變頻電機(jī)起動性能不良分析及改進(jìn)

陳會崇

(金泰德勝電機(jī)有限公司，廣東佛山 528308)

0 引言

用于驅(qū)動電動叉車及電動汽車的異步電機(jī)，一般由蓄電池通過控制器供電，其具有轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速變化范圍寬，工作點(diǎn)較多，控制器變頻變壓(VVVF)閉環(huán)控制等特點(diǎn)。作為變頻電機(jī)，通常無需考核其起動性能;但電機(jī)制造廠做電機(jī)的出廠測試時，供電設(shè)備往往是工頻(50 Hz)電源。一種國外設(shè)計(jì)的電動叉車用電機(jī)在工頻電源供電時不能起動到正常轉(zhuǎn)速，4極電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，但該4極電機(jī)轉(zhuǎn)速只能達(dá)到700～900 r/min，處于“爬行”狀態(tài)。不良率達(dá)30% ～40%，其他能正常起動的電機(jī)，起動時間亦較長，達(dá)3～4 s。這些都給測試電機(jī)的空載、噪聲、振動等性能帶來了困難。

1 原因分析及測試過程回顧

1.1 起動不良對電機(jī)其他性能的影響

首先需要確定不能正常起動的電機(jī)的負(fù)載性能如何。用一臺起動正常的電機(jī)和一臺不良電機(jī)，通過變頻器供電并設(shè)定了電源電壓、頻率，測試了三個工作點(diǎn)的負(fù)載性能，測得數(shù)據(jù)見表1。

表1 起動性能不同的兩臺電機(jī)的負(fù)載試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表1可知，兩臺電機(jī)的負(fù)載性能相當(dāng)，之后進(jìn)行了噪聲、振動、溫升等測試，結(jié)果顯示起動不良電機(jī)無異常。這些測試結(jié)果說明，起動不良的電機(jī)除起動性能外，其他性能全部合格。電機(jī)的問題僅僅是起動問題。

1.2 起動不良的原因

通過Ansoft RMxprt計(jì)算得出，電機(jī)在48 V、50 Hz時的起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)為4.5，起動電流倍數(shù)達(dá)8.7。通電時測得電機(jī)端電壓僅約為10 V。因異步電機(jī)的起動轉(zhuǎn)矩Tst可用公式表示為

故懷疑電機(jī)的起動電流過大，引起電網(wǎng)電壓顯著下降，導(dǎo)致其起動轉(zhuǎn)矩下降。但將電源電壓下降到20～30 V時，電機(jī)還是處于“爬行”狀態(tài)，電機(jī)端電壓維持在約10 V。

另一方面，式(1)說明，起動轉(zhuǎn)矩與定子相電壓的平方成正比。如果增大定子端電壓，起動轉(zhuǎn)矩將成平方增大。將這臺電機(jī)移至測試中心并增加其端電壓進(jìn)行測試(測試中心的電網(wǎng)容量遠(yuǎn)大于出廠測試臺)，實(shí)際上，即使電壓增大至100 V，起動轉(zhuǎn)矩增大到原方案的4倍以上，電機(jī)仍處于“爬行”狀態(tài)，不能達(dá)到正常轉(zhuǎn)速。

上述事實(shí)說明，電機(jī)的起動轉(zhuǎn)矩不是電機(jī)起動不良的決定性因素。

1.3 最小轉(zhuǎn)矩

根據(jù)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩－轉(zhuǎn)速曲線得知，由于異步附加轉(zhuǎn)矩的存在，電機(jī)在起動過程中有最小轉(zhuǎn)矩，且最小轉(zhuǎn)矩時的轉(zhuǎn)速在其同步轉(zhuǎn)速的1/7或1/13附近。國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1032—2005“三相異步電動機(jī)試驗(yàn)方法”亦有測定最小轉(zhuǎn)矩的方法。但本文研究的起動問題與最小轉(zhuǎn)矩關(guān)系不大:(1)電機(jī)的“爬行”轉(zhuǎn)速為700～900 r/min，約為同步轉(zhuǎn)速的1/2而不是1/7或更低;(2)國標(biāo)GB/T 1032要求測試時給電機(jī)加載，但該電機(jī)在空載下即無法正常起動。

1.4 高次諧波磁場的影響

從高次諧波磁場進(jìn)行分析，由高次諧波磁勢產(chǎn)生的高次諧波磁場及其附加轉(zhuǎn)矩，對電機(jī)運(yùn)行的影響并不大，但對電機(jī)的起動有顯著影響。文獻(xiàn)[2]介紹了削弱高次諧波的設(shè)計(jì)要素?，F(xiàn)將該電機(jī)可能影響高次諧波的設(shè)計(jì)參數(shù)綜合起來，見表2。為便于比較，表2也列出了與該電機(jī)體積相似的Y132-4，Y2-132-4的相應(yīng)設(shè)計(jì)參數(shù)。

表2 該款電機(jī)與Y132M-4的部分設(shè)計(jì)參數(shù)

2 改進(jìn)措施及其對電機(jī)性能的影響

2.1 制定最佳改進(jìn)方案并驗(yàn)證

從表2可看出，該款電機(jī)與Y132-4、Y2-132-4的不同主要有定子外徑/定子內(nèi)徑，槽配合，氣隙等?？蓛?yōu)先考慮改善槽配合和氣隙，其次可嘗試改變繞組型式(如采用雙層短距繞組)和轉(zhuǎn)子斜槽度。

定、轉(zhuǎn)子槽數(shù)可能是影響附加轉(zhuǎn)矩的關(guān)鍵因素，其轉(zhuǎn)子槽數(shù)大于定子槽數(shù)且相差較大，不在文獻(xiàn)[2]推薦范圍。但因?yàn)樵摽铍姍C(jī)沖片是國外的設(shè)計(jì)，已經(jīng)開模且是較為成熟的產(chǎn)品，故修改轉(zhuǎn)子槽數(shù)的風(fēng)險較高，不宜采用。該款電機(jī)的定子內(nèi)徑與Y132M-4相當(dāng)，但氣隙較小。故，可通過增大氣隙來削弱諧波。車削轉(zhuǎn)子外圓從制造上來說也容易得多。

將一臺起動不良電機(jī)拆機(jī)后，測得轉(zhuǎn)子外圓為φ130.32 mm。按照Y132M-4數(shù)據(jù)，將其車至φ130.20 mm。重新裝機(jī)后，電機(jī)起動正常且起動時間在2 s以內(nèi)。

后又有6臺起動不良的電機(jī)，車轉(zhuǎn)子外圓后均起動良好，驗(yàn)證了增大氣隙是削弱高次諧波磁場的有效方法。

2.2 改制對電機(jī)性能的影響

異步電機(jī)的主電抗(激磁電抗)xm可表示為

由式(2)可知，增大氣隙δ，可使主電抗xm減小。在電源不變的情況下，勵磁電流Im增大，造成負(fù)載電流增大，效率和功率因數(shù)降低。對車大氣隙至0.40的電機(jī)做負(fù)載試驗(yàn)，驗(yàn)證了上述結(jié)論，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 車大氣隙至0.40的電機(jī)的負(fù)載試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3 結(jié)語

應(yīng)用于動力控制系統(tǒng)的電機(jī)，精度要求較高的場合采用矢量控制，精度要求較低的場合采用VVVF控制，均不要求電機(jī)自起動。盡管如此，變頻電機(jī)應(yīng)具備空載情況下的自起動能力。高次諧波磁場產(chǎn)生的附加轉(zhuǎn)矩對電機(jī)的起動性能有顯著影響，嚴(yán)重時會使電機(jī)在起動時產(chǎn)生“死點(diǎn)”，轉(zhuǎn)速無法升高。在不希望重新設(shè)計(jì)電機(jī)的情況下，增大定、轉(zhuǎn)子之間的氣隙是削弱高次諧波、提高電機(jī)起動能力的簡單有效的方法。但現(xiàn)有的電磁設(shè)計(jì)軟件尚不具備計(jì)算高次諧波及其影響的功能，這就需要電機(jī)設(shè)計(jì)人員認(rèn)真研究，多參考現(xiàn)有產(chǎn)品的成熟經(jīng)驗(yàn)，以免設(shè)計(jì)的電機(jī)不合要求。

[1]湯蘊(yùn)璆，史乃，沈文豹.電機(jī)理論與進(jìn)行(上冊)[M].北京:水利電力出版社，1983.

[2]陳世坤.電機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2000.