感應電動機起動和惰行時的性能分析

王 磊

(海軍駐哈爾濱地區代表室，黑龍江哈爾濱150040)

感應電動機起動和惰行時的性能分析

王 磊

(海軍駐哈爾濱地區代表室，黑龍江哈爾濱150040)

通過對感應電動機起動時性能的分析，發現感應電動機的剩余力矩決定了電機起動和惰行特性。感應電動機起動過程中，尤其是頻繁起動過程中，啟動電流是影響電機繞組發熱的重要原因之一。要正確的選擇感應電動機，就必須了解其起動和惰行時的性能。只有找到轉數或者轉差率對時間的關系，才能求得電機啟動電流對時間的關系，如此才會選擇合適的感應電動機，進而保證機械系統的可靠運行。

感應電動機；起動；惰行；剩余轉矩；逸轉時間

0 引言

異步電動機在起動時的性能問題是一個很有意義的問題，它牽扯到把鼠籠式感應電動機應用到起動條件繁重的機械系統和頻繁啟動的運行工況。拖動系統運行時，時常要在規定的時間內達到額定轉速；在系統停車時，又要在規定的時間內將轉速降低到零。有許多案例顯示，電動機的損壞是由于啟動電流所引起的繞組過熱引起的。而過熱電動原因就在于電機的起動和惰行性能與機械系統不匹配(起動時間過長或惰行時間過長)。因此，在選取異步電動機時，一定要搞清楚異步電動機的啟動和惰行性能。為此，本文就感應電動機在起動和惰行過程中的性能做如下描述。

1 計算啟動時間常數

(1)

式中，M—電動機的力矩，kg/m；Mc—阻力力矩，kg/m。

如果電動機的力矩超過阻力力矩，那么加速率為正，電機轉速將增加或者逸轉；假如電動機的力矩小于阻力力矩，那么加速率為負，電機轉數變小惰行。將式(1)中所有數值轉換為“標幺值”形式

并用飛輪力矩代替轉動慣量

得

(2)

(3)

為了求得位于積分號前的表示式的物理意義,我們將求出當加速轉矩等于額定力矩時,且達到同步轉數時的逸轉時間或轉速降為到零時的惰行時間在逸轉時v1=0和v2=1則逸轉時間為

(4)

在惰行時v1=1和v2=0則惰行時間為

(5)

從式(4)和式(5)可見, “逸轉時間”和惰行時間相同,所以稱作啟動時間常數

(6)

2 阻力轉矩

機械的阻力矩特性體現于啟動瞬間的起始靜力矩隨著轉速的變化的特性。通常，旋轉機械的阻力矩對于大多數的機械可用式(7)來表示

(7)

式中，Mc0—旋轉機械的起始阻力力矩；M—額定力矩；p—指數；n0—當阻力力矩等于額定值時的同步轉數。

mc=mc0+(1-mc0)v2

(8)

式中，mc0—旋轉機械的起始阻力矩標幺值；mc—轉機械的阻力矩標幺值。

通常,通風式的助力矩與轉數的平方成正比例的變化，此時p=2。在圖1中繪出了當p=2和mc0=0;0.15；0.3;0.5;0.75;1.0的情況時阻力矩對轉差率曲線。橫軸表示轉差，縱軸表示力矩比。

圖1 阻力矩對轉差率的關系圖

3 最大轉矩對逸轉時間的影響

在其他條件不變的情況下,最大轉矩倍數越大“逸轉時間”將越小。在正常運行條件下，期待在額定電壓或電壓降低時啟動時間為最小值。此外應使在短路保護后，電壓恢復后電機能夠很快達到額定轉數。因此我們現在研究異步電動機最大力矩對逸轉時間的影響是十分重要的。

假設一臺異步電動機有臨界轉差率為sN=0.15，并驅動著“標幺值”阻力力矩為ma=0.15+0.85(1-s)2的通風機型機械。

逸轉時間以機械時間常數的百分數來表示。對于不同數值的最大力矩倍數的“逸轉時間”對啟動時電壓的關系曲線示意圖見圖2。

圖2 “逸轉時間”對電壓的關系曲線

研究這些曲線可知，“逸轉時間”在極大程度上隨著最大轉矩的倍數變化。例如，當最大轉矩倍數自1.6增加到2.5時，在額定電壓時的“逸轉時間”減少一半，而當電壓為額定電壓的0.7倍時，此時的“逸轉時間”將比額定時的“逸轉時間”減少58.9%。從圖2可見，啟動時間的減少并不與最大轉矩倍數的增加成正比。例如，當最大轉矩倍數從1.6增至2的時候，在電壓為額定電壓的0.7倍的時候，“逸轉時間”從8.15s降到了5s，也就是減少了38.7%，而當最大轉矩倍數自2.5變化到3的時候，啟動時間自3.1降低至2.3，也就是降低了26%。顯然非正比關系。

4 惰行曲線

電動機在惰行時的動力力矩將只包含阻力力矩，也就是以標幺值表示時

Ma=M-Mc=-Mc

根據式(8) 得標么值惰行時間

(9)

取v1=vn和v2=v解式(9)得

(10)

可以利用式(10)計算出具有通風機式力矩的機械在不同的標幺值起始力矩時的標幺值的惰行時間。

5 結語

通過本文可知，剩余力矩也稱動力力矩，等于電動機的力矩與阻力矩之差。如果電動機的動力力矩為正，那么電動機的轉速增加或者逸轉；如果電動機的動力矩為負，那么電動機的轉速減少進入惰行狀態。由于感應電動機在拖動負載運行時，時常要在規定的時間內達到額定轉速；在系統停車時，又要在規定的時間內將轉速降低到零。因此，研究電動機在起動和惰行時的性能是十分必要的。

[1] 李鳳英，姜輝，郭子翔.感應電動機銅條轉子護環的選擇.防爆電機，2015.1.

[2] 曹江.感應發電機溫度場的數值計算.防爆電機，2014.4.

[3] 溫嘉斌，崔斯柳.感應電機振動特性有限元分析.防爆電機，2011.1.

Performance Analysis on Induction Motor at Starting and Idle Running

WangLei

(Navy Agent′s Room Stationed in Harbin Region，Harbin 150040,China)

Through analyzing the starting performance of induction motor, it is found that residual torque of induction motor determines the starting and idle running characteristics. The starting current is one of the important factor of affecting heating of motor windings in starting process, especially in frequent starting process. In order to rightly choose induction motor, we should understand its starting and idle running performances. Only the relationship of rotating speed or slip with time is found out, the relationship of starting current with time can be obtained, so appropriate induction motor can be selected, and then reliable operation of mechanical system can be guaranteed.

Induction motor；starting；idle running；residual torque；racing time

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2017.02.07

TM301.4

B

1008-7281(2017)02-0023-003

王磊 男 1979年生；畢業于哈爾濱工程大學自動化專業，研究方向為裝備質量管理.

2016-11-09