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變頻電機(jī)在工頻電源下的性能分析探討

2014-10-16 02:47奚培榮李國俊
科技資訊 2014年2期

奚培榮++李國俊

摘 要:本文對某種國外設(shè)計(jì)的用于水泵的電機(jī)在工頻電源供電時(shí)不能夠自啟動(dòng)的問題,進(jìn)行了分析探討,并提出相應(yīng)的改進(jìn)方法。綜合分析電機(jī)的特性后得到相應(yīng)措施,分析出電機(jī)不能夠自起動(dòng)的主要原因是由于高次諧波磁場產(chǎn)生的附加轉(zhuǎn)矩。因此,我們可以通過增大定子和轉(zhuǎn)子之間的氣隙達(dá)到削弱電磁場產(chǎn)生的附加轉(zhuǎn)矩的影響,從而使變頻電機(jī)實(shí)現(xiàn)自啟動(dòng)功能。

關(guān)鍵詞:變頻電機(jī) 自起動(dòng) 附加轉(zhuǎn)矩 氣隙

中圖分類號(hào):TM921 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1672-3791(2014)01(b)-0111-02

當(dāng)前部分的電機(jī)都是采用裝有蓄電池的控制器進(jìn)行供電,這種電機(jī)的控制方式有轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速變化范圍比較寬,工作點(diǎn)較多,蓄電池的控制器變頻變壓采用全閉環(huán)控制等一系列優(yōu)點(diǎn)。不過大部分的變頻電機(jī)都不需要考慮電機(jī)的起動(dòng)性能;供電方式也只是采用工頻(220 V、50 Hz)的三相電源。但是有某種國外設(shè)計(jì)的電機(jī)在工頻電源供電時(shí),不能夠以正常轉(zhuǎn)速進(jìn)行起動(dòng)。這種弊端給測試電機(jī)的空載、噪聲、振動(dòng)、扭矩等性能帶來了極大的困難。在本中,我們通過增大定子和轉(zhuǎn)子之間的氣隙,從而達(dá)到削弱電磁場產(chǎn)生的附加轉(zhuǎn)矩的影響,從而使變頻電機(jī)實(shí)現(xiàn)自啟動(dòng)功能。

1 原因分析及測試過程回顧

1.1 起動(dòng)不良對電機(jī)其他性能的影響

為分析起動(dòng)不良對電機(jī)其他性能的影響,我們首先要確定電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的負(fù)載特性。我們對比一臺(tái)能夠正常啟動(dòng)的電機(jī)和一臺(tái)不能正常啟動(dòng)的電機(jī),采用變頻器來供電,設(shè)定三相電壓、頻率,測試三個(gè)工作點(diǎn)的負(fù)載特性如下表1所示。

由表1看出它們的負(fù)載特性比較相當(dāng),在此之后我們進(jìn)行溫度、噪聲、振動(dòng)環(huán)境下的測試,在這種條件下不能正常啟動(dòng)的電機(jī)并無異常。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,不能正常啟動(dòng)的電機(jī)別的性能均正常,只有啟動(dòng)特性受到影響。所以說不能正常啟動(dòng)是電機(jī)存在的主要問題。

1.2 電機(jī)不能正常起動(dòng)的原因

我們通過計(jì)算得出,電機(jī)在48 V、50 Hz的條件下,起動(dòng)轉(zhuǎn)矩達(dá)到4.5倍,起動(dòng)電流為8.7倍。電機(jī)端電壓為10 V。

因此我們可以看出由于電機(jī)起動(dòng)電流過大,引起電網(wǎng)電壓下降,最終導(dǎo)致電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩下降。當(dāng)我們把電源電壓降到30 V時(shí),電機(jī)依然處于“爬行”的狀態(tài),電機(jī)端電壓維持在10 V左右。從另一方面可以得到以下結(jié)論:起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和定子相電壓的平方成正比。隨著定子端電壓的加大,起動(dòng)轉(zhuǎn)矩成平方加大。將電機(jī)拿到測試中心加大端電壓測試,在測試中,即使將電壓值增加到100 V,起動(dòng)轉(zhuǎn)矩增長4倍的情況下,電機(jī)依然處在“爬行”狀態(tài),不能達(dá)到正常轉(zhuǎn)速。

由上述實(shí)驗(yàn)我們可以得出結(jié)論:電機(jī)不能正常起動(dòng)并不是由的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩不夠造成的。

1.3 最小轉(zhuǎn)矩影響

由于附加轉(zhuǎn)矩的影響,電機(jī)起動(dòng)過程中有最小轉(zhuǎn)矩,最小轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速僅僅為其同步轉(zhuǎn)速的1/13~1/7區(qū)間內(nèi)。國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1032—2005“三相電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)方法”中詳細(xì)介紹了測定最小轉(zhuǎn)矩的方法。但本文存在的起動(dòng)問題與最小轉(zhuǎn)矩關(guān)系不是特別的明顯電機(jī)的“爬行”轉(zhuǎn)速為700~900 r/min,約為同步轉(zhuǎn)速的1/2。因此,最小轉(zhuǎn)矩對電機(jī)的起動(dòng)有一定的影響。國標(biāo)GB/T1032 要求測試時(shí)給電機(jī)加載,但該電機(jī)在空載下即無法正常起動(dòng)。從以上的分析可以看出由于附加轉(zhuǎn)矩的存在,電機(jī)在起動(dòng)過程中有最小轉(zhuǎn)矩,且最小轉(zhuǎn)矩時(shí)的轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速的1/10~1/13附近。

1.4 高次諧波磁場影響

在供電系統(tǒng)中諧波電流的出現(xiàn)已經(jīng)有許多年了。過去,諧波電流是由電氣化鐵路和工業(yè)的直流調(diào)速傳動(dòng)裝置所用的,由交流變換為直流電的水銀整流器所產(chǎn)生的。近年來,產(chǎn)生諧波的設(shè)備類型及數(shù)量均已劇增,并將繼續(xù)增長。所以,我們必須很慎重地考慮諧波和它的不良影響,以及如何將不良影響減少到最小。在實(shí)際的供電系統(tǒng)中,由于有非線性負(fù)荷的存在,當(dāng)電流流過與所加電壓不呈線性關(guān)系的負(fù)荷時(shí),就形成非正弦電流。任何周期性波形均可分解為一個(gè)基頻正弦波加上許多諧波頻率的正弦波。諧波頻率是基頻的整倍數(shù),例如基頻為50 Hz,二次諧波為100 Hz,三次諧波則為150 Hz。因此畸變的電流波形可能有二次諧波、三次諧波……可能直到第三十次諧波組成。所有的非線性負(fù)荷都能產(chǎn)生諧波電流,產(chǎn)生諧波的設(shè)備類型有:開關(guān)模式電源(SMPS)、電子熒火燈鎮(zhèn)流器、調(diào)速傳動(dòng)裝置、不間斷電源(UPS)、磁性鐵芯設(shè)備及某些家用電器如電視機(jī)等。

我們采用高次諧波磁場進(jìn)行分析,由高次諧波磁勢能夠產(chǎn)生附加轉(zhuǎn)矩對電機(jī)運(yùn)行并沒有太大的影響,但是它卻對電機(jī)的起動(dòng)特性有著顯著的影響。文獻(xiàn)[2]詳細(xì)的介紹了如何來削弱高次諧波。本文將影響電機(jī)的高次諧波參數(shù)進(jìn)行綜合比較,如下表2所示。為了進(jìn)行方便的比較分析,我們列出了與體積有關(guān)的設(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)方案并進(jìn)行驗(yàn)證分析

從表2可看出,該款電機(jī)與Y132-4、Y2-132-4電機(jī)的不同主要是定子外徑與內(nèi)徑的差別,以及槽配合和氣隙的影響。我們優(yōu)先考慮如何對槽配合和氣隙進(jìn)行改進(jìn),為此我們改變轉(zhuǎn)子斜槽度,更換繞組型式(如采用短距雙層繞組)。定、轉(zhuǎn)子槽數(shù)對電機(jī)附加轉(zhuǎn)矩特性影響較大,其定子的槽數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)的小于轉(zhuǎn)子的槽數(shù),這里所敘述的內(nèi)容不在文獻(xiàn)[2]的敘述范圍。由于我們采用的是國外已經(jīng)應(yīng)用較為成熟的電機(jī)沖片進(jìn)行設(shè)計(jì)的,定、轉(zhuǎn)子槽數(shù)對電機(jī)附加轉(zhuǎn)矩特性控制的較為優(yōu)異。電機(jī)的氣隙相對較小,內(nèi)徑與Y132M-4比較吻合。因此可以利用增大氣隙的方法來減少諧波造成的影響。從另一方面來說,采用這種設(shè)計(jì)方法,我們對轉(zhuǎn)子外圓進(jìn)行車削也較為簡便。

我們將起動(dòng)不良的電機(jī)轉(zhuǎn)子拆出后進(jìn)行車削,將電機(jī)轉(zhuǎn)子的外圓從130.32 mm車至130.20 mm。重新放入轉(zhuǎn)子裝好電機(jī),并對電機(jī)的起動(dòng)時(shí)間進(jìn)行測試,起動(dòng)時(shí)間維持在2 s之內(nèi)。

除此之外,我們還對另外8臺(tái)起動(dòng)不良的電機(jī)進(jìn)行相同的處理,轉(zhuǎn)子經(jīng)過車削外圓重新裝入后起動(dòng)特性均良好,由此表明,增大氣隙是改進(jìn)電機(jī)起動(dòng)特性的有效方法。

2.2 改造后電機(jī)性能的測試

電機(jī)的激磁電抗Xm可表示為

Xm=4fuo(2)

從上式可以看出,加大氣隙可使主電抗Xm減小。維持電源輸入不變的情況下,加大勵(lì)磁電流,使負(fù)載電流相應(yīng)的增大,使電機(jī)的效率和功率因數(shù)降低。將起動(dòng)不良的電機(jī)轉(zhuǎn)子拆出后進(jìn)行車削,加大氣隙至0.40的電機(jī)進(jìn)行負(fù)載試驗(yàn),實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表3所示。因此結(jié)論完全正確。

3 結(jié)語

對于應(yīng)用到動(dòng)力控制系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī),采用矢量控制,往往應(yīng)用到精度要求較高的場合,而對于應(yīng)用精度要求較低的場合大都采用VVVF控制,它們均不需要電機(jī)進(jìn)行自起動(dòng)。即便如此,在空載情況下,變頻電機(jī)必須要有自起動(dòng)的能力。附加轉(zhuǎn)矩對電機(jī)的起動(dòng)性能影響較大,要采用相應(yīng)的控制算法控制轉(zhuǎn)速的升高。在不重新對電機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)的情況下,增大氣隙是削弱附加轉(zhuǎn)矩,是提升電機(jī)起動(dòng)能力的最為簡便的方法。由于當(dāng)前條件下,我們國內(nèi)尚不能夠采用相應(yīng)的計(jì)算軟件測出影響效果,這需要相關(guān)的設(shè)計(jì)人員認(rèn)真研究,參考國外的成熟經(jīng)驗(yàn),進(jìn)一步的提高國內(nèi)電機(jī)設(shè)計(jì)的合格率,從而提高具有較高性能的電機(jī)的國產(chǎn)比重。

參考文獻(xiàn)

[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.

[3] 任建平,白恩遠(yuǎn),王俊元,等.現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床故障診斷及維修[M].北京:國防工業(yè)出版社,2002(7).

[4] 白恩遠(yuǎn),王俊元,孫愛國.現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床伺服及檢測技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2002(1).endprint

摘 要:本文對某種國外設(shè)計(jì)的用于水泵的電機(jī)在工頻電源供電時(shí)不能夠自啟動(dòng)的問題,進(jìn)行了分析探討,并提出相應(yīng)的改進(jìn)方法。綜合分析電機(jī)的特性后得到相應(yīng)措施,分析出電機(jī)不能夠自起動(dòng)的主要原因是由于高次諧波磁場產(chǎn)生的附加轉(zhuǎn)矩。因此,我們可以通過增大定子和轉(zhuǎn)子之間的氣隙達(dá)到削弱電磁場產(chǎn)生的附加轉(zhuǎn)矩的影響,從而使變頻電機(jī)實(shí)現(xiàn)自啟動(dòng)功能。

關(guān)鍵詞:變頻電機(jī) 自起動(dòng) 附加轉(zhuǎn)矩 氣隙

中圖分類號(hào):TM921 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1672-3791(2014)01(b)-0111-02

當(dāng)前部分的電機(jī)都是采用裝有蓄電池的控制器進(jìn)行供電,這種電機(jī)的控制方式有轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速變化范圍比較寬,工作點(diǎn)較多,蓄電池的控制器變頻變壓采用全閉環(huán)控制等一系列優(yōu)點(diǎn)。不過大部分的變頻電機(jī)都不需要考慮電機(jī)的起動(dòng)性能;供電方式也只是采用工頻(220 V、50 Hz)的三相電源。但是有某種國外設(shè)計(jì)的電機(jī)在工頻電源供電時(shí),不能夠以正常轉(zhuǎn)速進(jìn)行起動(dòng)。這種弊端給測試電機(jī)的空載、噪聲、振動(dòng)、扭矩等性能帶來了極大的困難。在本中,我們通過增大定子和轉(zhuǎn)子之間的氣隙,從而達(dá)到削弱電磁場產(chǎn)生的附加轉(zhuǎn)矩的影響,從而使變頻電機(jī)實(shí)現(xiàn)自啟動(dòng)功能。

1 原因分析及測試過程回顧

1.1 起動(dòng)不良對電機(jī)其他性能的影響

為分析起動(dòng)不良對電機(jī)其他性能的影響,我們首先要確定電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的負(fù)載特性。我們對比一臺(tái)能夠正常啟動(dòng)的電機(jī)和一臺(tái)不能正常啟動(dòng)的電機(jī),采用變頻器來供電,設(shè)定三相電壓、頻率,測試三個(gè)工作點(diǎn)的負(fù)載特性如下表1所示。

由表1看出它們的負(fù)載特性比較相當(dāng),在此之后我們進(jìn)行溫度、噪聲、振動(dòng)環(huán)境下的測試,在這種條件下不能正常啟動(dòng)的電機(jī)并無異常。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,不能正常啟動(dòng)的電機(jī)別的性能均正常,只有啟動(dòng)特性受到影響。所以說不能正常啟動(dòng)是電機(jī)存在的主要問題。

1.2 電機(jī)不能正常起動(dòng)的原因

我們通過計(jì)算得出,電機(jī)在48 V、50 Hz的條件下,起動(dòng)轉(zhuǎn)矩達(dá)到4.5倍,起動(dòng)電流為8.7倍。電機(jī)端電壓為10 V。

因此我們可以看出由于電機(jī)起動(dòng)電流過大,引起電網(wǎng)電壓下降,最終導(dǎo)致電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩下降。當(dāng)我們把電源電壓降到30 V時(shí),電機(jī)依然處于“爬行”的狀態(tài),電機(jī)端電壓維持在10 V左右。從另一方面可以得到以下結(jié)論:起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和定子相電壓的平方成正比。隨著定子端電壓的加大,起動(dòng)轉(zhuǎn)矩成平方加大。將電機(jī)拿到測試中心加大端電壓測試,在測試中,即使將電壓值增加到100 V,起動(dòng)轉(zhuǎn)矩增長4倍的情況下,電機(jī)依然處在“爬行”狀態(tài),不能達(dá)到正常轉(zhuǎn)速。

由上述實(shí)驗(yàn)我們可以得出結(jié)論:電機(jī)不能正常起動(dòng)并不是由的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩不夠造成的。

1.3 最小轉(zhuǎn)矩影響

由于附加轉(zhuǎn)矩的影響,電機(jī)起動(dòng)過程中有最小轉(zhuǎn)矩,最小轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速僅僅為其同步轉(zhuǎn)速的1/13~1/7區(qū)間內(nèi)。國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1032—2005“三相電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)方法”中詳細(xì)介紹了測定最小轉(zhuǎn)矩的方法。但本文存在的起動(dòng)問題與最小轉(zhuǎn)矩關(guān)系不是特別的明顯電機(jī)的“爬行”轉(zhuǎn)速為700~900 r/min,約為同步轉(zhuǎn)速的1/2。因此,最小轉(zhuǎn)矩對電機(jī)的起動(dòng)有一定的影響。國標(biāo)GB/T1032 要求測試時(shí)給電機(jī)加載,但該電機(jī)在空載下即無法正常起動(dòng)。從以上的分析可以看出由于附加轉(zhuǎn)矩的存在,電機(jī)在起動(dòng)過程中有最小轉(zhuǎn)矩,且最小轉(zhuǎn)矩時(shí)的轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速的1/10~1/13附近。

1.4 高次諧波磁場影響

在供電系統(tǒng)中諧波電流的出現(xiàn)已經(jīng)有許多年了。過去,諧波電流是由電氣化鐵路和工業(yè)的直流調(diào)速傳動(dòng)裝置所用的,由交流變換為直流電的水銀整流器所產(chǎn)生的。近年來,產(chǎn)生諧波的設(shè)備類型及數(shù)量均已劇增,并將繼續(xù)增長。所以,我們必須很慎重地考慮諧波和它的不良影響,以及如何將不良影響減少到最小。在實(shí)際的供電系統(tǒng)中,由于有非線性負(fù)荷的存在,當(dāng)電流流過與所加電壓不呈線性關(guān)系的負(fù)荷時(shí),就形成非正弦電流。任何周期性波形均可分解為一個(gè)基頻正弦波加上許多諧波頻率的正弦波。諧波頻率是基頻的整倍數(shù),例如基頻為50 Hz,二次諧波為100 Hz,三次諧波則為150 Hz。因此畸變的電流波形可能有二次諧波、三次諧波……可能直到第三十次諧波組成。所有的非線性負(fù)荷都能產(chǎn)生諧波電流,產(chǎn)生諧波的設(shè)備類型有:開關(guān)模式電源(SMPS)、電子熒火燈鎮(zhèn)流器、調(diào)速傳動(dòng)裝置、不間斷電源(UPS)、磁性鐵芯設(shè)備及某些家用電器如電視機(jī)等。

我們采用高次諧波磁場進(jìn)行分析,由高次諧波磁勢能夠產(chǎn)生附加轉(zhuǎn)矩對電機(jī)運(yùn)行并沒有太大的影響,但是它卻對電機(jī)的起動(dòng)特性有著顯著的影響。文獻(xiàn)[2]詳細(xì)的介紹了如何來削弱高次諧波。本文將影響電機(jī)的高次諧波參數(shù)進(jìn)行綜合比較,如下表2所示。為了進(jìn)行方便的比較分析,我們列出了與體積有關(guān)的設(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)方案并進(jìn)行驗(yàn)證分析

從表2可看出,該款電機(jī)與Y132-4、Y2-132-4電機(jī)的不同主要是定子外徑與內(nèi)徑的差別,以及槽配合和氣隙的影響。我們優(yōu)先考慮如何對槽配合和氣隙進(jìn)行改進(jìn),為此我們改變轉(zhuǎn)子斜槽度,更換繞組型式(如采用短距雙層繞組)。定、轉(zhuǎn)子槽數(shù)對電機(jī)附加轉(zhuǎn)矩特性影響較大,其定子的槽數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)的小于轉(zhuǎn)子的槽數(shù),這里所敘述的內(nèi)容不在文獻(xiàn)[2]的敘述范圍。由于我們采用的是國外已經(jīng)應(yīng)用較為成熟的電機(jī)沖片進(jìn)行設(shè)計(jì)的,定、轉(zhuǎn)子槽數(shù)對電機(jī)附加轉(zhuǎn)矩特性控制的較為優(yōu)異。電機(jī)的氣隙相對較小,內(nèi)徑與Y132M-4比較吻合。因此可以利用增大氣隙的方法來減少諧波造成的影響。從另一方面來說,采用這種設(shè)計(jì)方法,我們對轉(zhuǎn)子外圓進(jìn)行車削也較為簡便。

我們將起動(dòng)不良的電機(jī)轉(zhuǎn)子拆出后進(jìn)行車削,將電機(jī)轉(zhuǎn)子的外圓從130.32 mm車至130.20 mm。重新放入轉(zhuǎn)子裝好電機(jī),并對電機(jī)的起動(dòng)時(shí)間進(jìn)行測試,起動(dòng)時(shí)間維持在2 s之內(nèi)。

除此之外,我們還對另外8臺(tái)起動(dòng)不良的電機(jī)進(jìn)行相同的處理,轉(zhuǎn)子經(jīng)過車削外圓重新裝入后起動(dòng)特性均良好,由此表明,增大氣隙是改進(jìn)電機(jī)起動(dòng)特性的有效方法。

2.2 改造后電機(jī)性能的測試

電機(jī)的激磁電抗Xm可表示為

Xm=4fuo(2)

從上式可以看出,加大氣隙可使主電抗Xm減小。維持電源輸入不變的情況下,加大勵(lì)磁電流,使負(fù)載電流相應(yīng)的增大,使電機(jī)的效率和功率因數(shù)降低。將起動(dòng)不良的電機(jī)轉(zhuǎn)子拆出后進(jìn)行車削,加大氣隙至0.40的電機(jī)進(jìn)行負(fù)載試驗(yàn),實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表3所示。因此結(jié)論完全正確。

3 結(jié)語

對于應(yīng)用到動(dòng)力控制系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī),采用矢量控制,往往應(yīng)用到精度要求較高的場合,而對于應(yīng)用精度要求較低的場合大都采用VVVF控制,它們均不需要電機(jī)進(jìn)行自起動(dòng)。即便如此,在空載情況下,變頻電機(jī)必須要有自起動(dòng)的能力。附加轉(zhuǎn)矩對電機(jī)的起動(dòng)性能影響較大,要采用相應(yīng)的控制算法控制轉(zhuǎn)速的升高。在不重新對電機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)的情況下,增大氣隙是削弱附加轉(zhuǎn)矩,是提升電機(jī)起動(dòng)能力的最為簡便的方法。由于當(dāng)前條件下,我們國內(nèi)尚不能夠采用相應(yīng)的計(jì)算軟件測出影響效果,這需要相關(guān)的設(shè)計(jì)人員認(rèn)真研究,參考國外的成熟經(jīng)驗(yàn),進(jìn)一步的提高國內(nèi)電機(jī)設(shè)計(jì)的合格率,從而提高具有較高性能的電機(jī)的國產(chǎn)比重。

參考文獻(xiàn)

[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.

[3] 任建平,白恩遠(yuǎn),王俊元,等.現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床故障診斷及維修[M].北京:國防工業(yè)出版社,2002(7).

[4] 白恩遠(yuǎn),王俊元,孫愛國.現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床伺服及檢測技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2002(1).endprint

摘 要:本文對某種國外設(shè)計(jì)的用于水泵的電機(jī)在工頻電源供電時(shí)不能夠自啟動(dòng)的問題,進(jìn)行了分析探討,并提出相應(yīng)的改進(jìn)方法。綜合分析電機(jī)的特性后得到相應(yīng)措施,分析出電機(jī)不能夠自起動(dòng)的主要原因是由于高次諧波磁場產(chǎn)生的附加轉(zhuǎn)矩。因此,我們可以通過增大定子和轉(zhuǎn)子之間的氣隙達(dá)到削弱電磁場產(chǎn)生的附加轉(zhuǎn)矩的影響,從而使變頻電機(jī)實(shí)現(xiàn)自啟動(dòng)功能。

關(guān)鍵詞:變頻電機(jī) 自起動(dòng) 附加轉(zhuǎn)矩 氣隙

中圖分類號(hào):TM921 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1672-3791(2014)01(b)-0111-02

當(dāng)前部分的電機(jī)都是采用裝有蓄電池的控制器進(jìn)行供電,這種電機(jī)的控制方式有轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速變化范圍比較寬,工作點(diǎn)較多,蓄電池的控制器變頻變壓采用全閉環(huán)控制等一系列優(yōu)點(diǎn)。不過大部分的變頻電機(jī)都不需要考慮電機(jī)的起動(dòng)性能;供電方式也只是采用工頻(220 V、50 Hz)的三相電源。但是有某種國外設(shè)計(jì)的電機(jī)在工頻電源供電時(shí),不能夠以正常轉(zhuǎn)速進(jìn)行起動(dòng)。這種弊端給測試電機(jī)的空載、噪聲、振動(dòng)、扭矩等性能帶來了極大的困難。在本中,我們通過增大定子和轉(zhuǎn)子之間的氣隙,從而達(dá)到削弱電磁場產(chǎn)生的附加轉(zhuǎn)矩的影響,從而使變頻電機(jī)實(shí)現(xiàn)自啟動(dòng)功能。

1 原因分析及測試過程回顧

1.1 起動(dòng)不良對電機(jī)其他性能的影響

為分析起動(dòng)不良對電機(jī)其他性能的影響,我們首先要確定電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的負(fù)載特性。我們對比一臺(tái)能夠正常啟動(dòng)的電機(jī)和一臺(tái)不能正常啟動(dòng)的電機(jī),采用變頻器來供電,設(shè)定三相電壓、頻率,測試三個(gè)工作點(diǎn)的負(fù)載特性如下表1所示。

由表1看出它們的負(fù)載特性比較相當(dāng),在此之后我們進(jìn)行溫度、噪聲、振動(dòng)環(huán)境下的測試,在這種條件下不能正常啟動(dòng)的電機(jī)并無異常。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,不能正常啟動(dòng)的電機(jī)別的性能均正常,只有啟動(dòng)特性受到影響。所以說不能正常啟動(dòng)是電機(jī)存在的主要問題。

1.2 電機(jī)不能正常起動(dòng)的原因

我們通過計(jì)算得出,電機(jī)在48 V、50 Hz的條件下,起動(dòng)轉(zhuǎn)矩達(dá)到4.5倍,起動(dòng)電流為8.7倍。電機(jī)端電壓為10 V。

因此我們可以看出由于電機(jī)起動(dòng)電流過大,引起電網(wǎng)電壓下降,最終導(dǎo)致電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩下降。當(dāng)我們把電源電壓降到30 V時(shí),電機(jī)依然處于“爬行”的狀態(tài),電機(jī)端電壓維持在10 V左右。從另一方面可以得到以下結(jié)論:起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和定子相電壓的平方成正比。隨著定子端電壓的加大,起動(dòng)轉(zhuǎn)矩成平方加大。將電機(jī)拿到測試中心加大端電壓測試,在測試中,即使將電壓值增加到100 V,起動(dòng)轉(zhuǎn)矩增長4倍的情況下,電機(jī)依然處在“爬行”狀態(tài),不能達(dá)到正常轉(zhuǎn)速。

由上述實(shí)驗(yàn)我們可以得出結(jié)論:電機(jī)不能正常起動(dòng)并不是由的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩不夠造成的。

1.3 最小轉(zhuǎn)矩影響

由于附加轉(zhuǎn)矩的影響,電機(jī)起動(dòng)過程中有最小轉(zhuǎn)矩,最小轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速僅僅為其同步轉(zhuǎn)速的1/13~1/7區(qū)間內(nèi)。國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1032—2005“三相電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)方法”中詳細(xì)介紹了測定最小轉(zhuǎn)矩的方法。但本文存在的起動(dòng)問題與最小轉(zhuǎn)矩關(guān)系不是特別的明顯電機(jī)的“爬行”轉(zhuǎn)速為700~900 r/min,約為同步轉(zhuǎn)速的1/2。因此,最小轉(zhuǎn)矩對電機(jī)的起動(dòng)有一定的影響。國標(biāo)GB/T1032 要求測試時(shí)給電機(jī)加載,但該電機(jī)在空載下即無法正常起動(dòng)。從以上的分析可以看出由于附加轉(zhuǎn)矩的存在,電機(jī)在起動(dòng)過程中有最小轉(zhuǎn)矩,且最小轉(zhuǎn)矩時(shí)的轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速的1/10~1/13附近。

1.4 高次諧波磁場影響

在供電系統(tǒng)中諧波電流的出現(xiàn)已經(jīng)有許多年了。過去,諧波電流是由電氣化鐵路和工業(yè)的直流調(diào)速傳動(dòng)裝置所用的,由交流變換為直流電的水銀整流器所產(chǎn)生的。近年來,產(chǎn)生諧波的設(shè)備類型及數(shù)量均已劇增,并將繼續(xù)增長。所以,我們必須很慎重地考慮諧波和它的不良影響,以及如何將不良影響減少到最小。在實(shí)際的供電系統(tǒng)中,由于有非線性負(fù)荷的存在,當(dāng)電流流過與所加電壓不呈線性關(guān)系的負(fù)荷時(shí),就形成非正弦電流。任何周期性波形均可分解為一個(gè)基頻正弦波加上許多諧波頻率的正弦波。諧波頻率是基頻的整倍數(shù),例如基頻為50 Hz,二次諧波為100 Hz,三次諧波則為150 Hz。因此畸變的電流波形可能有二次諧波、三次諧波……可能直到第三十次諧波組成。所有的非線性負(fù)荷都能產(chǎn)生諧波電流,產(chǎn)生諧波的設(shè)備類型有:開關(guān)模式電源(SMPS)、電子熒火燈鎮(zhèn)流器、調(diào)速傳動(dòng)裝置、不間斷電源(UPS)、磁性鐵芯設(shè)備及某些家用電器如電視機(jī)等。

我們采用高次諧波磁場進(jìn)行分析,由高次諧波磁勢能夠產(chǎn)生附加轉(zhuǎn)矩對電機(jī)運(yùn)行并沒有太大的影響,但是它卻對電機(jī)的起動(dòng)特性有著顯著的影響。文獻(xiàn)[2]詳細(xì)的介紹了如何來削弱高次諧波。本文將影響電機(jī)的高次諧波參數(shù)進(jìn)行綜合比較,如下表2所示。為了進(jìn)行方便的比較分析,我們列出了與體積有關(guān)的設(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)方案并進(jìn)行驗(yàn)證分析

從表2可看出,該款電機(jī)與Y132-4、Y2-132-4電機(jī)的不同主要是定子外徑與內(nèi)徑的差別,以及槽配合和氣隙的影響。我們優(yōu)先考慮如何對槽配合和氣隙進(jìn)行改進(jìn),為此我們改變轉(zhuǎn)子斜槽度,更換繞組型式(如采用短距雙層繞組)。定、轉(zhuǎn)子槽數(shù)對電機(jī)附加轉(zhuǎn)矩特性影響較大,其定子的槽數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)的小于轉(zhuǎn)子的槽數(shù),這里所敘述的內(nèi)容不在文獻(xiàn)[2]的敘述范圍。由于我們采用的是國外已經(jīng)應(yīng)用較為成熟的電機(jī)沖片進(jìn)行設(shè)計(jì)的,定、轉(zhuǎn)子槽數(shù)對電機(jī)附加轉(zhuǎn)矩特性控制的較為優(yōu)異。電機(jī)的氣隙相對較小,內(nèi)徑與Y132M-4比較吻合。因此可以利用增大氣隙的方法來減少諧波造成的影響。從另一方面來說,采用這種設(shè)計(jì)方法,我們對轉(zhuǎn)子外圓進(jìn)行車削也較為簡便。

我們將起動(dòng)不良的電機(jī)轉(zhuǎn)子拆出后進(jìn)行車削,將電機(jī)轉(zhuǎn)子的外圓從130.32 mm車至130.20 mm。重新放入轉(zhuǎn)子裝好電機(jī),并對電機(jī)的起動(dòng)時(shí)間進(jìn)行測試,起動(dòng)時(shí)間維持在2 s之內(nèi)。

除此之外,我們還對另外8臺(tái)起動(dòng)不良的電機(jī)進(jìn)行相同的處理,轉(zhuǎn)子經(jīng)過車削外圓重新裝入后起動(dòng)特性均良好,由此表明,增大氣隙是改進(jìn)電機(jī)起動(dòng)特性的有效方法。

2.2 改造后電機(jī)性能的測試

電機(jī)的激磁電抗Xm可表示為

Xm=4fuo(2)

從上式可以看出,加大氣隙可使主電抗Xm減小。維持電源輸入不變的情況下,加大勵(lì)磁電流,使負(fù)載電流相應(yīng)的增大,使電機(jī)的效率和功率因數(shù)降低。將起動(dòng)不良的電機(jī)轉(zhuǎn)子拆出后進(jìn)行車削,加大氣隙至0.40的電機(jī)進(jìn)行負(fù)載試驗(yàn),實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表3所示。因此結(jié)論完全正確。

3 結(jié)語

對于應(yīng)用到動(dòng)力控制系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī),采用矢量控制,往往應(yīng)用到精度要求較高的場合,而對于應(yīng)用精度要求較低的場合大都采用VVVF控制,它們均不需要電機(jī)進(jìn)行自起動(dòng)。即便如此,在空載情況下,變頻電機(jī)必須要有自起動(dòng)的能力。附加轉(zhuǎn)矩對電機(jī)的起動(dòng)性能影響較大,要采用相應(yīng)的控制算法控制轉(zhuǎn)速的升高。在不重新對電機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)的情況下,增大氣隙是削弱附加轉(zhuǎn)矩,是提升電機(jī)起動(dòng)能力的最為簡便的方法。由于當(dāng)前條件下,我們國內(nèi)尚不能夠采用相應(yīng)的計(jì)算軟件測出影響效果,這需要相關(guān)的設(shè)計(jì)人員認(rèn)真研究,參考國外的成熟經(jīng)驗(yàn),進(jìn)一步的提高國內(nèi)電機(jī)設(shè)計(jì)的合格率,從而提高具有較高性能的電機(jī)的國產(chǎn)比重。

參考文獻(xiàn)

[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.

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[3] 任建平,白恩遠(yuǎn),王俊元,等.現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床故障診斷及維修[M].北京:國防工業(yè)出版社,2002(7).

[4] 白恩遠(yuǎn),王俊元,孫愛國.現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床伺服及檢測技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2002(1).endprint

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