关于高压交流电动机起动性能的探讨

郑敏仙，牛伍华

(1. 上海交通大学电子信息与电气工程学院； 2. 上海电气集团上海电机厂有限公司，上海 200240)



关于高压交流电动机起动性能的探讨

郑敏仙1，牛伍华2

(1. 上海交通大学电子信息与电气工程学院； 2. 上海电气集团上海电机厂有限公司，上海 200240)

高压电动机的起动与电动机的转动惯量、负载的转动惯量、负载转速-负荷关系密切相关，同时与电动机所挂电网的短路容量、电网允许的压降、前端变压器容量、电缆线电阻等电网参数关系紧密。针对高压电动机的起动各要素进行分析与介绍，避免在工程技术中出现电动机选型错误的麻烦，为今后的电动机需求者提供深入浅出的线索。

电动机；起动转矩；起动电流；电网短路容量

0 引言

中国石油西南设计院反映，在土库曼项目中通过某国外泵厂商购买的一台交流电动机，在现场出现了无法起动的情况。由于其与国外交流存在困难，故希望国内电动机工作者提供帮助。在对该项目实际情况进行了解与分析后，发现在电动机初期选型过程中，忽略了向电动机厂商提供足够的信息，导致了问题发生。幸运的是，现场的问题经过多方努力最后顺利解决，却耗费了大量的人力与时间。

电机的额定功率是在额定电压、额定转速下所需输出的机械功率。虽然这三项作为选型的必要要素，但却不能充分的决定电机设计。在实际应用中，电机的使用者会发现相同额定功率、电压、极数的风机和水泵，驱动风机的质量更重，体积甚至更大，成本更高。其原因是由于风机的转动惯量较大，复杂的起动计算结果显示需增长电机铁心甚至升高机座号才能满足起动对转矩的需求。那么起动为什么也会对电动机尺寸影响呢？我们从以下几个方面进行分析。

1 电动机起动要素

在电动机起动合闸时，转子机械转速n2=0，转差率s=(n1-n2)/n1，即为1，此时机械转速与旋转磁场转速的差值最大。在转子的导电条中感应的电动势也最大，感应电流相应达到最大值，因此，定子绕组中的电流Is达到最大值，该数值往往是额定电流的4～8倍之大。起动过程错综复杂，受拖动负载、电网供电能力、同变压器下其他电气设备敏感程度等众多因素影响。

1.1 加速转矩设计标准

电动机起动是一个从零转速到额定转速的加速过程。整个过程中电机输出的转矩在克服负载阻力矩之余，为整个轴系提供加速度。加速转矩在电动机IEC标准中未提出相关的规定，因此容易被行业的初学者所忽略。为避免生产容差造成转矩输出能力不足，保证生产的电机产品能够提供足够的转矩，不同电动机厂商对电机转矩曲线计算值与负载转矩曲线之间的差值均采用企业标准。

不同电动机类型具有不同的特性曲线。高压同步电动机和高压异步电动机在起动中就存在差异。第一，通常在起动过程中，异步电动机的关键数据为起动转矩Tst和最大转矩Tmax，同步电动机的关键数据为起动转矩Tst和牵入转矩Tpi，见图1。另外，以二次方类负载为例，异步电动机的起动危险点一般出现在80%(s=0.2)转速时，而同步电动机的起动危险点则出现在95%(s=0.05)转速时，见图2。

图1 起动转矩

图2 起动危险点

1.2 起动时间制约因素

起动过程的转差率s较大，故电动机定子电流、转子电流值远远大于额定值。随着电动机转速的升高，电流下降，直至额定值。在起动过程中，电动机发热量巨大，累积的温升与电流的平方和起动时间成正比。电动机部件存在耐热温度限制，起动时间长短与起动电流的大小需经过精确计算，从而推导各部件的实际温度。

1.3 电网参数综合影响

图1中，转矩曲线为100%电压和80%电压两条曲线，是现实中并不存在所谓的理想电网。在工程应用中，每一台电动机无疑都安装在一个有限的电网容量下，如前所述，在电动机起动瞬间，电动机产生额定电流4倍甚至7倍的起动电流。巨大的冲击电流导致电网短暂的压降，这个压降，往往由于供电公司限制、挂在同一个电网的其他对电压敏感的电器设备等因素限制，通常不允许超过10%。

下面是一台10MW电动机由300MVA短路容量的电网供电，相关起动参数数据见表1。

表1 10 MW/300 MVA起动参数表

该压降也降低了电动机的起动能力。电动机的起动转矩和电压的平方成正比，当电压下降到86.75%的额定电压时，电动机的起动转矩仅能输出满压下起动转矩的75.25%。如图1中显示，80%电压下电机的输出转矩曲线要大大低于理想电网100%电压下的输出转矩。

对1.1加速转矩小节进行重新思考发现，在实际电网中，实际应用中电动机输出的起动转矩并不是由Tst和Tmax(对于同步电动机而言Tst和Tpi)绘制的起动曲线，起动转矩输出能力随着所处的电网条件变化而变化，我们在计算考核加速转矩的时候，必须加入对实际电网情况的计算与分析，否则，电动机将可能发生无法起动发生堵转，造成烧毁电动机的严重后果。

2 结语

根据对电动机起动的分析，不难发现，起动过程中的几大要素相辅相成，他们共同制约着电动机的起动性能。在进行电动机起动的计算时，不能忽略任何对电动机影响的细节。在工程中，电动机的购买者需要对此知晓，并将相关电网参数、负载参数、起动次数要求提供给电动机厂商，通过双方的配合和沟通进行正确的选型，避免发生所购电动机无法满足实际要求的错误，节约社会劳动力，节省社会资源。

杨建国，男，1971年生，常州技术师范学院电子工程系，本科，学士学位，高级工程师。研究方向：电力拖动及电动机起动技术、电气自动化控制教学研究。