異步電動機疊頻法溫升試驗淺析

張宏川

（東方電氣集團東方電機有限公司，四川 德陽 618000）

我國工業(yè)發(fā)展迅速，隨之而來對于電動機的需求也開始呈現(xiàn)出顯著提升的趨勢。然而在實際的工業(yè)環(huán)境中，很多電動機都會面臨較大的工作壓力，交流電動機的容量常常會超出出廠時設(shè)定的負載試驗?zāi)芰?，因此為了能夠保證對應(yīng)的電動機實現(xiàn)有效安全運行，必須對其展開溫升試驗。對于異步電動機而言，溫升試驗的價值就在于確定額定負載條件下運行時，定子繞組的工作溫度和電機某些部分溫度高于冷卻介質(zhì)溫度的溫升。獲取到溫升特征的數(shù)據(jù)，對于電動機自身的壽命以及日常安全等方面都有十分重要的價值。然而在溫升試驗的領(lǐng)域中，由于對大功率以及立式電動機展開試驗時，很難找到合適的對拖機組或者負載來完成試驗，因此現(xiàn)在常見的做法是通過定子疊頻的方式，對等效負荷進行模擬，進一步獲取到溫升數(shù)據(jù)以及效率估值。

對于疊頻法溫升試驗而言，其發(fā)展經(jīng)歷了漫長的過程。20世紀80年代，國際上就已經(jīng)開始出現(xiàn)對應(yīng)的研究，當時的美國、日本以及德國等國家，都已經(jīng)展開了對應(yīng)的研究；進入到90年代，歐美開始了針對雙發(fā)電機疊頻法的更為深入的關(guān)注。與這種情況對應(yīng)的是，我國相對而言起步較晚，在80年代諸多國家的疊頻試驗風(fēng)起云涌時，我國的相關(guān)試驗也在隨之展開，但只是嘗試階段，而在90年代，歐美試驗成果頻出的時候，我國也在迎頭趕上，當時國內(nèi)已經(jīng)將疊頻法引入了GB1032-85標準中，并且在很多類型的異步電動機的試驗中積累了大量數(shù)據(jù)。GB1032-85標準明確指出，300kW以上臥式或者100kW以上的立式異步電動機均可以采用疊頻法或者降低點壓法展開溫升試驗。經(jīng)過多年的發(fā)展，電動機容量的不斷提升以及其他諸多原因，都使得85版標準中提及的方法不再適用于實踐環(huán)境，隨之也涌現(xiàn)出了諸多新的思路，推動了疊頻法的不斷發(fā)展。時至今日，國際環(huán)境中以D.J.McKinnon等為代表的學(xué)者，開始利用派克方程求解異步電動機等效負荷情況下的數(shù)學(xué)模型，并且對正弦脈寬調(diào)制（SPWM，Sinusoidal Pulse-Width Modulation，SPWM）疊頻法下的損耗變動規(guī)律展開了研究。同時我國也在綜合多方經(jīng)驗的情況下，制定了疊頻等效負載法試驗標準GB/T 21211-2007，針對疊頻試驗中電源電壓、頻率以及溫升折算等加以初步規(guī)范，將該領(lǐng)域的研究推動到了一個新的階段。

針對大型異步電動機展開溫升試驗的時候，要求電動機保持在額定負荷展開工作，此時因為軸伸側(cè)無負載，因此運行轉(zhuǎn)差率趨近于0，導(dǎo)致無法在定子與轉(zhuǎn)子中感應(yīng)出額定負載電流和轉(zhuǎn)矩電勢。定子疊頻法則是通過改變電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，來實現(xiàn)增加電動機定子電流的效果，從損耗的角度實現(xiàn)了對于等效負荷的加載。從工作原理的角度看，此種方法主要是將2種相近頻率的主、副電源進行矢量疊加，進一步形成新的拍頻電源，其頻率等于2個電源的頻率差f1-f2，用這個新的疊加電源來實現(xiàn)電動機的驅(qū)動。此種情況下，電動機氣隙中合成磁通為主、副電源矢量疊加的結(jié)果，當電動機轉(zhuǎn)速低于定子磁場同步轉(zhuǎn)速時，其感應(yīng)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速保持同向，則處于電動機模式的工作狀態(tài)，反之，則發(fā)揮制動作用，相當于處于發(fā)電機模式工作狀態(tài)。進一步合成的旋轉(zhuǎn)磁場在同步轉(zhuǎn)速附近產(chǎn)生了脈動振蕩，則設(shè)備會在2種工作模式直接切換，從而實現(xiàn)改變電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量的目標。

在考察定子疊頻法理論時，對相應(yīng)的變量展開數(shù)學(xué)表達，則主、副電源經(jīng)過磁場疊加后產(chǎn)生新的矢量Φ3，其矢量端點變化軌跡參見圖1。

圖1 電源合成矢量端點軌跡

綜合圖1，其中Φ為電源產(chǎn)生的電機磁通，用U表示電壓，ω表示電源角頻率，則依據(jù)余弦定理有合成Φ3的幅值如式（1）。

通過式（2）不難發(fā)現(xiàn)Φm的變化規(guī)律。其中Φ1m以及Φ2m均為常數(shù)，則有式（3）。

當θ1false從0開始增加到π的過程中時，Φm會不斷減小，而θ1false從π一直增加到2π的過程中，Φm則會不斷增加，整個過程中，Φm以拍頻false為周期展開變化。

進一步分析Φ3的速度周期變化，參見圖2。圖2中，B、D2點為切點，在弧BAD上，旋轉(zhuǎn)坐標系上垂直于Φ3的旋轉(zhuǎn)線速度V’為順時針方向，對應(yīng)該區(qū)間的轉(zhuǎn)速小于ω1，而在B、D2點上，V’為0，而在弧BCD上，V’為逆時針方向，該區(qū)間的轉(zhuǎn)速大于ω1。則依據(jù)合成磁場相位求解合成角度ω3，結(jié)果見式（4）。

圖2 合成矢量速度變化示意圖

在式（2）以及式（4）的基礎(chǔ)上，可以確定出合成角頻率ω3的變化曲線。一個比較典型的情況，即當ω3增加，轉(zhuǎn)子加速，而當ω3減小，轉(zhuǎn)子也對應(yīng)減速。大中型異步電動機轉(zhuǎn)子常常具有極大的轉(zhuǎn)動慣量，當拍頻為5Hz，而主頻為50Hz的時候，ω3在0.2s內(nèi)即可實現(xiàn)一個周期，因此轉(zhuǎn)子速度變化會落后于磁場轉(zhuǎn)速。與之對應(yīng)，當磁場轉(zhuǎn)速高于轉(zhuǎn)子速度時，會保持在電動機模式運行，而當磁場轉(zhuǎn)速低于轉(zhuǎn)子速度時，則會保持在發(fā)電機狀態(tài)展開運行。這種方式通過改變轉(zhuǎn)子慣量而進一步?jīng)Q定電機定子電流的大小，與疊頻磁場的變化速度保持正比。

在疊頻法溫升試驗的實現(xiàn)過程中，除了要對其相關(guān)原理加強理解外，還必須進一步展開包括疊頻頻率的選定，以及對于疊頻更具體的方式的確定等方面相關(guān)問題需要落實討論，限于篇幅問題，在此不多做議論。對于疊頻法而言，其自身也處于不斷完善與發(fā)展的進程中，諸如不同疊頻法的分析對比，以及電流、發(fā)熱等效率方面的對比都有待于進一步完善，并且以場路耦合的方式中，其動態(tài)磁場、溫度場等細節(jié)，都是未來研究的主要內(nèi)容。但是截至目前，疊頻法溫升試驗對于異步電動機的價值已經(jīng)明確，其深入應(yīng)用，解決了大型異步電動機因為負載問題而難以展開溫升試驗的問題，其價值不容忽視。

參考文獻：

[1]路義萍,洪光宇,湯璐等.多風(fēng)路大型空冷汽輪發(fā)電動機三維流場計算[J].中國電動機工程學(xué)報,2013,33(3).

[2]GB/T 1032-2012,三相異步電動機試驗方法[S].

[3]李巖,姚旭東.變頻器在異步電機疊頻溫升試驗中的應(yīng)用研究[J].電氣自動化 ,2011,33(3).

[4]楊斌,催正軍.三相異步電動機半電壓疊頻溫升試驗探討[J].移動電源與車輛,2005,(4).