（电机与电器专业论文）抽油用自适应节能电动机的电磁设计及动态过程仿真.pdf

e l e c t r o m a g n e t i cd e s i g na n dd y n a m i cs i m u l a t i o no f s e l f - a d a p t i v ee n e r g y s a v i n gm o t o rf o ro i lp u m p i n g a b s t r a c t d u r i n gt h ep r o c e s so fo i lp r o d u c t i o n ，t h em o t o rf o ro i lp u m p i n gw o r k su n d e r l i g h to ri d l ec o n d i t i o nu s u a l l y , t h ep o w e rf a c t o ra n de f f i c i e n c yo ft h em o t o ra r ev e r y l o w n o to n l yal a r g eq u a n t i t yo fe n e r g yi sw a s t e d ，b u ta l s ot h es u p p l yq u a l 时o f e l e c t r i cn e t w o r ki sd e c r e a s e d i nv i e wo ft h i ss i t u a t i o n , t h ee n e r g y - s a v i n gm o t o rf o r o i lp u m p i n gi ss t u d i e di nt h i sp a p e r t h ed e v e l o p m e n ts i m a t i o no fe n e r g y s a , p i n gm o t o ri nd o m e s t i ca n df o r e i g ni s i n t r o d u c e di nt h ef i r s tp a r to f t h i sp a p e r , a n dt h ee n e r g y s a v i n gp r i n c i p l ea n d s h o r t a g e o ft h o s ee n e r g y s a v i n gm o t o ra r ca n a l y z e dt o o b a s e do nt h i s c o n s i d e r i n gt h e d o m e s t i c g e o l o g i c a l c o n d i t i o na n dt h eu s eo ft h e e x i s t i n ge q u i p m e n t ，t h e s e l f - a d a p t i v ee n e r g y s a v i n gm o t o rc o n s i s t e do f t w ot h r e e p h a s ea s y n c h r o n o u sm o t o r s w h i c hl u l lc o a x i a l l yi sd e s i g n e d w i t l lt h ee f f e c to ft h ee n e r g y - s a v i n gc o n t r o l l e r , t h e g r a d eo ft h eo u t p u tp o w e ro ft h ee n e r g y - s a v i n gm o t o rc a nb ec h a n g e da u t o m a t i c a l l y t om a k et h em o t o rr u nu n d e rl a r g e s tp o s s i b l el o a dr a t i o n ew h o l es u b j e c ti sc o n s i s t e do ft h r e ep a r t sm a i n l y ：e l e c t r o m a g n e t i cd e s i g n ； d e v e l o p m e n to ft h ei n t e r f a c em a n a g e m e n ts o f t w a r ea n dd y n a m i cs i m u l a t i o no f 恤e e n e r g y s a v i n gm o t o r i nt h ef i r s tp a r t , t h et r e a t i n go fc u r v e ，c h a r ta n di t e r a t i o ni s d i s c u s s e dm a i n l yi nt h ec a d p r o g r a m m i n g a c c o r d i n gt ot h ec o n s t r a i n tc o n d i t i o no f t h ee n e r g y - s a v i n gm o t o r , m ed e s i g np r o j e c ti sp r e s e n t e da n dt h ee l e c t r o m a g n e t i c c h e c ki sc a r d e dt h r o u g h a tt h es a m et i m e ，t h ev a l u eo ft h ec o m p e n s a t i n g c a p a c i t a n c e ，t h es w i t c h i n gt h r e s h o l da n dt h ec h a r a c t e rc u r v eo ft h em o t o ra r e c a l c u l a t e d i nt h es e c o n dp a r t ，t h ev i s u a li n t e r f a c em a n a g e m e n ts o f t w a r et h a th a s w i n d o w ss t y l ei sd e v e l o p e dw i t hc + + b u i l d e r w i t ht h ef u n c t i o no ff i l em a n a g e m e n t a n dg r a p h i c sm a n a g e m e n tt h ei n t e r f a c ei sv e r yc o n v e n i e n tt om o t o rd e s i g n e r i nt h e e n d ，b a s e do nt h em a t h e m a t i cm o d e lo ft h ea s y n c h r o n o u sm o t o ra n dc o m b i n e dw i t h t h ew o r k i n gs i t u a t i o no fe n e r g y s a v i n gm o t o r , t h em a t h e m a t i cm o d e lu n d e rr o t a t i n g d q 0c o o r d i n a t es y s t e mi sb u i l t a tt h es a m et i m e t h ee f f e c to fs k i ne f f e c to nt h e - i i 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论义 p a r a m e t e ro ft h em o t o rr o t o ri sc o n s i d e r e da n dt h ec o r r e s p o n d i n gm o d i f i e df o r m u l a o ft h ep a r a m e t e ri sp r o v i d e d t h es i m u l a t i o nm o d e lo ft h em o t o ri sb u i hw i t h s i m u l i n k w i t ht h es i m u l a t i o nm o d e l ，t h es t a r t i n go rs w i t c h i n gd y n a m i cp r o c e s so f t h em o t o ri ss t u d i e da n dt h e s i m u l a t i o nr e s u ki sa n a l y z e d k e yw o r d se n e r g y - s a v i n gm o t o r ；c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ；i n t e r f a c e ；s i m u l a t i o n s w i t c h i i t - 第1 章绪论 1 1 本课题的目的和意义 “十五”期间，国家把实施可持续发展战略放在更突出的位置，而能源是国 民经济的基础，实施可持续发展要求节约资源、保护环境、j e 确处理好经济发展 和资源、环境的关系。在当今世界的经济浪潮中，节约能源和资源综合利用也是 应对挑战，增强竞争力的重要措施。 我国是一个发展中国家，人口约占世界人口的2 2 ，而能源相对匮乏，人 均能源占有量不到世界平均水平的一半。同时，我国是世界上第三大能源牛产国 和第二大能源消耗国，目前已经是石油净进口国。随着我国经济的发展，未来几 年我国对原油的需求量将急剧增加，仅依靠目前的能源生产和利用状况，远远满 足不了未来市场的需求。 我国经济高效持续的发展，一方面要求提高我国石油生产量，另一方面要求 提高能源的利用效率。从“可持续发展战略”的角度来讲，后者更为重要。因此， 节能降耗是油田企业工作的重点，要提高使用效率、节约能源，重要的一点是大 力发展和利用我国的高科技节能技术和产业。 目前，机械采油是国内各油田的主要生产方式，抽油机一般由电动机驱动。 为了获得良好的起动性能，并考虑至0 油井结腊等情况，常按抽油机的最大负荷来 选配电机，抽油机的设计抽取容量常大于油井的实际产量。而且我国油田地质状 况决定了大部分油井在经过一段时间的开采后就会出现油空现象。这使得抽油机 长期在轻载或空载状态下运行，其平均负荷只有最大负荷的3 0 左右，使得抽 油电动机的效率大约为3 0 ，出现所谓的“大马拉小车”的现象。同时电动机 运行中设计容量和负荷量的不匹配，也使得电动机功率因数和效率降低，抽油无 效行程增加，造成了电能的大量浪费，而且使抽油设备损耗加大，维护费用增高， 同时使得电网供电质量降低。目前油田生产中电能耗用巨大，而抽油电动机的用 电量又占油田用电量的绝大部分，抽油机能耗约占油田总用电量的2 0 2 5 ， 而且，在当前和今后的段时间内，油田的用电量每年都将会有大幅度的上升“1 。 本课题的意义在于针对采油中电能大量浪费的问题，设计了新型节能电动机 以克服常规抽油电动机本身存在的不足，以降低生产成本、提高经济效益，这在 理论上不仅是对常规抽油电动机的个改进，箍虽有所创新，因而具有很大的实 际意义，若推广使用，必将为油阳生产提供新的科技动力，刑增产增效、t l r - 日, t l 降 耗、发展油m 生产具有熏大的实用价值。 1 2 国内外节能电机的发展现状 多年来，人们在抽油用电动机的节能方面做了大量的研究工作，为油田的 节能做出了很大的贡献。根据电机的基本理论，电机的功率在额定负载附近达 到最大值”1 ，因此解决抽油用电动机运行效率低、功率因数低的问题，关键是对 电机运行状态实时检测，从而调整电机的输出功率等级，达到节约电能的目的。 目前常用的有下列几种节能方法”“4 。 1 采用小功率电动机拖动考虑到抽油用电动机通常在轻载甚至空载状态 下运行，采用小功率电动机拖动以提高电动机的效率。但是，抽油用电动机都 是带载起动，每次起动时抽油机都要从上下冲程的死点，即最大负荷扭矩处丌 始起动，加之抽油机系统惯量大，起动时间长，小功率电动机起动转距不足以 起动抽油机。荠且抽油用电动机是在变负载的情况下工作，在异常工况如沙卡、 腊卡下要求电动机的输出功率较大，小功率电动机此时无法提供合乎要求的输 出功率。这限制了小功率电动机在抽油系统中的应用。 2 采用双功率电动机拖动双功率电动机是普通异步电动机的变形，其和普 通电动机的区别在于定子绕组不同，定子绕组是两个可以并联运行的绕组，机 座和营通y 系列电动机相同。电控箱中包含有电流检测电路，并且能够控制电 机的通断电，实现绕组的自动切换。起动时两个绕组共同作用，通常令两个绕 组以较小时间差分时投入，这样可以集两部分的合力矩以加大起动转矩并可减 小起动电流，起动稳定后则切除定子中的一部绕组，留下另部运行，即低负 荷时以低功率来匹配，同时根据负载的变化，可以自动选用适合的定子绕组， 这样，电动机在各种工况下部有较高的负荷率，一定程度上解决了“大马拉小 车”的问题，电动机运行效率和功率因数都有较大的提高。缺点是制作难度较 大，且无法改造现有旧电机， 3 采用无功补偿措施节能抽油用电动机可以看作一个感性负载，其在能量 传递过程中建立磁场，在一个周期内吸收的功率和放出的功率相等。抽油电动 机在轻载或空载时功率因数很低，可在电动机旁配备适当的低压小型电力电容 装置，以补偿电动机的无功功率，从而提高电动机的功率因数。目前，在无功 补偿方面，也常采用集中补偿的方式，包括高压集中补偿和低压分组补偿。电 容补偿解决了在轻载或空载时电动机功率因数较低的问题，可使电网输送的无 功功率减少，提高电网的输电质量，但没有解决电机在轻载或空载时效率低的 问题。 4 采用调压式抽油电动机当抽油用电动机处在轻载或空载工况时，调节电 动机的供电电压，降低电动机的容量，可使负荷率得到较大提高。近年来，随 着电力电子技术和微电子技术的发展，调压节能得到了，。泛地应用”i 。 我们可以通过电力电子器件组成的调压电路来调节电动机的电源电压，如 采用晶闸管调压。采用调压电路后可减少铁耗以及无功电流损耗。但是这种方 法只调节电压而电源频率并没有改变，功率因数也没有改善，而且所选电动机 功率下降的不多，负荷率改善不大，而且，会带来除基波以外的许多商次谐波， 造成对电网的污染，并使电动机内部的铁心、绕组、导条转予表面产生高次谐 波损耗，更有甚者由于频繁地通断，影响了匝间的耐压，缩短电机的使用寿命。 近年来变频变压方式应用的更为广泛。变频是在普通电动机电源上加变频 器，通过改变交流电机定子供电频率柬调节电动机转速的。为使电动机具有良 好的运行特性，变频器必须兼有调压、调频两个功能，即在正常调节过程中始 终维持谬基本不变，这样才能具有高效率、渭速范围宽、精凄高和无极调速 等特点。变频调速调压在保证负载需求的前提下，最大限度地减少其输入功率， 做到了节电运行，但是发电时不能回馈，要通过电阻把发电能量放掉。另外， 一次投入大，现场管理难度大，而且变频器本身也有功率损耗，变频器的谐波 对电网有影响，并会使电动机附加损耗增加。 5 采用超高转差率电动机这种电动机的主要特点是机械特性软，遇到换向 冲击载荷时，转速将下降，靠曲柄惯性作用，减速器和电动机的扭矩变化平缓， 峰值扭矩明显降低，从而改善了机、杆、泵的配合，提高了泵的充满系数，增 加了产油量，达到系统节能，延长减速箱的使用寿命和减小抽油杆断脱的目的。 这种电动机的不足是损耗较大，效率低。额定效率一般只有o 8 ，遇到冲击载荷 时速度下降，效率更低。电动机发热较严重，有的厂家的电动机外壳材料选用 铝，以有利于散热，并且在定子绕组上加温控开关，以控制电动机的温升。 6 采用定时工作方式固定时间使抽油用电动机间歇工作。此方法解决了空 抽时对机械的磨损及耗能。但依现有的技术水平，很难实时检测油井油面高度 的变化情况，因此时间的设定是一个难题，无确切依据来设定时间，常常使得油 藏量达到满抽条件时，不能及时起动抽油机，这样使油井产油量大大降低。 长期以来，人们对抽油用电动机的节能做了许多有益的尝试，除了以上几 种节能方式外，在双速电动机、永磁圊步电动机、y , 转换电动枫等方面也做 了大量的工作，并且在一定范围内得到了推广使用。抽油电动机的节能是一个 哈尔滨理工人学工学颂j 学位论文 非常复杂的问题，选择方案时要考虑电动机效率、功率因数、系统增效、成本 投入等很多问题。 本课题设计的抽油用自适应节能电动机，考虑了抽油用电动机需要大的起 动转矩、负载波动大的特点，能够输出4 i 同的功率等级，并且有利于在现有技 术条件下对现有抽油用电动机进行节能改造。 1 3 课题的主要研究内容 本课题为抽油用自适应节能电动机的电磁设计及动态过程仿真，分为 以下三个主要部分： 1 自适应节能电动机的电磁设计根据电机基本理论、三相异步电动机的基 本计算公式以及自适应节能电动机的约束条件，结合最新电机设计理论和技术 用c + + 语言编写该电机的电磁设计校核程序，此计算程序不仅能够对传统的电磁 参数进行理论计算，还可计算电机的转动惯量、补偿电容值以及电机各种特性 曲线。 2 计算机辅助设计软件的研究运用c + + b u i l d e r 软件丌发具有完全 w i n d o w s 风格的计算机辅助设计软件，包括电磁计算程序以及完整、友好的用 户界面管理程序。它可实现参数输入、电磁计算；可实现打开、查看、保存、 打印电机设计方案和电磁计算的结果数据；可实现电机特性曲线的计算、绘制、 保存与打印；能提供电机仿真数据以及帮助文件。这些功能有机的集成在一起， 形成了一个完整的计算机辅助设计应用软件包。 3 自适应节能电动机动态过程仿真以三相异步电动机在旋转d q o 坐标系下 的状态方程为基础，考虑到该节能电动机的约束条件，建立自适应节能电动机 在旋转d q o 坐标系下的数学模型。用m a t l a b s i m u l i n k 建立其动态仿真模型，并 用m a t l a b 语言编写m 文件以实现电机仿真的命令化，该m 文件可导入仿真数 据、设置仿真参数、起动仿真和显示仿真结果。利用建立的仿真模型对自适应 节能电机的起动过程，切换过程，起动、切换的稳定时间进行了仿真研究。 哈尔滨理工大学工学顿i 学位论文 第2 章电机的计算机辅助设计 电机的电磁设计就是根据产品的技术要求，并考虑制造、运行的经济合理 性和可靠性，决定电机定、转子冲片和铁心的各种尺寸以及绕组数据。电磁设 计包括电磁方案的设计、计算和设计数据的调整等内容。应通过若干设计方案 的分析、比较，以选定较优的设计。此c a d ( 计算机辅助设计) 程序的主要工作 集中在将手算程序转变为计算机电磁计算程序、电机特性曲线的计算、补偿电 容的计算以及电机切换闽值的计算等四个方面。 2 1 节能电机系统的节能原理 抽油用电动机是重载起动，要求起动转矩大。油井发生结腊时负荷量很大， 要求电机输出功率大。在正常工作时电动机入口功率很小，只有3 0 j _ t ! 右。所 以抽油用电动机要实现节能运行，要求电动机起动转矩大、在异常工况时输出 功率足够大以及在正常工况时电动机尽量满载运行。 由电动机基本原理可知，电动机的可变损耗与不变损耗相等时效率最大， 一般来讲，电动机的最大效率发生在7 0 1 1 0 额定容量范围内，也就是说电 动机的功率因数和效率在额定负载附件达到最大值”1 ，因此抽油用电动机节能的 关键是使电动机的容量与负载相匹配以使电动机经济合理地运行。 从三相异步电动机的特性曲线可以看出，当电动机的输出功率变化时，定 子电流分段近似正比变化”1 。因而可将电流作为控制量，在抽油机起动稳定后， 由单片机为核心的节能控制器实时检测电动机定予侧的线电流，从而可确定负 载情况，并由此选择电动机的工作状态，从而可实现抽油机输出功率等级随负 载情况能动变化、节约电能、改善电网供电质量的目的。 本文所采用的抽油用节能电动机是由同一机壳内两台同轴、同檄对数、不 同功率的三相异步电动机组成的复合三功率电动机，该机具有主、副机结构， 电动机的各容量单元定子绕组独立，无电磁耦合，切换时无附加冲击电流。该 电动机有三种工作状态：小功率电动机单独运行，大功率电动机单独运行，两 台电动机同时运行。 起动时采用双机起动，这样能提供足够的起动转矩，起动后自动进入节能 运行，即节能控制器不断采样负载电流，作为控制量，根据检测的数据和控制 规则去进行电动机运行状态的转换，使其运行于最佳工作状态。当工作于两种 哈尔滨理工大学工学硕：卜学位论文 运行的临界状态，出现两种状态的频繁转换时。节能控制器刈自动调整参数 使其稳定运行。图2 1 为节能电机系统f 作流程。 图2 1 节能电动机的。r 作流程图 f i g 2 - 1w o r k f l o wc h a r to f t h ee n e r g y s a v i n gm o t o r 哈尔滨理工大学工学坝十学位论文 2 2 手算到机算的转变 2 ，2 。1 节能电机电磁设计的约束条件 抽油用自适应节能电动机可以看成同轴的两台不同功率的三相异步电动 机，其电磁设计和普通的三相异步电动机类似，但是有两个约束条件：一堤两 台电动机应具有相同的三圆直径和中心高。从减少电动机的生产成本和便于组 装的角度考虑，两台电动机的定子冲片尺寸应相同，并且具有相同的单边气隙 长。由于两台电机在同一机壳内同轴运行，所以也要求具有相同的中心高； i 是两台电动机应具有相近的额定转差率。三相异步电动机随着转差率j 的增大， 电机的输出功率只也增大。由于两台电动机具有相同的极对数且同轴运行，具 有相同的转差率，为使两台电动机共同运行时能按其功率等级平均分配载荷， 要求两台电动机具有相近的额定转差率。 2 2 2 电机计算机辅助设计程序的流程和特点 2 2 2 1 电机计算机辅助设计程序流程 电机设计是一个复杂的过程，需要考虑的因素和确定的尺寸、数据很 多，难免会遇到许多错综复杂的矛盾。这要求设计人员必须全面地看问题， 并能针对具体情况采取不同的解决方法。如像电机的各项性能之间以及技 术指标和经济指标之间，经常存在矛盾。当采取措施改变菜个性能时，常 会使其他一些性能变差，因此须全面照顾。在设计电机时，也不能片面的 追求体积小和材料省，因为这样易导致电机性能降低，特别是效率降低， 加工工时增加，而使运行费用或制造成本上升，并造成能量浪费”“。设 计人员要完成一个电机的电磁计算方案，需经过如图2 - 2 所示几个步骤。 1 确定技术条件和评价标准技术条件和评价标准是由电机制造部门 和使用单位根据国家标准、用户要求、产品特点以及生产单位的技术水平 共同协商确定的技术协议。评价标准应包括电机的技术性能、经济性能以 及可靠性等方面的具体指标。以上内容将作为指导产品设计和验收产品的 依据。 2 建立初始设计方案在搜集了相关产品样本( 样机) 和技术资料( 包 括试验数据) ，根据用户的要求制定技术任务书；根据技术条 孛或技术任务书的 规定，参照生产经验，通过计算和比较多种设计方案，来确定和电机电磁性能 哈尔滨理工人学工学硕j “学位论文 有关的某些尺寸和数据，如电机定转子冲片、铁心的各种尺寸。 图22 电动机的电磁设计流群幽 f i g 2 2f l o w c h a r to fe l e c t r o m a g n e t i cd e s i g nf o rm o t o r 3 分析计算利用电机的电磁计算程序对以上初定的方案进行电路和 磁路计算以核算电负荷、磁负荷，并进行参数计算、工作性能计算、起动 性能计算以及材料消耗及成本的计算。 4 结果评价把计算结果与评价标准进行比较。这个过程计算机执行 起来是比较复杂和困难的。在分析设计程序中，这是由设计者自行判断的。 5 设计调整在以上正确执行评饼标准的基础上，需对设计方案做进 一步的调整，以获得较佳方案。在电机设计中，可供调整的设计参量很多， 并且调整的幅度对方案亦有很大的影响，必须准确地、有的放矢地进行。 经过反复计算、反复分析，直到得到一个合格的方案为止。 2 2 2 2 电机计算机辅助设计程序的特点 电机手算程序的作用相当于一个联立组的求解。我们给定一组自变量 的值( 设计参数值) ，就会得到一些确定的函数值( 电机的性能) 。但是， 尽管电机的设计参数与其性能之间构成了唯一的对应关系，我们却无法用 确切的数学表达式把这些关系直接描述出来。电机的计算程序有其自己的 特点 i i i 2 i s 1 4 l i f t 1 程序中的某些公式不确切电机的手算程序有百余个计算公式。这 些公式有的是经过理论推导得出的，有的是从生产实践中总结出来的经验 公式。经验公式中的系数大多给出取值范围，无确定数值。因此设计人员 晴尔滨理i 大学 学颂j 学位论文 需根据生产实际和设计经验加以确定，这就造成不同设计者对同 电机设 讣方案的计算结果略有差异。 2 程序中的有些变量是通过试凑方法求得的手算程序中的有些量不 能解析地计算出来，需先假定一值，而后通过迭代求得。 3 程序中含有大量的曲线和图表电磁设计中有些量之间的关系是通 过实验得到的，难以用一个数学公式精确地表达。例如电机铁心所用的硅 钢片，其磁场强度日和磁密b 之间的关系就只能通过实验得到的一条曲线 或制成相应的表格，供计算时查阅。还有些图表是为了减轻计算的工作量， 把一些复杂的计算公式在满足要求的前提下简化制成的。 计算机程序是按照自身严格的逻辑关系由计算机自动进行计算的，因 此程序的一切处理方法都必须在编制程序时完全考虑好。考虑到电机的计 算机辅助设计的上述特点，在编写程序时必须有严格的数学逻辑及完整的 数学模型，切细节都必须在事先做必要的处理，以保证计算机自动执行 有关程序：编写程序时不必完全按照手工计算的程序步骤，可根据调整方 案或计算方法的需要，适当安排程序或原有的手工计算方法；在程序中具 有原始数据的输入和计算结果的输出，并可根据需要安排必要的人机对 话，以便设计者了解整个设计的全部过程。 2 2 3 标识符的命名和初始数据韵形成 程序设计开始就要规定统一符号和输入各种初始信息“。电机设计是 一系列的计算和有关的处理过程，它将遇到各种不同形式的量。为在计算 机内进行区别，应该用不同的标识符来代表它们。同时，按照计算机运算 特点的要求，每一个参与运算或处理的标识符，都必须有确定的值与之对 应，这就要求初始信息输入的及时性和准确性，这样才能保证计算机按程 序进行正确的运算。因此，将手算程序变为计算机辅助设计程序的第一个 问题就是标识符的命名和初始数据的设置。 一般标识符都是以英文字母开头的有英文字母和数字构成的字符串。 考虑到与手算程序命名的一致性，标识符命名时尽量与手算符号相一致， 尽可能照顾专业习惯以增强程序的可读性。本课题采用上述原则进行处 理，实践表明比较方便。如定子内径为d i l ，转子内径为d i 2 ，定子铜熏命 名为g c u 等。对于采用希腊字母这样一些无法用计算机合法变量符号表 示的变量，则用汉语拼音或英文原文的缩写代替。 堕：【：鎏翌二盔兰二兰璺：芝兰垡鎏三 一 手算程序在设置初始数据上有较人的灵活性。但是，要构成不同性质 的计算程序，传递给计算机的信息不仅要完全、准确，而且还要有所区别。 从内容卜看，要形成的计算机辅助设计程序初始数据可分为以下儿种：电机的 规范，如电机的功率、电胜、频率以及绝缘等；电机的设计变量和某些不变参 数的值，如槽口尺寸、叠片系数等：有关判别信息，如定、转子采用何种槽型， 电枢绕组的连接形式以及输出数据类型等；插值用数据，用来表示曲线、图表 的数据，构成相应维数的数组。 2 。2 4 数据图表和函数曲线的处理 由手算到机算最突出的问题是曲线和图标的处理”7 i 。在电机设计过程 中常常要查一些函数曲线和数据图表来确定菜一设计参量的数值。手算时 可以很方便地用寻找坐标的办法来实现，但是目前在计算机上尚无法直接 按这样的步骤去工作。所以要用计算机进行电机设计，必须对函数曲线和 数据图表作必要的处理。使其逻辑能够为计算机所接受。其具体处理方法 有插值法、公式化法、数值计算法等。 22 4 1 插值法 在电机设计中所用的数据图表和函数曲线，有一些是根据实验观察或 其他方法得到的，没有理论计算公式与之对应。因此只能将曲线“离散化”， 输入有限个数据，它们分别和曲线上有限个离散点相对应，相邻两离散点间的数 据则依人为选定的函数关系来表示，这就是插值法的实质。 当以两点间的直线代替原来函数关系时就称为分段线性插值。由于插 值是分段进行的，对任意x 插值时，首先要在原曲线上给定的m + 1 个离散 点( 即插值节点，x 。) 中找出包含x 的插值区间b ，x 】，即_ x x 。 然后利用x 。和x 。两点之间的直线段来代替这段区间内的原曲线，则x 所 对应原曲线上的函数值就可以用这条直线段上相应点的函数值来近似代 替。显而易见，插值节点数目m + 1 取的越多，即节点分布越密，相邻两 节点问直线逼近原越线的程度越好，插值精度越高。为在整条曲线实现插 值计算，插值公式见式( 2 1 ) f z y 、 y ( 膏) = y ，+ _ l i 二_ ( y 川y ，)( 2 1 ) 也x 誊川川z 一：； 图2 - 3 是线性插值的方法的框图 斟2 - 3 线性插值过程框图 f i g 2 - 3b l o c kd i a g r a mo ft h el i n e a ri n t e r p o l a t i o np r o g r e s s 由于通过平面上三个点可以作一抛物线，因此用原曲线上顺序三个点 所作的抛物线来代替原函数关系时就称为二次插值或抛物线插值。当已知 曲线上顺序的三个点x 、z ：和膏，及其对应的函数值y ，、y ：和y ，则计算 在区间( 葺，而) 内x 点处函数值y ( x ) 的抛物线插值公式如下 y c x ，= ：i j 鹅一+ j 芝j 鹅y z + 善j 罂儿 ( 2 2 ) ( x 3 一x i ) ( x 3 一x 2 ) 。 、。 电动机设计中处理磁化曲线，计算槽比漏磁导等都采用插值的方法。 2 2 42 计算公式化法 为减少输入计算机的曲线数据，可采用函数y = ，( x ) 来代替原皓线， 这就是曲线的公式化“”。有如下处理途径： 1 恢复使用原始公式在电机设计所用曲线中，有些是由理论推导的 公式改绘而成的，绘制成曲线后查找比较方便。但对于计算机来说，不仅 没有带来方便目降低了精度。这样就不如采用原始公式。曲线恢复到原来 的公式， 。般刁i 必再验证其精度。例如列三相6 0 相带绕组( 1 2 3 ) 的 谐波漏磁导系数曲线，其原始公式如下 s2 薯 ( 5 q 2 + 1 ，+ 若一警一每一场 c z 司 式中q 一每相每极槽数： k 定子基波绕组系数； e = 3 q ( 1 一) 。其中= 上为短距比。 对于分数槽( q = _ j v ，6 0 。相带绕组) ， e s = z ( - - ) 2 ( 2 4 ) 其中当d 为奇数时，v = 之“，“：1 ，5 ，7 ，： 当d 为偶数时，v = 三“，“= 1 ，2 ，4 ，5 。 2 采用经验公式有些曲线图表是由一些实验或经验数据得到的，或 者是数值计算得出的数据。它们暂时无数学公式准确表达出来，可采用经 验公式近似计算。计算结果与原曲线有误差，但可以满足工程上的需要。 如轭部磁路校f 系数 p = 2 时c i = 。8 6 h r c 。l 一1 8 5 l 7 + 1 2 7 ；c 2 = 。嬲一。4 曰2r 。1 5 7 2 。 肚a 时c i o s s 粤一，b ；i t 笛s ：c ：= 0 9 5 - b ： f 。1 5 7 2。 尸= 6 及以上时c l - 0 3 5 h f 。a + 0 ；0 2 2 8 b ? 一o 7 2 8 曰l + 6 0 6 ； c 2 ：旦0 3 5 b 2 如果c 1 ，c ：的计算值超过形= o 6 3 6 6 2 ，均按彩处理。 截面宽度突变修正系数 ( 2 - 5 ) ( 2 6 ) ( 2 - 7 ) e = 1 。4 7 一。0 4 6 7 ；b _ 2 l ( 2 _ 8 ) 哈尔滨理丁火学工学硕士学位论义 2 2 5 迭代计算过程的处理 在三相异步电动机的电磁设计中，饱和系数k 。、满载电势系数足。、 效率叩、起动电流，。等四个参量需要用试探的方法才能确定“。它们之问 成在相互约束的关系。气隙和齿部磁密要受到饱和程度的制约，反过来， 气隙和齿部磁密的高低又会左右磁路的饱和程度：气隙磁通和各段磁路的 磁密要受到满载电势系数k ，的制约，而由磁密( 磁势) 所决定的励磁电 流又会影响到世。的大小；电机满载电流的的有功分量，随效率r 而变化， 反之，。的大小又决定了效率7 7 的高低；起动电流j 。，的大小决定了异步电机 起动时漏磁路的饱和程度，从而影响到起动阻抗的数值，反过来，起动阻 抗的数值又决定了起动电流的大小。因此在电磁设计中，应对这四个参量 先假定初值( k 矿k 。、r 。、，。) ，通过若干程序行的计算以后，分别得 到这四个参量的计算值( 七。、k 。、r 、，。) 。计算值与假定的初值进行比 较，当满足收敛条件( 即迭代精度) 时，迭代计算结束。否则，需重新给 出这四个参量的再设值( k 。、k 。、，。) ，进行重复计算，直到满 足精度要求为止。整个计算可分为三步。 2 25 1 确定迭代初值 合理的设定迭代初值，可以减少计算机的工作量，增加计算的准确性。 设定的初值偏大时，增加了迭代次数，特别对低效率的电动机，效率的初 设值偏差太大时容易引起迭代不收敛。 确定迭代初值的四个经验公式如下 饱和系数 = 1 3 4 一o 0 3 7 l n b( 2 - 9 ) 电势系数两极小型电机 岸。= o 9 2 + 0 ：0 0 8 6 6 i n 只( 2 1 0 ) 非两极小型电机世。= o 9 3 1 - 4 - 0 0 1 0 8 1 n p 2 0 0 0 6 5 pf 2 1 1 ) 中型电机 k 日o = o 8 9 2 + 0 , 0 1 0 9 i n 只一0 0 1 p( 2 1 2 ) 效率 r o = r ( 2 - 13 ) 起动电流 j 。o = ( 2 5 3 5 ) 巧， ( 2 1 4 ) 式中只一电机额定功率( k w ) ； p 电机极对数； 玎。技术条件要求的效率值： 咒最大转矩倍数，按技术条件确定； 哈尔滨理工人学丁学硕士学位论文 ，功电流( a ) 。 22 52 确定假定值的再设值 计算值和假设值之间的误差如超过允询：范围，则要提出再设值，重新 计算这段迭代过程。这时应分析这段迭代过程，确定再设值应在计算值之 间还是之外，如增大假设值，通过整个迭代过程的计算，使计算值减小， 则再设值应在计算值与假设值之间；否则再设值应比计算值还要大。如对 波幅系数，增大假设值将使齿更趋饱和和饱和系数k 。增大，这样将使波幅 系数计算值减小：对电势系数，增大假设值将使整个磁路的磁密及磁化电流都 增火，因而增大电抗压降使系数计算值减小。但对效率、增大假设值将使电流 的有功和无功分量减小，而使效率计算值增大；对起动电流，增大假设值将使 起动电抗因饱和而减小，而使计算值增大。所以饱和系数和电势系数，再设值 应在计算值与假设值之间，而效率和起动电流的再设值应在计算值和假设值之 外。 确定再设值的四个经验公式如下 饱和系数 满载电动势系数 效率 起动电流 t ：t 一譬鱼 - k r 半 叩。= 智+ 车里 ) k + 半 2 25 3 定迭代精度( 收敛条件) ( 2 15 ) ( 2 一】6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 - 18 ) 在迭代计算中，迭代精度( 收敛条件) 的选择恰当与否，既会影响到 计算结果的准确程度，还会影响到计算时间的长短。根据有关资料”1 ，饱 和系数允许误差绝对值设为o 0 0 0 5 ；满载电势系数允许误差绝对值设为 0 0 0 0 5 ；效率允许误差绝对值设为o 0 0 5 ；超动电流的允许误差绝对值设 为0 o o l 。 2 3 自适应节能电动机的就地无功补偿 2 3 1 就地无功补偿的原理和优点 在抽油用异步电动机工作过程中，把电能变为机械能所消耗的功率称为有 功功率，而建立和维持旋转磁场所消耗的激磁功率称为无功功率。当有功电流 和无功电流通过供电线路和变压器时，就会产生有功损耗和无功损耗。合理降 低无功损耗可提高电动机功率因数，有效降低线路损耗和线路压降，提高供电 质量，并充分挖掘发配电设备和供电线路的潜力，节约大量电能。为降低无功 损耗，通常采用电容器使电动机无功损耗得到就地补偿。 所谓电动机的就地无功补偿就是在电动机旁并嚣适当低压小型电力电容装 置，以补偿电动机的无功功率。从而提高电动机的功率因数。其补偿的原理是： 电容器的容性电流与电动机等感性负载的感性电流在相位上互差1 8 0 ，当电容 器与电动机并联运行时，电容器的容性无功功率与电动机的感性无功功率可以 互相补偿，也就是电容器向电动机提供了无功电流，从而使电动机从电源吸收 的无功功率大大减小。 与集中补偿相比，异步电动机的就地无功补偿具有很多优点”1 ：能补偿安 装位置前的所有高低压线路和电力变压器的无功功率；能将无功功率限制在需 要补偿的电动机处，减少无功电流在高低压电网中造成的电功损失；刁；易形成 过补偿，控制方便，减少了线路的损耗和电压降，提高了供电质量；装罱本身 结构简单，安装方便，维护工作量小，易于采用。 2 3 2 就地无功补偿容量的计算 单机就地无功补偿是利用电容器的容性电流补偿电动机从电网吸收的感性 电流，冈而从理论上来说，补偿容量大些对提高功率因数有利。但当电动机与 电源断开的瞬间，电动机因惯性作用，电容器向电动机放电，电机作空载自励 磁异步发电机运行，若所配用的电容补偿装置容量过大，将产生幅值较大的自 激过电压，严重时会对电机和电容器的绝缘寿命产生很大的影响，并产生振动， 从而损坏电动机的轴和连轴器。因此在电动机的就地无功补偿中要注意选取合 理、经济的补偿容量。有几种方法可供选择”2 ”【。 1 按空载电流计算补偿容量当电源电压保持恒定不变的额定电压时，从空 载到额定负载，建立和维持气隙中的主磁通和定、转子漏磁通的磁化电流基本 不变，也就是电机的无功分量基本不变，因此可根据空载电流确定补偿容量如 式( 2 1 9 ) 。 q 。4 3 u n l o 式中空载电流，。可用电机电磁设计中的计算值， 或按照通用电气公司的公式求得 i o = 2 1 ( 1 c o s q ) 式中，。电动机的额定电流 妒。电动机的额定功率因数角 f 2 1 9 1 也可在电动机空载运行时实测 r 2 2 0 ) 2 按预定补偿后的功率因数计算补偿容量电动机原额定功率因数角为 妒。若就地电容无功补偿后功率因数角为妒j ，则补偿容量为 q = p ( t a n g , 一t a n q ，) ( 2 - 2 i ) 3 低功率因数时补偿容量的计算本文的抽油用节能电动机额定功率冈数 较低，只有o 6 5 左右，计算表明，按如下的经验公式计算补偿容量比较合理。 q 。= k rs i n c p t a n 纨 ( 2 - 2 2 ) 其中t 为经验系数，为保证就地无功补偿不产生自励磁过电压，对3 8 0 v 的电容 器k = o 7 6 0 8 2 ，对6 k v 的电容器女= o 7 6 o ，8 1 。 2 4 电机的特性曲线 三相异步电动机的电磁计算程序可以得到电动机的电磁计算方案。这些结 果都是由数据构成的，但都对应为额定状态时刻的值。不能表现出电动机某一 方面的动态特性，所以需要计算、绘制电动机的特性曲线，并用图表或曲线的 形式表现出来，这样能使工程技术人员对电动机的某些特性有一个详细直观的 了解。 本文计算和绘制了抽油用电动机的六条特性曲线。它们分别是：额定电压 和额定频率下，电动机的效率r 、功率因数c o s q ) 、无功补偿后功率因数c o s ( p 、 定子电流，、输出转矩7 ；及转差率j 与输出功率是的关系曲线。计算特性曲线 时采用如图2 - 4 所示的电动机的t 型等效电路计算电机的特性曲线。在电机的 参数已知的情况下( 根据试验或设计值) ，通过等步长改变电机的转差率s ，即 可算出对应的定、转子电流和激磁电流。定、转子电流求出后，可算出定、转 子铜耗，电磁功率，转子的机械功率，电磁转矩和输入功率。按经验公式确定 电机的机械损耗和杂耗后，可进一步算出输出功率和电动机的效率w ”。由 c + + b u i l d e r 计算，m a t l a b 绘制的p = 1 5 k w 的电动机的特性曲线如图2 - 5 所示， 其中，除功率因数和效率外，其余各量都为标幺值。 1 一f 。 一岛 s l 剽2 - 4 抽油电动机的t 形等效电路 f i g 2 _ 4ts h a p ee q u i v a l e n tc i r c u i to f o i lp u m p i n gm o t o r 鼍 晖1 o 公 嚣0 u s 0 80 静0 图2 - 5 抽油j _ | j 电动机的特性曲线 f i g2 - 5c h a r a c t e r i s t i cc t l r v eo f o i lp u m p i n gm o t o r 从上图可以看出，利用本文所述的电机就地无功补偿容量的计算方法，对 抽油用节能电动机进行就地无功补偿后，电机从轻载到满载都能具有理想的功 率因数值，这大大的降低了电机的无功损耗，减少了对电网的污染。 2 5 自适应节能电动机