永磁電機與三相異步電動機運行特性分析

張 鑫

（天津市熱電有限公司，中國 天津 300000）

永磁電機與三相異步電動機正在為中華民族的偉大復興與我國經濟的騰飛發揮著作用，本文將探究永磁電機與三相異步電動機的運行特性，希望為正在做這方面工作的人員與廣大業余愛好者提供一些幫助。

1 永磁電機的電磁轉矩參數計算與組成

1.1 永磁電機的直流分量的概述

即永磁體的制動轉矩和磁滯磁鏈與定子電流之間產生的平均轉矩。永磁體的制動轉矩表達式為:

式中Id0和Iq0為永磁體在定子繞組中感應的轉速頻率的電流；7d0和7q0為Id0和Iq0在定子dq軸繞組中產生的磁鏈；Xs為同步電氣角速度；E0=Xs7pm,7pm為永磁體產生的的磁鏈；xd=XsLd,xq=XsLq；s為轉差率。

1.2 永磁電機以轉差頻率脈振的分量

即轉子永磁體在氣隙空間形成的轉子磁勢與定子磁勢之間的作用而產生的轉矩,在電機接近同步速時,交變的頻率逐漸減小,在同步運行時與定子磁勢形成穩定的同步電磁轉矩,見式（2）。

1.3 永磁電機二倍轉差頻率的脈振轉矩

它由dqn軸系中轉差頻率的磁鏈和轉差頻率的電流之間的作用所形成。如果氣隙均勻,磁路對稱,則這項轉矩為0,它是d、q軸磁導不等所引起的,見式（3）。

由于機械時間常數遠大于電氣時間常數,所以在轉速較低的階段,即轉差率s接近于1時,永磁體的電磁轉矩角頻率也接近于電氣角頻率,而在轉速接近于同步速時,因為轉差率s接近0,此時轉矩交變的角頻率與機械時間常數對應的角頻率接近到同一數量級,所以在接近同步的時刻,永磁體的電磁功率的流向就不能忽略。

2 定子相電流對永磁機轉差率特性與電流特性的影響

電機的定子相電流值反映了電機起動、同步階段的繞組溫升情況。相電流波形的變化對電機運行的穩定性有重要影響。如果在起動階段,電流瞬變過程出現電流過大、頻率不穩定的現象,就有可能對定子繞組造成損壞,從而使電機的性能惡化。電機牽入同步的同時,電流開始下降；這是因為磁滯損耗、渦流損耗隨轉差率的減小而逐漸減小,所以定子輸入的電功率降低,相電流減小；同時,永磁體感應電勢平衡了一部分定子電壓,所以定子電流進一步降低。永磁體增加時,隨著永磁體感應電勢的增加而使定子起動電流增加,穩態電流降低。

3 永磁電機轉速的特性與最高效的運行頻率

隨著永磁體在定子中感應電勢E0的增加,即當永磁材料的比例增加到原來3倍的時候,轉速在比較低的數值振蕩,電機未能進入同步。如果觀察此時的永磁體制動轉矩,可以發現在轉速為2000 r/m附近永磁體制動轉矩有一個峰值,而且可看到電機轉速沒有能夠超過這一數值,所以電機永磁材料不能無限制地增加,由于永磁體制動轉矩增加,而使電機起動時間延長。

4 三相異步交流電動機的制動運轉狀態

若要使三相異步電動機在運行中快速停車、反向或限速，就需要進行電氣制動，其特點是電動機的轉矩T與轉子旋轉n的方向相反，以實現制動。同時希望制動時制動轉矩盡可能大，而制動電流則不能過大，使拖動系統有較好的制動性能。此時，電動機由軸上吸收機械能，并轉換為電能三相異步電動機電氣制動有能耗制動和回饋制動。

4.1 概述能耗制動的幾個方面

（1）能耗制動原理。能耗制動是把原處于電動狀態的電動機定子繞組從三相電源上切除，迅速將其接入直流電源，通入直流電流，流過電動機定子繞組的直流電流，在電動機氣隙中產生一個靜止的恒定磁場，轉子感應電流與恒定磁場相互作用產生電磁力與電磁轉矩，由左手定則判斷，該電磁轉矩T方向與轉子旋轉n方向相反，起制動作用。（2）能耗制動機械特性分析。由于定子繞組通入的是直流電，建立的是恒定靜止的磁場，因此能耗制動時的機械特性與發電機狀態一樣，當電動機定子電流一定時，增加轉子電阻，產生最大制動轉矩的轉速也增大，但最大轉矩值不變，而當轉子電路電阻不變，增大定子直流電流時，則最大制動轉矩增大，而產生最大轉矩時的轉速不變。

4.2 回饋制動（再生發電制動）的分析

處于電動運行狀態的三相異步電動機，如在外加轉矩作用下，使轉子轉速n大于同步轉速n1，于是電動機轉子繞組切割旋轉磁場的方向將與電動運行時相反，因而轉子感應電動勢、轉子電流、電磁力和電磁轉矩方向都與電動狀態時相反，即電磁轉矩T方向與n方向相反，起制動作用。這種制動發生在起重機重物高速下放或電動機由高速擋換為低速擋的過程中，對應的是反向回饋制動與正向回饋制動。起重機就是應用反向回饋制動來獲得重物高速穩定下放的。反向回饋制動時，將三相異步電動機原工作在正向提升重物狀態的三相電源反接，此時電動機定子旋轉磁場反轉，電動機轉速因為機械慣性來不及變化，當電動機加速到等于同步轉速時，雖然電磁轉矩降為零，但由于重力轉矩 TL的作用，仍使電動機繼續加速并超過同步轉速。

5 三相異步電機運行電流與負載率的計算

當忽略勵磁電流,不考慮擠流效應時,則三相運行相電流的有效值IB1=UBC2+1S+12-S2R21+4(x1R+x′2R)2=UBC2+1S+12-S2S2m+4 （4）

三相異步電動機正常運行時相電流的有效值IB3=UBC

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

起動電流IB3St=UBC34S2m+1=KIN （6）

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

設三相異步電動機的負載率B=TTN,由三相電動機的實用表達式得出:S=SmB(K-K2-B2)……（8）將式（8）代入式（7）,整理得:

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

（9）

對于三相異步電動機來說,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),就可以得到不同負載率下單相運行時的電流與額定，單相運行電流與負載率的關系：①隨著負載增大,單相運行電流增大；②單相運行時,電動機的帶負載能力大大下降,即由1.0降低到0.4左右。

6 結語

隨著科技的快速發展，相信在不久的將來一定會有更加先進的技術與分析出現的，那時的設備也會越來越智能化，能夠大大地解放工作人員的雙手。

［1］李蒙．淺談永磁電機[J]．中國文刊，2010，3．

［2］郝雨曼．三相異步電機的討論[Z]．文庫，2009，12．

［3］李德應．永磁電機的探討[J]．科學雜志，2011，11．