轴向迭片各异性转子电机振荡及异步运行分析

1、轴向迭片各异性转子电机振荡及异步运行分析第2O卷第l2期2000年l2月中国电机工程PmceedinoftheCSEE文章编号:02588013(2000)l2000704轴向迭片各向异性转子电机振荡及异步运行分析一Df8重,型堡T药Z'_一l1ILu(华中理工大学电力系,湖北省武汉市430074)STUDY0F0SCILLAT10NANDASYNCHR0N0US0PERAT10N0NALAR0T0RM0T0RGUChenghn,YIMinun(HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,China)ABSTRACT:Asa

2、newypeofRSM(ReuctanceSynchronousMachine)ALA(.Axially-LaminatedPmimtropic)mtorn'lotorhasbeendelopedmpiysincethe90sExperimentalresearchonatwo-poeprototypellotorshowsthatbothoscillationandasyrmhrortousoperationmayOCCUrFocusingontheseproblems,theoreticalresearchdrawsthatthesingle-axistoque,inducedin

3、theironlaminationsaq-axiswhitethepeedaxistoqueisdeducedAccordingly,thepmpesalsaimedtoimprovethemotor'sstructureanddynamicperformancesignificantlyfirementionedKEYWORDS:AIA(axlally-laminatedanisotmpic)rotor;RSM(reluctancesynchronousmachine);singleaxistorque;oscillation摘要:轴向迭片各向异性ALA转子电机是90年代以来得到较快

4、发展的1种新型磁阻同步电机.在实验研究中,发现二论分折与探讨,揭示出电机转子铁芯口轴导磁叠片中产生的单轴转矩"是造成这种现象的根本原固,并在简化分析基出了算倒,最后提出了改进电机结构的措施关键词振荡磁阻同步电机;单轴转矩中图分类号:TM352文献标识码:A1引言基主项且:教育部博士点专项基金项目(97048732)和湖北省自然科学基金项目(98J066)现代交流变速传动技术的发展,使得轴向叠片各向异性AIA转子磁阻同步电机成为新型电机研相同,但转子由高导磁材料和非导磁绝缘材料的轴ALA转子电机有很高的凸极比(/L.),并具有高转矩密度,快速动态响应,低转矩咏动,低损耗,可靠而简单的控

5、制系统等优点00J,较之传统电机,能更好地适应高品质交流变速传动的需要.磁阻电机的启动远较异步电机困难,历来是研究重点笔者对1台三相二极ALA转子电机的启动性能进行了全面的实验研究,发现电机在启动过扰动失步时产生的"单轴转矩"是导致异常现象的根本原因,并提出了改进电机结构的具体措施研究结果对于AIA转子电机结构的优化设计和动态性能的改善具有重要指导意义,亦有助于该类电机的实用化进程.2ALA转子电机的非同步运行现象首先介绍电机启动性能的实验研究结果,内容包括:50Hz三相电源直接启动,逆变器电源变频启动,三相交流发电机组变频启动,小转差法启动等.图1是记忆示波器拍摄的50H

6、z三相电源供电时,电机直接合闸启动后05s内的转速及相电流变化曲线;图2是恒压频比(u/f=const)开环控制V8中国电机工程第20卷电压型SPWM变频电源供电时3】,启动后5s内转速,相电流的变化情况.图中曲线均用电压值定标,转速标尺34.55UminiV,电流标尺8A/V由图1可见,在工频电源直接启动方式下,电机不能进入同步运行,而在43×3455=1485r/rain(略小于112同步速)附近振荡.电源频率50Hz,相电压120V图1直接启动时的转速及电流曲线Fig.1Speedandcurrentduringline?startprOCeSs电源频率0-52Hz.相电压42

7、85v圉2变频启动时的转速及电流曲线图2显示,实验电机在变频启动过程中也存在一个"振荡区":在电源频率低于临界值(12Hz左右)时,电机可以跟随同步速运行;当r1高于_厂l而低于频率_厂2(2OHz左右)时,电机发生较为严重的失步振荡i而当_,1大于,2后,电机在略小于l_厂1<fl=60fl_厂l<fI<fz振荡(1)【_厂1>f26O,l/2为了同变频电源供电情况相比较,实验中还用1台由直流电动机拖动的四极三相,6kVA自励同明,此时,二极ALA转子电机转速与四极发电机对应转速之间始终保持同步关系.最后,小转差法启

8、动实验结果亦证实,AIA转子电机被相同极数的异步电动机拖动至准同步速后,可以自整步顺利进入同步稳定运行表1变频发电机组供电启动记录3电磁物理过程分析对于ALA转子磁阻同步电机,仅当定子旋转磁场与转子保持相对静止时才能产生有效平均磁阻转矩,电机才可能以同步速稳定运行.现在,电机中出现了振荡及异步运行现象,说明除正常磁阻转矩之由感应电流产生,它的出现表明电机转子中必然存导磁叠片之间是绝缘的,不可能存在d轴方向的闭合回路;但所有导磁叠片都没有经过轴向分段处理,机因振荡而异步运行时,由于转差率大,就会在口轴方向的铁芯叠片回路(相当于同心式单相绕组)中感应出较大的电流,该电流与气隙磁场作用将产生较大的异

9、步转矩,即所谓"单轴转矩"J,其特点是在略大于1/2同步速(简称"半速")处产生负转矩,从而有可能将电机"卡住"在"半速"附近振荡或作异步运行.图3显示,ALA电机异步运行时,定子基波旋转磁势将在转子叠片中感应出频率为s的电流,从而产生额率为s的脉振磁势F.,该磁势可分解为正,反两个旋转磁势F】和F2F与定子旋转磁势相对静止,产生普通感应电机性质的异步转矩T1.F2相对于定子的转速为(12s)】,因此,将在定子绕组中感应出额率=(12s)的电流,2,在定子绕组中产生旋转磁势F2,与F2组成另一对相对静止的磁势,也类

10、似于1台感应电机,但一次绕组是转子,二次绕组是定子,二者相互作用产生另一种性质的异步转矩T,.当s=0.5时,=0,定子(二次绕组)无感应电流,不产生转矩:当s>05时,(12s).为负值,F2和F2反方向旋转,因此定子受到一个沿负方向的异步转矩.但因定子固定,从作用和反作用原理可见,转子将承受正向助动转矩T2;当<0.5时,(1以同步速运行,转子叠片中不再有感应电流.第12期辜承林等:轴向造片各向异性转子电机振荡及异步运行分析圈3异步运行时口轴脉振磁势示意圉F.3PulseMMFofq-axisataynchrononsoperation上述2种异步转矩丁,丁2合

11、称为"单轴转矩",其变化曲线如图4中T.所示.从图4可见,单轴转矩的合成曲线在转差率从1到s.(略小于0.5)的范围内为正值;而在.至2的范围内将为负值;在为二极电机,叠片在q轴方向面积较大,因此,电机非正常异步运行时,将感应出大小足以影响电机运行状态的"单轴转矩".这就是实验样机出现"半速"运行现象的原固.圉4单轴转矩曲线.4Curveofsingie-axitorque考察实验电机参数后得知,电机的自由振荡频机容易受扰动(如谐波转矩等因素)发生振荡,而一直至运行于"单轴转矩"同系统空载转矩相平衡的转速点(略低于

12、半速);此后,电机就在呈交变性质的磁阻转矩(平均值为零)的作用下,以平衡转速点为中心作振荡运行.这时,增加或减小电源频率都描述的实验现象.实验电机由变频电源调频供电时存在"振荡区".而改用变频发电机组调速却能严格同电源保持同步.这一对比还说明"振荡区"的出现同电源的性质有密切关系.变频电源输出电压中含有大量高次谐波,这些谐波在电机启动过程中产生的非同步转矩对电机的同步运行不利;变频电源的输出频率是根据控制指令阶跃式变化的,作为一个电子系统其变化速度远高于属于机电动力系统的ALA转子电机的响应速度.这样,当输出频率升高时,定子旋转磁场同转子之间的相对运动加

13、剧,磁阻转矩呈交变性质不利于产生使电机升速的有效平均转矩;实验用变频电源的容量较小,亦使电机的反应速频电源不同的是,三相交流发电机机组与ALA转子电机同属机电动力系统,2者机电时间常数较为接近,固而实验电机能够跟上发电机组输出频率的变化,始终保持同步运行.4单轴转矩分析先取一片转子导磁叠片(长2,宽h,厚)来分磁场在口轴叠片表面均匀分布;忽略铁芯的饱和效应;忽略磁场的高冼谐波分量.参照图5,仿硅钢片涡流损耗分析的常规处理方法l4J,经推导,异步运行时定子基波磁势F在转子叠片中感应的电流为?一'一r一:Ai1:圉5转子导磁叠片涡流回路分析圉Fig一5Eddy-cnrrentcircuit

14、inh'onlamination一51sin(1)(2)式中女为叠片感应系数,计算公式为一?in¨(3)一|_l卜l(3)对实验样机,已知f=011Om,0044m,T10中国电机工程第20卷,=00003m,叠片电导率p=43×10.n-1TI,q×10H.n.令j.=klsco1q轴相邻叠片间透入磁通之比k=0.88,容易证明.这也是相邻叠片中涡流之比.由此可得,每极磁势作用下,n片铁芯叠片感应涡流之和J为=J=(+女L+女:+女j.)=.(4)式中k为求和系数.实验样机n=123,k=8.333.将q轴叠片回路等效为单匝绕组(N=1),且转子另一侧叠

15、片中也将产生同样的效应,则叠片感应电流产生的脉振磁势的基波幅值F为=女iSO1(5)分解为正,反2个旋转磁势F1和F2F.=F2=2=女is1(6)JL对AIJA转子电机,因RRLT,故以下分析中平均磁阻近似取作为R/2.正转分量Fl同Fl相对静止,二者相互作用产生的转矩为川T一(7)式中为F1与间的夹角,若忽略叠片漏感,=90.,则公式可写为T1:2R(8)反转分量F2在定子绕组中感应频率为(12s)f.的电势和电流,产生的转矩为】z=22篱2LR一r+(1一)1j式中为定子电阻;L为定子漏感;Nk.为定子每相有效串联匝数.显然,5>05时,T2<0,对转子起助动

16、作用;S<0.5时,T2>0,对转子起制动作用.对三相交流电机,旋转磁势基波幅值FI为F:(10)式中j为相电流有效值.取定子基波旋转磁场方向为转矩正方向,则单轴转矩忽略叠片漏感近似计算公式为=t+(z)=×!=2型pr+(12s)m1LR(11)对于实验样机,=25t3,L=13mH,Nl=174,因此,单轴转矩简化计算公式×10s1j×(一2坠704X102】1+.一(1一s)J上述推导过程中采用了大量简化,所得结论只能是近似结果,尤其是忽略了转子叠片漏感影响后,叠片感应电流值增加,功率因数提高,这对单轴转矩波形是会产生影响的.额定

17、值(即10A,与图1所示的相电流大致相等)时.由式(12)计算出的单轴转矩变化曲线;图6(b)为考虑一定转子叠片漏抗(设s=1时,漏抗大约是叠片电阻的6倍)情况下计算出的单轴转矩变化曲线.I510目量5.28加20.(aI不计叠片漏抗.l,LDo0750:;/./)考虑叠片漏抗s:l一0.,=50,=10A图6计算单轴转矩曲线Fig?6Calculatedcurveofsingle-axistorque-FJ888页continuedoup姆88中国电机工程第20卷汽水系统的吸热量,从而影响主汽压力和温度等参说,床温调节效果的好坏直接关系到整个锅炉运行的稳定性.(2)送风量对炉内各物质浓度和床

18、温有一定的影响.同时,送风量的改变还会影响炉内流动状况.(3)CO燃烧生成CO,的反应速率对动态过程中CO和C02浓度影响较大.(4)本文所建立的模型基本可以准确反应所仿真锅炉的动态特性.模型不仅可预测锅炉特性,为设计和运行提供指导,可用丁二开发模拟培训仿真器,还可为将来控制系统的设计和控制策略的选择提供必要的研究对象.参考文献:1】KD.LenspMOFluidizationengineeringM】2ndEdition2】BretoncMH.GraceJRMicrostructureasptsoftheb-harlotdCFBs【】ChicalEnRineerngScience,19934

19、8(14):307314.3GIatzerAFtstoffverteilungundwaeeuebergangdLLmhLL11ginzirkuIierMenwitbelschichtenM】Austria:Viea【上接第10页continuedfrompagelO其变化趋势与上节讨论的单轴转矩变化规律基本一致.计算结果表明,单轴转矩会对ALA转子电机的同步稳定运行产生影响,计及叠片漏抗后更明显,这与理论分析结果是吻台的.44单轴转矩的消除及转子结构的改进综上所述,单轴转矩的大小与叠片电阻率,交轴磁路的磁阻大小成反比例关系,而同叠片面积大小成正比例关系.因此,总结出改进电机结构,减小单轴转矩

20、的措施如下:(1)对转子铁芯外层叠片(10片左右)分段或设置磁栅;(2)增大转子交轴磁阻,如减小转子极靴宽度张角(增大交轴磁路气隙长度),或者改作多极(四极以上)转子(使得口轴实际气隙增大,减小进入叠片表面的磁通量);(3)转子叠片采用高电阻率材料.5结语理论分析表明,单轴转矩是ALA转子电机半速际困难,本文在简化分析基础上推导l近似计算公Univemitaet,19944:Erg_JnSFu【idflowthoughpackedmlummJ】.ChemEngProe1952,48:8994f5GetD.CulllnJ,GeoIgchiadesSetcTeeffee;traimentfromgasfluidizedbedsJTICbemE,1979,57:269275.verbrennungv0nkohleJ】.wK,1985,37(12):20-287】MerrickDMathematicalmoddsdthe"thermal旺mpnted1evclutionmatterJFuel,1983.62:5345398】FieldMA.GiltDW,Morga