永磁电机与三相异步电动机运行特性分析

2015-01-14张鑫

科技视界 2015年7期

关键词：永磁体三相永磁

张鑫

（天津市热电有限公司，中国天津 300000）

永磁电机与三相异步电动机正在为中华民族的伟大复兴与我国经济的腾飞发挥着作用，本文将探究永磁电机与三相异步电动机的运行特性，希望为正在做这方面工作的人员与广大业余爱好者提供一些帮助。

1 永磁电机的电磁转矩参数计算与组成

1.1 永磁电机的直流分量的概述

即永磁体的制动转矩和磁滞磁链与定子电流之间产生的平均转矩。永磁体的制动转矩表达式为:

式中Id0和Iq0为永磁体在定子绕组中感应的转速频率的电流；7d0和7q0为Id0和Iq0在定子dq轴绕组中产生的磁链；Xs为同步电气角速度；E0=Xs7pm,7pm为永磁体产生的的磁链；xd=XsLd,xq=XsLq；s为转差率。

1.2 永磁电机以转差频率脉振的分量

即转子永磁体在气隙空间形成的转子磁势与定子磁势之间的作用而产生的转矩,在电机接近同步速时,交变的频率逐渐减小,在同步运行时与定子磁势形成稳定的同步电磁转矩,见式（2）。

1.3 永磁电机二倍转差频率的脉振转矩

它由dqn轴系中转差频率的磁链和转差频率的电流之间的作用所形成。如果气隙均匀,磁路对称,则这项转矩为0,它是d、q轴磁导不等所引起的,见式（3）。

由于机械时间常数远大于电气时间常数,所以在转速较低的阶段,即转差率s接近于1时,永磁体的电磁转矩角频率也接近于电气角频率,而在转速接近于同步速时,因为转差率s接近0,此时转矩交变的角频率与机械时间常数对应的角频率接近到同一数量级,所以在接近同步的时刻,永磁体的电磁功率的流向就不能忽略。

2 定子相电流对永磁机转差率特性与电流特性的影响

电机的定子相电流值反映了电机起动、同步阶段的绕组温升情况。相电流波形的变化对电机运行的稳定性有重要影响。如果在起动阶段,电流瞬变过程出现电流过大、频率不稳定的现象,就有可能对定子绕组造成损坏,从而使电机的性能恶化。电机牵入同步的同时,电流开始下降；这是因为磁滞损耗、涡流损耗随转差率的减小而逐渐减小,所以定子输入的电功率降低,相电流减小；同时,永磁体感应电势平衡了一部分定子电压,所以定子电流进一步降低。永磁体增加时,随着永磁体感应电势的增加而使定子起动电流增加,稳态电流降低。

3 永磁电机转速的特性与最高效的运行频率

随着永磁体在定子中感应电势E0的增加,即当永磁材料的比例增加到原来3倍的时候,转速在比较低的数值振荡,电机未能进入同步。如果观察此时的永磁体制动转矩,可以发现在转速为2000 r/m附近永磁体制动转矩有一个峰值,而且可看到电机转速没有能够超过这一数值,所以电机永磁材料不能无限制地增加,由于永磁体制动转矩增加,而使电机起动时间延长。

4 三相异步交流电动机的制动运转状态

若要使三相异步电动机在运行中快速停车、反向或限速，就需要进行电气制动，其特点是电动机的转矩T与转子旋转n的方向相反，以实现制动。同时希望制动时制动转矩尽可能大，而制动电流则不能过大，使拖动系统有较好的制动性能。此时，电动机由轴上吸收机械能，并转换为电能三相异步电动机电气制动有能耗制动和回馈制动。

4.1 概述能耗制动的几个方面

（1）能耗制动原理。能耗制动是把原处于电动状态的电动机定子绕组从三相电源上切除，迅速将其接入直流电源，通入直流电流，流过电动机定子绕组的直流电流，在电动机气隙中产生一个静止的恒定磁场，转子感应电流与恒定磁场相互作用产生电磁力与电磁转矩，由左手定则判断，该电磁转矩T方向与转子旋转n方向相反，起制动作用。（2）能耗制动机械特性分析。由于定子绕组通入的是直流电，建立的是恒定静止的磁场，因此能耗制动时的机械特性与发电机状态一样，当电动机定子电流一定时，增加转子电阻，产生最大制动转矩的转速也增大，但最大转矩值不变，而当转子电路电阻不变，增大定子直流电流时，则最大制动转矩增大，而产生最大转矩时的转速不变。

4.2 回馈制动（再生发电制动）的分析

处于电动运行状态的三相异步电动机，如在外加转矩作用下，使转子转速n大于同步转速n1，于是电动机转子绕组切割旋转磁场的方向将与电动运行时相反，因而转子感应电动势、转子电流、电磁力和电磁转矩方向都与电动状态时相反，即电磁转矩T方向与n方向相反，起制动作用。这种制动发生在起重机重物高速下放或电动机由高速挡换为低速挡的过程中，对应的是反向回馈制动与正向回馈制动。起重机就是应用反向回馈制动来获得重物高速稳定下放的。反向回馈制动时，将三相异步电动机原工作在正向提升重物状态的三相电源反接，此时电动机定子旋转磁场反转，电动机转速因为机械惯性来不及变化，当电动机加速到等于同步转速时，虽然电磁转矩降为零，但由于重力转矩 TL的作用，仍使电动机继续加速并超过同步转速。

5 三相异步电机运行电流与负载率的计算

当忽略励磁电流,不考虑挤流效应时,则三相运行相电流的有效值IB1=UBC2+1S+12-S2R21+4(x1R+x′2R)2=UBC2+1S+12-S2S2m+4 （4）

三相异步电动机正常运行时相电流的有效值IB3=UBC

31+1S2R21+(x1R+x′2R)2=UBC31+1S2S2m+1 （5）

起动电流IB3St=UBC34S2m+1=KIN （6）

联立式（6）和式（4）,得 IB1IN=3K4S2m+12+1S+12-S2S2m+4 （7）

设三相异步电动机的负载率B=TTN,由三相电动机的实用表达式得出:S=SmB(K-K2-B2)……（8）将式（8）代入式（7）,整理得:

IB1IN=3K4S2m+12+BSm(K-K2-B2)+B2B-Sm(K-K2-B2)2S2m+4

（9）

对于三相异步电动机来说,一般有K=1.6～2.5,K=5～7,Sm=0.1～0.2.如果取K=2.0,K=6,Sm=0.1,代入式(9),就可以得到不同负载率下单相运行时的电流与额定，单相运行电流与负载率的关系：①随着负载增大,单相运行电流增大；②单相运行时,电动机的带负载能力大大下降,即由1.0降低到0.4左右。