变频电机在工频电源下的性能分析探讨

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摘 要：本文对某种国外设计的用于水泵的电机在工频电源供电时不能够自启动的问题，进行了分析探讨，并提出相应的改进方法。综合分析电机的特性后得到相应措施，分析出电机不能够自起动的主要原因是由于高次谐波磁场产生的附加转矩。因此，我们可以通过增大定子和转子之间的气隙达到削弱电磁场产生的附加转矩的影响，从而使变频电机实现自启动功能。

关键词：变频电机 自起动 附加转矩 气隙

中图分类号：TM921 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）01（b）-0111-02

当前部分的电机都是采用装有蓄电池的控制器进行供电，这种电机的控制方式有转矩转速变化范围比较宽，工作点较多，蓄电池的控制器变频变压采用全闭环控制等一系列优点。不过大部分的变频电机都不需要考虑电机的起动性能；供电方式也只是采用工频（220 V、50 Hz）的三相电源。但是有某种国外设计的电机在工频电源供电时，不能够以正常转速进行起动。这种弊端给测试电机的空载、噪声、振动、扭矩等性能带来了极大的困难。在本中，我们通过增大定子和转子之间的气隙，从而达到削弱电磁场产生的附加转矩的影响，从而使变频电机实现自启动功能。

1 原因分析及测试过程回顾

1.1 起动不良对电机其他性能的影响

为分析起动不良对电机其他性能的影响，我们首先要确定电机启动时的负载特性。我们对比一台能够正常启动的电机和一台不能正常启动的电机，采用变频器来供电，设定三相电压、频率，测试三个工作点的负载特性如下表1所示。

由表1看出它们的负载特性比较相当，在此之后我们进行温度、噪声、振动环境下的测试，在这种条件下不能正常启动的电机并无异常。实验结果表明，不能正常启动的电机别的性能均正常，只有启动特性受到影响。所以说不能正常启动是电机存在的主要问题。

1.2 电机不能正常起动的原因

我们通过计算得出，电机在48 V、50 Hz的条件下，起动转矩达到4.5倍，起动电流为8.7倍。电机端电压为10 V。

因此我们可以看出由于电机起动电流过大，引起电网电压下降，最终导致电机的起动转矩下降。当我们把电源电压降到30 V时，电机依然处于“爬行”的状态，电机端电压维持在10 V左右。从另一方面可以得到以下结论：起动转矩和定子相电压的平方成正比。随着定子端电压的加大，起动转矩成平方加大。将电机拿到测试中心加大端电压测试，在测试中，即使将电压值增加到100 V，起动转矩增长4倍的情况下，电机依然处在“爬行”状态，不能达到正常转速。

由上述实验我们可以得出结论：电机不能正常起动并不是由的起动转矩不够造成的。

1.3 最小转矩影响

由于附加转矩的影响，电机起动过程中有最小转矩，最小转矩转速仅仅为其同步转速的1/13～1/7区间内。国家标准GB/T 1032―2005“三相电动机试验方法”中详细介绍了测定最小转矩的方法。但本文存在的起动问题与最小转矩关系不是特别的明显电机的“爬行”转速为700～900 r/min，约为同步转速的1/2。因此，最小转矩对电机的起动有一定的影响。国标GB/T1032 要求测试时给电机加载，但该电机在空载下即无法正常起动。从以上的分析可以看出由于附加转矩的存在，电机在起动过程中有最小转矩，且最小转矩时的转速为同步转速的1/10～1/13附近。

1.4 高次谐波磁场影响

在供电系统中谐波电流的出现已经有许多年了。过去，谐波电流是由电气化铁路和工业的直流调速传动装置所用的，由交流变换为直流电的水银整流器所产生的。近年来，产生谐波的设备类型及数量均已剧增，并将继续增长。所以，我们必须很慎重地考虑谐波和它的不良影响，以及如何将不良影响减少到最小。在实际的供电系统中，由于有非线性负荷的存在，当电流流过与所加电压不呈线性关系的负荷时，就形成非正弦电流。任何周期性波形均可分解为一个基频正弦波加上许多谐波频率的正弦波。谐波频率是基频的整倍数，例如基频为50 Hz，二次谐波为100 Hz，三次谐波则为150 Hz。因此畸变的电流波形可能有二次谐波、三次谐波……可能直到第三十次谐波组成。所有的非线性负荷都能产生谐波电流，产生谐波的设备类型有：开关模式电源（SMPS）、电子荧火灯镇流器、调速传动装置、不间断电源（UPS）、磁性铁芯设备及某些家用电器如电视机等。

我们采用高次谐波磁场进行分析，由高次谐波磁势能够产生附加转矩对电机运行并没有太大的影响，但是它却对电机的起动特性有着显著的影响。文献[2]详细的介绍了如何来削弱高次谐波。本文将影响电机的高次谐波参数进行综合比较，如下表2所示。为了进行方便的比较分析，我们列出了与体积有关的设计参数。

2 改进措施及其对电机性能的影响

2.1 制定最佳改进方案并进行验证分析

从表2可看出，该款电机与Y132-4、Y2-132-4电机的不同主要是定子外径与内径的差别，以及槽配合和气隙的影响。我们优先考虑如何对槽配合和气隙进行改进，为此我们改变转子斜槽度，更换绕组型式（如采用短距双层绕组）。定、转子槽数对电机附加转矩特性影响较大，其定子的槽数远远的小于转子的槽数，这里所叙述的内容不在文献[2]的叙述范围。由于我们采用的是国外已经应用较为成熟的电机冲片进行设计的，定、转子槽数对电机附加转矩特性控制的较为优异。电机的气隙相对较小，内径与Y132M-4比较吻合。因此可以利用增大气隙的方法来减少谐波造成的影响。从另一方面来说，采用这种设计方法，我们对转子外圆进行车削也较为简便。

我们将起动不良的电机转子拆出后进行车削，将电机转子的外圆从130.32 mm车至130.20 mm。重新放入转子装好电机，并对电机的起动时间进行测试，起动时间维持在2 s之内。

除此之外，我们还对另外8台起动不良的电机进行相同的处理，转子经过车削外圆重新装入后起动特性均良好，由此表明，增大气隙是改进电机起动特性的有效方法。

2.2 改造后电机性能的测试

电机的激磁电抗Xm可表示为

Xm=4fuo（2）

从上式可以看出，加大气隙可使主电抗Xm减小。维持电源输入不变的情况下，加大励磁电流，使负载电流相应的增大，使电机的效率和功率因数降低。将起动不良的电机转子拆出后进行车削，加大气隙至0.40的电机进行负载试验，实验数据如下表3所示。因此结论完全正确。

3 结语

对于应用到动力控制系统的电动机，采用矢量控制，往往应用到精度要求较高的场合，而对于应用精度要求较低的场合大都采用VVVF控制，它们均不需要电机进行自起动。即便如此，在空载情况下，变频电机必须要有自起动的能力。附加转矩对电机的起动性能影响较大，要采用相应的控制算法控制转速的升高。在不重新对电机进行设计的情况下，增大气隙是削弱附加转矩，是提升电机起动能力的最为简便的方法。由于当前条件下，我们国内尚不能够采用相应的计算软件测出影响效果，这需要相关的设计人员认真研究，参考国外的成熟经验，进一步的提高国内电机设计的合格率，从而提高具有较高性能的电机的国产比重。

参考文献

[1] 汤蕴，史乃，沈文豹.电机理论与进行（上册）[M].北京：水利电力出版社，1983.

[2] 陈世坤.电机设计[M].北京：机械工业出版社，2000.

[3] 任建平，白恩远，王俊元，等.现代数控机床故障诊断及维修[M].北京：国防工业出版社，2002（7）.

[4] 白恩远，王俊元，孙爱国.现代数控机床伺服及检测技术[M].北京：国防工业出版社，2002（1）.