空調異步電機運行原理及非正常測試分析

盧智斌 肖彪

（珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070）

空調異步電機運行原理及非正常測試分析

盧智斌 肖彪

（珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070）

根據IEC 60335-1:2010和IEC 60335-2-40:2013要求，需要對電機進行溫升測試和非正常測試，本文主要針對異步電機運行原理和非正常測試結果進行分析。

異步電機；旋轉磁場；轉矩；轉差率；電流；溫度

1 引言

異步電機結構簡單，維護容易，運行可靠，價格便宜，具有良好的穩態和動態特性，它是家用電器中使用最為廣泛的電機。空調異步電機按電源分類主要包括單相異步電機和三相異步電機，而單相異步電機又可分為單相電阻分相起動異步電機、單相電容分相起動異步電機、單相電容運轉異步電機、單相電容起動與運轉異步電機和單相罩極式異步電機。目前空調上主要用的是單相電容運轉異步電機，該種類電機功率因數、效率和過載能力等都比普通單相電機高。

根據IEC 60335-1:2010和IEC 60335-2-40:2013要求，需要對電機進行溫升測試和非正常測試，本文主要針對異步電機運行原理和非正常測試結果進行分析，得出電機在非正常情況下工作，將導致空調系統壓力異常，引起安全隱患，應當采取各種保護措施防范危險的發生。

2 異步電機運行原理

2.1 三相異步電機

2.1.1 基本結構

三相異步電機主要由定子和轉子構成，定子由鐵心、繞組和機座三部分組成，鐵心是電機磁路的一部分，它由硅鋼片疊壓而成，片與片之間是絕緣，以減少渦流損耗。轉子由鐵心和繞組組成，繞組通常有鼠籠式和線繞式兩種。在定子鐵心和轉子之間有一定的氣隙，轉子鐵心、氣隙與定子鐵心構成電動機的完整磁路。通常，異步電機的氣隙很小，一般為0.1mm-1mm。

由于異步電機的定子繞組到定子鐵心（機座）只滿足基本絕緣（爬電距離小于8mm，繞組絕緣套管厚度小于2mm），氣隙小于1mm，因此異步電機的轉軸只能滿足基本絕緣。

2.1.2 工作原理

三相異步電機的工作原理，是基于定子旋轉磁場（定子繞組內三相電流所產生的合成磁場）和轉子電流（轉子繞組內的電流）的相互作用。

圖1 二極三相異步電機接線圖和旋轉磁場

圖2 單相電容運轉異步電機接線圖

圖3 單相電容運轉異步電機旋轉磁場

圖4 單相電容運轉異步電機轉矩T-轉差率S曲線

旋轉磁場與轉子有相對切割運動，根據電磁感應原理，轉子產生感應電動勢并產生感應電流。根據電磁力定律，載流的轉子在磁場中受到電磁力作用，形成電磁轉矩，驅動轉子旋轉。當三相異步電機通以三相對稱電流時，所產生的磁場是圓形旋轉磁場，負序力矩T-為零，合成力矩等于正序力矩T+，如圖4中T+曲線。二極三相異步電機接線圖和旋轉磁場如圖1所示。

由于轉子轉速與定子旋轉磁場轉速不同步，所以把這種電機稱為異步電機，而把轉速差（n0-n）與定子旋轉磁場轉速n0的比值稱為異步電機的轉差率，用S表示，即S=（n0-n）/n0。而n0=60f/p，f為電流頻率，p為磁極對數。在電機銘牌上通常會標示出頻率和極數，即可計算出該電機大概的實際轉速，如50Hz，6p，n0=（60*50）/3=1000r/min，異步電機在額定負載時，S=1.5%-6%，異步電機實際最大轉速n≈960r/min。

根據磁勢平衡原理，I1*N1≈I2*N2，轉子電流和定子電流成正比，轉子電流增大，定子電流也增大。當電機負載增大時，電機轉速下降，轉子切割旋轉磁場速度增加，轉子感應電流增大，定子電流也相應增大，電機輸入和輸出功率增大。

2.2 單相電容運轉異步電機

2.2.1 基本結構

單相電容運轉異步電機與三相電機結構基本相同，主要差異在于定子繞組，其包括主繞組和副繞組，兩繞組的軸線在空間互相垂直，接線圖如圖2所示，旋轉磁場如圖3所示。副繞組與運行電容串聯，與主繞組并聯，主要用于電機啟動和改善電機運行狀態。

圖5 電機電容開路溫度曲線

圖6 轉矩T-轉差率S曲線

圖7 電機電容短路溫度曲線

圖8 電機堵轉溫度曲線

圖9 電流-轉矩-轉速曲線

圖10 電機電容堵轉溫度曲線

2.2.2 工作原理

由于副繞組串有運行電容C，適當選擇容量使該繞組中的電流在相位上超前主繞組中的電流90度，使其在通電后能在定、轉子氣隙內產生一個旋轉磁場，使轉子能自行啟動。電機轉動起來后，副繞組和電容繼續參與運行，此時產生的磁場為橢圓度較小的旋轉磁場，負序力矩T-較小，這將提高電機效率和過載能力。單相電容運轉異步電機轉矩T-轉差率S曲線如圖4所示。

3 非正常測試分析

3.1 測試要求

根據IEC 60335-1:2010和IEC 60335-2-40:2013第19章測試要求，空調異步電動機需要進行如下測試：

（1）運轉電容開路測試；

（2）運轉電容短路測試；

（3）電機堵轉測試；

（4）三相電機缺相測試；

（5）運轉電容開路+電機堵轉測試。

3.2 單相異步電機電容開路測試分析

測試步驟：

電機在運行過程中將運轉電容開路。

測試結果：

在運轉電容開路后，電機轉速下降，電機能繼續轉動，溫度緩慢上升，直至達到平衡狀態，圖5為電機電容開路溫度曲線。

測試分析：

副電容開路后，副繞組相當于開路，電機只有主繞組參與工作。此時電機中已沒有旋轉磁場，取而代之的是一個空間軸線固定而大小按正弦規律變化的交變脈動磁場，可以分解成兩個轉速相等而方向相反的旋轉磁場Bm1和Bm2，兩個磁場分別作用于轉子而產生兩個方向相反的轉矩。這種情況的電機沒有啟動能力，啟動轉矩為零。電機一旦轉動起來，它能自行加速到穩定運行狀態，轉矩T-轉差率S曲線如圖6所示。

由于電機已平穩運行，電容開路后電機能繼續轉動，由圖4和圖6對比可知，圖6的負序力矩T-增大，合成轉矩相比開路前要降低，因此電機轉速下降，電流相應增大，電機溫度上升。

3.3 單相異步電機電容短路測試分析

測試步驟：

電機在運行過程中將運轉電容短路。

測試結果：

在運轉電容短路后，電機轉速下降較多，能緩慢轉動或停止運行，溫度快速上升，直至過載保護停止運行，圖7為電機電容短路溫度曲線。

測試分析：

副電容短路后，副繞組直接接在電源上，副繞組和主繞組并聯運行，因沒有電容的分壓限流，副繞組溫度快速上升。

由于兩相繞組不對稱，加之主繞組和副繞組得不到應有的電流相位差，則氣隙中的磁場變為橢圓度更大的旋轉磁場，轉矩T-轉差率S曲線如圖6所示。相對電容開路，電容短路后產生的負序力矩更大，合成轉矩相比短路前要降低很多，最大轉矩和過載能力大幅下降，因此電機在原額定負載下轉速下降較多，或停止運行（最大轉矩比阻力距小），定子電流也迅速增大，電機溫度快速上升。

3.4 異步電機堵轉測試分析

測試步驟：

電機進行15天周期堵轉測試。

測試結果：

電機轉子堵轉后，由于定子和轉子電流很大，電機溫度快速上升，直至達到平衡狀態或過載保護停止運行。圖8為電機堵轉溫度曲線。

測試分析：

轉子堵轉后，電機轉差率S為1，旋轉磁場和轉子相對速度達到最大，轉子快速切割磁場線，產生很大的感應電流，對應定子電流也很大，堵轉電流可達額定電流的5-7倍，轉子損耗和定子損耗增加，電機溫度快速上升，電流-轉矩-轉速曲線如圖9所示，電機堵轉電流即為電機啟動轉速為零時的電流，隨著轉速的提高，電流將逐漸下降。

3.5 三相異步電機缺相測試分析

測試步驟：

電機在運行過程中斷開其中一相。

測試結果：

在電機缺相后，電機轉速下降，電機能繼續轉動，溫度上升，直至達到平衡狀態。

測試分析：

三相電機缺相前，三相繞組通以三相對稱的交流電時產生圓形旋轉磁場，負序力矩為零，合成轉矩等于正序力矩。電機缺相后，產生的磁場是交變脈動磁場，三相繞組不再對稱，負序力矩增大，合成轉矩降低，同時沒有啟動能力，此時轉矩-轉差率曲線與單相電機電容開路時相似。

由于合成力矩較缺相前降低，電機轉速將下降，電流增大，此時轉子損耗和定子損耗增加，電機溫度上升。

3.6 單相異步電機電容開路+堵轉測試分析

測試步驟：

把電機運轉電容開路后進行堵轉測試。

測試結果：

電機轉子堵轉和電容開路后，電機溫度上升，直至達到平衡狀態，圖10為電機電容堵轉溫度曲線。

測試分析：

電容開路后，副繞組相當于開路，只有主繞組通電工作，電機溫度上升。由于副繞組沒有通電發熱，因此電機發熱量比直接堵轉要小。

4 結語

由以上分析可得出，異步電機在非正常情況下工作有以下共同點：（1）電機電流和溫度上升；（2）電機轉速下降或停止，且沒有自啟動能力；（3）由于電機轉速下降，造成空調蒸發器和冷凝器熱交換量下降，因此，當電機在低壓側發生非正常情況時，空調系統壓力下降；當電機在高壓側發生非正常情況時，空調系統壓力上升；兩種情況都可導致整機出現保護。

異步電機不能長時間在非正常情況下工作，否則電機繞組壽命將大幅下降甚至燒毀引起火災，也會使空調系統壓力出現異常。因此，電機過載器和其他保護措施顯得異常重要，且通過以上一系列的非正常測試確保空調系統的安全性。通常，對于空調上的異步電機，可在繞組上設置溫度過載保護器；對于三相異步電機，可增加缺相保護；對于PG電機，可在控制電路上增加轉速異常檢測、過流檢測等保護功能。

The study of Asynchronous motor operation principle and abnormal test of air conditioner

LU ZhiBin XIAO Biao
(GREE Electric Appliances, Inc. of Zhuhai Zhuhai 519070)

According to IEC 60335-1: 2010 and IEC 60335-2-40: 2013 requirements, the need for motor temperature test and abnormal test, this paper asynchronous motor operating principles and abnormal test results were analyzed.

Asynchronous motor; Rotating magnetic field; Torque; Slip; Current; Temperature