馬達小教室:啟動電流 ( I )

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對於一般民眾而言,啟動電流(Starting Current)主要影響的是耗電問題,而對馬達業者來說,則是啟動轉矩(Starting Torque)的大小以及安全保護的取捨。本文則是詳細說明啟動電流的來龍去脈,才能達到全面性的理解,並能有效地提出各種故障異常的處理或是預期性的安全保護對策。

最簡單的示範例,就是家中的電風扇,一旦開啟電源後,可觀察到扇葉從靜止狀態開旋轉並且轉速會逐漸增加,最終達到一個穩定的速度狀態持續保持著;直到使用者再將電源關閉後,風扇才會開始降速直至停止。如下圖所示,將電風扇的轉速變化劃分成三個階段,分別為加速、穩態及減速;記錄不同階段的電流資訊,如下圖中的藍色虛線,也能發現到電流會隨著這三種不同狀態而有相對應的變化。

馬達工作歷程

馬達工作歷程

當電風扇從啟動加速到穩定工作的轉速區間時,可以觀察到電流有個瞬間突起的高峰,之後才又隨著轉速增加而逐漸下降,這看起來像是瞬間拉起的電流值,也就是本文的主角"啟動電流"。

當馬達進入穩定的工作轉速時,電流則是遠低於啟動電流且穩定的狀態。而當電源關閉時,電流也被切斷,但此時反而可以觀察到反向的電流產生,之後隨著馬達轉速逐漸下降至停止,這反向的電流才同時中止,這其實就是反電動勢(Back Electromotive Force,Back-EMF)。但需要注意,反電動勢並非在電源關閉後才產生,實際上馬達只要有旋轉,就會有反電動勢存在。

而這種啟動時的瞬間大電流,其實也是電器產品顯得耗電的原因,常見的馬達啟動電流為額定工作電流的3~5倍以上,代表若有一家電產品,經常反覆地開啟及關閉,那所使用的電量反而高於持續運傳的狀態。實際案例就是傳統的冷氣及冰箱,當設定的冷卻溫度到達時,就會關閉電源,待溫度又升高且超過設定值時,才會再次開啟冷卻功能,這種使用模式,反而造成壓縮機馬達反覆的開開停停,使其操作在啟動加速的工作區間,採用了較大的電流能量,增加了用電量。近年已進行改進,採用了變頻系統,讓冷卻壓縮機可以持續在穩態區運轉,大幅地降低工作電流值,也減少電費。

除了上述的部分產品,可以藉由調整馬達工作狀態來達到省電的效果之外,仍有部分應用場合仍然需要運用在馬達加速區間,以獲得最大的轉矩力量來使用,如電動起子及引擎發動機等等,這類應用則最大啟動電流就顯得十分重要;這也是汽車電瓶電力不足,無法提供足夠電流時,車子無法順利發動的原因。

馬達的最大啟動轉矩是能藉由馬達轉矩常數及最大啟動電流來求得,可參考下列的轉矩常數方程式可以發現,其實轉矩常數(Kt)代表的就是馬達轉矩值(T)除以電流值(I)的比例關係表示式;因此一旦知道馬達最大啟動電流,將其乘上轉矩常數就可得知馬達的最大啟動轉矩值。

馬達轉矩常數

馬達轉矩常數

而馬達的最大啟動電流,除了直接使用電子儀器量測電流值外,另一種簡單的方式,可以藉由馬達電阻值來預估。可參考下列的歐姆定律(Ohm's Law),由於絕大部份的情況下,馬達工作電壓為已知的固定值,如家中的110V交流電壓,配合量測到的馬達電阻值,就可以計算出最大電流的上限值。同樣以家中的110V為例,假設馬達的電阻為11Ω,則代表最大電流為110/11=10 (A),假設其轉矩常數(Kt)為2 (Nm/A),那就可以知道馬達的最大啟動轉矩為2 (Nm)。

歐姆定律(Ohm's Law)

歐姆定律(Ohm's Law)

但在實務上往往會低於此計算數值,主要還是受到反電動勢的影響。已知馬達啟動後,電流會有個瞬間突起的電流峰值,之後下降至穩態工作電流值;但實際上馬達的輸入電壓110V及本身的電阻值11Ω都沒有變化,則透過歐姆定律的計算,電流應當穩定維持在10A,不應該有下降的情況產生,這當中就是反電動勢在搞鬼。藉由前面的說明,可以知道在電源關閉時會有個反向的電流出現,直到馬達停止運轉才消失,這其實就表明了,反電動勢的電位方向其實與輸入電源端是相反的存在;可參考下方的馬達系統方塊圖的標示,最下方的Ke就是反電動勢常數,當其與角速度ω乘積之後,會變成一個負號的電壓值,影響到了輸入電壓。

馬達系統方塊圖

馬達系統方塊圖

整個馬達系統實際情況,由原本的110V輸入電壓,遇到了馬達電阻11Ω後,導致10A的電流進入馬達,此時電流在與馬達內部的磁場作用,也就是轉矩常數,轉換為轉矩輸出,扣除到部分實際負載情況,剩餘的轉矩能量會轉換為轉速,這就是馬達會旋轉的原因;此時由於馬達開始轉動了,內部感應發電生成了反電動勢,架設此時生成的反電動勢為99V,則此時馬達內部真正的工作電壓變成了110-99=11V,再將此刻的電壓除以馬達電阻11/11=1A,就會獲得一個穩態工作電流,遠低於最大啟動電流。

由此可知,馬達內部的電流會有如此的變化,其實不是外部的輸入電壓或是馬達內部的電阻產生了變化,而是受到馬達內部的反電動勢影響,導致馬達內部的有效工作電源產生了改變,進而影響到電流的大小。


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