異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的測(cè)定

劉仲賢

(中油遼河工程有限公司，遼寧盤(pán)錦124010)

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異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的測(cè)定

劉仲賢

(中油遼河工程有限公司，遼寧盤(pán)錦124010)

異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的靜止磁場(chǎng)與定子繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，導(dǎo)致電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生震蕩對(duì)電機(jī)起動(dòng)的影響很大。據(jù)此情況，詳細(xì)介紹了起動(dòng)過(guò)程中的轉(zhuǎn)矩、堵轉(zhuǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)矩以及堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩的測(cè)量，為堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩的精準(zhǔn)測(cè)量提供了一定的參考依據(jù)。

永磁同步電動(dòng)機(jī)；脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩；起動(dòng)轉(zhuǎn)矩；測(cè)量

0 引言

異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)，定子繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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(chǎng)與定子繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，二者疊加在一起，使得堵轉(zhuǎn)時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生較大震蕩，因此，在測(cè)量異步永磁同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩時(shí)，數(shù)值波動(dòng)很大，難以得到準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。本文就異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的原因及目前所常用的異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩的測(cè)量方法等內(nèi)容做如下介紹。

1 永磁同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中的轉(zhuǎn)矩

根據(jù)電機(jī)理論,在永磁同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中,定子三相繞組通以頻率為f的對(duì)稱(chēng)三相交流電流,產(chǎn)生以同步轉(zhuǎn)速n1旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，在起動(dòng)過(guò)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(chǎng)與轉(zhuǎn)子導(dǎo)條存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在轉(zhuǎn)子導(dǎo)條內(nèi)產(chǎn)生頻率為sf的電流。由于轉(zhuǎn)子磁路不對(duì)稱(chēng)，轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的(1-s)f磁場(chǎng)可分解為兩個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，它們相對(duì)于轉(zhuǎn)子相反、轉(zhuǎn)速相同，都是sn1，相對(duì)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(chǎng)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(chǎng)，永磁體相對(duì)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(chǎng)，與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速相同，見(jiàn)表1。

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

因此，異步起動(dòng)永磁同步電機(jī)起動(dòng)時(shí)，定轉(zhuǎn)子中都包括三種不同轉(zhuǎn)速的磁場(chǎng)。其中，定轉(zhuǎn)子中都有轉(zhuǎn)速為n1的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),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(chǎng)相互作用產(chǎn)生恒定轉(zhuǎn)矩Tb。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速n<0.5n1時(shí)，Tb為驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩；當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速n>0.5n1時(shí)，Tb為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。定轉(zhuǎn)子中的(1-s)n1轉(zhuǎn)速磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生恒定制動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tg，是永磁體相對(duì)于定子繞組運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的。以上三種轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差率的關(guān)系曲線見(jiàn)圖1。

2 異步永磁同步電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)矩

從表1可知，異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)是靠定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子導(dǎo)條相互作用產(chǎn)生的異步轉(zhuǎn)矩起動(dòng)的。除了平均轉(zhuǎn)矩外，還有脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩。，在異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí),定子繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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(chǎng)與定子繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互作用(此時(shí)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速為0，定子磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速為N)，產(chǎn)生頻率為f的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，兩者疊加在一起，使得堵轉(zhuǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)很大。圖2為異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)的采樣曲線。從圖中曲線形狀可見(jiàn)，脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩對(duì)起動(dòng)性能的影響很大。因此，討論異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩時(shí)，不能忽略脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩。 實(shí)際上當(dāng)外加電壓低到某一數(shù)值時(shí)，雖然異步轉(zhuǎn)矩很大，由于脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩的作用，電機(jī)也會(huì)無(wú)法起動(dòng)。

3 異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩的測(cè)量

3.1 常規(guī)方法

堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)應(yīng)在電機(jī)接近實(shí)際冷狀態(tài)下進(jìn)行。試驗(yàn)前，先通入盡可能低的電壓，按圖3所示,通過(guò)堵轉(zhuǎn)桿,緩慢盤(pán)轉(zhuǎn)電機(jī)軸，確定對(duì)應(yīng)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(jī)在堵轉(zhuǎn)狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子震蕩很大，因此應(yīng)在堵轉(zhuǎn)工裝與電機(jī)軸的接觸處加減振元件，以減小波動(dòng)。試驗(yàn)時(shí)，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(jī)，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(shí)讀取電壓、電流、輸入功率和轉(zhuǎn)矩的穩(wěn)定值，為避免電機(jī)過(guò)熱，試驗(yàn)必須從速。

如堵轉(zhuǎn)時(shí)不實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)矩，則堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩Tk按式(1)計(jì)算

(1)

式中，PK—堵轉(zhuǎn)時(shí)的輸入功率，W；PKcu1—堵轉(zhuǎn)時(shí)的定子繞組損耗，W；ns—同步轉(zhuǎn)速(r/min)；Pks—堵轉(zhuǎn)時(shí)的雜散損耗(包括鐵耗)，W；對(duì)低壓電機(jī)，取ks=0.05PK；對(duì)高壓電機(jī)，取Pks=0.10PK。

3.2 轉(zhuǎn)矩控制方式

對(duì)于用變頻電源驅(qū)動(dòng)的異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī),在作負(fù)載試驗(yàn)時(shí),變頻電源的供電模式最好選用U/f控制模式。因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為

(2)

式中，Φ2—異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子全磁通；ω2—轉(zhuǎn)差角頻率；np—磁極對(duì)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(bǔ)償器和轉(zhuǎn)差補(bǔ)償器來(lái)分別調(diào)整頻率和電壓，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了電機(jī)定子電流的轉(zhuǎn)矩分量和磁場(chǎng)分量的分解，電機(jī)的定子電流中的轉(zhuǎn)矩分量It和磁場(chǎng)電流Im可以作為負(fù)載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子磁通的實(shí)在值得檢測(cè)信號(hào)來(lái)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(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)在堵轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩。但需要注意的是，在使用U/f控制模式進(jìn)行堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)，務(wù)必將電動(dòng)機(jī)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(duì)電機(jī)加以辨識(shí)，只有這樣才能取得好的試驗(yàn)結(jié)果。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于感應(yīng)電機(jī)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的測(cè)量方法通常采用堵轉(zhuǎn)法，因?yàn)楦袘?yīng)電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)很小，可以得到準(zhǔn)確的結(jié)果。但異步起動(dòng)的永磁同步電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較大，難以得到準(zhǔn)確的結(jié)果。但是目前的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，異步起動(dòng)的永磁同步電機(jī)依然應(yīng)用堵轉(zhuǎn)法測(cè)量起動(dòng)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(yīng)用，使得消除異步起動(dòng)永磁同步電機(jī)起動(dòng)時(shí)的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩成為可能。今后在永磁同步電動(dòng)機(jī)的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩將可得到精準(zhǔn)的測(cè)量。

[1] 周界華，陳秀梅.三相異步電動(dòng)機(jī)兩相短路轉(zhuǎn)矩的計(jì)算方法[M].防爆電機(jī)，2015.6.

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[3] 陳興衛(wèi)，劉關(guān)江.同步電動(dòng)機(jī)異步起動(dòng)過(guò)程仿真分析.防爆電機(jī)，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(yè)于大連理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)從事工程物資采購(gòu)管理工作.

2016-06-08