復合籠條轉子異步電動(dòng)機起動(dòng)性能的研究

1 引言
眾所周知，普通異步電動(dòng)機的起動(dòng)轉矩小，起動(dòng)電流大。這使得它在某些場(chǎng)合的應用受到了限制。為了改善普通感應電機的起動(dòng)性能，許多學(xué)者進(jìn)行了有意義的研究。先后提出了雙鼠籠電機，轉子采用刀形、凸形槽等方法來(lái)提高電機的起動(dòng)轉矩。20世紀初國外學(xué)者提出了實(shí)心轉子異步電動(dòng)機，它具有高起動(dòng)轉矩和低起動(dòng)電流的特點(diǎn)，但其效率和功率因數較差。為了既有起動(dòng)轉矩大、起動(dòng)電流小的特點(diǎn)；又兼顧效率和功率因數高，我們提出了復合籠條轉子異步電動(dòng)機。本文基于交流電機理論仿真分析了這種電機起動(dòng)性能，并研究了轉子槽內材料磁導率和電阻率的變化對這種電機起動(dòng)性能的影響。
2 復合籠條異步電動(dòng)機的仿真數學(xué)模型
2.1 復合籠條轉子異步電動(dòng)機的特點(diǎn)
復合籠條轉子異步電動(dòng)機定子結構、電磁關(guān)系與普通籠型感應電動(dòng)機相同，所不同的是它的轉子結構。電機的剖面圖如圖1所示。復合籠條轉子采用雙鼠籠結構，上層籠采用高電阻率材料，該復合材料是用一定比例的銅鐵合金材料構成，下層籠采用鑄鋁材料，端部是由鋁構成端部回路。采用這種復合材料制成的上層籠條，可通過(guò)改變電阻率ρ和磁導率μ而改變起動(dòng)轉矩和起動(dòng)電流的大小。

2.2 復合籠條轉子感應電動(dòng)機的數學(xué)模型
根據文獻，在不計鐵心飽和，忽略諧波磁勢影響，氣隙均勻的情況下，復合籠條轉子異步電動(dòng)機的基本方程為：

式中：下標s,r分別代表定子、轉子各分量；
下標d,q分別代表d,q,0坐標系下的量；
X_ss為定子自電感；
X_rr為轉子自電感；
X_m為定轉子間互感；
R_s為定子電阻；
R_r為轉子電阻；
p為微分算子；
ω為轉子角速度；
i為電流；
u為電壓。
定子自感X_ss＝Ｘ_m＋Ｘ_１σ，轉子自電感X_rr＝Ｘ_m＋Ｘ_２σ，Ｘ_１σ和Ｘ_２σ分別為定轉子漏感。
式(1)可改寫(xiě)成狀態(tài)方程的形式并簡(jiǎn)記為：

其中I為電流矩陣；X為電感矩陣；U為電壓矩陣；R為電阻矩陣；G為與旋轉電勢有關(guān)的電感矩陣。
復合籠條轉子異步電動(dòng)機轉子運動(dòng)方程為：

式中：H為轉動(dòng)慣量；
M_m為機械負載轉矩；
將式(2)、(3)合并起來(lái)即得復合籠條轉子異步電動(dòng)機的狀態(tài)方程。記為：

式中：u為輸入電壓矩陣；
t為連續時(shí)間。
3 仿真分析
為了研究復合籠條轉子異步電動(dòng)機的起動(dòng)性能，我們制造了一臺3KW的該電動(dòng)機。對其進(jìn)行了實(shí)驗，得到了該電機實(shí)測參數和起動(dòng)時(shí)電流曲線(xiàn)、轉速轉矩曲線(xiàn)。電機的實(shí)測參數為p=3KW,I_st＝３１．２，Ｔ_est＝２４Ｎ．m,cosΦ＝０．８１，η＝７８．５％。給該電機加380V，50Hz的額定電壓，帶額定負載，利用建立的數學(xué)模型對該電機起動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了仿真，得到了起動(dòng)時(shí)電流變化曲線(xiàn)如圖2所示和轉矩轉速曲線(xiàn)如圖3所示，并與實(shí)驗曲線(xiàn)進(jìn)行了比較，說(shuō)明了仿真的正確性。實(shí)驗電流曲線(xiàn)如圖4所示，轉矩轉速曲線(xiàn)如圖3中的虛線(xiàn)。圖5，圖6給出了普通3KW、2極感應電動(dòng)機的起動(dòng)電流變化曲線(xiàn)和轉矩轉速變化曲線(xiàn)，與圖2，3比較，可得知復合籠條感應電動(dòng)機具有良好的起動(dòng)性能。

4 轉子材料對復合籠條感應電動(dòng)機起動(dòng)特性的影響
4.1 轉子籠條電阻率的影響
根據電機設計的知識，通過(guò)不同轉子電阻下的仿真結果，可以得到起動(dòng)轉矩隨籠條電阻率的變化曲線(xiàn)(如圖7所示)和電流隨轉子電阻率的變化曲線(xiàn)(如圖8所示)。一般認為電阻率增大，起動(dòng)轉矩增大。但從曲線(xiàn)可以看出當轉子電阻率增大到一定范圍時(shí)，轉矩隨轉子電阻率的增大反而減小。從仿真結果知，轉子電阻率增大，起動(dòng)時(shí)間加長(cháng)，故轉子電阻率增大并不一定對起動(dòng)有利。

4.2 轉子籠條磁導率的影響
根據電機設計的知識，通過(guò)不同轉子漏抗下的仿真結果得到了起動(dòng)轉矩隨轉子籠條磁導率變化曲線(xiàn)(如圖9所示)、起動(dòng)電流隨籠條磁導率變化曲線(xiàn)(如圖10所示)?？梢钥闯鲭S磁導率的增加，起動(dòng)轉矩和起動(dòng)電流都在減小，為了獲得較小的起動(dòng)電流可以增大磁導率，但必然減小起動(dòng)轉矩，所以在設計電機時(shí)，應根據設計要求選擇兩者的最佳結合點(diǎn)。磁導率越大，電機起動(dòng)時(shí)間越長(cháng)，當磁導率大到一定時(shí)，由于轉矩減小，電機將無(wú)法起動(dòng)。

5 結論
(1)采用復合籠條的異步電動(dòng)機比采用鑄鋁籠條的起動(dòng)轉矩大，起動(dòng)電流小。
(2)起動(dòng)電流隨籠條電阻率的增大而減小，當電阻率為鑄鋁電阻率的約3.5倍時(shí)，起動(dòng)轉矩最大。
(3)起動(dòng)轉矩和電流隨籠條磁導率的增大基本按線(xiàn)性減小。

參考文獻：

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