电能质量多项偏差共存时电动机能耗理论及节能新途径研究

Multiple deviation of terminal supplied voltage of the electrical motors in amplitude, symmetry and the harmonic content is a common phenomenon in current power system. Previous researches show that, although the deviation within the standard limit, the above mentioned deviation may obviously increase the motor losses of the electrical machines systems. In order to obtain a new breakthrough in energy saving technology, the study on energy consumption theory of electrical motors with the multiple deviation of power quality becomes an important and urgent issue. The primary goal of this project is to reveal the relationships between the deviations and motor energy consumption with the multiple deviation of power quality. The research methods, such as theory analysis, time stepping finite element analysis, experimental research and field validation, are combined to focus on the motor energy consumption theory under the combined action of the over-saturation, asymmetrical magnetic field, high-order harmonic and the time and space harmonic field inside the motor. Based on the above, this project also intends to study the design scheme on the novel motor structure, reasonable control range of power quality deviation and new energy saving approaches of electrical machine systems.

电动机供电电压在幅值、对称性及谐波含量方面往往同时存在较大偏差，以往针对电能质量单项偏差对电机损耗影响的研究表明，即使偏差未超出标准允许上限，也可能导致电机损耗明显增加。为了在电机系统节能技术方面获得新突破，开展电能质量多项偏差共存时的电机能耗理论及节能途径研究成为一个重要和紧迫的课题。本项目首要目标在于揭示电能质量多项偏差共存时偏差大小与电机能耗之间的关系，拟采用理论分析、时步有限元计算、实验研究以及现场实测验证相结合的方法，重点研究过电压导致的磁路过饱和、三相电压不对称引起的磁场不对称以及电源谐波与电机内部时空谐波共同作用下的电机能耗理论；在此基础上，进一步探索研究电能质量偏差条件下新型节能电机结构设计方案、电能质量偏差的合理控制范围以及电机系统节能新途径。

本项目围绕电能质量多项偏差共存时电机能耗理论及节能途径开展研究，在能耗理论研究方面，提出了一种分段变系数铁耗模型以及转子转差频率与高频谐波磁场快速分离的方法，开发了一套基于时步有限元的损耗分析软件。揭示了电压不平衡、过电压及谐波等多种因素共存时定转子铁芯典型位置磁场及转子导条电密及损耗变化规律，提出了在不同CUVF条件下电机安全运行区域，揭示了变频供电条件下定转子铁芯磁密变化特点及其对损耗密度影响规律，完成了变频供电条件下电机铁耗的精细化分析。在电机及系统节能途径研究方面，提出一种非均匀直槽转子结构设计方法以及用于变频高效电机的设计方案，并研制出一台达到IE3能效水平的55kW高效变频电机；建立了用于分析油田电机系统的能耗实用仿真模型，分析了在供电电压偏差及不同动液面情况下电机系统节能潜力，提出适用于电能质量偏差条件下的油田机采系统通用节能技术，节电率可达10-20%。. 本项目所获得的研究成果，可为电机生产厂家及用户在电机节能降耗及提高系统运行能效水平方面提供重要理论支撑；同时，基于本项目理论成果孵化出的节能技术，可直接应用于生产实际，产生明显经济效益，具有广泛应用前景。