三相異步電動機(jī)在不同負(fù)載率時(shí)的效率探究分析

張 俊，趙云峰，章力天，潘柏根，陸月星，楊 剛

（安徽省電機(jī)產(chǎn)品及零部件質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，安徽 宣城242500）

1 三相異步電機(jī)設(shè)計(jì)原理

交流電機(jī)是實(shí)現(xiàn)交流電能和機(jī)械能之間轉(zhuǎn)換的電機(jī)，其中可以將其分為同步電機(jī)和異步電機(jī)兩大類，同步電機(jī)通常作為發(fā)電機(jī)使用，而異步電機(jī)主要作為電動機(jī)。異步電機(jī)中，使用量較大的是三相異步電機(jī)。三相異步電機(jī)以三相對稱交流電為驅(qū)動源，通過特定的機(jī)械結(jié)構(gòu)和電磁作用原理，實(shí)現(xiàn)電能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)化，從而作為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中的動力源。三相異步電機(jī)主要由定子、轉(zhuǎn)子、繞組和機(jī)座等構(gòu)成[1-2]。交變的電流通過繞組，在氣隙中產(chǎn)生以一定速度旋轉(zhuǎn)的磁場，轉(zhuǎn)子中導(dǎo)條或者繞組在磁場中產(chǎn)生感應(yīng)電流，帶電導(dǎo)體在磁場中受到安培力的作用，從而形成驅(qū)動轉(zhuǎn)子運(yùn)動的轉(zhuǎn)矩[3-4]。

2 三相異步電動機(jī)在不同負(fù)載率時(shí)的損耗分析

對于三相電動機(jī)而言，一般認(rèn)為總損耗包括定子損耗、轉(zhuǎn)子損耗、鐵耗、風(fēng)摩耗、負(fù)載雜散損耗5大損耗，這5大損耗之和是影響電機(jī)輸出效率的關(guān)鍵因素。通過型式試驗(yàn)測取上述損耗值是求取電機(jī)效率的常用方法。與此同時(shí)，在試驗(yàn)過程中某一溫度測取的損耗是可以通過修正到期望溫度下的損耗。在研究三相異步電動機(jī)的效率過程中，采用GB/T1032—2012中的B法進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。在試驗(yàn)中需要用到轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器、功率計(jì)、溫度巡檢儀等設(shè)備，為了保障試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，所有設(shè)備精度等級均達(dá)到0.2級及以上。

2.1 定子繞組損耗Pcu1s

三相異步電機(jī)在工作過程中，定子繞組中通入正弦的交流電，電能一部分轉(zhuǎn)化為磁能，另一部分轉(zhuǎn)化為熱能，而做無用功的熱能就是定子繞組上的損耗。對于一般銅繞組來說，不同溫度時(shí)的三相電動機(jī)的繞組的阻值是變化的，因此在計(jì)算電機(jī)定子繞組損耗需要按照規(guī)定溫度下端電阻進(jìn)行運(yùn)算，公式如下所示：

2.2 轉(zhuǎn)子繞組損耗Pcu2s

三相異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子可以分為繞線轉(zhuǎn)子和鑄鋁轉(zhuǎn)子，對于繞線轉(zhuǎn)子而言，可以依據(jù)電子流動碰撞產(chǎn)生的熱效應(yīng)來計(jì)算繞線轉(zhuǎn)子損耗，理論分析可知，這種熱量損耗與繞組中的感應(yīng)電流的平方和規(guī)定溫度的繞線阻值成正比。對于鑄鋁轉(zhuǎn)子而言，是對繞線轉(zhuǎn)子的改良，利用鑄鋁導(dǎo)條中的感應(yīng)電流在旋轉(zhuǎn)磁場中產(chǎn)生的安培力帶動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條一般與電機(jī)軸向成一定角度斜置來消除轉(zhuǎn)子和定子齒之間諧波相互作用，從而減小附加轉(zhuǎn)矩和激振噪聲。繞線轉(zhuǎn)子和鑄鋁轉(zhuǎn)子發(fā)熱原理是相同的，可以利用直接法依據(jù)定子繞組損耗Pcu1s的計(jì)算公式進(jìn)行運(yùn)算，但是由于電機(jī)在工作中感應(yīng)電流值無法獲取，只能采用間接法計(jì)算，公式如下所示：

式（3）（4）中：P1為輸入功率；Pcu1s為規(guī)定溫度下定子損耗；PFe為鐵耗；s為轉(zhuǎn)差率；θt為規(guī)定溫度，℃；θ0為測量轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)差率時(shí)定子繞組溫度，℃。

2.3 風(fēng)摩耗Pf

電動機(jī)的風(fēng)摩耗主要是電動機(jī)在轉(zhuǎn)動過程中轉(zhuǎn)子和冷卻風(fēng)扇與空氣之間均產(chǎn)生摩擦，對于這種摩擦損耗有兩種計(jì)算方式。

一種是根據(jù)流體力學(xué)中的牛頓粘性公式進(jìn)行計(jì)算，將風(fēng)速看成沿半徑方向線性遞減，可依據(jù)公式（5）計(jì)算；另一種計(jì)算方式，根據(jù)GB/T1032—2012中的要求，采用一半額定電壓至最低電壓時(shí)恒定損耗與電壓數(shù)值，作恒定損耗對（U0/UN）2的曲線，將直線延長至零電壓與縱軸的交點(diǎn)視為風(fēng)摩耗[5]。

式（5）中：μ為空氣粘性系數(shù)，取1.7894×10-5Pa·s；r為轉(zhuǎn)子半徑，mm；ω為轉(zhuǎn)速，rad/s；Δr為氣隙，mm。

2.4 鐵耗PFe

檢測行業(yè)中，電機(jī)的鐵耗取60%～125%額定電壓之間的各點(diǎn)電壓，作恒定損耗減去風(fēng)摩耗的值對U0/UN的關(guān)系曲線。不同負(fù)載時(shí)的鐵耗根據(jù)電壓之間的比值找到對應(yīng)損耗值，其中：

2.5 負(fù)載雜散損耗Ps

負(fù)載實(shí)驗(yàn)中輸入功率與輸出機(jī)械功率之差為視在總損耗，從視在總損耗中減去定子損耗、轉(zhuǎn)子損耗、風(fēng)摩耗和鐵耗之后，剩余的那部分損耗稱為剩余損耗PS0。剩余損耗與T2呈線性關(guān)系，通過對剩余損耗數(shù)據(jù)的線性回歸分析求取負(fù)載雜散損耗，公式如下：

3 三相異步電機(jī)的效率理論計(jì)算

效率是同一單位表示的輸出功率P2和輸入功率P1之比，對于三相異步電機(jī)而言，即等于電機(jī)軸端輸出的機(jī)械功率與供電電源的輸出端電功率之比，公式如下：

式（7）中：PT為總損耗，W。

4 不同負(fù)載率時(shí)損耗分析

不同負(fù)載率是指電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)輸出端功率與額定功率比值。實(shí)際應(yīng)用和分析研究中對于不同負(fù)載情況下的損耗一般取額定負(fù)載工況預(yù)估損耗值或者依據(jù)該工況下的電流進(jìn)行計(jì)算相關(guān)損耗。對于三相異步電機(jī)來說，上述的預(yù)估和計(jì)算方式對在不同負(fù)載率工況下電機(jī)效率計(jì)算存在較為明顯的誤差，尤其對于大電機(jī)計(jì)算誤差更為顯著。當(dāng)電機(jī)輸出功率小于額定功率時(shí)，三相定子繞組中的線電流小于額定電流，根據(jù)感應(yīng)電機(jī)等效電路原理可知，單相定子上的銅損耗等于定子內(nèi)阻損耗，與定子電流I2成正比，因此，三相異步電機(jī)的銅損耗等于單相銅損耗乘比例系數(shù)，一般取1.5。因此，如果按照100%負(fù)載率時(shí)的銅損計(jì)算，會將使得低負(fù)載率時(shí)電機(jī)的總損耗變大，使得效率計(jì)算值偏小。

同理，當(dāng)輸出功率大于額定功率時(shí)，按照額定負(fù)載時(shí)定子繞組的線電流去計(jì)算銅損，會將高負(fù)載率時(shí)電機(jī)的總損耗變小，使得電機(jī)效率計(jì)算值偏大。根據(jù)電機(jī)做空載試驗(yàn)時(shí)的特性曲線的可知，鐵耗大小與U0/UN的比值成單調(diào)遞增趨勢，用額定負(fù)載時(shí)電流計(jì)算會引起Ub的偏差，導(dǎo)致鐵耗偏差變化趨勢與銅損趨勢類似。

針對鑄鋁導(dǎo)條電機(jī)而言，導(dǎo)條在轉(zhuǎn)子中斜置設(shè)計(jì)，結(jié)合電機(jī)是特殊變壓器的特性，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流變化與一二次側(cè)匝數(shù)比值成反比且轉(zhuǎn)差率數(shù)值一般數(shù)量級較小，使得不同負(fù)載率時(shí)，轉(zhuǎn)子上的損耗的誤差較小。風(fēng)摩耗將其視為機(jī)械特性，與氣隙與轉(zhuǎn)速相關(guān)，電流計(jì)算值變化對其影響較小。

5 型式試驗(yàn)

現(xiàn)場試驗(yàn)圖如圖1所示。在實(shí)驗(yàn)中，取電機(jī)型號為YX3-200L-4的三相四極電機(jī)進(jìn)行空載、負(fù)載、溫升試驗(yàn)，電機(jī)的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)樣機(jī)的參數(shù)表

圖1 現(xiàn)場試驗(yàn)圖

陪試機(jī)選用額定功率為45kW的4極電動機(jī)。通常風(fēng)摩耗和鐵耗根據(jù)空載試驗(yàn)求出，效率由溫升和負(fù)載試驗(yàn)得出。

對電機(jī)進(jìn)行不同負(fù)載工況下的型式試驗(yàn)，首先，開展3次不同負(fù)載時(shí)的電機(jī)試驗(yàn)，在三相異步電機(jī)的試驗(yàn)系統(tǒng)中將額定功率分別乘以0.5、0.75、1，即分別對該電機(jī)加50%、75%、100%的負(fù)載，試驗(yàn)加載過程需根據(jù)對應(yīng)的負(fù)載率進(jìn)行加載，主要加載方式采取降低陪試電機(jī)的頻率，減小電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，對被試機(jī)施加負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

對應(yīng)負(fù)載測取的損耗值和效率值如表2所示。滿載時(shí)的負(fù)載試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 滿載時(shí)的負(fù)載試驗(yàn)結(jié)果圖

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

6 結(jié)論

根據(jù)不同負(fù)載率下電機(jī)空載、負(fù)載和溫升試驗(yàn)的結(jié)果可知，隨著負(fù)載率的增加，定子損耗和轉(zhuǎn)子變化趨勢較為明顯，負(fù)載每增加25%，定子損耗增加約1倍。風(fēng)摩耗一般認(rèn)為與負(fù)載試驗(yàn)無關(guān)，因此不同負(fù)載時(shí)的風(fēng)摩耗變化較小。根據(jù)鐵耗的測量結(jié)果，鐵耗的值通常認(rèn)為電機(jī)的機(jī)械有關(guān)，其鐵耗的值較為穩(wěn)定在470W左右。隨著負(fù)載率的增加，負(fù)載越大，電機(jī)的雜散損耗越大，由測量結(jié)果可知，每增加25%負(fù)載，雜散損耗則增加50%左右。另外由不同負(fù)載率時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對于三相異步電動機(jī)而言，75%負(fù)載附近時(shí)的效率通常較大。