变频电机起动性能不良分析及改进

陈会崇

(金泰德胜电机有限公司，广东佛山 528308)

0 引言

用于驱动电动叉车及电动汽车的异步电机，一般由蓄电池通过控制器供电，其具有转矩转速变化范围宽，工作点较多，控制器变频变压(VVVF)闭环控制等特点。作为变频电机，通常无需考核其起动性能;但电机制造厂做电机的出厂测试时，供电设备往往是工频(50 Hz)电源。一种国外设计的电动叉车用电机在工频电源供电时不能起动到正常转速，4极电机的同步转速为1 500 r/min，但该4极电机转速只能达到700～900 r/min，处于“爬行”状态。不良率达30% ～40%，其他能正常起动的电机，起动时间亦较长，达3～4 s。这些都给测试电机的空载、噪声、振动等性能带来了困难。

1 原因分析及测试过程回顾

1.1 起动不良对电机其他性能的影响

首先需要确定不能正常起动的电机的负载性能如何。用一台起动正常的电机和一台不良电机，通过变频器供电并设定了电源电压、频率，测试了三个工作点的负载性能，测得数据见表1。

表1 起动性能不同的两台电机的负载试验数据

从表1可知，两台电机的负载性能相当，之后进行了噪声、振动、温升等测试，结果显示起动不良电机无异常。这些测试结果说明，起动不良的电机除起动性能外，其他性能全部合格。电机的问题仅仅是起动问题。

1.2 起动不良的原因

通过Ansoft RMxprt计算得出，电机在48 V、50 Hz时的起动转矩倍数为4.5，起动电流倍数达8.7。通电时测得电机端电压仅约为10 V。因异步电机的起动转矩Tst可用公式表示为

故怀疑电机的起动电流过大，引起电网电压显著下降，导致其起动转矩下降。但将电源电压下降到20～30 V时，电机还是处于“爬行”状态，电机端电压维持在约10 V。

另一方面，式(1)说明，起动转矩与定子相电压的平方成正比。如果增大定子端电压，起动转矩将成平方增大。将这台电机移至测试中心并增加其端电压进行测试(测试中心的电网容量远大于出厂测试台)，实际上，即使电压增大至100 V，起动转矩增大到原方案的4倍以上，电机仍处于“爬行”状态，不能达到正常转速。

上述事实说明，电机的起动转矩不是电机起动不良的决定性因素。

1.3 最小转矩

根据异步电机的转矩－转速曲线得知，由于异步附加转矩的存在，电机在起动过程中有最小转矩，且最小转矩时的转速在其同步转速的1/7或1/13附近。国家标准GB/T 1032—2005“三相异步电动机试验方法”亦有测定最小转矩的方法。但本文研究的起动问题与最小转矩关系不大:(1)电机的“爬行”转速为700～900 r/min，约为同步转速的1/2而不是1/7或更低;(2)国标GB/T 1032要求测试时给电机加载，但该电机在空载下即无法正常起动。

1.4 高次谐波磁场的影响

从高次谐波磁场进行分析，由高次谐波磁势产生的高次谐波磁场及其附加转矩，对电机运行的影响并不大，但对电机的起动有显著影响。文献[2]介绍了削弱高次谐波的设计要素。现将该电机可能影响高次谐波的设计参数综合起来，见表2。为便于比较，表2也列出了与该电机体积相似的Y132-4，Y2-132-4的相应设计参数。

表2 该款电机与Y132M-4的部分设计参数

2 改进措施及其对电机性能的影响

2.1 制定最佳改进方案并验证

从表2可看出，该款电机与Y132-4、Y2-132-4的不同主要有定子外径/定子内径，槽配合，气隙等。可优先考虑改善槽配合和气隙，其次可尝试改变绕组型式(如采用双层短距绕组)和转子斜槽度。

定、转子槽数可能是影响附加转矩的关键因素，其转子槽数大于定子槽数且相差较大，不在文献[2]推荐范围。但因为该款电机冲片是国外的设计，已经开模且是较为成熟的产品，故修改转子槽数的风险较高，不宜采用。该款电机的定子内径与Y132M-4相当，但气隙较小。故，可通过增大气隙来削弱谐波。车削转子外圆从制造上来说也容易得多。

将一台起动不良电机拆机后，测得转子外圆为φ130.32 mm。按照Y132M-4数据，将其车至φ130.20 mm。重新装机后，电机起动正常且起动时间在2 s以内。

后又有6台起动不良的电机，车转子外圆后均起动良好，验证了增大气隙是削弱高次谐波磁场的有效方法。

2.2 改制对电机性能的影响

异步电机的主电抗(激磁电抗)xm可表示为

由式(2)可知，增大气隙δ，可使主电抗xm减小。在电源不变的情况下，励磁电流Im增大，造成负载电流增大，效率和功率因数降低。对车大气隙至0.40的电机做负载试验，验证了上述结论，试验数据如表3所示。

表3 车大气隙至0.40的电机的负载试验数据

3 结语

应用于动力控制系统的电机，精度要求较高的场合采用矢量控制，精度要求较低的场合采用VVVF控制，均不要求电机自起动。尽管如此，变频电机应具备空载情况下的自起动能力。高次谐波磁场产生的附加转矩对电机的起动性能有显著影响，严重时会使电机在起动时产生“死点”，转速无法升高。在不希望重新设计电机的情况下，增大定、转子之间的气隙是削弱高次谐波、提高电机起动能力的简单有效的方法。但现有的电磁设计软件尚不具备计算高次谐波及其影响的功能，这就需要电机设计人员认真研究，多参考现有产品的成熟经验，以免设计的电机不合要求。

[1]汤蕴璆，史乃，沈文豹.电机理论与进行(上册)[M].北京:水利电力出版社，1983.

[2]陈世坤.电机设计[M].北京:机械工业出版社，2000.