多功率电机的设计及性能分析

吴 冰，左继红

(湖南铁道职业技术学院，株洲 412001)

0 引 言

在油田机械采油所用的抽油机一般都工作在负荷呈周期性变化的情况下, 轻载状态占一个工作周期的一半。对于电机这类感性负载，将造成其在轻载状态下的无功损耗大，从而造成电能的大量浪费[1]。

上述问题的实质是单一功率的电机无法适应负载变化的工作情况，带来电机运行效率低、电能损耗大、资源浪费等问题。为此，本文采用多功率电机来解决这一问题。

多功率电机的设计目的在于解决目前的异步电机只能稳定运行于一种额定负载的问题，实现一台异步电机能够在多种额定负载情况下稳定运行的设计目的[2-5]。

1 多功率电机的设计思想

首先，根据客户提供的100%负载情况下的功率P、转速n、起动转矩Tst等性能指标，完成高功率档的电磁设计，并绘制出负载变化情况下的效率-功率因数曲线(从100%负载率到空载整个变化过程)。

由效率-功率因数曲线可知, 随着负载功率的降低, 效率和功率因数也不同程度地下降，尤其在75%负载率后，出现大幅度的下降, 这就意味着电机开始进入非经济运行区。因此，我们在70%～75%负载率区域内，选取第一个功率切换点，把该功率作为中功率档的额定功率值。由于在75%负载率后，效率和功率因数下降得非常快，因此我们在中功率档的基础上，在其75%～85%负载率区域内，选取第二个功率切换点，把该功率作为低功率档的额定功率值。举个例子，如果电机的最高额定功率为75 kW，那么我们可以选取55 kW作为其中功率档，选取45 kW作为其低功率档。

通过设计多档功率, 可根据负载率的情况，适时转换电机的功率挡位,让电机在合适的功率情况下运行，以提高电机整个运行周期内的效率和功率因数。

本文借鉴电机定子绕组采用Y-△接法的转换，实现降压起动的思想，也将通过定子绕组接法的转换，实现高、中、低档功率的转换。

由Y-△变换法可知，对于同一台异步电机，可以通过改变其定子绕组的连接方式(星形连接或三角形连接)，实现一台电机具有多个稳定运行的功率，进而可以针对不同工况，选取不同的额定功率，从而获得较高的运行效率和功率因数。

2 多功率电机的设计

本文对某一台额定功率为75 kW异步电机进行了多功率设计。电机的定子绕组设计为每相两个绕组，共6个绕组，12个抽头。由Y-△降压起动的原理可知，如果按照不同的方式连接电机的定子绕组，便可获得不同的输出功率。本文给出了3种接法，可实现高、中、低三个功率等级。

高功率档：定子绕组采用大三角形接法，多功率电机可运行在最大功率75 kW档。其接法如图1所示。

图1 75 kW时电机定子绕组接线图

中功率档：定子绕组采用星三角混合接法，电机运行在55 kW功率档。绕组接法如图2所示。

图2 55 kW时电机定子绕组接线图

低功率档：定子绕组采用大星形接法，电机运行在45 kW功率档。绕组的连接方式如图3所示。

图3 45 kW时电机定子绕组接线图

本设计的优点在于，只改变电机定子绕组的连接方式，便可获得多个功率等级，简便易行。同时，该电机的转子结构仍可采用与普通异步电机转子类似的结构，既可用鼠笼式转子，也可用绕线式转子。

另外，为了实现多个功率等级，本电机定子绕组的联接方式虽然复杂些，但在某一功率等级下，该电机的运行性能与普通电机是类似的，对电机的设计仍可参照普通异步电机的设计方法。

设计的主要思路如下：

(1)先以最高功率等级(75 kW)为基础，根据电机的设计接口参数，确定电机定子、转子的主要尺寸以及定子绕组的基本结构。

(2)进行磁路计算和参数计算。

(3)对电机的性能(包括工作性能和起动性能)进行计算，对五大性能指标进行分析，校核电机的性能。

(4)设计定子绕组的其他联接方式，获得其他的功率等级。利用相应的设计程序，核算各功率等级下的电机性能。

值得一提的是，多功率电机的设计将涉及到功率因数、效率等参数的迭代问题，因此，在进行电机设计时，应将多功率设计带来的额外因素考虑进去，需要进行更为复杂的分析和计算。

3 多功率电机的性能分析

3.1 高功率档(75 kW)时电机的性能分析

电机的设计参数如下：输出功率为75 kW，额定电压为460 V(△接法)，3相，60 Hz，3对磁极。

根据上述参数，进行电磁计算和结构设计。对电机运行在75 kW功率的运行性能进行分析，其性能指标如表1所示。

表1 功率为75 kW时电机的主要性能指标

表1给出了各性能指标的计算值和设计给定值。进行对比分析，结论如下：

(1)电机运行于额定功率为75 kW的工况时，效率、功率因数两项性能指标较好，略高于设计给定值。

(2)最大转矩倍数、起动转矩倍数、起动电流倍数略低于设计给定值，但在误差范围内。

3.2 中、低功率档时电机的性能分析

通过改变电机定子绕组抽头的连接方式，可让该电机获得55 kW及45 kW的额定功率。对电机在75 kW、55 kW以及45 kW三种不同额定功率下的性能指标进行对比分析，具体数据如表2所示。

根据表2给出的电机在三种不同额定功率下运行的性能指标数据，进行对比分析，结论如下：

表2 不同额定功率下电机性能指标的对比

(1)电机在三种功率下运行的效率和功率因数这两项性能指标比较好，这对于电机的实际运行是非常有益的。

(2)最大转矩倍数、起动转矩倍数及起动电流倍数都随着电机输出功率的降低而有所下降，但均能达到相应输出功率下电机的设计指标要求。

4 结 语

本文通过改变电机定子绕组的连接方式，实现了一台电机可以在多个额定功率下运行的设计目标。通过上述关于电机的设计及性能分析可以看出，该电机在不同额定功率下运行时的主要性能指标均达到了设计要求，证明该设计思想的可行性，从而解决了因负载变化而导致的电机效率低下的问题。