電機啟動電流探討

(重慶川儀自動化股份有限公司執行器分公司 重慶 401121)

引言

在涉及電流大而且頻繁變化的場合,如電機的啟動停止或負載變化、短路等，都會出現電流的瞬變過程。此過程中出現的物理現象與穩態運行的性質有所不同，傳統的測試方法與儀器難以滿足要求，主要原因是測試儀器的采樣速度或存儲量的有限，對瞬態電流的測試要求儀器的響應頻率大于20KHz，傳統的測試儀主要用于工頻穩態參數的測量，采樣速度有限。采用電流互感器把電流值轉換成電壓值，用有串口的示波器進行采樣，示波器與計算機連接采用程序對數據進行分析、存儲可解決此問題。

一、啟動電流

(一)電機啟動電流的產生

電機是將電能轉化為機械能的裝置。它使用一個通電線圈產生一個旋轉磁場，并作用在轉子上形成一個磁-電-動旋轉力矩。根據使用電源的不同，將電機分為直流電機和交流電機。電機主要由定子和轉子組成。電機的工作原理是磁場對電流的影響，使電機轉動。

電機啟動電流產生的過程：合閘的一瞬間,轉子因慣性還未轉起來,旋轉磁場以最大的切割速度同步轉速切割轉子繞組,使轉子繞組感應可能達到的最高的電勢,因此,在轉子導體中流過很大的電流，這個電流產生抵消定子磁場的磁能，定子方面為了維持與該時電源電壓相適應的原有磁通遂自動增加電流，因為此時轉子的電流很大,故定子電流也增得很大,甚至高達額定電流的4～7倍,這就是電機的啟動電流。因為電機是電感電路,在通電的瞬間,迅速建立感應磁場,故啟動電流較大,例如額定電流為12A的普通異步電機,正常情況下起動電流應該為額定電流4～7倍,最多不應該超過10倍。如果啟動電流過大,不僅會損壞電機本身,而且會影響與之相連的整個設備的正常工作,甚至危及人身安全,造成巨大的經濟損失。因此，降低電機的啟動電流，生產低啟動電流的電機，開發測量啟動電流的設備，保障設備的可靠性是每個設計者與生產者的職責。

(二)電機啟動電流偏大的原因

產生電機啟動電流偏大的原因主要有：(1)測量起動電流時出現誤差,若采用指針式樣的表測量,可能因為指針的慣性而出現指示數值偏大,造成測量誤差。(2)起動電流的瞬時值與負載無關,若電機繞組對地絕緣正常,起動電流最大值偏大的原因很可能是由于繞組相間或匝間絕緣電阻值下降造成的。(3)起動電流最大值偏大的原因還可能是三相繞組的某一相部分斷線(若繞組采用雙線并繞的話)。可以采用雙臂電橋測量三相繞組的直流電阻值,若發現偏差較大,應該懷疑某一相部分斷線(電阻值較大的相斷線)。

那么啟動后電機電流為什么小呢？這是因為隨著電機轉速的逐漸增高，定子磁場切割轉子導體的速度變小，轉子導體中感應電勢和電流也在減小，因此用于抵消轉子電流產生的磁鏈影響的定子電流部分也減小了，所以定子電流就從大到小，一直到正常。

二、啟動電流測試設備

圖1 測試設備組成圖

如圖1所示，測試啟動電流的設備由電流互感器、變壓器、示波器、計算機、電阻器交流鉗形表組成。電流互感器主要是把電路中的大電流信號變小，電阻器用來把小的電流信號轉換成電壓信號供給示波器。為了消除這之間的累計誤差要特別注意互感器及電阻的選型。文件以文本方式存儲，最大記錄長度可達計算機硬盤的容量。大部分計算、分析工作都由軟件完成。圖2是在上述設備測得的電機啟動過程中A相電流實時波形。

圖2 電流實時波形

三、分析與計算

(一)結果分析

由圖2可見，啟動過程中電機電流由三部分組成，其中之一是基頻交流分量，另外兩部分則是以不同時間常數衰減的直流分量，直流分量之一的初始幅值較大，但衰減也比較快，而另外一直流分量初始值則很小，衰減較慢。為了分析這樣復雜波形的信號，我們采用有效值的形式來描述。因為有效值是原始波形的直流等效值，只有它才能提供不同波形相比較的基礎。

(二)計算方法

首先，先對測試數據按周期化塊，方法是打開存儲文本，找出交流成分中所有的波峰和波谷所對應的采樣點。所有的數據是按測試時間順序排列的對任意一個Ii及其相鄰的數據Ii+1和Ii-1計算積(i+1)*(Ii-1)，如果出現(i+1)*(Ii-1)<0(1)

則滿足上式的Ii為波峰波谷點，若(Ii+1—Ii-1)<0則為波峰，反之為波谷。顯然每兩個波谷之間為一個完整的周期，假如在這個周期內共有I1、I2，……IN等N個測試數據，則有效值IRMS為

穩態時直流漂移等因素而引起的直流分量，處理此問題的方法是在一定的時刻使得輸入為零，測得此時的輸出量為ID，則修正后有效值為

四、結論

啟動電流在電機測試過程中是一個重要的環節，它的準確測量極大的決定了電機基本性能，直接影響著電機和其所連接的設備的使用壽命。為了更好的測量啟動電流，我們需要選擇更高刷新率的儀器。本文從啟動電流的產生過程和啟動電流的測試，以及測試數據的長時間保存等方面對啟動電流做了簡單的闡述，可基本解決大功率電機的啟動電流測試問題，解決了復雜的周期波形的有效值計算的問題。但文中所述畢竟是簡易的設備，對電機的綜合參數還不能完全解決，還有待下一步開發。