宋德江，董理紅

(佳木斯電機(jī)股份有限公司，黑龍江佳木斯 154002)

0 引言

當(dāng)今世界，全球面臨的共同難題是不可再生能源的枯竭、資源浪費。在能源有限的前提下，如何減少能源消耗已經(jīng)成為各行各業(yè)的一大探尋目標(biāo)和難題。近些年來，由于壓縮機(jī)產(chǎn)量的增加，對壓縮機(jī)用三相異步電動機(jī)也提出了新的要求，要求對其進(jìn)行更精確的分析，包括針對壓縮機(jī)負(fù)載情況進(jìn)行計算分析。

1 壓縮機(jī)的工作原理及特性曲線

壓縮機(jī)是用來提高氣體壓力和輸送氣體的機(jī)械，屬于將原動機(jī)的動力能轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w壓力能的機(jī)器。它的種類多、用途廣，有“通用機(jī)械”之稱。壓縮機(jī)按照工作原理可分為容積式和速度式，容積式又分為往復(fù)式和回轉(zhuǎn)式，速度式又分為葉片式和噴射式。目前，應(yīng)用最廣的應(yīng)屬于往復(fù)式壓縮機(jī)。

往復(fù)式壓縮機(jī)起動阻力矩曲線如圖1所示，往復(fù)式壓縮機(jī)對電機(jī)的起動轉(zhuǎn)矩要求一般都不是很高，故影響起動的主要因素是電機(jī)及壓縮機(jī)飛輪力矩。

圖1 壓縮機(jī)起動阻力矩曲線

往復(fù)式壓縮機(jī)在額定運行狀態(tài)時由于是往復(fù)運動，故其轉(zhuǎn)矩呈周期性變化——往復(fù)式壓縮機(jī)曲柄軸運行一個來回的行程為一周期，額定運行狀態(tài)壓縮機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩vs曲柄轉(zhuǎn)角曲線如圖2所示。一般來說壓縮機(jī)用電機(jī)不僅應(yīng)該滿足這個狀態(tài)下運行，還應(yīng)該滿足壓縮機(jī)在如圖3所示最惡劣的工況(SRV)下運轉(zhuǎn)。

圖2 壓縮機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩vs曲柄轉(zhuǎn)角曲線(100%負(fù)載)

圖3 壓縮機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩vs曲柄轉(zhuǎn)角曲線(100%負(fù)載SRV)

2 壓縮機(jī)用異步電動機(jī)電磁設(shè)計

2.1 路算法運算

根據(jù)用戶需求，采用Ansoft RMxprt建立異步電機(jī)模型經(jīng)過計算，完全滿足用戶要求的計算數(shù)值導(dǎo)入至Ansoft 12的Maxwell 2D模塊，進(jìn)行后續(xù)的有限元計算仿真。

2.2 2D模型的建立

根據(jù)電機(jī)的對稱性原則，可以將電機(jī)進(jìn)行合理等分，生成2D模型如圖4所示。

圖4 電機(jī)2D模型

2.3 剖分

在有限元的前處理過程中網(wǎng)格剖分技術(shù)是一個核心內(nèi)容是生成滿足有限元分析程序要求的有限元網(wǎng)格的關(guān)鍵步驟，也是前處理過程的重點和難點。雖然Ansoft Maxwell 2D瞬態(tài)場計算模塊中提供了自動剖分工具，但是為了精確計算，我們需要對其進(jìn)行一定的人工干預(yù)，最終經(jīng)過調(diào)整的剖分結(jié)果如圖5所示。

圖5 電機(jī)2D模型有限元剖分

2.4 磁場分析

在額定運行狀態(tài)時，磁密應(yīng)無過飽和點，磁力線須走向正常。合格的磁密及磁力線分布如圖6所示。

圖6 電機(jī)磁密及磁力線分布圖

2.4.1 瞬態(tài)分析

(1) 起動分析

為了對比壓縮機(jī)與其他負(fù)載的區(qū)別，我們須分別對拖動壓縮機(jī)及正常負(fù)載狀況進(jìn)行瞬態(tài)分析，并進(jìn)行對比。

設(shè)置Maxwell 2D模型的運行特性，初始速度為0，轉(zhuǎn)動慣量為負(fù)載與電機(jī)本身之和，空載起動時負(fù)載轉(zhuǎn)矩為0，帶壓縮機(jī)起動時，利用pwlx函數(shù)，按圖2所示壓縮機(jī)起動阻力矩曲線數(shù)據(jù)設(shè)置Dataset數(shù)據(jù)，具體函數(shù)為-pwlx(DS，Speed/1 r/min)。圖7～圖8分別是正常狀態(tài)下的空載、帶壓縮機(jī)負(fù)載起動轉(zhuǎn)速-時間曲線。

圖7 電機(jī)空載狀態(tài)轉(zhuǎn)速-時間曲線

圖8 電機(jī)帶壓縮機(jī)負(fù)載狀態(tài)轉(zhuǎn)速-時間曲線

可以看出由于壓縮機(jī)起動時要求克服的阻力矩轉(zhuǎn)矩小，故起動壓縮機(jī)的時間并不長，在壓縮機(jī)轉(zhuǎn)動慣量不是過大的情況下，帶動壓縮機(jī)起動與空載起動時間接近。故在設(shè)計電機(jī)過程中可以對起動轉(zhuǎn)矩適當(dāng)?shù)慕档?，這樣也可以降低電機(jī)的起動電流，以減小直接起動類型電機(jī)起動時對電網(wǎng)的沖擊。

(2) 額定運行分析

設(shè)置Maxwell 2D模型的運行特性，計算額定工況。帶壓縮機(jī)運行時，轉(zhuǎn)動慣量為負(fù)載與電機(jī)本身之和，利用pwlx函數(shù)，按圖3所示壓縮機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩vs曲柄轉(zhuǎn)角曲線設(shè)置Dataset數(shù)據(jù)，具體函數(shù)為：-pwlx(DS1，Position/1 deg)。

電機(jī)額定狀態(tài)電流時間曲線如圖9所示。電機(jī)帶壓縮機(jī)運行狀態(tài)電流時間曲線如圖10所示。從圖中可以看出，帶壓縮機(jī)負(fù)載運行的電流比額定狀態(tài)下電機(jī)的運行電流大，而且電流的波動大小同壓縮機(jī)負(fù)載大小的周期性波動一致，同樣呈周期性變化，因此可判斷壓縮機(jī)負(fù)載的變化導(dǎo)致電機(jī)產(chǎn)生了脈動電流。在電動機(jī)設(shè)計時，應(yīng)考慮電流脈動問題，因為電流脈動是電機(jī)溫度升高的重要因素。因此要合理選擇壓縮機(jī)類負(fù)載用電動機(jī)的熱負(fù)荷及定子電密。同時還要增加電動機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩，來提高電機(jī)的抗脈動能力和過載能力。

圖9 電機(jī)額定狀態(tài)電流時間曲線

圖10 電機(jī)帶壓縮機(jī)運行狀態(tài)電流時間曲線

2.4.2 電流脈動計算

電動機(jī)的脈動電流過大，將會導(dǎo)致電機(jī)溫度升高、影響電機(jī)傳動系統(tǒng)的精度，并導(dǎo)致電機(jī)供電電網(wǎng)中電壓的波動，對電網(wǎng)產(chǎn)生不利因素。根據(jù)NEMA標(biāo)準(zhǔn)中的說明來計算脈動電流。

計算公式：

根據(jù)計算，可得到電機(jī)帶壓縮機(jī)在最惡劣狀況下工作時的電流脈動值。若在計算中電流脈動超標(biāo)，主要通過提高壓縮機(jī)或電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量來進(jìn)行調(diào)整，并根據(jù)情況對電機(jī)的各項性能(主要是起動性能)進(jìn)行重新設(shè)計、分析。

2.5 壓縮機(jī)組動力學(xué)分析

在壓縮機(jī)用電機(jī)的設(shè)計工作中需要考慮到往復(fù)機(jī)械的動力學(xué)問題。將電動機(jī)與壓縮機(jī)的連接結(jié)構(gòu)看成一個電機(jī)轉(zhuǎn)子，我們稱之為曲軸系統(tǒng)。根據(jù)往復(fù)式壓縮機(jī)特性可以看出，軸系的扭轉(zhuǎn)振動問題應(yīng)該是該軸系的重點問題。

要精確的計算實際的曲柄軸系統(tǒng)非常困難，因此，根據(jù)實際經(jīng)驗，一般將電機(jī)轉(zhuǎn)子與壓縮機(jī)的曲柄軸系統(tǒng)簡化為圖11壓縮機(jī)組軸系扭振力學(xué)模型示意圖所示的軸系。該軸系為五自由度系統(tǒng)。I1是電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量。K1是電機(jī)轉(zhuǎn)子與第一列曲柄之間的扭轉(zhuǎn)剛度系數(shù)。I2是第一列曲柄連桿活塞系統(tǒng)的等效轉(zhuǎn)動慣量。K2是第一列曲柄與第二列曲柄之間的扭轉(zhuǎn)剛度系數(shù)。I3是第二列曲柄連桿活塞系統(tǒng)的等效轉(zhuǎn)動慣量。K3是第二列曲柄與第三列曲柄之間的扭轉(zhuǎn)剛度系數(shù)，以下類推。

圖11 壓縮機(jī)組軸系扭振力學(xué)模型示意圖

電動機(jī)的驅(qū)動力矩和壓縮機(jī)的的切向力組成了軸系的激發(fā)力矩。由于壓縮機(jī)的切向力是周期性變化的，導(dǎo)致產(chǎn)生激發(fā)力矩的變動分量，最終引起軸系的扭振。當(dāng)激發(fā)力矩的頻率在電機(jī)軸系的固有頻率附近時，電機(jī)就會發(fā)生共振，導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)件和軸及其他零部件被損壞。

目前，國外壓縮機(jī)廠家對軸系分析十分重視，都要根據(jù)軸系圖紙、電機(jī)轉(zhuǎn)子各項數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)計算。但國內(nèi)部分壓縮機(jī)廠對其重要性的理解不夠，曾發(fā)生過壓縮機(jī)廠由于不對整體軸系進(jìn)行扭振分析，而壓縮機(jī)組設(shè)計不合理造成斷軸的事故，如圖12所示。

圖12 斷軸圖樣

為了避免此類狀況出現(xiàn)，對以下幾點進(jìn)行檢查，避免因下列原因?qū)е螺S系的損壞引起的危險：

(1) 激發(fā)力矩的頻率應(yīng)處于電機(jī)固有頻率±20%范圍之外；

(2) 固有頻率如果大于激發(fā)力矩頻率10倍以上則不會導(dǎo)致軸系破壞；

(3) 固有頻率應(yīng)遠(yuǎn)離電源頻率。

第1點就是電機(jī)的激發(fā)力矩不能處于固有頻率±20%范圍內(nèi)，這跟電機(jī)軸的臨界轉(zhuǎn)速的概念相符；但不能保證此時軸系就是完全安全的；第2點是如果固有頻率遠(yuǎn)大于激發(fā)力矩10倍以上，則軸系一定是安全的。

3 結(jié)論

由于壓縮機(jī)負(fù)載的特殊性，壓縮機(jī)用三相異步電動機(jī)為滿足其使用特點，必須進(jìn)行特殊設(shè)計。可采用場路結(jié)合的設(shè)計方法，首先利用Ansoft RMxprt路算法對電機(jī)進(jìn)行粗略計算，然后利用Ansoft Maxwell有限元法對電機(jī)電磁場進(jìn)行分析。通過路算及有限元計算得到相對精確的磁場分布情況及各種不同工況下的電機(jī)運行狀態(tài)。要根據(jù)軸系圖紙及電機(jī)轉(zhuǎn)子的各項數(shù)據(jù)進(jìn)行扭振分析，避免因壓縮機(jī)組設(shè)計不合理導(dǎo)致的電機(jī)故障發(fā)生。