电动机高频运行的特点及其优化策略

5.4.2.1 异步电动机的带负载能力

异步电动机的带负载能力由机械特性决定，异步电动机的机械特性曲线如图5-22所示，要点如下：

1.临界转矩

异步电动机的机械特性有一个拐点，称为临界点，如图中的K点所示。临界点的转矩就称为临界转矩，用T_K表示。临界转矩也是异步电动机所能产生的最大电磁转矩。

图5-22 异步电动机的机械特性

2.额定转矩

所谓额定转矩，是指允许长时间连续运行的最大转矩。或者说，在此转矩下长时间连续运行时，电动机的温升将不超过允许值。额定转矩用T_N表示，如图5-22中之N点所示。

3.过载能力

电动机在运行过程中，只要其温升不超过允许值，短时间的过载运行是允许的。但过载是有限度的，这就是：负载的阻转矩必须小于电动机的临界转矩。因此，临界转矩和额定转矩之比，就称为过载能力：

K_T=T_K/T_N （5-11）

式中 K_T———电动机的过载能力；

T_K———异步电动机的临界转矩，N·m；

T_N———电动机的额定转矩，N·m。

5.4.2.2 高频运行时的电磁转矩

1.高频运行的临界转矩

高频运行时临界转矩的计算公式十分复杂，也难以得到准确而简单的表达式。根据日本变频器提供的曲线推算，则临界转矩和频率之间的关系大致为

T_KX=T_KN/k^1.4_f （5-12）

式中 T_KX———频率为f_X时的临界转矩（f_X>f_N），N·m；

T_KN———额定频率时的临界转矩，N·m；

k_f———变频比，即运行频率与额定频率之比：

k_f=f_X/f_N （5-13）

式中 f_X———运行频率，Hz；

f_N———额定频率，Hz。

式（5-12）表明，异步电动机运行在额定频率以上时，其临界转矩将随频率的增加而减小。

例如，当工作频率为100Hz时，k_f=2。则由式（5-12），得

T_KX=T_KN/2^1.4≈T_KN/2.64=0.38T_KN

可见，这时的临界转矩只有50Hz时的38%。

2.高频运行的有效转矩(www.xing528.com)

所谓有效转矩，是指在非额定频率下，允许长时间运行的转矩，相当于非额定频率下的“额定转矩”，用T_E表示。

一般认为，当异步电动机在额定频率以上运行时，其有效转矩具有恒功率的特点。即

T_EX=T_MN/k_f=T_MN/k_f （5-14）

式中 T_EX———频率为f_X时的有效转矩（f_X>f_N），N·m；

T_MN———电动机的额定转矩，N·m。

就是说，额定频率以上的有效转矩是和变频比成反比的。

例如，当工作频率为100Hz时，k_f=2。则由式（5-14），得

T_EX=T_KN/2=0.5T_KN

3.高频运行的过载能力

高频运行的主要影响是电动机的过载能力变差。仍以f_X=100Hz（k_f=2）为例，如上所述，临界转矩为T_KX=0.38T_KN，而有效转矩为T_EX=0.5T_KN。

假设在f_X=50Hz时的过载能力K_T=2，则在f_X=100Hz时的过载能力为

K_TX=K_TN（T_KX/T_EX）=2×（0.38T_KN/0.5T_KN）=1.52

可见，过载能力减小了许多。那么，能否正常运行呢？答案是肯定的，主要原因有：

（1）负载工况

高速运行时，负载一般不容易过载。以金属切削机床为例，高速切削都只有在精加工时进行，而精加工时，非但进刀量较小，一般也不大会过载。

（2）散热变好

高频运行时，电动机内部的风扇叶片的转速也同时增加，电动机的散热得到了很大的改善，电动机允许的“额定电流”可以增加。

4.结论

由于上述原因，认为异步电动机在额定频率以上运行时，其有效转矩具有恒功率特点是可以成立的。在图5-23中，曲线①是额定频率下，异步电动机的自然机械特性；曲线②是2倍频率时，异步电动机的机械特性；曲线③是不同频率时的临界转矩线；曲线④是有效转矩线。

图5-23 额定频率以上的机械特性

5.4.2.3 机械制约因素

以上是从电的角度考虑的结果，而电动机作为一台旋转的机器，还会在机械方面受到制约，主要的制约因素有：

1.轴承的转速限制

电动机所用的轴承一般都是通用轴承，其最高转速约为4000r/min多一点。因此，如果是2极电动机，就不允许在100Hz下运行，允许的最高频率只有65Hz。

2.动平衡

任何机械在高速运行时，都存在着动平衡的问题，电动机也不例外。所以，在生产电动机时，必须对转子做动平衡试验。异步电动机的动平衡试验一般在3000r/min的状态下进行。所以，当转速超过3000r/min时，就有可能出现动平衡方面的问题。