不對稱電機效率及能量守恒法測量

蔡圣清, 李杰

(銀川能源學(xué)院 電力系，寧夏 銀川 750105)

0 引 言

隨著世界各國的工業(yè)化發(fā)展加快，三相異步電動機的用量越來越大，電機成為現(xiàn)代工業(yè)社會中的主要能源消耗者，在歐盟約69%的電力消耗在工業(yè)，而三相鼠籠式感應(yīng)電動機是工業(yè)最常用的電氣設(shè)備之一。據(jù)中國電力企業(yè)聯(lián)合會最新發(fā)布信息：我國第二產(chǎn)業(yè)電量比重為73.6%[1]，而電動機數(shù)量之大已消耗中國工業(yè)60%～65%的電能，跟國際最佳水平相比，中國電動機效率要低10%～30%[2]。

如何提高三相異步電動機效率使其更加經(jīng)濟、節(jié)能、環(huán)保、高效，以更加優(yōu)越的、高性能的電機替代傳統(tǒng)電機，已成為目前世界關(guān)注和研究的重大熱點之一。歐美日等發(fā)達國家先后投入大量人力和資金在這方面廣泛研究。出臺了IEEE112、C520.20、MGI-12.58.1、C-390、IEC34-2、JEC-37、BS-269標準。我國也對應(yīng)出臺了GB186B、IEC6003-3以及新國標GB186B-2012標準[3]。這些標準出臺都以如何降低定、轉(zhuǎn)子損耗、鐵損耗、空阻和摩擦力及額外負荷為目標。研究的前提以電源電壓為額定值為基準。但是在我國這樣一個幅原遼闊的大地上要保證每個電機的供電絕對對稱是不可能的。三相電源受傳輸中的阻抗差異、氣候、地理環(huán)境和負載的影響，也會受到外界雷電及其它干擾。存在三相電源不對稱是必然的，會不時打破三相平衡狀態(tài)，引起電機額外熱耗，大大降低電機效率(這是我國電機效率低的一個重要因素)。

總之，研究電機效率是一個永恒的課題，也是我國電機與國際電機接軌的一個重要節(jié)點。 三相異步電動機旋轉(zhuǎn)能量是建立在電機的正負序磁場轉(zhuǎn)矩的基礎(chǔ)上的。而正負序電磁轉(zhuǎn)矩方向總是相反的。無論何種因素引起的三相不平衡運行都必然會存在正序磁勢和負序磁勢的共存。對正序而言，電機要從電網(wǎng)吸收功率，通過電磁感應(yīng)轉(zhuǎn)化為軸的輸出機械功率，而此時的負序則是把電源吸收的功率和從軸上吸取的機械功率，共同轉(zhuǎn)化為定轉(zhuǎn)子的鐵損耗、銅損耗和轉(zhuǎn)子的風摩損耗。這種損耗將轉(zhuǎn)化為熱能形式。電機實際運行中，有很多不確定因素存在，難以保證三相的電壓、負載不變化，會使電機處在不平衡運行成為一種常態(tài)。

1 三相電機的不平衡運行分析

1.1 三相平衡狀態(tài)

當三相電動機通入三相對稱交流電時，每一相的基波磁動勢為：fk1=Fk1cosωtcosα如圖1所示。其中Fk1是基波的振幅，α是空間坐標，ω是角頻率，根據(jù)三角函數(shù)公式2cosAcosB=cos(A-B)+cos(A+B)[4]可分解為：

圖1 三相對稱磁勢

式中Pm:轉(zhuǎn)軸上得到的機械功率；PM：是電源供給的電磁功率；s：轉(zhuǎn)差率，n0:是電磁轉(zhuǎn)速,n:為實際轉(zhuǎn)

1.2 三相不平衡運行

圖2 三相不對稱磁勢

2 案例分析

2.1 缺一相電壓時

設(shè)缺A相，總基波磁動勢為：

正序磁勢幅值是負序磁勢幅值的2倍，根據(jù)上面分析仍然是一個橢圓軌跡的磁勢，長軸是短軸的3倍，這個時候有的電機緩慢運轉(zhuǎn)，有的電機根本不轉(zhuǎn)，主要原因是電機軸的風摩力大小的區(qū)別，并不是電機沒有旋轉(zhuǎn)力矩。

2.2 只有一相電壓

基波脈振磁勢為：

此時，脈振磁勢可以分解為兩個幅值相等，而轉(zhuǎn)向相反的兩個圓形旋轉(zhuǎn)磁勢，合成轉(zhuǎn)矩為0，電機n=0，所以不會旋轉(zhuǎn)。

圖3 實驗裝置

3 實驗

(1)實驗電路圖如圖3所示。實驗器件有：DJ24微型電動機一臺， VICTOR6236P測數(shù)表一件，DGJ-07數(shù)字功率表兩塊，50 W變阻器一個，高精度秒表兩塊，0.5 kg金屬錐一個，無彈性尼龍細繩一條，標準刻度尺及其定滑輪一個(如表1所示)。

表1 實驗各參數(shù)

(2)實驗放在室內(nèi)進行，主要減小錐體運動阻力，把0.5 kg的金屬錐用細繩拴緊再通過房頂?shù)亩ɑ嗊B到電機的軸上固定。開啟電機后錐體以墻面標準刻度表為背景從低端向高端運動。經(jīng)過多次精細測量，選D-F3m區(qū)間定位錐體勻速運動區(qū)。保持A、B相電壓不變，用調(diào)節(jié)變阻器來改變電機C相輸入電壓，每改變一次電壓值，電動機的運動速度發(fā)生改變。用兩塊高精度秒表測出D、F點的即時時間。二者差值就是錐體勻速運動的時間。得到錐體的勢能為mgh。而電機從電源吸收功率所得電能為W電=(Pw1+Pw2)*Ts,從而得到圖4和圖5的不對稱度λ與效率η和轉(zhuǎn)速n和效率η的關(guān)系圖。如圖4、5所示。

圖中λ表示：三相不平衡矢量合成幅度與基準值比。

圖4 不對稱系數(shù)λ和η關(guān)系圖

圖5 轉(zhuǎn)速n與效率η曲線圖

4 結(jié)束語

[1] 中國電力企業(yè)聯(lián)合會中國電力工業(yè)現(xiàn)狀與展望[EB/OL] (2015-03-10)[2016-08-03]. http://news.bjx.com.cn/html/20150310/596276.shtml.

[2] 龍迪.電動機數(shù)量消耗中國工業(yè)60%的電能[EB/OL](2011-11-02)[2016-08-03]. http://www.ce.cn/cysc/newmain/pplm/hysm/201111/02/t20111102_21062168.shtml.

[3] S CORINO E,ROMERO R,F MANTILLA.How the efficiency of induction motor is measured[EB/OL]( 2012-12-03)[2016-08-03]. http://wenku.baidu.com/view/790c1ebf65ce050876321378.html.

[4] 郭木森，黃元梅，黃經(jīng)武.電機學(xué)[M].3版.北京：高等教育出版社，1999.

[5] 李發(fā)海，朱東起.電機學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2007.

[6] 李俊卿，李志遠.三相變壓器不對稱運行的分析[J].華北電力大學(xué)學(xué)報，2001,28(4)：15-18.

[7] 施才生.三相異步電動機缺相運行幾種保護[J].煤礦機械，2008：29(1)156-158.

[8] 吳新振，徐世廣.單相異步電機最大轉(zhuǎn)矩計算[J].電機技術(shù)，1993，20(3)：10-12.