起重机用绕线转子自起动永磁同步电动机起动过程仿真

石有计

(铁岭师范高等专科学校，辽宁铁岭112000)

0引 言

近年来起重机行业发展迅速，行业处于市场高速发展期。目前具有低转速和超大转矩特性起重机的起升装置一般采用异步电动机驱动齿轮减速机的驱动方式。这种驱动方式存在效率低、笨重、振动和噪声严重、故障率较高、调整维护困难等缺点。本文研究了一种绕线转子自起动永磁同步电动机，可以取代机械减速机，实现直驱。该电机起动时在三相转子电路中分别串入同样大小的电阻，供电采用工频电源的情况下，通过对转子外串起动电阻阻值的适当调节，使电机的起动和牵入同步的能力得到显著增强，能更好地满足起重机的对力能指标的高要求，同时性价比会更高，可靠性会更好。

1绕线转子自起动永磁同步电动机的原理

三相异步电动机的转子电阻与电磁转矩关系［1］如图1 所示。

根据电机学知识可知，笼型异步电动机起动时的转矩相对较小，而绕线式电动机通过转子串电阻起动可以获得较小的起动电流，同时可获得较大的起动转矩。利用这种思路，自起动永磁同步电动机中的转子用绕线转子来替代，就成了绕线转子自起动永磁同步电动机，转子绕组为该种电机提供了异步起动转矩。笼型自起动永磁同步电动机在起动和牵入同步的过程中会遇到很多问题，诸如起动和牵入转矩矛盾，起动电流较大，不能频繁起动;起动特性较硬，会对机械系统造成冲击等。由图1可以看出，当转子外串起动电阻增加时，曲线M=f(s)左移，对应最大电磁转矩的转差率变大，改变了最大电磁转矩出现的位置，这样就可以改善电动机的起动能力。在电机起动瞬间，转子电阻增加，这样临界转差率便增加，起动电流降低，由于提高了转子回路功率因数，因此转子电流的有功分量和起动转矩反而增加。然后电阻逐极地切除，当电机旋转速度趋近于同步转速开始牵入同步时，外串转子电阻可以完全切除，此时电机的起动过程便完成。

图1 电磁转矩与转子电阻的关系(rb＞ra)

2绕线转子自起动永磁同步电动机起动过程中的电机转矩

在起动过程中，绕线转子自起动永磁同步电动机需要具有一定倍数的起动转矩、一定倍数起动电流和最小倍数转矩，此外还要求电机具有足够的牵入同步的能力。一般情况下，绕线转子自起动永磁同步电动机起动过程中的电机转矩由异步转矩Ta、磁阻负序分量转矩Tb以及发电制动转矩Tg这三种转矩合成(Ta+Tb=Tc)［1］。

绕线转子自起动永磁同步电动机在起动过程中产生的发电制动转矩的表达式［1］:

由上式知道，转子电阻参数对发电制动转矩没有影响。通过适当调整转子电阻大小，当发电制动转矩到达最大值时，使此处对应的合成转矩得以增加，进而使最小转矩得到提升，使发电制动转矩所带来的负面影响得以最大程度的弥补。

3绕线转子自起动永磁同步电动机起动过程的仿真分析

选用一台用于起重机械的绕线转子自起动永磁同步电动机采用Ansoft仿真软件进行分析。电机的基本参数如下:额定功率为75 kW，磁极数为30极。额定电压为380 V，额定转速为200 r/min，额定转矩为3 580 N·m，定子电阻为0．025 38 Ω，定子漏抗为 0．198 27 Ω，转子电阻为 0．108 1 Ω，转子漏抗为 0．070 45 Ω，直轴电枢反应电抗为 0．607 2 Ω，交轴电枢反应电抗为1．015 01 Ω，定子绕组采用分数槽绕组(135槽)，转子绕组采用波绕组整距(180槽)。图2为电机的有限元模型。把定子绕组和转子绕组进行分相，对它们各部分赋予相应材料，然后对它们进行分割、加载，并且赋予边界条件。图3为转子外接电路。

仿真步骤如下:

电机未起动时(转差率s=1)，转子外串电阻R1=R2=R3=0．2 Ω，此时，临界转差率 sm=1，电机起动转矩接近于最大转矩;当转差率s=0．5时，转子外串电阻 R1=R2=R3=0．062 Ω;当转差率 s=0．28时，转子外串电阻 R1=R2=R3=0．015 4 Ω;逐步合理调控转子电阻值，当转差率s=0．05时，转子外串电阻R1=R2=R3≈0，转子电阻接近全部切除，此刻电机转速接近同步转速并开始牵入同步，由此起动过程完成。

通过对该电动机的起动过程进行仿真，可以得到起动电流曲线、起动转矩曲线和转速曲线。把它和一台功率相同、极数相同的笼型自起动永磁同步电动机的起动特性曲线进行比较分析，得到如下结果。该电机参数:额定功率为75 kW，磁极数为30极，额定电压为380 V，额定转速为200 r/min，额定转矩为3 580 N·m，定子电阻为0．026 15 Ω，定子漏抗为0．201 2 Ω，转子电阻为0．230 1 Ω，转子漏抗为0．090 4 Ω，直轴电枢反应电抗为0．703 4 Ω，交轴电枢反应电抗为1．638 1 Ω。

图4显示了稳态运行时电机的磁场分布波形。从磁场分布图知道，如果电机的极数较多，永磁体的放置方式采用切向式的磁路拓扑结构，将得到更为明显的优势，可以使每极磁通变得更大。

图4 为某瞬间起动过程中的磁场分布波形

图5 A相定子电流波形

图5为电机起动时，负载额定状态下，A相定子电流随时间变化曲线。图中显示，鼠笼转子自起动永磁同步电动机起动电流的最高倍数约为15倍，绕线转子电动机起动电流的最高倍数约为6倍。经过一段时间的振荡，最终两者的稳态电流大约稳定在160 A左右。通过调整转子外串起动电阻，绕线转子自起动永磁同步电动机的起动电流得到显著降低。

图6为电机起动时拖动额定负载，转矩随起动时间变化曲线，通过多极降低同步转速和提高了额定转矩。起动初期，两种电机的瞬态转矩都出现了一定程度的波动现象，这个瞬态转矩主要由异步转矩、磁阻负序转矩、发电制动转矩和脉动转矩叠加而成。由于齿槽效应和定子电流中存在非周期分量等因素的影响，使起动初期波形脉动加大。从图6可看出，鼠笼转子比绕线转子冲击转矩更大一些，经过一段时间振荡，波动逐渐减弱，最后在额定负载转矩处达到稳定。从图6还可看出，对于绕线转子自起动永磁同步电动机通过对转子外串起动电阻的阻值大小的合理调控，可以改善电机的瞬时转矩冲击问题，使转矩曲线波动减弱，起动更加平稳。

图6 电磁转矩随时间变化的曲线

图7为电机起动时，在负载额定状态下，转速随时间变化的曲线。大约在0．5 s以后，绕线转子自起动永磁同步电动机开始牵入同步转速进入额定状态，对比笼型自起动永磁同步电动机，电机起动时间略短，明显改善了转速曲线的初始波动情况，能够成功地牵入同步，完成起动过程。

图7 转速随时间变化的曲线

图8为起动过程中发电制动转矩的波形。图中显示发电制动转矩最大值约在8 200 N·m。为了减小发电制动转矩在起动过程中产生的负面影响，通过对转子外串起动电阻阻值的合理调控，使合成转矩的最大值和发电制动转矩最大值出现在同一位置，使合成转矩的值得以增加，在一定程度上改善并增强了电机的起动性能。

图8 发电制动转矩随时间变化的曲线

采用MATLAB编程，处理两种电机的转速和转矩曲线数据，绘制出如图9所示的波形。

图9 转矩-转速曲线

图9中，刚开始时曲线转圈，转过几个圈后，逐渐成为螺旋状，最后会聚在同步点。从图中可以看出，在起动开始时，绕线转子自起动永磁同步电动机曲线螺旋圈数比较少，轮廓也比较小，比笼型自起动永磁同步电动机更具突出优势。由于笼型自起动永磁同步电动机存在起动转矩和牵入转矩矛盾的问题，由图9可以看出，通过对转子外串起动电阻的合理调节，对于绕线转子自起动永磁同步电动机使得起动转矩和牵入转矩得到兼顾，解决了笼型自起动永磁同步电动机起动困难的问题。

4结 语

本文探讨了在起动过程中，通过对外串转子电阻的阻值大小的合理调控，使绕线转子自起动永磁同步电动机的异步转矩得以增加的技术措施，通过仿真对比分析，验证了绕线转子比笼型转子的自起动永磁同步电动机增加了起动转矩，降低了起动电流，明显改善起动能力和牵入同步能力，为起重机械装备的研究与开发指明了新的方向。

［1］ 王秀和．永磁电机［M］．北京:中国电力出版社，2007．

［2］ 赵猛，邹继斌，胡建辉，等．自起动永磁同步电动机起动特性的研究［J］．电工技术学报，2007，22(7):23-26．

［3］ 刘秀君，李伟力，陈文彪．三相自起动永磁同步电动机起动特性［J］．电机与控制学报，2006，10(3):269-274．

［4］ 白增程．永磁同步电动机自起动过程的研究［D］．沈阳工业大学，2008．

［5］ 李国建，王道涵，朱常青．基于MATLAB/Simulink的三相自起动永磁同步电动机的建模与仿真［J］．山东大学学报，2006，36(5):40-43．

［6］ 尚静，邹继斌，胡建辉．基于动态模型的场路结合法求解自起动永磁同步电机的起动过程［J］．电机工程学报，2003，23(8):146-151．

［7］ Huang P W，Mao S H，Tsail M C，et al．Investigation of line start permanent magnet synchronous motors with interior-magnet rotors and surface-magnet rotors［C］//Proceedings of International Conference on Electrical machines and systems．2008:2888-2893．

［8］ Yang Guang，Ma Jun，Shen Jianxin，et al．Optimal design and experimental verification of a line-Start permanent magnet synchronous motor［C］//Proceedings of International Conference on Electrical Machines and Systems．2008:3232-3236．

［9］ Ikeda M．Application of new type secondary resistance for the wound rotor type induction machine［C］//Proceeding of International Conference on Electrical Machines and Systems 2007，Oct．8-11，Seoul，Korea，2007:993-997．