變頻電機在工頻電源下的性能分析探討

奚培榮++李國俊

摘 要：本文對某種國外設計的用于水泵的電機在工頻電源供電時不能夠自啟動的問題，進行了分析探討，并提出相應的改進方法。綜合分析電機的特性后得到相應措施，分析出電機不能夠自起動的主要原因是由于高次諧波磁場產生的附加轉矩。因此，我們可以通過增大定子和轉子之間的氣隙達到削弱電磁場產生的附加轉矩的影響，從而使變頻電機實現自啟動功能。

關鍵詞：變頻電機 自起動 附加轉矩 氣隙

中圖分類號：TM921 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）01（b）-0111-02

當前部分的電機都是采用裝有蓄電池的控制器進行供電，這種電機的控制方式有轉矩轉速變化范圍比較寬，工作點較多，蓄電池的控制器變頻變壓采用全閉環控制等一系列優點。不過大部分的變頻電機都不需要考慮電機的起動性能；供電方式也只是采用工頻（220 V、50 Hz）的三相電源。但是有某種國外設計的電機在工頻電源供電時，不能夠以正常轉速進行起動。這種弊端給測試電機的空載、噪聲、振動、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子之間的氣隙，從而達到削弱電磁場產生的附加轉矩的影響，從而使變頻電機實現自啟動功能。

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

為分析起動不良對電機其他性能的影響，我們首先要確定電機啟動時的負載特性。我們對比一臺能夠正常啟動的電機和一臺不能正常啟動的電機，采用變頻器來供電，設定三相電壓、頻率，測試三個工作點的負載特性如下表1所示。

由表1看出它們的負載特性比較相當，在此之后我們進行溫度、噪聲、振動環境下的測試，在這種條件下不能正常啟動的電機并無異常。實驗結果表明，不能正常啟動的電機別的性能均正常，只有啟動特性受到影響。所以說不能正常啟動是電機存在的主要問題。

1.2 電機不能正常起動的原因

我們通過計算得出，電機在48 V、50 Hz的條件下，起動轉矩達到4.5倍，起動電流為8.7倍。電機端電壓為10 V。

因此我們可以看出由于電機起動電流過大，引起電網電壓下降，最終導致電機的起動轉矩下降。當我們把電源電壓降到30 V時，電機依然處于“爬行”的狀態，電機端電壓維持在10 V左右。從另一方面可以得到以下結論：起動轉矩和定子相電壓的平方成正比。隨著定子端電壓的加大，起動轉矩成平方加大。將電機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，起動轉矩增長4倍的情況下，電機依然處在“爬行”狀態，不能達到正常轉速。

由上述實驗我們可以得出結論：電機不能正常起動并不是由的起動轉矩不夠造成的。

1.3 最小轉矩影響

由于附加轉矩的影響，電機起動過程中有最小轉矩，最小轉矩轉速僅僅為其同步轉速的1/13～1/7區間內。國家標準GB/T 1032—2005“三相電動機試驗方法”中詳細介紹了測定最小轉矩的方法。但本文存在的起動問題與最小轉矩關系不是特別的明顯電機的“爬行”轉速為700～900 r/min，約為同步轉速的1/2。因此，最小轉矩對電機的起動有一定的影響。國標GB/T1032 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。從以上的分析可以看出由于附加轉矩的存在，電機在起動過程中有最小轉矩，且最小轉矩時的轉速為同步轉速的1/10～1/13附近。

1.4 高次諧波磁場影響

在供電系統中諧波電流的出現已經有許多年了。過去，諧波電流是由電氣化鐵路和工業的直流調速傳動裝置所用的，由交流變換為直流電的水銀整流器所產生的。近年來，產生諧波的設備類型及數量均已劇增，并將繼續增長。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。在實際的供電系統中，由于有非線性負荷的存在，當電流流過與所加電壓不呈線性關系的負荷時，就形成非正弦電流。任何周期性波形均可分解為一個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，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。所有的非線性負荷都能產生諧波電流，產生諧波的設備類型有：開關模式電源（SMPS）、電子熒火燈鎮流器、調速傳動裝置、不間斷電源（UPS）、磁性鐵芯設備及某些家用電器如電視機等。

我們采用高次諧波磁場進行分析，由高次諧波磁勢能夠產生附加轉矩對電機運行并沒有太大的影響，但是它卻對電機的起動特性有著顯著的影響。文獻[2]詳細的介紹了如何來削弱高次諧波。本文將影響電機的高次諧波參數進行綜合比較，如下表2所示。為了進行方便的比較分析，我們列出了與體積有關的設計參數。

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進行驗證分析

從表2可看出，該款電機與Y132-4、Y2-132-4電機的不同主要是定子外徑與內徑的差別，以及槽配合和氣隙的影響。我們優先考慮如何對槽配合和氣隙進行改進，為此我們改變轉子斜槽度，更換繞組型式（如采用短距雙層繞組）。定、轉子槽數對電機附加轉矩特性影響較大，其定子的槽數遠遠的小于轉子的槽數，這里所敘述的內容不在文獻[2]的敘述范圍。由于我們采用的是國外已經應用較為成熟的電機沖片進行設計的，定、轉子槽數對電機附加轉矩特性控制的較為優異。電機的氣隙相對較小，內徑與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，采用這種設計方法，我們對轉子外圓進行車削也較為簡便。

我們將起動不良的電機轉子拆出后進行車削，將電機轉子的外圓從130.32 mm車至130.20 mm。重新放入轉子裝好電機，并對電機的起動時間進行測試，起動時間維持在2 s之內。

除此之外，我們還對另外8臺起動不良的電機進行相同的處理，轉子經過車削外圓重新裝入后起動特性均良好，由此表明，增大氣隙是改進電機起動特性的有效方法。

2.2 改造后電機性能的測試

電機的激磁電抗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，加大勵磁電流，使負載電流相應的增大，使電機的效率和功率因數降低。將起動不良的電機轉子拆出后進行車削，加大氣隙至0.40的電機進行負載試驗，實驗數據如下表3所示。因此結論完全正確。

3 結語

對于應用到動力控制系統的電動機，采用矢量控制，往往應用到精度要求較高的場合，而對于應用精度要求較低的場合大都采用VVVF控制，它們均不需要電機進行自起動。即便如此，在空載情況下，變頻電機必須要有自起動的能力。附加轉矩對電機的起動性能影響較大，要采用相應的控制算法控制轉速的升高。在不重新對電機進行設計的情況下，增大氣隙是削弱附加轉矩，是提升電機起動能力的最為簡便的方法。由于當前條件下，我們國內尚不能夠采用相應的計算軟件測出影響效果，這需要相關的設計人員認真研究，參考國外的成熟經驗，進一步的提高國內電機設計的合格率，從而提高具有較高性能的電機的國產比重。

參考文獻

[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.

[3] 任建平，白恩遠，王俊元，等.現代數控機床故障診斷及維修[M].北京：國防工業出版社，2002（7）.

[4] 白恩遠，王俊元，孫愛國.現代數控機床伺服及檢測技術[M].北京：國防工業出版社，2002（1）.endprint

摘 要：本文對某種國外設計的用于水泵的電機在工頻電源供電時不能夠自啟動的問題，進行了分析探討，并提出相應的改進方法。綜合分析電機的特性后得到相應措施，分析出電機不能夠自起動的主要原因是由于高次諧波磁場產生的附加轉矩。因此，我們可以通過增大定子和轉子之間的氣隙達到削弱電磁場產生的附加轉矩的影響，從而使變頻電機實現自啟動功能。

關鍵詞：變頻電機 自起動 附加轉矩 氣隙

中圖分類號：TM921 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）01（b）-0111-02

當前部分的電機都是采用裝有蓄電池的控制器進行供電，這種電機的控制方式有轉矩轉速變化范圍比較寬，工作點較多，蓄電池的控制器變頻變壓采用全閉環控制等一系列優點。不過大部分的變頻電機都不需要考慮電機的起動性能；供電方式也只是采用工頻（220 V、50 Hz）的三相電源。但是有某種國外設計的電機在工頻電源供電時，不能夠以正常轉速進行起動。這種弊端給測試電機的空載、噪聲、振動、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子之間的氣隙，從而達到削弱電磁場產生的附加轉矩的影響，從而使變頻電機實現自啟動功能。

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

為分析起動不良對電機其他性能的影響，我們首先要確定電機啟動時的負載特性。我們對比一臺能夠正常啟動的電機和一臺不能正常啟動的電機，采用變頻器來供電，設定三相電壓、頻率，測試三個工作點的負載特性如下表1所示。

由表1看出它們的負載特性比較相當，在此之后我們進行溫度、噪聲、振動環境下的測試，在這種條件下不能正常啟動的電機并無異常。實驗結果表明，不能正常啟動的電機別的性能均正常，只有啟動特性受到影響。所以說不能正常啟動是電機存在的主要問題。

1.2 電機不能正常起動的原因

我們通過計算得出，電機在48 V、50 Hz的條件下，起動轉矩達到4.5倍，起動電流為8.7倍。電機端電壓為10 V。

因此我們可以看出由于電機起動電流過大，引起電網電壓下降，最終導致電機的起動轉矩下降。當我們把電源電壓降到30 V時，電機依然處于“爬行”的狀態，電機端電壓維持在10 V左右。從另一方面可以得到以下結論：起動轉矩和定子相電壓的平方成正比。隨著定子端電壓的加大，起動轉矩成平方加大。將電機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，起動轉矩增長4倍的情況下，電機依然處在“爬行”狀態，不能達到正常轉速。

由上述實驗我們可以得出結論：電機不能正常起動并不是由的起動轉矩不夠造成的。

1.3 最小轉矩影響

由于附加轉矩的影響，電機起動過程中有最小轉矩，最小轉矩轉速僅僅為其同步轉速的1/13～1/7區間內。國家標準GB/T 1032—2005“三相電動機試驗方法”中詳細介紹了測定最小轉矩的方法。但本文存在的起動問題與最小轉矩關系不是特別的明顯電機的“爬行”轉速為700～900 r/min，約為同步轉速的1/2。因此，最小轉矩對電機的起動有一定的影響。國標GB/T1032 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。從以上的分析可以看出由于附加轉矩的存在，電機在起動過程中有最小轉矩，且最小轉矩時的轉速為同步轉速的1/10～1/13附近。

1.4 高次諧波磁場影響

在供電系統中諧波電流的出現已經有許多年了。過去，諧波電流是由電氣化鐵路和工業的直流調速傳動裝置所用的，由交流變換為直流電的水銀整流器所產生的。近年來，產生諧波的設備類型及數量均已劇增，并將繼續增長。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。在實際的供電系統中，由于有非線性負荷的存在，當電流流過與所加電壓不呈線性關系的負荷時，就形成非正弦電流。任何周期性波形均可分解為一個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，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。所有的非線性負荷都能產生諧波電流，產生諧波的設備類型有：開關模式電源（SMPS）、電子熒火燈鎮流器、調速傳動裝置、不間斷電源（UPS）、磁性鐵芯設備及某些家用電器如電視機等。

我們采用高次諧波磁場進行分析，由高次諧波磁勢能夠產生附加轉矩對電機運行并沒有太大的影響，但是它卻對電機的起動特性有著顯著的影響。文獻[2]詳細的介紹了如何來削弱高次諧波。本文將影響電機的高次諧波參數進行綜合比較，如下表2所示。為了進行方便的比較分析，我們列出了與體積有關的設計參數。

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進行驗證分析

從表2可看出，該款電機與Y132-4、Y2-132-4電機的不同主要是定子外徑與內徑的差別，以及槽配合和氣隙的影響。我們優先考慮如何對槽配合和氣隙進行改進，為此我們改變轉子斜槽度，更換繞組型式（如采用短距雙層繞組）。定、轉子槽數對電機附加轉矩特性影響較大，其定子的槽數遠遠的小于轉子的槽數，這里所敘述的內容不在文獻[2]的敘述范圍。由于我們采用的是國外已經應用較為成熟的電機沖片進行設計的，定、轉子槽數對電機附加轉矩特性控制的較為優異。電機的氣隙相對較小，內徑與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，采用這種設計方法，我們對轉子外圓進行車削也較為簡便。

我們將起動不良的電機轉子拆出后進行車削，將電機轉子的外圓從130.32 mm車至130.20 mm。重新放入轉子裝好電機，并對電機的起動時間進行測試，起動時間維持在2 s之內。

除此之外，我們還對另外8臺起動不良的電機進行相同的處理，轉子經過車削外圓重新裝入后起動特性均良好，由此表明，增大氣隙是改進電機起動特性的有效方法。

2.2 改造后電機性能的測試

電機的激磁電抗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，加大勵磁電流，使負載電流相應的增大，使電機的效率和功率因數降低。將起動不良的電機轉子拆出后進行車削，加大氣隙至0.40的電機進行負載試驗，實驗數據如下表3所示。因此結論完全正確。

3 結語

對于應用到動力控制系統的電動機，采用矢量控制，往往應用到精度要求較高的場合，而對于應用精度要求較低的場合大都采用VVVF控制，它們均不需要電機進行自起動。即便如此，在空載情況下，變頻電機必須要有自起動的能力。附加轉矩對電機的起動性能影響較大，要采用相應的控制算法控制轉速的升高。在不重新對電機進行設計的情況下，增大氣隙是削弱附加轉矩，是提升電機起動能力的最為簡便的方法。由于當前條件下，我們國內尚不能夠采用相應的計算軟件測出影響效果，這需要相關的設計人員認真研究，參考國外的成熟經驗，進一步的提高國內電機設計的合格率，從而提高具有較高性能的電機的國產比重。

參考文獻

[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.

[3] 任建平，白恩遠，王俊元，等.現代數控機床故障診斷及維修[M].北京：國防工業出版社，2002（7）.

[4] 白恩遠，王俊元，孫愛國.現代數控機床伺服及檢測技術[M].北京：國防工業出版社，2002（1）.endprint

摘 要：本文對某種國外設計的用于水泵的電機在工頻電源供電時不能夠自啟動的問題，進行了分析探討，并提出相應的改進方法。綜合分析電機的特性后得到相應措施，分析出電機不能夠自起動的主要原因是由于高次諧波磁場產生的附加轉矩。因此，我們可以通過增大定子和轉子之間的氣隙達到削弱電磁場產生的附加轉矩的影響，從而使變頻電機實現自啟動功能。

關鍵詞：變頻電機 自起動 附加轉矩 氣隙

中圖分類號：TM921 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）01（b）-0111-02

當前部分的電機都是采用裝有蓄電池的控制器進行供電，這種電機的控制方式有轉矩轉速變化范圍比較寬，工作點較多，蓄電池的控制器變頻變壓采用全閉環控制等一系列優點。不過大部分的變頻電機都不需要考慮電機的起動性能；供電方式也只是采用工頻（220 V、50 Hz）的三相電源。但是有某種國外設計的電機在工頻電源供電時，不能夠以正常轉速進行起動。這種弊端給測試電機的空載、噪聲、振動、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子之間的氣隙，從而達到削弱電磁場產生的附加轉矩的影響，從而使變頻電機實現自啟動功能。

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

為分析起動不良對電機其他性能的影響，我們首先要確定電機啟動時的負載特性。我們對比一臺能夠正常啟動的電機和一臺不能正常啟動的電機，采用變頻器來供電，設定三相電壓、頻率，測試三個工作點的負載特性如下表1所示。

由表1看出它們的負載特性比較相當，在此之后我們進行溫度、噪聲、振動環境下的測試，在這種條件下不能正常啟動的電機并無異常。實驗結果表明，不能正常啟動的電機別的性能均正常，只有啟動特性受到影響。所以說不能正常啟動是電機存在的主要問題。

1.2 電機不能正常起動的原因

我們通過計算得出，電機在48 V、50 Hz的條件下，起動轉矩達到4.5倍，起動電流為8.7倍。電機端電壓為10 V。

因此我們可以看出由于電機起動電流過大，引起電網電壓下降，最終導致電機的起動轉矩下降。當我們把電源電壓降到30 V時，電機依然處于“爬行”的狀態，電機端電壓維持在10 V左右。從另一方面可以得到以下結論：起動轉矩和定子相電壓的平方成正比。隨著定子端電壓的加大，起動轉矩成平方加大。將電機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，起動轉矩增長4倍的情況下，電機依然處在“爬行”狀態，不能達到正常轉速。

由上述實驗我們可以得出結論：電機不能正常起動并不是由的起動轉矩不夠造成的。

1.3 最小轉矩影響

由于附加轉矩的影響，電機起動過程中有最小轉矩，最小轉矩轉速僅僅為其同步轉速的1/13～1/7區間內。國家標準GB/T 1032—2005“三相電動機試驗方法”中詳細介紹了測定最小轉矩的方法。但本文存在的起動問題與最小轉矩關系不是特別的明顯電機的“爬行”轉速為700～900 r/min，約為同步轉速的1/2。因此，最小轉矩對電機的起動有一定的影響。國標GB/T1032 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。從以上的分析可以看出由于附加轉矩的存在，電機在起動過程中有最小轉矩，且最小轉矩時的轉速為同步轉速的1/10～1/13附近。

1.4 高次諧波磁場影響

在供電系統中諧波電流的出現已經有許多年了。過去，諧波電流是由電氣化鐵路和工業的直流調速傳動裝置所用的，由交流變換為直流電的水銀整流器所產生的。近年來，產生諧波的設備類型及數量均已劇增，并將繼續增長。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。在實際的供電系統中，由于有非線性負荷的存在，當電流流過與所加電壓不呈線性關系的負荷時，就形成非正弦電流。任何周期性波形均可分解為一個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，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。所有的非線性負荷都能產生諧波電流，產生諧波的設備類型有：開關模式電源（SMPS）、電子熒火燈鎮流器、調速傳動裝置、不間斷電源（UPS）、磁性鐵芯設備及某些家用電器如電視機等。

我們采用高次諧波磁場進行分析，由高次諧波磁勢能夠產生附加轉矩對電機運行并沒有太大的影響，但是它卻對電機的起動特性有著顯著的影響。文獻[2]詳細的介紹了如何來削弱高次諧波。本文將影響電機的高次諧波參數進行綜合比較，如下表2所示。為了進行方便的比較分析，我們列出了與體積有關的設計參數。

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進行驗證分析

從表2可看出，該款電機與Y132-4、Y2-132-4電機的不同主要是定子外徑與內徑的差別，以及槽配合和氣隙的影響。我們優先考慮如何對槽配合和氣隙進行改進，為此我們改變轉子斜槽度，更換繞組型式（如采用短距雙層繞組）。定、轉子槽數對電機附加轉矩特性影響較大，其定子的槽數遠遠的小于轉子的槽數，這里所敘述的內容不在文獻[2]的敘述范圍。由于我們采用的是國外已經應用較為成熟的電機沖片進行設計的，定、轉子槽數對電機附加轉矩特性控制的較為優異。電機的氣隙相對較小，內徑與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，采用這種設計方法，我們對轉子外圓進行車削也較為簡便。

我們將起動不良的電機轉子拆出后進行車削，將電機轉子的外圓從130.32 mm車至130.20 mm。重新放入轉子裝好電機，并對電機的起動時間進行測試，起動時間維持在2 s之內。

除此之外，我們還對另外8臺起動不良的電機進行相同的處理，轉子經過車削外圓重新裝入后起動特性均良好，由此表明，增大氣隙是改進電機起動特性的有效方法。

2.2 改造后電機性能的測試

電機的激磁電抗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，加大勵磁電流，使負載電流相應的增大，使電機的效率和功率因數降低。將起動不良的電機轉子拆出后進行車削，加大氣隙至0.40的電機進行負載試驗，實驗數據如下表3所示。因此結論完全正確。

3 結語

對于應用到動力控制系統的電動機，采用矢量控制，往往應用到精度要求較高的場合，而對于應用精度要求較低的場合大都采用VVVF控制，它們均不需要電機進行自起動。即便如此，在空載情況下，變頻電機必須要有自起動的能力。附加轉矩對電機的起動性能影響較大，要采用相應的控制算法控制轉速的升高。在不重新對電機進行設計的情況下，增大氣隙是削弱附加轉矩，是提升電機起動能力的最為簡便的方法。由于當前條件下，我們國內尚不能夠采用相應的計算軟件測出影響效果，這需要相關的設計人員認真研究，參考國外的成熟經驗，進一步的提高國內電機設計的合格率，從而提高具有較高性能的電機的國產比重。

參考文獻

[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.

[3] 任建平，白恩遠，王俊元，等.現代數控機床故障診斷及維修[M].北京：國防工業出版社，2002（7）.

[4] 白恩遠，王俊元，孫愛國.現代數控機床伺服及檢測技術[M].北京：國防工業出版社，2002（1）.endprint