基于直流注入的三相感應電動機等效負載熱試驗研究

王傳軍， 劉 祺， 童陟嵩， 李永奇

(1.上海電機系統節能工程技術研究中心有限公司，上海 200063；2.上海電科電機科技有限公司，上海 200063)

0 引 言

電機產品的熱試驗有直接負載熱試驗和等效負載熱試驗2類[1]。直接負載熱試驗通過軸聯結對電機輸出軸施加一定的負載進行試驗。與直接負載熱試驗相比，等效負載熱試驗具有如下優點：不需要在軸端耦合機械負載；對電源容量要求大大降低；試驗設備簡單、經濟，應用方便。

基于等效負載方法的上述優點，國內外科研院所和電機生產廠家很早就開展了一些研究和探索。20世紀90年代，歐美國家對定子疊頻法進行大量的試驗研究，21世紀初，歐美學者又將定子疊頻法進一步擴展至效率估算領域[2]。綜合國外的標準及國內經驗，我國于2007年制定了GB/T 21211—2007《等效負載和疊加試驗技術 間接法確定旋轉電機溫升》標準[3]，并于2017年重新界定了各試驗方法的不確定度。雖然各類間接試驗法已成為了推薦標準，但國內仍鮮有針對此類方法和類似裝置開展研究、研制的報道，在標準制修訂過程中也缺少相關試驗數據的對比。

本文對GB/T 21211—2017標準“等效負載熱試驗直流注入法”進行了研究，并基于該方法開發了三相感應電動機等效負載熱試驗裝置。詳細介紹了裝置研制的關鍵因素和要點。通過應用該裝置積累了一定的試驗數據，為相關研究提供幫助。

1 直流注入法理論

電機產品的等效負載熱試驗是在非額定負載條件下，通過單一試驗近似地確定電機部件在額定負載時的溫升，對于電機定子繞組來說，即意味著在繞組中產生有效的滿載電流[4]。

直流注入法被試電機由交流電源供電并在額定電壓下空載運行，此時利用可調電壓的直流電源在電機三相定子繞組上各疊加一直流電流，調節直流電源輸出電壓，使得交流空載電流的有效值疊加上注入的直流電流等于電動機的滿載電流，即實現等效負載。直流注入的等效負載試驗線路原理圖如圖1所示。被試電機和交流電源發電機均是星形接法，且兩者的中性點是可用的，直流電源接在2個中性點中間。調節直流發電機輸出電流，即可增加被試電機定子繞組內的電流有效值，交流電源發電機提供額定電壓并能承受額定電流。

圖1 直流注入的等效負載試驗線路原理圖

直流電源建立的是空間靜止磁場，其極數是定子極數的3倍。轉子旋轉產生磁通和電流，因而在轉子中有額外的損耗，即在轉子上產生制動轉矩，在定子繞組中也產生反作用電流分量。交流電源則提供補償電流，平衡制動轉矩反應產生的去磁作用。

注入的直流電流越大，轉子產生的制動轉矩越大，因此調節直流電源的輸出電流即可達到調節負載的目的。

2 裝置電氣系統設計

2.1 試驗能力

裝置主要用來完成550 W及以下三相感應電動機的熱試驗。試驗能力要求如表1所示。

表1 試驗能力要求

2.2 系統設計

基于試驗能力需求，采用直流注入法設計三相感應電動機等效負載熱試驗裝置。系統原理圖如圖2所示。該系統由交/直流供電單元、控制單元、測量單元等部分組成。交流電源由電網直接供電，A1/B1/C1/N為380 V/50 Hz三相四線供電電網電源；VD1/VD2/VD3為可程控直流輸出電源，其主要技術參數如表2所示。控制單元由斷路器QF1～QF24、接觸器KM1～KM24、接觸器ZKM1～ZKM24等組成。電流測量傳感器ZH1～ZH24和電參數測量儀P1～P24構成本裝置測量單元。FR1～FR24為熱保護。

圖2 系統原理圖

表2 可程控直流輸出電源主要技術參數

2.3 設計要點

為了將直流疊加到交流系統中，在上述基本構成的基礎上設計了交直流耦合回路，以確保交流和直流電流僅作用在電機繞組上，同時防止交流和直流回路之間產生相互干擾。裝置設計主要采取了如下措施：

(1) 為防止交流進入直流電源，增加耦合變壓器T1、T2、T3，其一次繞組和二次繞組產生對稱的交流電壓并相互抵消，即滿足在直流電源上產生的交流電壓接近零。

(2) 為使直流僅在電機回路上循環(使電機繞組發熱)，不能進入交流電源系統而使變壓器繞組發熱，在耦合變壓器的一次回路增加隔直電容器C1、C2、C3。

參考圖2，設電機的某相繞組為RM，流經該繞組的電流為IRM，繞組電壓為URM；耦合變壓器的一次繞組為RT1，電感量為L1，二次繞組為RT2，一次繞組上的電壓為URT1，二次繞組上的電壓為URT2，為滿足在直流電源上產生的交流電壓接近零的要求，則：

(1)

式中：

(2)

(3)

欲滿足式(1)，則應達到：

墨鏡男坐下來，給自己倒了一杯酒，看著范堅強抽煙，不敢先喝。范堅強左手舉起杯子，偏頭瞥了他一眼，說：“喝一杯吧。”他才一口喝干，站起來給范堅強斟酒。范堅強看著酒杯，用拿煙的右手輕輕在桌面點了點。他又給自己倒酒，月光下，呈亮亮的一道弧線。邊倒，邊說：“老板，不如把他做了，以絕后患。”見范堅強不做聲，偷偷看他一眼，放下酒瓶端端正正坐著。

(4)

表3 耦合變壓器主要參數

3 試驗驗證

3.1 試驗數據

基于上述設計，以某系列550 W三相感應電動機為研究對象進行了試驗。試驗電機主要技術參數如表4所示。為了準確對試驗電機參數進行準確測量，通過FLUKE高精度電參數分析儀NORMA4K對試驗對象進行數據采集，試驗電機電流注入有效值為1.36 A，24臺電機同時進行試驗時，直流電源輸出電壓20.3 V，輸出電流20.5 A，隔直電容電流為22 A。

表4 試驗電機主要技術參數

表5給出了某臺電機10次試驗結果，其中ΔθN,equiv是由本裝置通過直流注入法測試而確定的溫升值，ΔθN是根據GB/T 755—2019《旋轉電機定額和性能》規定的直接負載法測試而確定的溫升值[5]。

表5 試驗溫升值

隨后從24臺試驗電機中隨機抽取了8臺電機，按照GB/T 1032—2012《三相異步電動機試驗方法》進行了熱試驗[6]。試驗情況對照表如表6所示。

表6 試驗情況對照表

3.2 試驗數據分析

利用貝塞爾公式:

(5)

根據式(5)求得直流注入法測量結果的標準偏差值為1.2 K。不確定度公式如下：

(6)

同理求得，直接負載法測量結果的標準偏差值為1.0 K，測量結果的A類標準不確定度為0.33 K，自由度為9。

為更直觀地比較2種試驗方法的試驗結果和趨勢，圖3和圖4對比了2種試驗方法所得結果。

圖3 不同試驗次數試驗數據對照情況

圖4 不同抽樣編號試驗數據對照情況

比較可見，直流注入法試驗標準偏差稍大于直接負載法試驗標準偏差。

從圖3和圖4可見，以等效負載試驗方法確定的電機繞組溫升與額定負載試驗結果比較總是存在偏差，相對于額定負載下的不確定度定義為

(7)

根據表5數據，按照式(7)計算不確定度為4.8%。

相關文獻[4]顯示，等效負載法的不確定度在±10%的范圍內。

4 結 語

本文采用直流注入法設計了可同時對24臺最大功率550 W的三相感應電動機進行等效負載熱試驗的裝置，提高了試驗效率，試驗能耗低，測試過程簡單易操作，不確定度在可接受范圍內，具有良好的實用性。該裝置實現了批量地在電機內產生可控的加熱，因此適用于對電機進行加速熱老化試驗。這些測試常常用于分析和總結電機的絕緣設計，掌握其絕緣系統隨時間變化的熱性能。通過這種方式，可以獲得電機的預期壽命[7]。

電機生產廠家的電機試驗站經常會受試驗電源、試驗設備、試驗樣品、試驗工裝、試驗批量、安裝方式等多因素限制[8]，無法對試驗電機施加直接負載。此時使用感應電機等效負載直流注入法進行熱試驗是一種非常理想可行的試驗方法。