基于槽形参数的双鼠笼转子槽形优化设计

2020-07-29刘磊磊许海峰顾雪政

防爆电机 2020年2期

刘磊磊,许海峰,顾雪政

(万高(南通)电机制造有限公司，江苏南通 226015)

0 引言

双鼠笼三相异步电动机有着起动转矩高、起动电流低等优点[1]，其广泛用于冶金、矿山、煤炭等行业[2]。为满足负载设备的起动要求，现有双鼠笼三相异步电动机的起动转矩高但其运行时的功率因素仅为0.81且起动电流值高达额定电流值的7.8倍。为提高双鼠笼三相异步电动机的功率因素，降低其起动时的电流值，减少客户电力设备的投资，本文基于槽形参数法对现有双鼠笼转子上下层槽形进行了尺寸优化。同时，仿真计算了新槽形下电动机的机械特性曲线和功率因素并对样机起动与运行性能进行了实验验证。

1 槽型参数及等效电路

由于集肤效应的存在，双鼠笼转子上层绕组电阻对电动机的起动性能影响较大[3]，一般可表示为

(1)

式中，Ru′—上层绕组折算到定子侧的电阻；Rr′—双鼠笼转子绕组折算到定子侧的电阻。

当电动机正常运行时，其功率因素则与转子槽形的漏电抗有关，其可表示为

(2)

式中，Xr′—双鼠笼转子槽形折算到定子侧的漏电抗。

由于Ru′与转子上层槽的面积成反比，Xr′与转子槽形的漏磁导成正比，所以V与U即为双鼠笼三相异步电动机的槽形参数[4]。槽形参数之间是相互关联的，确定最佳的槽形参数组合是设计高性能双鼠笼三相异步电动机的基础。

目前常采用等效电路法对三相异步电动机的各项性能参数进行分析计算[5]，等效电路是确定最佳槽形参数组合的基础。双鼠笼三相异步电动机转子结构特殊，在分析一般三相异步电动机等效电路的基础上得出双鼠笼三相异步电动机等效电路，如图1所示。

图1 双鼠笼三相异步电动机等效电路

由于转子上层槽形的自感漏抗远小于其电阻值，为简化计算，等效电路中省略了转子上层槽形的漏电抗。双鼠笼三相异步电动机等效电路图中转子侧各项物理量均已折算到定子侧，其中,R1为定子绕组总电阻；X1为定子槽形总漏电抗；Rm为励磁电阻；Xm为励磁电抗；S为转差率；Re′为短路环电阻；Xe′为短路环漏电抗；Rd′为转子下层绕组电阻；Xd′为转子下层槽形漏电抗。

2 转子槽型优化

在确定最佳槽形参数组合进行双鼠笼转子槽形优化前，需要求出电动机起动时转子绕组电阻增加系数K1及转子槽形漏电抗减小系数K2与槽形参数之间的数学关系。

由等效电路中各物理量之间的关系可知，双鼠笼转子绕组电阻Rr′可表示为

(3)

双鼠笼转子总电阻R2′可表示为

R2′=Re′+Rr′

(4)

双鼠笼转子槽形漏电抗Xr′可表示为

(5)

双鼠笼转子总漏电抗X2′可表示为

X2′=Xe′+Xr′

(6)

电动机起动(S=1)时，对式(1)～式(6)进行联立求解，得到了如式(7)所示的转子绕组电阻增加系数K1与起动时转子的总电阻R2s′之间的关系以及如式(8)所示的转子槽形漏电抗减小系数与起动时转子总漏电抗之间的关系。

(7)

(8)

电动机起动时转子的总电阻，稳态时转子的总电阻与起动转矩Ts、起动电流Is以及稳态功率因素cosφ之间的关系如式(9)所示[6]

(9)

式中，Sn—电动机稳态时的转差率，Pe—稳态时电动机的电磁功率。

根据式(4)、式(7)、式(9)以及给定的起动电流、起动转矩、稳态功率因素便可解出转子绕组电阻增加系数K1。由式(7)、式(8)、K1即可求得转子槽形漏电抗减小系数K2以及K1与K2所对应的槽形参数V、U。

由给出的电动机额定参数以及转子绕组的电流密度求出转子槽型的总面积A后，根据式(10)、式(11)以及槽型参数便可解得双鼠笼转子上、下层槽型面积Au和Ad

(10)

(11)

依据上述计算方法并兼顾转子各部磁密对现有双鼠笼转子槽形进行结构优化。优化后的双鼠笼转子槽形主要尺寸如图2所示。

图2 双鼠笼转子槽形主要尺寸

4 性能仿真及测试

将优化后的双鼠笼转子槽形及相应的各物理量带入计算软件中进行模拟仿真，得到了机械特性与起动电流曲线，见图3。

图3 机械特性与起动电流曲线

仿真计算结果表明：优化双鼠笼转子槽形尺寸后，其电动机的起动转矩为额定转矩的2.6倍,起动电流仅为额定电流的6.2倍；电动机额定运行时定子绕组总电阻R1为0.77Ω、定子槽形总漏电抗X1为7.30Ω、励磁电阻Rm为7.21Ω、励磁电抗Xm为216.94Ω、转差率S为0.009、转子总电阻R2′为0.67Ω、转子总漏电抗X2′为8.58Ω，由以上数据计算得到的电动机额定功率因素cosφ为0.87。对比现有电动机，新电动机的起动与运行性能有了显著提高。基于仿真结果，加工制造了一台1120kW，6极，50Hz，10kV的样机并对该样机进行了实验测试，测试报告如图4所示。