直流电动机转速特性计算及其调整

2021-08-23汪国辉肖祖旺

船电技术 2021年8期

汪国辉，肖祖旺

直流电动机转速特性计算及其调整

汪国辉，肖祖旺

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

针对直流电动机存在转速特性上升，导致系统运行不稳定的问题，本文建立电磁场有限元计算方法代替磁路计算方法，来进行直流电动机转速特性计算。计算结果表明，增加串励绕组后，可使得电机的转速特性单调下降，是解决系统运行不稳定问题的有效措施。通过试验验证，采用电磁场有限元方法计算的转速特性与实际情况一致，可指导串励绕组的设计。

直流电机转速特性有限元

0 引言

随着电力电子技术的发展，交流电机广泛应用，但由于直流电机具有优异的机械性能，在一些特殊的场合仍然发挥着重要作用。

由于存在交轴电枢反应，直流电动机在负载电流较大时会出现转速上升的现象[1]，导致系统在运行中存在不能稳定的问题。针对该问题，本文提出了采用电磁场有限元方法计算直流电动机的转速特性，并以此为依据，提出了串励绕组的设计方法，保证直流电动机转速单调下降，能较好的解决直流电动机转速上升问题。

1 直流电机电磁场有限元计算方法

1.1 假设条件

直流电机电磁场是一个三维恒定磁场[2]，由于电机结构复杂，通常假设[3]：

1）电机轴向无限长；

2）电机气隙和电机截面结构沿主极轴线对称；

3）忽略电机电枢绕组端部漏磁。

这样就把实际的电机三维非线性恒定磁场问题转化为实用的二维非线性恒定场问题。

1.2 基本方程和边界条件

以某型4极直流电机为例，根据其结构的对称性，为减少有限元计算工作量，建立了如图1所示一对极的求解区域。饱和时，铁心的磁阻率=()，所以整体而言，求解域ABC内的向量磁位(用表示)满足非线性准泊松方程。负载时，边界条件为：

1）子磁轭的外边界线BC是一条磁力线，若将该线的磁位取为零，可得u|BC=0。

2）极中心线上，磁位应满足周期边界条件，即u|AB=u|AC。这样，负载时直流电机内的非线性磁场可归结为如下二维非线性准泊松方程边值问题：

u|BC=0, u|AB=u|AC

2 实例分析

2.1 电机运行情况

某型幅压并励直流电动机，电机在做转速调整率试验时发现，该电机在接近50％额定负载时，就开始出现随着负载的增加其转速也开始上升，至额定负载时转速上升60转左右。由于电机出现了转速上升的现象，随着电机转速的上升，负载增加，导致电枢电流进一步增大，最终使电枢电流保护开关跳闸，电机不能正常工作。

2.2 原因分析

直流电机在负载工况下运行时存在交轴电枢反应，虽然该电机设计时采用补偿绕组（无串极绕组），但仍不能将电枢绕组产生的磁通完全抵消，使得电机在某一负载电流以后随着负载电流的增加而气隙磁通减小的情况，导致电机转速特性出现上升的现象。而采用磁路方法计算电机转速特性时一般假定气隙磁通不变，这样计算出电机的转速特性曲线为单调下降，与实际情况有一定的差异。

2.3 转速特性计算

将该电机在电压240 V时，电枢电流为77 A时整定转速为1500 rpm，即确定励磁电流不变，改变电枢电流，通过电磁场有限元法计算出磁通后再计算转速[4]。

2.3.1不加串励绕组的转速特性计算

该电机在没有串励绕组的情况下，通过电磁场有限元法计算出不同负载下的转速如下，见表1。

表1 无串励绕组时的转速特性

计算结果表明，电机无串励绕组时，转速特性上升，不利于系统的稳定运行。

2.3.2增加串励绕组后的转速特性

由于该型电机为幅压电机，幅压范围宽，这使得电机大部分时间都是工作在磁路不饱和的情况下，为保证额定工况下转速特性单调下降，采取的措施是增加少量串励绕组匝数，串励绕组匝数为1/4匝，通过电磁场有限元法计算出不同负载下的转速如下，见表2，在负载电流为1600 A时，气隙磁场磁力线分布和气隙磁场大小分别见图2和图3。