變頻起動電機的設計研究

劉 勇， 韓素芳， 袁立軍

(1.海軍駐上海江南造船(集團)有限責任公司軍事代表室，上海 201913;

2.上海電器科學研究所(集團)有限公司，上海 200063)

0 引言

起動電機是電力系統中一種重要的裝置，主要用于滿足主設備的起動要求，使主設備順利、穩定的完成起動。起動電機的種類很多，有變極起動電機、降壓起動電機、變頻起動電機等。在所配套的燃氣輪機電力系統設備中，需要起動電機具備下述功能:具有足夠的起動轉矩，保證燃氣輪機正常起動，且起動電流滿足要求，具體如下:(1)初始起動電流I≤150 A;(2)初始起動轉矩T≥175 N·m;(3)控制方式簡單，且便于實現自動控制;(4)運行可靠;(5)體積滿足要求。

基于上述情況，本文提出變頻起動的設計思想，采用變頻器控制方式，利用電機變頻起動特性，完成燃氣輪機穩定起動。

1 變頻電機起動原理和運行特點

1.1 變頻電機起動原理

變頻起動電機通過改變電源頻率，從而實現電機低電流起動。從理論上講，當電機極數一定時，交流電機的同步轉速與頻率嚴格成正比，也即頻率怎樣改變，電機的轉速也相應改變。如果電源頻率可以連續調節，電機的轉速就可以連續、平滑的調節，則電機就可以連續、平滑的起動，且具有較低的起動電流。本文主要研究用于變頻起動過程的電機的設計原理。

1.2 變頻電機運行特點

頻率恒定的異步電機是按頻率為某一給定值設計的，要求在實際使用中電機供電電源的頻率在很小范圍內變動，否則將引起電機性能發生很大的變化。變頻電機工作的特點是電機工作時隨著電源的頻率變化，電機均能給出滿足使用要求的輸出特性。由于實際中要求主設備能夠低電流穩定起動，因此提出采用變頻起動電機。采用變頻起動電機的優點是電機可以低電流起動，且控制電機起動過程方便、運行可靠、性能穩定。加之目前變頻器已成為市場認可的成熟商品，這就使變頻起動電機的使用變得極為方便。

變頻電機工作時要保持電壓與頻率的比值不變，即U/f=常數。對于已設計好的電機，只有保持U/f=常數，才能使在電源頻率變化時電機的氣隙磁密及定、轉子鐵心中的磁密基本不變。如果為恒轉矩負載，則當頻率改變時，輸出電壓、功率與頻率成正比例變化。本文討論的就是恒轉矩負載時變頻異步電機的設計。當負載為恒轉矩時，電機的輸出功率與轉速(頻率)成正比。

2 電磁計算及優化

變頻電機在實際工作時頻率是變化的，但在某一工作點上可認為其頻率是恒定的。這樣就可采用傳統的異步電機電磁設計方法對變頻電機進行電磁設計，但應考慮電流諧波成分增大，使得損耗和溫升有所增加。在頻率變化時，可計算在不同頻率下電機的穩態運行特性。本文對電機進行了電磁計算，基本技術指標及計算參數如表1、表2所示。

表1 電機額定技術指標

表2 電機基本結構參數

2.1 優化設計

在不改變電機其他結構參數的情況下，具體分析了改變鑄鋁轉子電阻率、改變每槽線數的對比方案。為了突出改變的參數對于電機的影響，在滿足電機基本性能要求的基礎上保持其他參數不變。

2.1.1 改變鑄鋁轉子電阻率

這組方案在不改變電機的主要尺寸，即定子外徑和鐵心長度等參數的情況下，改變了電機的鑄鋁轉子電阻率，即采用AL99.5(電阻率為0.043 4)和高阻鋁 HRA20-3(電阻率為0.070 0 ～0.093 0)。

改變電機的鑄鋁轉子電阻率的對比方案可看出:電阻率越大，起動轉矩倍數越大，起動電流越小，但額定電流和熱負荷A增加，各參數與電阻率的關系曲線如圖1、圖2所示。綜合考慮艦用變頻起動電機頻繁起動的使用工況，以及起動轉矩和起動電流的要求，采用高電阻率有利于提高電機性能。基于以上考慮，選擇HRA20-3高阻鋁的設計方案更合理。

圖1 Ist隨ρ的變化曲線

圖2 A隨ρ的變化曲線

2.1.2 改變每槽線數

采用高阻鋁HRA20-3時，在不改變電機的主要尺寸，即定子外徑和鐵心長度等參數的基礎上，改變電機的每槽線數。

由改變電機的每槽線數的對比方案可看出:每槽線數越多，起動電流越小，磁負荷越小，但熱負荷越大。各參數與每槽線數的關系曲線如圖3、圖4所示。綜合考慮電磁負荷平衡，以及滿足起動電流和起動轉矩的要求，選擇每槽線數為22的設計方案更為合理。

圖3 Ist隨N的變化曲線

圖4 A隨N的變化曲線

2.2 不同頻率下電機的電氣性能

通過電磁計算及優化設計，設計了滿足額定狀態性能的電機參數，但變頻電機工作的特點是電機工作時隨著電源的頻率變化，電機均能給出滿足使用要求的輸出特性。故應核算不同頻率下電機的電氣性能指標是否滿足要求，如表3所示。表中:f——電源頻率;

Pn——電機的輸出功率;

U——電源電壓;

I——在不同頻率下的額定線電流;

TN——在不同頻率下的額定輸出轉矩;

Tstb——起動轉矩倍數;

Istb——起動電流倍數;

Tmax——最大轉矩倍數;

Bδ——氣隙磁密。

表3 不同頻率下的電氣性能指標

從表1可看出，當電機的頻率、輸入電壓和輸出功率成比例變化時，電機的磁負荷基本保持不變，電機的熱負荷及性能略有變化。這就說明在恒轉矩負載下，只要保持電源電壓與頻率的變化為恒定比例，電機即可輸出滿足使用要求的特性。

3 試驗研究

變頻起動電機其主要功能是為主設備起動提供動力，起動性能是其最基本的特性，關系到變頻起動電機的工作可靠性問題。根據設計參數，研制了兩臺變頻起動電機樣機，并對其性能做了試驗研究。

3.1 空載特性

空載特性是指變頻起動電機空載時測得的輸出空載電壓與空載電流和空載功率的關系。理論分析可知，當電源頻率f=fN時，空載電流與空載電壓有關，磁路不飽和時，空載電流與空載電壓為近似線性關系，磁路飽和后，特性曲線彎曲。

兩臺樣機的空載特性曲線如圖5所示，由空載特性曲線可知:變頻起動電機的額定工作點在特性曲線的膝點以上。

圖5 空載特性曲線

3.2 堵轉試驗

堵轉特性對于主要用于起動工況的變頻起動電機很重要，它反映了所研制電機的起動性能。圖6、圖7為工頻電源供電時堵轉特性曲線。

圖6 堵轉電壓與堵轉電流關系曲線

圖7 堵轉電壓與堵轉轉矩關系曲線

根據試驗數據，所研變頻起動電機樣機的堵轉電流和轉矩分別為 532.8 A、406.1 N·m 和531.96 A、391.26 N·m。變頻器驅動時的起動電流和起動轉矩分別為99.2 A、185.22 N·m和99.2 A、179.34 N·m。試驗結果滿足燃氣輪機對起動轉矩和起動電流的要求。

3.3 連續起動試驗

根據主設備對起動過程的要求，變頻起動電機需在額定負載工況(額定轉矩)下連續起動6次，每次起動時間為120 s，每次間隔60 s。各部分溫度和溫升滿足要求:(1)定子繞組溫升140 K;(2)軸承溫度限值90℃;(3)機殼溫度限值100℃;

對兩臺樣機進行起動試驗，在連續起動過程中，電機機殼、前后軸承溫度隨次數的變化曲線分別如圖8～圖10所示。連續起動12次后的繞組溫升均為97 K。

圖8 機殼溫度隨起動次數的變化曲線

圖9 前軸承溫度的變化曲線

圖10 后軸承溫度的變化曲線

由試驗數據可見，電機機殼、前后軸承溫度隨起動次數而增加。變頻起動電機滿足主設備連續起動6次的要求。

4 結語

本文應用電磁計算方法，對所設計的變頻起動電機進行了分析計算及參數優化，研制的樣機試驗結果證明了所提出的設計思路是正確的，方案是可行的，可以滿足燃氣輪機的起動要求。

［1］湯蘊璆，史乃.電機學［M］.北京:機械工業出版社，2008.