劉仲賢

(中油遼河工程有限公司，遼寧盤錦124010)

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

永磁同步電動機；脈動轉(zhuǎn)矩；起動轉(zhuǎn)矩；測量

0 引言

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

1 永磁同步電動機起動過程中的轉(zhuǎn)矩

根據(jù)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(chǎn)生以同步轉(zhuǎn)速n1旋轉(zhuǎn)的磁場，在起動過程中的任意轉(zhuǎn)差率s下，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為(1-s)n1，定子旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子導條存在相對運動，在轉(zhuǎn)子導條內(nèi)產(chǎn)生頻率為sf的電流。由于轉(zhuǎn)子磁路不對稱，轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的(1-s)f磁場可分解為兩個旋轉(zhuǎn)磁場，它們相對于轉(zhuǎn)子相反、轉(zhuǎn)速相同，都是sn1，相對于定子的轉(zhuǎn)速分別為n1和(1-2s)n1，分別在定子繞組中產(chǎn)生頻率為f和(1-2s)f,定子繞組中(1-2s)f頻率的電流產(chǎn)生的磁場在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生頻率為的電流。此外轉(zhuǎn)子上還有永磁體產(chǎn)生的磁場，永磁體相對于定子繞組的轉(zhuǎn)速為(1-s)n1，在定子繞組中產(chǎn)生頻率為(1-s)f的電流,該電流產(chǎn)生以速度(1-s)n1旋轉(zhuǎn)的磁場，與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速相同，見表1。

表1 定轉(zhuǎn)子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速及其相互作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩

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

2 異步永磁同步電動機堵轉(zhuǎn)時的轉(zhuǎn)矩

從表1可知，異步起動永磁同步電動機是靠定子旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子導條相互作用產(chǎn)生的異步轉(zhuǎn)矩起動的。除了平均轉(zhuǎn)矩外，還有脈動轉(zhuǎn)矩。，在異步起動永磁同步電動機堵轉(zhuǎn)時,定子繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速相同、轉(zhuǎn)向一致，產(chǎn)生恒定的轉(zhuǎn)矩。而轉(zhuǎn)子上存在的永磁體所產(chǎn)生的靜止磁場與定子繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場相互作用(此時轉(zhuǎn)子磁場轉(zhuǎn)速為0，定子磁場轉(zhuǎn)速為N)，產(chǎn)生頻率為f的脈動轉(zhuǎn)矩，兩者疊加在一起，使得堵轉(zhuǎn)時的轉(zhuǎn)矩波動很大。圖2為異步起動永磁同步電動機堵轉(zhuǎn)時的采樣曲線。從圖中曲線形狀可見，脈動轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩時，不能忽略脈動轉(zhuǎn)矩。 實際上當外加電壓低到某一數(shù)值時，雖然異步轉(zhuǎn)矩很大，由于脈動轉(zhuǎn)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(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩的測量

3.1 常規(guī)方法

堵轉(zhuǎn)試驗應在電機接近實際冷狀態(tài)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(zhuǎn)桿,緩慢盤轉(zhuǎn)電機軸，確定對應于最大堵轉(zhuǎn)電流和最小堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)子位置，并在此位置將轉(zhuǎn)子堵住。電機在堵轉(zhuǎn)狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子震蕩很大，因此應在堵轉(zhuǎn)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(diào)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(wěn)定后，迅速同時讀取電壓、電流、輸入功率和轉(zhuǎn)矩的穩(wěn)定值，為避免電機過熱，試驗必須從速。

如堵轉(zhuǎn)時不實測轉(zhuǎn)矩，則堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩Tk按式(1)計算

(1)

式中，PK—堵轉(zhuǎn)時的輸入功率，W；PKcu1—堵轉(zhuǎn)時的定子繞組損耗，W；ns—同步轉(zhuǎn)速(r/min)；Pks—堵轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩控制方式

對于用變頻電源驅(qū)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(zhuǎn)矩為

(2)

式中，Φ2—異步電動機轉(zhuǎn)子全磁通；ω2—轉(zhuǎn)差角頻率；np—磁極對數(shù)；r2—轉(zhuǎn)子電阻。

在U/f控制模式下，電磁轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)差角頻率ω2成正比。因此，利用磁通補償器和轉(zhuǎn)差補償器來分別調(diào)整頻率和電壓，同時實現(xiàn)了電機定子電流的轉(zhuǎn)矩分量和磁場分量的分解，電機的定子電流中的轉(zhuǎn)矩分量It和磁場電流Im可以作為負載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)時產(chǎn)生的脈動轉(zhuǎn)矩。但需要注意的是，在使用U/f控制模式進行堵轉(zhuǎn)試驗時，務必將電動機的容量、極數(shù)等有關(guān)數(shù)據(jù)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(jié)果。

4 結(jié)語

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

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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(yè)于大連理工大學機械設(shè)計制造及自動化專業(yè)，現(xiàn)從事工程物資采購管理工作.

2016-06-08