同步電動機主要性能參數的測定

歷銳，喬麗娜

(國家防爆電機工程技術研究中心，黑龍江佳木斯 154002)

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同步電動機主要性能參數的測定

歷銳，喬麗娜

(國家防爆電機工程技術研究中心，黑龍江佳木斯 154002)

摘要同步電動機是一種把電能轉化為機械能的定、轉子雙邊勵磁的交流電動機。介紹了同步電動機起動轉矩、起動電流、牽入轉矩、失步轉矩、效率的測定方法，全面展現了產品的各項性能，提供滿足用戶要求的高品質產品。

關鍵詞同步電動機；轉矩；起動電流；效率

0引言

異步電動機的五大性能指標有：效率、功率因數、起動電流倍數、起動轉矩倍數、最大轉矩倍數。而對于同步電動機而言其主要有六大性能指標：效率、功率因數、起動電流倍數、起動轉矩倍數、牽入轉矩倍數、失步轉矩倍數[1]。由于同步電動機功率因數可以通過調節轉子勵磁電流進行調整，因此不對其測定方法進行介紹，鑒于此，本文主要介紹測定同步電動機起動電流和起動轉矩，測定牽入轉矩，測定失步轉矩，測定效率等幾方面內容。

1起動電流和起動轉矩的測定

同步電動機起動電流和起動轉矩用堵轉試驗測定。測定前應檢查電機的旋轉方向，盡可能事先用低電壓確定對應于最大起動電流和最小起動轉矩的轉子位置，然后按上述位置將轉子堵住。

測定時電動機勵磁回路的接線方式應和實際使用時的接線方式一致，勵磁回路中所需接入的起動電阻(滅磁電阻)值若在被試電動機的技術文件中無規定時，宜取10倍勵磁繞組的電阻值。被試電動機的定子繞組接到額定頻率，電壓可調至實際對稱的電源上。當電源電壓在額定值的20%以下時，將被試電動機接入，然后盡快地升高電源電壓，使定子電流調至兩倍的額定電流值左右，此時迅速讀取三線電壓、三相電流、輸入功率或轉矩，為了避免電動機過熱，試驗必須從速進行。然后逐漸降低電源電壓(此時頻率應保持為額定)，用上述同樣方法讀取7～9點。當讀完最后一點的試驗數據并切斷電源時，應立即測量定子繞組的直流電阻值。根據試驗數據，繪制三相電流平均值與三線電壓平均值的關系曲線，如圖1所示[2]。在曲線上的最大試驗電壓處順曲線的直線部分延長與橫軸相交，交點電壓為U′，則被試電動機的最初起動電流可按式(1)計算，單位(A)。

圖1堵轉電流和電壓的關系曲線

(1)

式中，UN—被試電機的額定電壓(V)；UK—測定時所加的三線電壓最大值的平均值(V)；IK—對應于電壓UK時三相電流的平均值(A) 。

最初起動轉矩按可按式(2)計算

(2)

式中，MK—對應于電壓UK時測得的轉矩(N·m)。

若在試驗時無法直接測得轉矩MK，則MK可通過電磁功率計算。先按式(3)計算轉子堵住時輸入轉子的電磁功率

PM=P1-PFe-3IK2Ra×10-3(kW)

(3)

式中，P1—對應于電壓UK時的輸入功率(kW)；PFe—對應于電壓UK時的鐵耗，由空載試驗求得(kW)；Ra—緊接在試驗后測得的定子繞組的直流電阻值(Ω)。

根據式(4)計算出轉矩MK

(4)

式中，nN—被試電機的額定轉速(r/min)。

2牽入轉矩的測定

同步電動機的名義牽入轉矩是指采用異步起動法時，電動機在額定頻率、額定電壓下，轉差率為5%時的轉矩值。測定牽入轉矩時，被試電動機勵磁回路應與測定最初起動電流時的接線相同，牽入轉矩可采用直接負載法或加速度法測定。

2.1直接負載法

被試電動機應接到額定頻率，電壓可調實際對稱的電源上作異步電動機運行。被試電動機的試驗電壓，應在阻尼繞組及磁極的極靴不致過熱的情況下盡可能提高，一般應在額定值的50%以上。調節被試電動機的負載，使其轉差率為5%,同時讀取被試電動機的定子電壓、定子電流、輸入功率、轉速或轉差；若負載為測功機還應讀取轉矩；如果采用分析過的直流發電機作為負載時，應同時讀取直流發電機的端電壓、電樞電流和勵磁電流。

被試電動機在轉差率為s時的牽入轉矩按式(5)計算

(5)

式中，P2—被試電動機的輸出功率(kW)；Pms—被試電動機在轉差率為s時的機械損耗，如無此數據，可近似取空載試驗時的機械損耗Pm(kW)。

被試電動機在額定電壓時的名義牽入轉矩由式(6)計算

(6)

式中，U′—圖1中求得的電壓值(V)；U—求得Mpi時的試驗電壓值(V)。

試驗時轉差率為5%的一點不易準確建立時，則可調節被試電動機的負載，使轉差率為5%左右。按上述方法讀取4～5點數據并計算轉矩，然后作出轉矩與轉差率的關系曲線。從曲線上確定轉差率為5%時的轉矩。

2.2加速法

被試電動機應接到額定頻率，電壓可調實際對稱的電源上，使電動機作空載起動。電源電壓(一般在20%左右的額定電壓)應調節到能使電動機由30%額定轉速加速到額定轉速，所需時間為90s左右。在加速過程中，電源電壓、頻率應保持不變。如果使電動機由靜止狀態起動的最低電壓不能滿足上述要求，則應進一步降低電源電壓，直到滿足上述要求為止。但此時電動機可采用其它方法幫助起動(例如用吊車幫助起動或先用較高電壓起動，然后切斷電源使電動機降速，待電動機轉速降到30%nN以下時，再加所需電壓進行試驗等)。在轉速為30%～80%nN范圍內，每隔5～10s測量一次轉速并記錄時間。在轉速為80%～100%nN范圍內每隔3～5s記錄一次。在試驗過程中應注意電動機是否過熱。

圖2n=f(t)曲線

(7)

式中，GD2—被試電動機的飛輪轉矩(N·m)。

額定電壓時的牽入轉矩按式(6)計算獲得，在此試驗中轉速宜采用定時計數的數字式測速儀來測量。

3失步轉矩的測定

同步電動機的失步轉矩可由直接負載法測定，也可用分析法確定。

3.1直接負載法

測定時宜用負載可調的制動器，測功機或分析過的直流發電機作負載。被試電動機應接到額定頻率、額定電壓實際對稱的電源上。將被試電動機調到額定負載狀態下運行，然后保持其勵磁電流不變，逐漸增加被試電動機的負載使之失步，在失步瞬間從制動器或測功儀上測得的轉矩數值即為被試電動機的失步轉矩。直流發電機負載法不為常用，不做過多介紹。

3.2分析法

如果被測量的電動機不能用直接負載法測定最大轉矩時，可用分析法確定。同步電動機的最大轉矩標么值按式(8)計算

(8)

(9)

A=1+f(ε)

(10)

(11)

式中，IfN—被試電動機的額定勵磁電流(A)；Ifδ0—對應于額定電壓時的空載氣隙勵磁電流(A)見圖3；Xd*—被試電動機的直軸同步電抗的不飽和值的標么值；Xq*—被試電動機的直軸同步電抗的的標么值； f(ε)可由圖4查得。

圖3同步電動機的空載特性曲線

圖4f(ε)函數曲線

4效率的測定

同步電動機的效率可用間接法或直接法測定。

4.1間接法

間接法通常稱為損耗分析法，采用間接法測定電機效率時，應分別測定或計算下列各種損耗。主要分為恒定損耗P0(與負載電流無關的損耗，包括：基本鐵耗PFe和機械損耗Pm)，基本銅耗PCu，勵磁損耗Pf(包括勵磁繞組基本銅耗Pcuf和集電環上電刷的電損耗或勵磁機的損耗)，雜散損耗Ps包括定子繞組內的雜散銅耗和磁路及其他金屬部分(導線除外)內的雜散損耗。同步電動機效率按式(12)計算

(12)式中，∑P—總損耗，即：∑P=P0+PCu+Pf+Ps;PN—電動機的額定功率。

4.2直接法

直接法一般只適用于小型同步電動機。直接測定效率用輸入和輸出功率法求得。試驗時，電動機在額定工作方式下運行，當各部分溫度基本達到穩定狀態以后，直接測定電動機的輸入和輸出功率，并記錄繞組、軸承等各部分的溫度及冷卻介質溫度。效率按式(13)計算

(13)

式中，P1—電動機的輸入功率(kW)；P2—電動機的輸入功率(kW)。

5結語

本文對同步電動機的各種性能指標的測定進行了簡單介紹，產品性能參數的測定實質是產品功能的檢驗，從選購產品的角度來看，用戶選購的不僅僅是產品，還有產品所具備的卓越性能。因此產品試驗的目的就是全面的向用戶展現、驗證產品的各項性能，滿足用戶的需求，為其提供高品質的產品。

參考文獻

[1]李幼倩，韓君強.現代新型增安型無刷勵磁同步電動機的設計及應用.北京：機械工業出版社，2009.

[2]劉景峰.同步電動機運行與檢修技術問答.北京：水利電力出版社，1994.6.

[3]程小華.同步發電機三相突然短路的定性分析.防爆電機，2012.5.

[4]侯君，劉兆江.同步電機阻尼繞組設計分析.防爆電機，2012.3.

[5]劉豪，柏春嵐.同步發電機定子繞組短路故障分析.防爆電機，2014.4.

Brief Talk on Major Performance Parameters Measurement of Synchronous Motor

LiRuiandQiaoLina

(National Engineering Technology Research Center of Explosion-Proof Electric Machine, Jiamusi 154002, China)

AbstractSynchronous motor is an AC motor of which stator and rotor are excited at both primary and secondary, and it transfer electric energy into mechanical energy. This paper introduces measurement method for starting torque, starting current, pull-in torque, pull-out torque and efficiency of synchronous motor, and fully exhibits performance of the product to the customer. The product of high quality can be provided to meet requirements of the customer.

Key wordsSynchronous motor；torque；starting current；efficiency

收稿日期：2015-10-16

作者簡介：歷銳男1982年生；畢業于黑龍江八一農墾大學機械設計制造及其自動化專業，現從事電機設計研發工作.

中圖分類號：TM341

文獻標識碼：A

文章編號：1008-7281(2016)02-0009-004

DOI:10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.02.03