感应电动机起动和惰行时的性能分析

王 磊

(海军驻哈尔滨地区代表室，黑龙江哈尔滨150040)

感应电动机起动和惰行时的性能分析

王 磊

(海军驻哈尔滨地区代表室，黑龙江哈尔滨150040)

通过对感应电动机起动时性能的分析，发现感应电动机的剩余力矩决定了电机起动和惰行特性。感应电动机起动过程中，尤其是频繁起动过程中，启动电流是影响电机绕组发热的重要原因之一。要正确的选择感应电动机，就必须了解其起动和惰行时的性能。只有找到转数或者转差率对时间的关系，才能求得电机启动电流对时间的关系，如此才会选择合适的感应电动机，进而保证机械系统的可靠运行。

感应电动机；起动；惰行；剩余转矩；逸转时间

0 引言

异步电动机在起动时的性能问题是一个很有意义的问题，它牵扯到把鼠笼式感应电动机应用到起动条件繁重的机械系统和频繁启动的运行工况。拖动系统运行时，时常要在规定的时间内达到额定转速；在系统停车时，又要在规定的时间内将转速降低到零。有许多案例显示，电动机的损坏是由于启动电流所引起的绕组过热引起的。而过热电动原因就在于电机的起动和惰行性能与机械系统不匹配(起动时间过长或惰行时间过长)。因此，在选取异步电动机时，一定要搞清楚异步电动机的启动和惰行性能。为此，本文就感应电动机在起动和惰行过程中的性能做如下描述。

1 计算启动时间常数

(1)

式中，M—电动机的力矩，kg/m；Mc—阻力力矩，kg/m。

如果电动机的力矩超过阻力力矩，那么加速率为正，电机转速将增加或者逸转；假如电动机的力矩小于阻力力矩，那么加速率为负，电机转数变小惰行。将式(1)中所有数值转换为“标幺值”形式

并用飞轮力矩代替转动惯量

得

(2)

(3)

为了求得位于积分号前的表示式的物理意义,我们将求出当加速转矩等于额定力矩时,且达到同步转数时的逸转时间或转速降为到零时的惰行时间在逸转时v1=0和v2=1则逸转时间为

(4)

在惰行时v1=1和v2=0则惰行时间为

(5)

从式(4)和式(5)可见, “逸转时间”和惰行时间相同,所以称作启动时间常数

(6)

2 阻力转矩

机械的阻力矩特性体现于启动瞬间的起始静力矩随着转速的变化的特性。通常，旋转机械的阻力矩对于大多数的机械可用式(7)来表示

(7)

式中，Mc0—旋转机械的起始阻力力矩；M—额定力矩；p—指数；n0—当阻力力矩等于额定值时的同步转数。

mc=mc0+(1-mc0)v2

(8)

式中，mc0—旋转机械的起始阻力矩标幺值；mc—转机械的阻力矩标幺值。

通常,通风式的助力矩与转数的平方成正比例的变化，此时p=2。在图1中绘出了当p=2和mc0=0;0.15；0.3;0.5;0.75;1.0的情况时阻力矩对转差率曲线。横轴表示转差，纵轴表示力矩比。

图1 阻力矩对转差率的关系图

3 最大转矩对逸转时间的影响

在其他条件不变的情况下,最大转矩倍数越大“逸转时间”将越小。在正常运行条件下，期待在额定电压或电压降低时启动时间为最小值。此外应使在短路保护后，电压恢复后电机能够很快达到额定转数。因此我们现在研究异步电动机最大力矩对逸转时间的影响是十分重要的。

假设一台异步电动机有临界转差率为sN=0.15，并驱动着“标幺值”阻力力矩为ma=0.15+0.85(1-s)2的通风机型机械。

逸转时间以机械时间常数的百分数来表示。对于不同数值的最大力矩倍数的“逸转时间”对启动时电压的关系曲线示意图见图2。

图2 “逸转时间”对电压的关系曲线

研究这些曲线可知，“逸转时间”在极大程度上随着最大转矩的倍数变化。例如，当最大转矩倍数自1.6增加到2.5时，在额定电压时的“逸转时间”减少一半，而当电压为额定电压的0.7倍时，此时的“逸转时间”将比额定时的“逸转时间”减少58.9%。从图2可见，启动时间的减少并不与最大转矩倍数的增加成正比。例如，当最大转矩倍数从1.6增至2的时候，在电压为额定电压的0.7倍的时候，“逸转时间”从8.15s降到了5s，也就是减少了38.7%，而当最大转矩倍数自2.5变化到3的时候，启动时间自3.1降低至2.3，也就是降低了26%。显然非正比关系。

4 惰行曲线

电动机在惰行时的动力力矩将只包含阻力力矩，也就是以标幺值表示时

Ma=M-Mc=-Mc

根据式(8) 得标么值惰行时间

(9)

取v1=vn和v2=v解式(9)得

(10)

可以利用式(10)计算出具有通风机式力矩的机械在不同的标幺值起始力矩时的标幺值的惰行时间。

5 结语

通过本文可知，剩余力矩也称动力力矩，等于电动机的力矩与阻力矩之差。如果电动机的动力力矩为正，那么电动机的转速增加或者逸转；如果电动机的动力矩为负，那么电动机的转速减少进入惰行状态。由于感应电动机在拖动负载运行时，时常要在规定的时间内达到额定转速；在系统停车时，又要在规定的时间内将转速降低到零。因此，研究电动机在起动和惰行时的性能是十分必要的。

[1] 李凤英，姜辉，郭子翔.感应电动机铜条转子护环的选择.防爆电机，2015.1.

[2] 曹江.感应发电机温度场的数值计算.防爆电机，2014.4.

[3] 温嘉斌，崔斯柳.感应电机振动特性有限元分析.防爆电机，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；毕业于哈尔滨工程大学自动化专业，研究方向为装备质量管理.

2016-11-09