新型三相双值电容式异步电动机运行机理及其电磁设计研究

论文摘要

能源的有效利用是全球共同关注的战略问题。统计表明,在发达国家中,电动机所消耗的电能占工业用电能的比重均超过60%,从而电机系统的节能技术成为学术与工程界共同关注的焦点。在此背景下,本文基于三相双值电容式异步电动机高效节能的独特优势,及其在工程领域中的应用前景,对其进行了全方位的理论分析、数值计算和试验研究相结合的系统深入的研究。通过对三相双值电容式异步电动机气隙磁动势特点的深入分析,探讨了该新型异步电动机在高功率因数和低杂散损耗方面的优越性能。并进而基于工程分析,得出了对其关键特性参数——工作电容取值的技术判据。构建了研究电机系统动态运行性能的场—路系统耦合的数值分析方法。聚焦于高复杂度的该新型电机的有限元模型,分别利用直接和间接耦合法进行了瞬态和时谐有限元分析,其初样和中试样机的仿真分析结果由实测研究得到印证。基于三相电机旋转磁动势的基本理论,导出了该新型电机的等值电路模型及其相关性能方程。由此参照常规异步电动机电磁设计计算方案,本文编制完成了该新型异步电动机的电磁设计程序可供工程设计应用。对该新型异步电动机进行了电磁优化设计的探讨。本文为提高粒子群优化算法全局寻优能力,提出了了一种改进的粒子群优化新算法。以样机起动转矩的优化设计为典型示例,通过调节定子槽形结构尺寸,进而应用本文提出的由改进粒子群优化算法与单纯形法分别和等值电路模型的解析方法与电磁场数值计算方法相结合组成的混合优化策略,高效、高精度地获得了预期的高起动转矩的优化设计成果。本研究课题的试验研究包括：750 W初样的运行性能；5.5 kW样机的调速性能；22 kW和30 kW中试样机的型式试验及其配套应用于抽油机装置中的高效节能研究。从而,不仅以丰富的实测研究成果证实了本文理论分析研究工作,而且展示了该新型异步电动机的工程实用价值及其广泛应用的前景。本文在理论分析、仿真和实测相互印证、对比研究的基础上,证明三相双值电容式异步电动机是一种既能理想地提高功率因数,又能有效地削弱谐波磁动势,且具有高起动转矩特性的新型异步电动机。这不仅表明该电机具有高效节能的明显效益,而且在无功补偿这一关键技术上,对电网及其相关电器设备等也将带来显著的经济和社会效益。同时,验证了本文所进行的理论分析、算法、电磁设计和优化设计程序等全方位的研究工作,为该新型电机的推广应用,及其产品化奠定了工程分析与设计的基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 符号清单
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 三相双值电容式异步电动机
• 1.2.1 特殊的结构设计
• 1.2.2 运行特性简介
• 1.2.3 工程应用价值
• 1.3 场—路系统耦合的电机电磁场数值计算方法
• 1.4 电磁场逆问题分析、计算的全局优化算法
• 1.5 本文工作
• 2 三相双值电容式异步电动机的运行机理
• 2.1 Wanlass电机的结构及其气隙磁动势
• 2.2 三相双值电容式异步电动机的结构及其气隙磁动势
• 2.3 三相双值电容式异步电动机样机的气隙磁动势分析
• 2.4 本章小结
• 3 三相双值电容式异步电机的有限元分析
• 3.1 电磁场的基本控制方程
• 3.1.1 麦克斯韦方程组
• 3.1.2 磁准静态场
• 3.1.3 时谐电磁场
• 3.1.4 初始条件和边界条件
• 3.2 二维电磁场有限元模型
• 3.2.1 二维瞬态电磁场
• 3.2.2 二维时谐电磁场
• 3.3 电磁场与电路系统的耦合分析
• 3.3.1 电机系统的等效电路模型
• 3.3.2 直接和间接场—路系统耦合算法
• 3.4 750W三相双值电容式异步电动机有关运行性能的分析
• 3.4.1 物理模型
• 3.4.2 起动性能的仿真与试验的对比研究
• 3.4.3 工作特性的仿真与试验的对比研究
• 3.5 30kW三相双值电容式异步电动机的有关运行性能
• 3.5.1 工作特性的仿真与试验的对比研究
• 3.5.2 起动性能的仿真与试验的对比研究
• 3.6 本章小结
• 4 三相双值电容式异步电动机的电磁设计程序
• 4.1 磁动势和电动势平衡方程
• 4.2 功率和转矩平衡方程
• 4.3 起动转矩
• 4.4 电磁设计程序
• 4.5 电磁设计程序的计算结果与试验研究结果的对比分析
• 4.5.1 750W三相双值电容式异步电动机（TCY802A-4）计算结果与试验结果之对比分析
• 4.5.2 30kW三相双值电容式异步电动机（TCY250M-8）计算结果与试验结果之对比分析
• 4.6 本章小结
• 5 三相双值电容式异步电动机的优化设计
• 5.1 三相双值电容式异步电动机优化设计的数学模型
• 5.1.1 概述
• 5.1.2 数学模型
• 5.2 应用于三相双值电容式异步电动机优化设计的优化计算方法
• 5.2.1 基于改进的粒子群算法的混合优化策略
• 5.2.2 多目标全局优化设计的粒子群优化算法
• 5.3 三相双值电容式异步电动机典型的优化设计研究
• 5.4 本章小结
• 6 试验研究
• 6.1 同功率（750W）三相双值电容式异步电动机与常规三相异步电动机工作特性的对比
• 6.1.1 750W三相双值电容式异步电动机（TCY802A-4）工作特性的测定
• 6.1.2 750W三相双值电容式异步电动机（TCY802B-4）工作特性的测定
• 6.1.3 750W常规三相异步电动机（Y802-4）工作特性的测定
• 6.1.4 工作特性与额定负载点实测数据对比
• 6.2 同功率（5.5kW）三相双值电容式异步电动机与常规三相异步电动机调速特性的对比
• 6.2.1 调压调速特性的对比分析
• 6.2.2 变频调速特性的对比分析
• 6.3 22kW三相双值电容式异步电动机（TCY250S-8）的型式试验
• 6.3.1 空载试验
• 6.3.2 额定频率堵转试验
• 6.3.3 额定电压负载试验
• 6.4 30kW三相双值电容式异步电动机（TCY250M-8）的型式试验
• 6.4.1 空载试验
• 6.4.2 额定频率堵转试验
• 6.4.3 额定电压负载试验
• 6.5 三相双值电容式异步电动机油田节能特性的对比测试
• 6.6 本章小结
• 7 全文总结
• 参考文献
• 附录 博士期间发表的学术论文和著作
• 致谢