三相異步電動(dòng)機(jī)低諧波繞組的特點(diǎn)及應(yīng)用

電力講壇

2021年9月9日 10:35

低諧波繞組在三相異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)用中有多種形式，常見(jiàn)的如“△-Y”混接的正弦繞組、單雙層混合繞組以及雙層低諧波繞組等。其中單、雙層混合同心式不等匝并按余弦分布的繞組形式（以下稱低諧波繞組），與其它低諧波繞組相比，具有設(shè)計(jì)快捷，制造工藝相對(duì)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。

低諧波繞組的特點(diǎn)

低諧波繞組是一種“高精度”的特殊單、雙層不等匝混合繞組，就目前實(shí)際運(yùn)用的低諧波繞組其本身結(jié)構(gòu)而言，它綜合了普通的單層和雙層繞組的基本特征，并能有效地消除或削弱高次諧波，使綜合諧波強(qiáng)度減小50%左右甚至更多，改善電機(jī)氣隙磁勢(shì)波形，從而達(dá)到提高電機(jī)效率、改善起動(dòng)性能、降低電機(jī)溫升等效果。從電機(jī)電磁設(shè)計(jì)考慮，由于低諧波繞組是一種“高精度”繞組形式，故在電磁設(shè)計(jì)時(shí)能靈活地選擇每槽每層匝數(shù)，使每極每相槽數(shù)之間的匝數(shù)之差大于1及以上，因此，它的極相組的串聯(lián)匝數(shù)可實(shí)現(xiàn)靈活微調(diào)。而普通雙層繞組每極每相槽數(shù)之間的每槽每層匝數(shù)相差值至多等于1，且其跨距均為疊式等距，故在進(jìn)行電磁方案設(shè)計(jì)時(shí)受到很大的局限。因此，低諧波繞組在進(jìn)行電磁方案設(shè)計(jì)時(shí)，比普通雙層繞組更易兼顧到電機(jī)各項(xiàng)性能指標(biāo)，使方案設(shè)計(jì)能達(dá)到最佳效果。

低諧波繞組與普通雙層疊繞組及普通單層繞組性能對(duì)比

通過(guò)樣機(jī)試驗(yàn)對(duì)比分析，采用低諧波繞組的電機(jī)性能較普通雙層繞組及普通單層繞組電機(jī)性能有幾個(gè)明顯不同之處，具體如下：

（1）設(shè)計(jì)時(shí)的側(cè)重點(diǎn)之調(diào)整

在設(shè)計(jì)低諧波繞組電磁方案時(shí)，除考慮保證電機(jī)各項(xiàng)性能指標(biāo)符合產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定外，還要顧及用戶在實(shí)際使用和直接感觀到的一些性能指標(biāo)，如對(duì)電機(jī)溫升、起動(dòng)、空載電流、噪聲、振動(dòng)和過(guò)載能力等，在設(shè)計(jì)時(shí)都有所側(cè)重。特別是對(duì)溫升指標(biāo)，因該指標(biāo)無(wú)容差規(guī)定，故在設(shè)計(jì)時(shí)要留一定裕度。若溫升裕度過(guò)小，往往會(huì)因制造工藝或原材料質(zhì)量的波動(dòng)，電機(jī)溫升有可能不合格。解決電機(jī)溫升的途徑有很多，可從工藝和結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)，也可運(yùn)用低諧波繞組方案改進(jìn)。針對(duì)在從工藝或結(jié)構(gòu)上難以降低溫升的情況下，運(yùn)用低諧波繞組可消除或削弱電機(jī)的高次諧波的優(yōu)勢(shì)，從而可以降低雜耗，使其達(dá)到降低溫升的效果。

（2）設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)效率指標(biāo)的控制

為確保電機(jī)的實(shí)測(cè)效率指標(biāo)控制在規(guī)定范圍內(nèi)，故在設(shè)計(jì)低諧波繞組電機(jī)時(shí)，將效率設(shè)計(jì)值置于大于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值一定范圍以上。這里需說(shuō)明：由于受測(cè)試條件限制，很多電機(jī)生產(chǎn)企業(yè)對(duì)于電機(jī)的雜散耗只能根據(jù)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，由計(jì)算的方法而得出，即不是實(shí)測(cè)值，而實(shí)際上很多規(guī)格電機(jī)產(chǎn)品雜散損耗比標(biāo)準(zhǔn)給定值高很多，從而造成計(jì)算結(jié)果中效率值比實(shí)測(cè)效率值低。所以，在同等條件下，對(duì)低諧波繞組電機(jī)而言，若按實(shí)測(cè)雜散耗的方法進(jìn)行試驗(yàn)，它的效率實(shí)測(cè)值就比普通雙層繞組電機(jī)的效率實(shí)測(cè)值留有一定的裕度（因低諧波繞組諧波含量少，所以附加損耗也比普通繞組要小）。

（3）設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)功率因數(shù)指標(biāo)的確定

在進(jìn)行低諧波繞組電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，在保證堵轉(zhuǎn)電流等指標(biāo)合格的前提下，將功率因數(shù)指標(biāo)盡可能控制在下限，這對(duì)在進(jìn)行電磁方案設(shè)計(jì)時(shí)選取電機(jī)鐵心長(zhǎng)度，更具有一定的合理性，同時(shí)，也可避免實(shí)測(cè)時(shí)有過(guò)高的功率因數(shù)指標(biāo)。

（4）可能存在的問(wèn)題

在進(jìn)行低諧波繞組電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，一般定子線圈的每極每相槽數(shù)q小于等于2時(shí)，對(duì)削弱高次諧波，改善電機(jī)氣隙磁勢(shì)波形等效果不是很明顯，也達(dá)不到比較好的節(jié)銅提效效果，但當(dāng)定子線圈的每極每相槽數(shù)q大于3且q越大時(shí)，其對(duì)削弱高次諧波，改善電機(jī)氣隙磁勢(shì)波形等效果越是明顯。低諧波繞組電機(jī)因繞組形式不同于現(xiàn)生產(chǎn)的普通雙層繞組電機(jī)，所以在線圈繞制和嵌線等工序，特別是嵌線較普通雙層繞組存在不同，開(kāi)始實(shí)施階段，嵌線職工可能會(huì)產(chǎn)生排斥現(xiàn)象，但當(dāng)嵌線工熟悉了這類繞組的嵌線方法以后，因?yàn)檫@類繞組很多存在單層，槽滿率又不是很高，嵌線效率會(huì)明顯提高，節(jié)省工時(shí)；若在原單層繞組的電機(jī)上推廣低諧波繞組，除工時(shí)略有增加外，還要另增加電機(jī)層間絕緣等費(fèi)用，但從綜合成本考慮，節(jié)省的成本要比增加的工時(shí)及材料成本多很多，降低成本效果明顯。

結(jié)論

根據(jù)之前低諧波繞組在諸多規(guī)格電機(jī)中的運(yùn)用效果以及部分規(guī)格的型式試驗(yàn)報(bào)告來(lái)看，可以認(rèn)為低諧波繞組完全可廣泛運(yùn)用到中心高 H160及以上機(jī)座號(hào)，且每極每相槽數(shù)q大于等于3的電機(jī)中，即低諧波繞組可用于任何系列單速電機(jī)以及變頻系列電機(jī)中，特別是在變頻電機(jī)中，因變頻器輸出電壓含有較多高次諧波，低諧波繞組降低高次諧波的效果在變頻器供電時(shí)會(huì)極好地得到體現(xiàn)。

從以前在多個(gè)規(guī)格電機(jī)產(chǎn)品運(yùn)用低諧波繞組的實(shí)際運(yùn)用效果看，低諧波繞組在使用中有兩種方式：1、在原合格的電機(jī)上推廣應(yīng)用，保持原有性能不降低，它的節(jié)材效果特別明顯，在鐵心長(zhǎng)度不調(diào)整的前提下，僅需新做一套繞線模，就可以達(dá)到7%以上的節(jié)銅率，節(jié)銅效果明顯，如我司160M-4-11，原漆包線重量7.23（車間實(shí)際稱重），低諧波繞組計(jì)算銅重6.5Kg，節(jié)省漆包線0.73Kg（占原銅重的10%多），溫升降低11K;280S-4 75KW電機(jī)，采用低諧波繞組方案投入批量生產(chǎn)，每臺(tái)節(jié)省漆包線3.46Kg（車間實(shí)際稱重對(duì)比）。如結(jié)合型式試驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)溫升及效率裕量，再適當(dāng)調(diào)整鐵心長(zhǎng)度，可以使產(chǎn)品性能更加優(yōu)化，成本更低，可獲得非常可觀的經(jīng)濟(jì)效益；若不考慮節(jié)材，采用低諧波繞組方案，則可以明顯提高電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的性能，比如效率提高，溫升降低等，用于高效電機(jī)生產(chǎn)，可以在滿足性能指標(biāo)的前提下，不需要增加很多成本，有利于以較低價(jià)格占領(lǐng)市場(chǎng)或者獲取較大利潤(rùn)。節(jié)材或提效兩種計(jì)算方法根據(jù)產(chǎn)品的實(shí)際需要靈活應(yīng)用。

考慮很多規(guī)格節(jié)銅率比較高，均衡不能采用該算法的規(guī)格（主要是132以下規(guī)格，用銅總量少），如果一個(gè)電機(jī)生產(chǎn)企業(yè)可以生產(chǎn)到355機(jī)座，平均節(jié)銅率可達(dá)5%左右。如電機(jī)生產(chǎn)企業(yè)一年漆包線用量為1000噸，按照5%的平均節(jié)銅率計(jì)算，就是1000*5%=50噸，每噸漆包線約6.3萬(wàn)元（目前銅的價(jià)格是6.3萬(wàn)左右），約合315萬(wàn)元，在投入很少的前提下，節(jié)銅方案取得的經(jīng)濟(jì)效果顯著。