異步起動永磁同步電動機啟動轉矩的測定

劉仲賢

(中油遼河工程有限公司，遼寧盤錦124010)

?

異步起動永磁同步電動機啟動轉矩的測定

劉仲賢

(中油遼河工程有限公司，遼寧盤錦124010)

異步起動永磁同步電動機的轉子永磁體產生的靜止磁場與定子繞組產生的旋轉磁場相互作用而產生脈動轉矩，導致電機堵轉時，轉子產生震蕩對電機起動的影響很大。據此情況，詳細介紹了起動過程中的轉矩、堵轉時的轉矩以及堵轉轉矩的測量，為堵轉轉矩的精準測量提供了一定的參考依據。

永磁同步電動機；脈動轉矩；起動轉矩；測量

0 引言

異步起動永磁同步電動機堵轉時，定子繞組產生的旋轉磁場與轉子繞組產生的旋轉磁場轉速相同，轉向一致，產生恒定轉矩，此外轉子永磁體產生的靜止磁場與定子繞組產生的旋轉磁場相互作用，產生脈動轉矩，二者疊加在一起，使得堵轉時電機轉子產生較大震蕩，因此，在測量異步永磁同步電動機起動堵轉轉矩時，數值波動很大，難以得到準確的測量結果。本文就異步起動永磁同步電動機脈動轉矩產生的原因及目前所常用的異步起動永磁同步電動機堵轉轉矩的測量方法等內容做如下介紹。

1 永磁同步電動機起動過程中的轉矩

根據電機理論,在永磁同步電動機起動過程中,定子三相繞組通以頻率為f的對稱三相交流電流,產生以同步轉速n1旋轉的磁場，在起動過程中的任意轉差率s下，轉子的轉速為(1-s)n1，定子旋轉磁場與轉子導條存在相對運動，在轉子導條內產生頻率為sf的電流。由于轉子磁路不對稱，轉子電流產生的(1-s)f磁場可分解為兩個旋轉磁場，它們相對于轉子相反、轉速相同，都是sn1，相對于定子的轉速分別為n1和(1-2s)n1，分別在定子繞組中產生頻率為f和(1-2s)f,定子繞組中(1-2s)f頻率的電流產生的磁場在轉子中產生頻率為的電流。此外轉子上還有永磁體產生的磁場，永磁體相對于定子繞組的轉速為(1-s)n1，在定子繞組中產生頻率為(1-s)f的電流,該電流產生以速度(1-s)n1旋轉的磁場，與轉子的轉速相同，見表1。

表1 定轉子產生旋轉磁場的轉速及其相互作用產生的轉矩

因此，異步起動永磁同步電機起動時，定轉子中都包括三種不同轉速的磁場。其中，定轉子中都有轉速為n1的旋轉磁場,它們相互作用,產生異步轉矩Ta。定轉子中轉速為(1-2s)n1的旋轉磁場相互作用產生恒定轉矩Tb。當電機轉速n<0.5n1時，Tb為驅動轉矩；當電機轉速n>0.5n1時，Tb為制動轉矩。定轉子中的(1-s)n1轉速磁場相互作用，產生恒定制動轉矩Tg，是永磁體相對于定子繞組運動產生的。以上三種轉矩與轉差率的關系曲線見圖1。

2 異步永磁同步電動機堵轉時的轉矩

從表1可知，異步起動永磁同步電動機是靠定子旋轉磁場與轉子導條相互作用產生的異步轉矩起動的。除了平均轉矩外，還有脈動轉矩。，在異步起動永磁同步電動機堵轉時,定子繞組產生的旋轉磁場與轉子繞組產生的旋轉磁場轉速相同、轉向一致，產生恒定的轉矩。而轉子上存在的永磁體所產生的靜止磁場與定子繞組產生的旋轉磁場相互作用(此時轉子磁場轉速為0，定子磁場轉速為N)，產生頻率為f的脈動轉矩，兩者疊加在一起，使得堵轉時的轉矩波動很大。圖2為異步起動永磁同步電動機堵轉時的采樣曲線。從圖中曲線形狀可見，脈動轉矩對起動性能的影響很大。因此，討論異步起動永磁同步電動機的起動轉矩時，不能忽略脈動轉矩。 實際上當外加電壓低到某一數值時，雖然異步轉矩很大，由于脈動轉矩的作用，電機也會無法起動。

3 異步起動永磁同步電動機堵轉轉矩的測量

3.1 常規方法

堵轉試驗應在電機接近實際冷狀態下進行。試驗前，先通入盡可能低的電壓，按圖3所示,通過堵轉桿,緩慢盤轉電機軸，確定對應于最大堵轉電流和最小堵轉轉矩的轉子位置，并在此位置將轉子堵住。電機在堵轉狀態下，轉子震蕩很大，因此應在堵轉工裝與電機軸的接觸處加減振元件，以減小波動。試驗時，可以先將電源電壓調整到額定值的20%以下，接入被試電機，保持額定頻率，盡快升高電源電壓，并在電氣穩定后，迅速同時讀取電壓、電流、輸入功率和轉矩的穩定值，為避免電機過熱，試驗必須從速。

如堵轉時不實測轉矩，則堵轉轉矩Tk按式(1)計算

(1)

式中，PK—堵轉時的輸入功率，W；PKcu1—堵轉時的定子繞組損耗，W；ns—同步轉速(r/min)；Pks—堵轉時的雜散損耗(包括鐵耗)，W；對低壓電機，取ks=0.05PK；對高壓電機，取Pks=0.10PK。

3.2 轉矩控制方式

對于用變頻電源驅動的異步起動永磁同步電動機,在作負載試驗時,變頻電源的供電模式最好選用U/f控制模式。因為電動機的電磁轉矩為

(2)

式中，Φ2—異步電動機轉子全磁通；ω2—轉差角頻率；np—磁極對數；r2—轉子電阻。

在U/f控制模式下，電磁轉矩T與轉差角頻率ω2成正比。因此，利用磁通補償器和轉差補償器來分別調整頻率和電壓，同時實現了電機定子電流的轉矩分量和磁場分量的分解，電機的定子電流中的轉矩分量It和磁場電流Im可以作為負載轉矩和轉子磁通的實在值得檢測信號來加以使用，這便于控制式(2)中的Φ2和ω2，保證轉子磁通恒定，可以很好的消除異步起動永磁同步電動機在堵轉時產生的脈動轉矩。但需要注意的是，在使用U/f控制模式進行堵轉試驗時，務必將電動機的容量、極數等有關數據輸入到變頻電源的控制器中，并對電機加以辨識，只有這樣才能取得好的試驗結果。

4 結語

對于感應電機，起動轉矩的測量方法通常采用堵轉法，因為感應電動機堵轉時的轉矩波動很小，可以得到準確的結果。但異步起動的永磁同步電機堵轉時轉矩波動較大，難以得到準確的結果。但是目前的國家標準規定，異步起動的永磁同步電機依然應用堵轉法測量起動轉矩。隨著目前數字化電源的普及，直接轉矩控制技術的應用，使得消除異步起動永磁同步電機起動時的脈動轉矩成為可能。今后在永磁同步電動機的堵轉轉矩將可得到精準的測量。

[1] 周界華，陳秀梅.三相異步電動機兩相短路轉矩的計算方法[M].防爆電機，2015.6.

[2] 潘曉晨，張廣明，王德明.基于改進的轉矩分配函數的SRM轉矩間接控制[M].電機控制與應用，2016.5.

[3] 陳興衛，劉關江.同步電動機異步起動過程仿真分析.防爆電機，2008.6.

Measurements for Starting Torque of Asynchronous Starting Permanent-Magnet Synchronous Motor

LiuZhongxian

(China Petroleum Liaohe Engineering Co.,Ltd.Panjin 124010,China)

Pulsating torque is generated by interaction between static magnetic field produced by rotor permanent magnets and rotating magnetic field produced by stator windings in asynchronous starting permanent-magnet synchronous motor, it results in great impact on motor starting because of the oscillation produced by the locked rotor. This paper introduces measurements for starting torque, and locked-rotor torque in detail, it can provide certain reference for accurate measurement of locked-rotor torque.

Permanent-magnet synchronous motor；pulsating torque；starting torque；measurement

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.05.14

TM306

B

1008-7281(2016)05-0049-003

劉仲賢 男 1978年生；畢業于大連理工大學機械設計制造及自動化專業，現從事工程物資采購管理工作.

2016-06-08