科学瞎想系列之六十八 捋一捋异步电机的各种转矩

标准答案

原创 2018-01-17 龙行天下 龙行天下CSIEM



   经常有宝宝们问有关电机转矩的问题，特别是异步电机，有额定转矩、起动转矩、堵转转矩、最大转矩、电磁转矩、负载转矩等等，都乱套了，这些转矩都是指什么？它们之间又是个什么关系？本期瞎想老师就给宝宝们捋一捋这些转矩都是些神马鬼。
   1 先说说电磁转矩和负载转矩。电动机通常作为驱动的动力机械，去拖动一个机械负载，在这个拖动系统中，电动机是主动的，是机械能的输出者，而负载通常是被动的，是机械能的接受者。既然有机械能的传递，作为主动方的电动机必然要输出转矩，再一旋转，转矩乘以转速就是机械功率。那么电动机的转矩是哪儿来的呢？我们知道电动机是一个机电能量转换装置，它输出的转矩就是由输入的电流在磁场中受电磁作用力转化来的，因此称之为电磁转矩。电源电压一定时，异步电动机的电磁转矩在不同转速下大小也不一样，电磁转矩随着转速（转差率）的变化曲线就是传说中的T─S曲线，如图所示。


   这条曲线是电动机的固有特性曲线，它只取决于电动机本身的结构和电源。再说负载，一个机械装置被动力机械拖动必然要“费些力气”，也就是说，要想拖动它，必须要给它输入一个转矩它才能转起来，转起来以后它就会有一个阻力矩，这个阻力矩就是负载转矩，根据负载性质的不同，负载转矩随转速的变化也不一样，有些负载无论转速如何，阻力矩都一样大，我们称之为恒转矩负载，卷扬机、电梯类的负载就属于此类恒转矩负载；有些负载随着转速的变化阻力矩也在变化，我们称之为变转矩负载，风机、水泵等负载就属于此类，随着转矩的变化转矩会成平方地增加。作为一个拖动系统达到稳态运行时，电动机的输出转矩就和负载转矩相等，这样就可以以一个稳定的转速运行。当电动机输出的电磁转矩大于负载转矩时，系统就会加速，反之就会减速。在系统起动时必须要保证电动机的输出转矩大于负载转矩，系统才能起动运行。系统达到额定转速时，电动机输出的就是额定转矩。
   2 再说起动转矩和堵转转矩。这两个概念是宝宝们经常容易乱套的。
   2.1 先看 GB/T 2900.25-2008 电工术语 旋转电机中有关 堵转转矩和起动转矩的定义：
   411-48-06 堵转转矩  locked-rotortorque
电动机在额定电压、额定频率和转子在其所有角位堵住时所产生的转矩的最小测得值。
   411-48-07 起动（过程）转矩  startingtorque
  在额定电压和额定频率下，转速由零到负载转速的起动期间电动机产生的电磁转矩减去风摩转矩所得值。
   2.2 从纯概念角度分析，由以上两术语的定义可见，堵转转矩和起动（过程）转矩是两个不同的概念，它们之间的关系如下：
   ① 限定的条件不同。堵转转矩限定的条件是“额定电压、额定频率、转子堵住”这样一个特定的状态，它与时间无关，只与施加的电压、频率和转子是否堵住及转子在什么位置（什么角度）堵住有关；而起动（过程）转矩限定的条件是 “在额定电压和额定频率下，转速由零到负载转速的起动期间”这样一个特定的过程，既然是一个过程，那就必然要经历一定的时间，因此它除了强调电压、频率等状态量的同时更强调了转速从0到负载转速的起动过程。
   ② 结果不同。堵转转矩的结果是“...最小测得值”，它是一个确定的数值；而起动（过程）转矩的结果是“在...期间....所得值”，它不是“一个”数值，而是许多数值，甚至是无限多个数值，它是伴随着整个起动过程，随时间（或转速）而变化的一组（无穷多个）数值的集合。因此说堵转转矩时只说一个数值即可；说起动转矩时必须给一条随时间（或转速）变化的曲线。
   ③ 尽管堵转转矩和起动转矩是两个不同的概念，但二者又有一定关系的，从两个概念定义同样可以看出，在转速从0到负载转速的起动过程中，对应转速为0的时刻（刚起动瞬间），其限定条件（电压、频率、转速）与堵转转矩定义的限定条件是一样的，因此此时电机的电磁转矩也是一样的，只不过堵转转矩说的是此时“转矩的最小测得值”，而起动转矩说得是“电动机产生的电磁转矩减去风摩转矩所得值”，那么这两个值又是一个什么关系呢？严格讲，在额定电压、额定频率、转子堵转的条件下，电机的电磁转矩不是一个恒定值，受谐波、齿槽、转子对称型（转子不同位置磁阻不相同）等因素的影响，电磁转矩会有一个小的波动，特别是对单相异步电机，如果设计得起动瞬间不是圆形旋转磁场，这个转矩波动会更大，为了评估传动系统能否可靠起动，因此国家标准规定了在上述条件下测得的电磁转矩最小值作为堵转转矩值，以便判断这个堵转转矩是否大于起动时的负载转矩，系统能否可靠起动，这是出于科学的严谨性而定义的。对一个设计合理的异步电机来讲，谐波、齿槽、转子对称型这些因素常可忽略，堵转时电磁转矩波动是极其微小的，因此可以认为是一个恒定的值。而起动转矩说的是“电动机产生的电磁转矩减去风摩转矩所得值”，由于风摩转矩很小，常可忽略，因此对应转速为0的起动转矩就等于堵转转矩了。
   综上所述，严格讲转速为0时的起动转矩近似等于堵转转矩，但工程实际中常常不说“转速为0时”这个限定词，而直接说起动转矩就是堵转转矩。
   2.3演变过程。正是由于以上原因，堵转转矩和起动转矩的概念常常容易被混淆，我国早期出版的学术著作和文献上，反应电动机启动性能的特性参数多使用起动转矩和起动电流（如许多JO2、Y系列产品样本和某些教科书、手册），这严格讲是不太规范的，而国际上常用堵转转矩和堵转电流这个名称，为了科学规范我国的名词术语，从1994年我国也与国际接轨，颁布了GB/T2900.25——1994 电工名词术语   旋转电机，在科学著作、文献、教学、生产中采用堵转转矩和堵转电流这个名称，而不用起动转矩和起动电流这个名称了，后来的国家标准虽然几经修订，但这两个术语一直未做改动。
   以下是1982版的《电机工程手册》第4卷上的有关解释。从中我们可以看到从用起动转矩到用堵转转矩这一变化过程的影子。
   起动电流和起动转矩
   电动机的起动电流和起动转矩分别指其各绕组按额定运行时的接法及在额定电压和频率下且转子堵住时，所吸收的最大电流和所产生的最低转矩。（20-3页）
   堵转试验
   堵转试验是为了测量电机的最初起动电流和最初起动转矩，并用以计算起动漏抗。（20-95页）
笼形转子电机最小转矩的测定
异步电动机的最小转矩是由于谐波磁场影响而造成的（参见第2章）。其测定方法有下列几种......。（20-96页）
  以上可见，这个年代我国还在用“起动电流”、“起动转矩”的名称，因此在产品样本上有起动电流与起动转矩的参数，但从上述解释中已很明确起动电流就是现在的堵转电流,起动转矩就是现在的堵转转矩。
后来我国与国际电工委员会接轨，采用了“堵转电流”、“堵转转矩”的名称，一方面更直观地表达了这两项参数，又可避免与“起动（过程）转矩”相混淆。因此90年代至今在电机产品样本上用堵转电流与堵转转矩这两个参数了，而具体数据与原来的起动电流、起动转矩是相同的。
   3 最大转矩 。有的宝宝顾名思义地理解“堵转转矩是指电机正常运转时逐步增大负载转矩，当负载阻力矩施加到足够大时会使电机停转（堵转），这就是堵转转矩！”，这个说法是不正确的！电机的起动过程和这位宝宝所说的堵转过程恰恰是两个参数相同起始点相反的过程，起动过程是从转速为零的起动转矩过渡到最大转矩，进入稳定区运转，起动过程的始点是堵转转矩（转速为0时刻的起动转矩）。堵转过程是负载转矩逐步加大到大于电机最大转矩，使电机减速进入非稳定区，一旦进入该区转速急剧下降直至为零即堵转，电机停转，转速为零时的转矩为堵转转矩，因此堵转过程的终点是堵转转矩。
造成堵转的原因是负载转矩大于最大转矩，接着转速就急剧下降直至堵转。因此这个转矩不是堵转转矩而是最大转矩。为了更形象地描述这个转矩，国外又给了它一个更形象的名称：崩溃转矩（Breakdown Torque）。
  看了本期瞎想，相信宝宝们对异步电机的各种转矩会有一个明晰的概念了吧！下课！