电力开关作业

10、引言目前人们常用的交流电机主要有两种，分别为三相异步电机和同步电机。这两种电机中电励磁同步电机与绕线式异步电机都含有滑环和电刷，使得这两种电机维护成本增加而且电机运行的可靠性降低。对于永磁同步电机虽然取消了电刷和滑环但其最大转矩却受到了永磁体的限制，永磁材料价格变高使其成本增加。无刷电励磁同步电机是一种新型的电机。定子上嵌有一套三相对称绕组和一套单相同心式绕组；转子分为磁阻转子、笼型转子和混合型转子。常规转子无刷电励磁同步电机耦合能力差，谐波磁场比较多，导致电机效率和功率密度较低，从而影响了其在实际生产中的应用。为了提高转子的耦合能力采取磁阻转子与笼型转子相结合的混合转子。该种电机同时兼顾了同步电机和无刷双馈电机这两种电机的优点。其取消了电刷和滑环，解决了困扰电励磁同步电机发展的瓶颈，使得该种电机的维护成本降低。无刷电励磁同步电机是通过特殊转子对三相对称绕组产生的旋转磁场和单相绕组产生的静止恒定磁场进行调制，实现电机机电能量的转换。本文针对无刷电励磁同步电机主要做了以下工作：；将首先介绍该种电机的原理及仿真的要求；对无刷电励磁同步电机定、转子参数进行选取；分别对电机的电动和发电性能进行仿真。1、无刷电励磁同步电机原理无刷电励磁同步电机的结构特殊，定子具有两套绕组，一套是三相的绕组，另一套是单相绕组，分别叫做功率绕组和控制绕组，或者主绕组和副绕组，两套绕组的极数差一般大于4；转子为混合型转子。机电能量转换是通过转子对定子磁场进行调制实现的。图1-1表示无刷电励磁同步电机系统的基本结构。图1-2表示的是转子的结构图。2转子+-ABC图1-1无刷电励磁同步电机结构简图图1-2无刷电励磁同步混合结构图当功率绕组通入的电频率为pf时，无刷电励磁同步电机的同步转速为：pr0pc60fnPP其中pP为电机功率绕组的极数，cP为电机控制绕组的极数，pcPP为电机转子的极数。接下来讨论一下在对涉及好的电机进行仿真时应该注意的事项：无刷励磁同步电机的磁力线分布不同于常规电机，由于特殊转子结构对磁场的调制作用，使得电机磁力线分布具有不对称性，故建模仿真时必须建立整体模型而不能利用1/n模型对其进行仿真运算。在进行有限元分析时，为了简化和分析，必须对电机模型做出以下的假设：（1）忽略无刷电励磁同步电机的端部磁场效应；（2）铁心中的材料具有各项同性的特点，具有单值B-H曲线；（3）定子外圆矢量磁位为零；（4）将磁导率为常数，忽略磁损耗。采用有限元的方法求解，要将待求解区域剖分为若干个小三角形的剖分单3元，本文中采用Ansoft软件的剖分系统，进行自动剖分，导磁部分剖分单元最大边长限制为4.6mm，非导磁部分导线2.8mm，气隙为1mm。通过计算可以得到无刷电励磁同步电机的磁力线分布情况和磁密云图。根据磁密的分布情况，从而判定电机的工作情况或观察电机是否合格。同时为了比较各种参数对磁场极数的转化能力的影响，必须对气隙磁密进行分析。为了对不同转子耦合能力进行定量计算，需对磁密波形通过Matlab进行傅里叶分析，从而确定电机的参数。2、无刷电励磁同步电机参数确定2.1定子参数确定我们以机座号为Y250M-6的异步电机为基础，并根据电机设计书的计算公式对11KW电机进的定子参数进行设计。2.1.1绕组节距确定为了使绕组基波系数尽可能的大，减少主副绕组之间的直接耦合，减少附加的损耗，因此，三相交流绕组一般采用的是双层短距分布绕组，单相直流绕组采用的是与普通凸极转电励磁同步电机转子绕组相同的排列方式。因此，每个槽中含有3套导体。对于三相绕组理想节据选择：85Z572y7.5762P68其中Z为电机定子槽数，P为绕组极数，y8为电机绕组节距。这种选择考虑了尽可能减少两套绕组之间的直接耦合,从而减少其附加损耗。对于直流绕组,其为单相同心式绕组。对电机进行励磁。无刷电励磁同步电机不仅共用一套磁路，而且还共同承担输入功率。因此，4当电机工作在一种运行状态时为了合理的提高电机的性能应根据其运行状态选择合理的磁密以及计算其匝数时还应考虑到电压等级与其运行方式,进而使得电机的工作性能最佳。2.1.2绕组匝数的选择及参数计算根据电机的参数和电机设计的要求初选匝数和线规初选功率绕组每项串联匝数为192，初定电密为24.5A/mm，因此，线规选取线规直径1.60两根导线并绕，而控制绕组匝数为320选取的线规为1.18进行6根并绕。经初步计算可知槽满率为76%。满足下线要求。通过电机设计原理，计算的出功率绕组电阻为1r，其端部漏感为109μHL。控制绕组电阻为1r，其端部漏感为346.3μHL。2.1.2电机定子的主要参数（1）定子参数定子槽数：Q1=72；定子外径：D1=400mm；定子内径：Di1=285mm；铁长度：Lef=225mm。（2）定子槽尺寸b0=3.8mm;h01=1mm;b1=6.2mm;a1=35o;r1=4.1mm;h12=24.8mm。（3）气隙长度g=0.55mm。（4）定子绕组位置如图2-1所示：1—功率绕组，2—控制绕组。三相绕组节距：p7y为短距分布绕组三相绕组连接方式：三相绕组为Y接。（5）定子极数功率绕组极数p28P；控制绕组：c24P。（6）定子每槽导体数功率绕组sn16N，控制绕组sc10N。5图2-1定子槽型与绕组所放位置下图为定子冲片图：图2-2定子冲片图2.2转子参数确定转子决定两套定子绕组耦合能力。因此对转子对耦合能力的研究是必要的。通过研究极弧系数，磁障数量，导磁层与非导磁层之比以及是否带公共笼条和短路绕组的组数对转子耦合能力的影响，对混合型转子的各项参数确定最佳方案。采取的方法是逐个改变参数，然后通过Ansoft对其进行建模计算，计算结束以后取出气隙磁密通过MATLAB对其进行傅里叶分析得出各次谐波的比例，再结合其它因素最后确定电机转子参数。根据参考资料可知凸极高度一般为22mm。2.2.1极弧系数的选取极弧系数影响了凸极之间的气隙大小，从而影响了转子的耦合能力。为了6分析在不同极弧系数下的转子的耦合能力，分别建立极弧系数从0.2到0.8增量为0.1的不同的转子模型。得到由控制绕组单独励磁的气隙磁密，并对气隙磁密进行傅里叶分解，得到不同极弧系数下的有用谐波占基波的百分比。其对转子耦合能力的影响如图2-3所示。图2-3极弧系数对转子耦合能力的影响图2-3说明，极弧系数小时耦合能力好。极弧系数增加导致凸极间的气隙减小，从而磁阻降低耦合能力下降。但极弧系数过小可能会导致磁路饱和程度增加，使得高次谐波增加电机性能下降。同时考虑无刷电励磁同步电机转子耦合能力和磁路饱和的问题，以及转子上有非导磁层的存在，因此选取的极弧系数为0.7。下图既为所选取的极弧系数下的电机转子耦合能力的有用谐波占基波的百分比的条形图。图2-4由控制绕组单独励磁时气隙磁密谐波含量有用谐波占基波百分比/%谐波次数72.2.2磁障数量的确定转子中的磁障是用来限制磁通的路径。只为有用的谐波提供通路，提高了转子的耦合能力。该转子是由导磁材料和非导磁材料间隔排列形成的，导磁材料只连接着两个相邻的齿。分别对磁障数量为1、3、5、7的电机进行分析。对气隙磁密进行傅里叶分析，得出控制绕组单独磁情况下的有用谐波幅值占基波的百分比。如图2-5所示磁障数量越多，其耦合能力越好。但是当磁障数量当增加到5时转子的耦合能力基本维持不变。但随着磁障数量的增加制作工艺变得越复杂，因此磁障的数量选择为3个。图2-5磁障数量对转子耦合能力的影响2.2.3导磁层与非导磁层比的确定选取合理的导磁层与非导磁层比是很有必要的。较小的宽度比不但不会使电机耦合能力有较大的提高反而会使磁路出现饱和现象；反之，浪费磁路。对不同宽度比的电机进行有限元分析，导磁层与非导磁层宽度比取从1:1到2.5:1666870727476788082841357有用谐波占基波百分比%磁障数量8间隔为0.5。然后利用傅立叶分解得出电机的气隙磁密谐波含量，从而得出宽度比对转子耦合能力的影响。如图2-6所示。当控制绕组单独励磁时，宽度比为2时，转子耦合能力最好。图2-6导磁层与非导磁层宽度比对转子耦合能力的影响2.2.4短路笼条组数的确定短路笼条的作用是为了在原有磁阻磁障转子的基础上对电机的磁路进行限制。由于短路环的存在使得当磁力线从交轴进入铁芯时会穿过短路环，由楞次定律可知短路环会阻止其穿过，从而使得交轴磁阻增加。但是当磁力线由直轴进入则不会穿过短路环，短路环不会对其产生阻碍。因此磁路更加规整。本文利用Ansoft对不同的短路笼条组数进行仿真研究最后用Matlab对气隙磁密进行傅里叶分解得出不同组数的短路笼条对混合转子耦合能力的影响。如表3-1所示：表2-1短路笼条组数对转子耦合能力的影响短路笼条组数4级励磁谐波幅值占基波百分比/﹪0123102129144144由表2-1可得随着短路笼条组数的增加混合转子的耦合能力不断加强，但当有用谐波占基波百分比/%导磁层与非导磁层之比9短路笼条组数达到2后转子的耦合能力基本不变，因此应选取的短路笼条组数为2。2.2.5转子参数无刷电励磁同步电机转子是重要的结构部分，因此转子结构的选择是非常重要的。本文对混合转子不同参数对其耦合能力的影响进行了研究和分析，最终得出混合转子结构的具体参数如下：极弧系数：0.7导磁层数量：4导磁层与非导磁层宽度比：2:1带公共笼条短路笼条组数：2转子的结构图及笼条连接方法如下图所示：图2-7混合转子结构图转子模型中红色表示公共笼条，绿色为短路笼条,灰色为铁心，白色为磁障既空气。图2-7转子绕组连接图103、无刷电励磁同步电机建模和电磁仿真下图为确定参数后的无刷电励磁同步电机的模型。图3-7无刷电励磁同步电机模型其中绿色代表公共笼条；浅蓝色代表普通笼条；深蓝色代表定转子铁芯；橘黄色代表定子两套绕组。用Ansoft对电机进行仿真，的出磁力线如图3-8所示，大部分磁力线沿着规定的磁路在导磁材料中通过，而磁障的隔磁效果很好。图3-9表明控制绕组单独励磁时有用谐波占基波的百分比已达到144%。所以转子的耦合能力较强。图3-8磁力线分布图11图3-9控制绕组单独励磁时气隙波形及有用谐波的百分比接下来我们对该电机的电动和发电两种运行状态进行了仿真。无刷电励磁同步电机电动运行时，在0-1s将控制绕组串电阻短路，使其进入异步启动过程当异步运行稳定在同步转速附近时将直流电源接入将电机牵入同步此时电动机的运行特性仿真就结束了。以下是电动运行的过程中的一些特性曲线。a）电机转速曲线有用谐波占基波百分比%谐波次数异步启动及异步运行时过程牵入同步及同步运行过程转速（r/min）时间(s)12b）电机三相电流曲线图3-10无刷电励磁同步电机特性曲线无刷电励磁同步电机发电运行时。通过调节发电机励磁电流使输出端电压为380V，带不同负载时得出发电机磁密云图。a)空载b）out3.5kWPc）out7.0kWPe）out11kWP（额定）图3-11不同负载下电机磁密云图异步启动及异步运行时过程牵入同步及同步运行过程电流（A）时间(s)134总结首先，对定子绕组等参数进行了计算。接下来，确定了混合转子的一些参数。先对极弧系数对转子耦合能力的影响进行了仿真实验，并通过编写的快速傅里叶分解的程序对气隙磁密进行了分析对比。发现了转子的耦合能力随着极弧系数的增加而减小，但考虑到磁路饱和还有加磁障等问题，因此极弧系数选择0.7，其有用谐波占基波的20%。然后对转子的磁障数量进行了特性仿真，对气隙磁密经过傅里叶分析可知随着磁障数量的增加耦合能力越强但当数量增加到5时基本处于不变了，又考虑到随着磁障数量的增加制造工艺的难度增加，因此最后选磁障数量为3，其有用谐波占基波的79%。在确定了磁障数量以后对导磁层与非导磁层宽度比进行了仿真和分析发现比为2时，耦合能力最好，其有用谐波占基波的87.5%。接下来分析了笼条端部不同连接方式对耦合能力的影响，发现带公共笼条的耦合能力比较强有用谐波占到了144%。最后分析了短路笼条组数对电机耦合能力的影响发现当短路笼条为2时最经