收稿日期:2002 - 05 - 19.顾忠利 女 1969年生;毕业于哈尔滨电工学院电机专业,现任顺德金泰德胜电机有限公司技术总监,主攻方向为电机设计与产品开发.变频调速异步电动机的起动特性顾忠利顺德金泰德胜电机有限公司,广东顺德(528300)摘 要 主要介绍变频调速异步电动机的起动方式及涉及的起动转矩、 起动电流和起动时间(或称加速时间)关键词 调速 电动机 起动特性Starting characteristic of V ariable2FrequencyAdjustable2Speed Induction MotorsGu ZhongliAbstract This paper mainly introduces the starting method ,and the starting torque ,star2ting current and starting time (i. e. acceleration time) of the variable2frequency adjustable2speed induction motors.Key words Adjustable speed ,Motor ,Starting characteristic.1 起动方式电动机用工频电源直接起动时,通常起动电流为额定电流的5～7倍或更高,起动转矩一般要 达到额定转矩的115～215倍左右。
但变频器供 电的变频调速电动机的起动,虽然也是直接起动, 但不是在额定频率下直接起动,而是从低频和额定频率之间分段起动,并保证有足够的起动转矩 和尽可能小的起动电流起动转矩和起动电流与 变频器的选择直接相关,所以电动机制造厂应该提供不同频率下的转矩及电流曲线族或某些频点 的表格图,以便电控设计时作为设计的依据111 变频调速电动机的一般转矩曲线 如图1图1 电动机转矩 — 转速曲线变频调速电动机的额定频率点,根据用户的使用要求任意选定,当选定额定频率点后,小于该312002年第3期(总第112期)2002年9月30日 出 版(EXPLOSION - PROOF ELECTRIC MACHINE) 防爆电机点的频率时电动机为恒转矩状态,即V/f=常数 (V为电压,f为频率) ,当频率大于额定频率点时 电动机为恒功率状态,电动机可能在恒转矩及恒 功率下运转112 在恒转矩时的曲线组图2 转速 — 转矩特性曲线(有电压补偿) 图2中在频率减小时,形成曲线族,转矩曲线近似直线部分随着频率的降低向纵坐标平移, 但最大转矩点逐渐降低为了保持低频时转矩不 下降得很多,在控制时采用低频段进行电压补偿 来解决,因为电动机的转矩与电压平方成正比,所 以才有图2的曲线形状。
113 起动 电动机的起动应从低频时开始起动,设定几 个频率段,每两个频率的间隔越小越好,比如从3Hz开始,然后跳到5Hz、10Hz、15Hz、20Hz⋯⋯ 等 直到稳定点在分段起动时,应分几段,每段的间隔,要充分考虑起动时间的要求,同时还应考虑变 频器电流过载倍数为了说明起动过程,将图2 的曲线族近似直线部分画成图3的简化形式来描 述起动过程 图3中有剖面线的三角形为起动功率三角形,其中斜线部分为加速转矩,从低频起动开始经过几 条转矩曲线切换,转速达到额定转速稳定运行图3 电动机起动加速过程2 起动转矩和电流变频器供电的变频电动机在起动、 加速时的电 流要保持不超过变频器电流的过载倍数现将恒 转矩V/f模式控制的转速 — 转矩、 转速 — 电流特 性分别示于图4及图5中转矩曲线是低频时没 进行电压补偿的曲线族,所以低频时最大转矩点较低首先根据负载转矩要求,看哪个频率点的起动 能满足要求,就应该从该点开始起动电动机每条 转矩曲线对应一条电流曲线,这样就能确定初始起 动电流值参照图3设计几段起动,根据起动功率 三角形加速转矩最大点对应的电流值,这就是电动机起动过程中的加速电流,该电流值应低于变频器 电流过载倍数,这就是选变频器容量的根据,当然 选变频器的容量还应该考虑余度和负载突然短路时加大等因素。
这样确定电动机起动过程中的起 动电流比较准确电动机稳定运行在额定频率点进行调速时,电动机运行在额定频率对应的转矩曲 线上由于负载力矩的变化,稳定点也变化,最大 负载力矩对应的电流为电动机最大电流变频器 应满足电动机最大电流的要求图4 转速 — 转矩曲线41防爆电机 (EXPLOSION - PROOF ELECTRIC MACHINE) 2002年第3期(总第112期)2002年9月30日 出 版图5 转速 — 电流曲线从图4及图5可以看出,如果变频器满足不 了电动机起动转矩及起动电流的要求,需要加大 变频器的容量3 起动时间(加速时间)311 电动机在起动过程中,必须有足够的加速转 矩,否则不能使电动机达到预定的转速为了便 于理解,先介绍一下在额定频率或某个频率下起 动情况,见图6图6 电动机转速与转矩、 负载转矩曲线电动机的加速转矩可用下式给出:TA=GD2÷4g×2π÷60×dN/dt=GD2÷375×dN/dt(kg·m)(1)式中,TA— 加速转矩=TM-TL(kg·m) ;TM— 电动机产生的转矩;TL— 负载转矩;GD2— 电动机飞轮转矩加换算到电机轴上的负载飞轮转矩(kg·m2) ;N— 转速(r/ min) ;S— 时间(s) ;g— 重力加速度(m/ s2)。
由式(1)可以导出下列性质:TA= 0时,速度N保持一定TA> 0时,速度N上升TA< 0时,速度N下降312 起动时间(加速时间)电动机速度如从Na到Nb所需要的时间根据式(1) ,可以用下式表示:t=GD2÷375×∫NaNbdN/TA(s)(2)式中,Na— 加速前的转速,电动机起动开始为零(r/ min) ;Nb— 加速到达的转速(r/ min)31211 恒转矩负载起动时间,假设加速转矩TA在起动过程中相同,改写式(2) :t1=GD2×(Nb-Na)÷375÷(TM× α-TLmax)(3)TM=975×P÷n(kg·m)(4)式中,Pt— 电动机额定功率(kW) ;n— 电动机额定转速(r/ min) ;TLmax— 起动过程中最大负载转矩;α— 电动机最大转矩的平均值与额定转矩 之比 公式(3)中的(TM× α-TLmax)为平均加速转矩,α系数值因电动机的不同而不同,额定转矩按 式(4)很容易算出,但最大转矩平均值不同的电动 机有不同数值如果电动机提供图4和图5的曲 线族了,再根据图3就能查出最大力矩的平均值,那α值就已经确定 α值可按经验计算,按设定 的起动电流倍数乘019即为α值。
如普通变频电 机过载能力为112倍,那么112×019 = 1108 (取111)31212 平方转矩负载的加速时间,如风机、 泵等平方转矩负载与恒转矩负载有若干不同之处,即 由于负载转矩随速度大幅度变化,仅用α值来讨 论很宽的速度范围是不行的在这种场合,由各 速度下的负载转矩与电动机产生的转矩的关系曲 线求出最小加速转矩,最小加速时间应按下式计算:(下转第24页)512002年第3期(总第112期)2002年9月30日 出 版(EXPLOSION - PROOF ELECTRIC MACHINE) 防爆电机生图1 定子扇形片第二台电动机的定子扇形片见图2该电动 机的定子冲片整圆是八块(图2)扇形片拼成,每 片18槽,每层整圆定子冲片的圆周上有8个接 缝,t= 8极对数为8 ,p= 8交错迭片2层一循环,n= 2那么q=nt p=2×8 8= 22为偶数,该电动机可能不产生轴电压,经型 式试验和工业试验表明这台电动机几乎没有轴电压图2 定子扇形片4 结束语通过以上两台16p电动机的例子说明,中大 型电动机定子扇形片设计时要特别注意每层冲片 的扇形片数t和迭压扇形片的循环层数n应正确合理的采用,保持q=nt p为偶数或分子为偶数的简单分数,就可基本避免轴电压产生。
参考文献〔1〕 湘潭电机厂编 1 《交流电动机设计手册》 1〔2〕 陈世坤主编 1 《电机设计》 1 北京:机械工业出版社,19821(上接第15页)t2≥GD2×Nmax÷375÷TAmin(s)(5)式中,t2— 最小起动时间(加速时间) ;Nmax— 最大转速(r/ min) ;TAmin— 最小加速转矩(kg·m)另外对于平方转矩负载,为了提高在低速区 电动机的效率,多采用降低励磁的V/f模式电 动机转矩的曲线随V/f模式的选取方式变化很大,所以在求加速转矩时要考虑这一点 电动机在起动过程中,影响起动时间的因素 还应考虑变频器与电机之间的电缆长度,电缆过 长时,由于阻抗压降的影响,特别在低转速区转矩 减小,往往起动时间变长,电缆过长时应加大电缆截面积 变频调速电机有的场合是频繁起动、 正反转,所以对起动时间的要求要严格,然而影响起动时 间的因素比较多,按上述介绍的计算起动时间不 一定满足使用要求,这时需要在现场调试解决 必要时,如需起动时间短,在选变频器的容量时应加大,以保证足够大的加速转矩和过电流能力 综上所述,变频调速电动机的起动特性,涉及 一个起动方式和三个有关量。
一个起动方式是从 低频到高频分段起动,为了防止过电流,频率上升 率小比较好根据变频器的容量及电动机的转矩曲线和电流曲线实际情况,频率上升率可以选大 些三个有关变量,即电动机的加速转矩、 起动电 流(包括加速电流)、 起动时间,这都与负载转矩 有关,他们决定了变频器容量的选择与普通电 动机比较,变频调速电动机的起动转矩很易解决,起动电流也小,但也决不能忽视变频调速电动机 的起动特性42防爆电机 (EXPLOSION - PROOF ELECTRIC MACHINE) 2002年第3期(总第112期)2002年9月30日 出 版。