變頻電機起動性能不良分析及改進

陳會崇

(金泰德勝電機有限公司，廣東佛山 528308)

0 引言

用于驅動電動叉車及電動汽車的異步電機，一般由蓄電池通過控制器供電，其具有轉矩轉速變化范圍寬，工作點較多，控制器變頻變壓(VVVF)閉環控制等特點。作為變頻電機，通常無需考核其起動性能;但電機制造廠做電機的出廠測試時，供電設備往往是工頻(50 Hz)電源。一種國外設計的電動叉車用電機在工頻電源供電時不能起動到正常轉速，4極電機的同步轉速為1 500 r/min，但該4極電機轉速只能達到700～900 r/min，處于“爬行”狀態。不良率達30% ～40%，其他能正常起動的電機，起動時間亦較長，達3～4 s。這些都給測試電機的空載、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 起動不良對電機其他性能的影響

首先需要確定不能正常起動的電機的負載性能如何。用一臺起動正常的電機和一臺不良電機，通過變頻器供電并設定了電源電壓、頻率，測試了三個工作點的負載性能，測得數據見表1。

表1 起動性能不同的兩臺電機的負載試驗數據

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

1.2 起動不良的原因

通過Ansoft RMxprt計算得出，電機在48 V、50 Hz時的起動轉矩倍數為4.5，起動電流倍數達8.7。通電時測得電機端電壓僅約為10 V。因異步電機的起動轉矩Tst可用公式表示為

故懷疑電機的起動電流過大，引起電網電壓顯著下降，導致其起動轉矩下降。但將電源電壓下降到20～30 V時，電機還是處于“爬行”狀態，電機端電壓維持在約10 V。

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

上述事實說明，電機的起動轉矩不是電機起動不良的決定性因素。

1.3 最小轉矩

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

1.4 高次諧波磁場的影響

從高次諧波磁場進行分析，由高次諧波磁勢產生的高次諧波磁場及其附加轉矩，對電機運行的影響并不大，但對電機的起動有顯著影響。文獻[2]介紹了削弱高次諧波的設計要素。現將該電機可能影響高次諧波的設計參數綜合起來，見表2。為便于比較，表2也列出了與該電機體積相似的Y132-4，Y2-132-4的相應設計參數。

表2 該款電機與Y132M-4的部分設計參數

2 改進措施及其對電機性能的影響

2.1 制定最佳改進方案并驗證

從表2可看出，該款電機與Y132-4、Y2-132-4的不同主要有定子外徑/定子內徑，槽配合，氣隙等。可優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)和轉子斜槽度。

定、轉子槽數可能是影響附加轉矩的關鍵因素，其轉子槽數大于定子槽數且相差較大，不在文獻[2]推薦范圍。但因為該款電機沖片是國外的設計，已經開模且是較為成熟的產品，故修改轉子槽數的風險較高，不宜采用。該款電機的定子內徑與Y132M-4相當，但氣隙較小。故，可通過增大氣隙來削弱諧波。車削轉子外圓從制造上來說也容易得多。

將一臺起動不良電機拆機后，測得轉子外圓為φ130.32 mm。按照Y132M-4數據，將其車至φ130.20 mm。重新裝機后，電機起動正常且起動時間在2 s以內。

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

2.2 改制對電機性能的影響

異步電機的主電抗(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，造成負載電流增大，效率和功率因數降低。對車大氣隙至0.40的電機做負載試驗，驗證了上述結論，試驗數據如表3所示。

表3 車大氣隙至0.40的電機的負載試驗數據

3 結語

應用于動力控制系統的電機，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，均不要求電機自起動。盡管如此，變頻電機應具備空載情況下的自起動能力。高次諧波磁場產生的附加轉矩對電機的起動性能有顯著影響，嚴重時會使電機在起動時產生“死點”，轉速無法升高。在不希望重新設計電機的情況下，增大定、轉子之間的氣隙是削弱高次諧波、提高電機起動能力的簡單有效的方法。但現有的電磁設計軟件尚不具備計算高次諧波及其影響的功能，這就需要電機設計人員認真研究，多參考現有產品的成熟經驗，以免設計的電機不合要求。

[1]湯蘊璆，史乃，沈文豹.電機理論與進行(上冊)[M].北京:水利電力出版社，1983.

[2]陳世坤.電機設計[M].北京:機械工業出版社，2000.