有很高的实用价值。

[1] 周贵厚, 解锦辉, 王少威. 基于VB和MATLAB的变频异步电动机电磁设计程序[J]. 电机与控制应用, 2009, 36(6):39-44.

[2] 李秀英, 梁庆信, 赵志岩,等. Y3系列三相异步电动机设计——设计程序的修正[J]. 电机与控制应用, 2003, 30(6):4-7.

[3] 陈世坤. 电机设计（第二版）[M]. 机械工业出版, 2000.

[4] 黄国治, 傅丰礼. Y2系列三相异步电动机技术手册[M]. 机械工业出版社, 2004.

[5] 宁玉泉, 钟长青, 陈锡芳,等. 大型三相异步电机电磁设计程序[J]. 东方电机, 1995(4):99-105.

[6] 汤蕴璆, 史乃. 电机学[M]. 机械工业出版社, 2001.

[7] 孟大伟, 夏云彦, 杨洋,等. YKK系列中型高压电机起动特性的计算[J]. 电机与控制学报, 2011, 15(7):50-53.

[8] 吴新振, 王祥珩. 异步电机双笼转子导条集肤效应的计算[J]. 中国电机工程学报, 2003, 23(3):116-120.

[9] 袁阳, 额尔和木巴亚尔, 张伟. 三相笼型异步电动机起动电流的瞬态计算与分析[J]. 电机与控制应用, 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

谢秋月（1983-），2008年毕业于湖南大学，硕士研究生，原从事大型高压高效异步电动机设计，现从事永磁同步电动机研究，工程师。