三相異步電動機在不同負載率時的效率探究分析

張 俊，趙云峰，章力天，潘柏根，陸月星，楊 剛

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

1 三相異步電機設(shè)計原理

交流電機是實現(xiàn)交流電能和機械能之間轉(zhuǎn)換的電機，其中可以將其分為同步電機和異步電機兩大類，同步電機通常作為發(fā)電機使用，而異步電機主要作為電動機。異步電機中，使用量較大的是三相異步電機。三相異步電機以三相對稱交流電為驅(qū)動源，通過特定的機械結(jié)構(gòu)和電磁作用原理，實現(xiàn)電能到機械能的轉(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。三相異步電機主要由定子、轉(zhuǎn)子、繞組和機座等構(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)子運動的轉(zhuǎn)矩[3-4]。

2 三相異步電動機在不同負載率時的損耗分析

對于三相電動機而言，一般認為總損耗包括定子損耗、轉(zhuǎn)子損耗、鐵耗、風(fēng)摩耗、負載雜散損耗5大損耗，這5大損耗之和是影響電機輸出效率的關(guān)鍵因素。通過型式試驗測取上述損耗值是求取電機效率的常用方法。與此同時，在試驗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的效率過程中，采用GB/T1032—2012中的B法進行相關(guān)試驗。在試驗中需要用到轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器、功率計、溫度巡檢儀等設(shè)備，為了保障試驗結(jié)果的準確性，所有設(shè)備精度等級均達到0.2級及以上。

2.1 定子繞組損耗Pcu1s

三相異步電機在工作過程中，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，不同溫度時的三相電動機的繞組的阻值是變化的，因此在計算電機定子繞組損耗需要按照規(guī)定溫度下端電阻進行運算，公式如下所示：

2.2 轉(zhuǎn)子繞組損耗Pcu2s

三相異步電動機的轉(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的計算公式進行運算，但是由于電機在工作中感應(yīng)電流值無法獲取，只能采用間接法計算，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)差率時定子繞組溫度，℃。

2.3 風(fēng)摩耗Pf

電動機的風(fēng)摩耗主要是電動機在轉(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算方式。

一種是根據(jù)流體力學(xué)中的牛頓粘性公式進行計算，將風(fēng)速看成沿半徑方向線性遞減，可依據(jù)公式（5）計算；另一種計算方式，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，電機的鐵耗取60%～125%額定電壓之間的各點電壓，作恒定損耗減去風(fēng)摩耗的值對U0/UN的關(guān)系曲線。不同負載時的鐵耗根據(jù)電壓之間的比值找到對應(yīng)損耗值，其中：

2.5 負載雜散損耗Ps

負載實驗中輸入功率與輸出機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載雜散損耗，公式如下：

3 三相異步電機的效率理論計算

效率是同一單位表示的輸出功率P2和輸入功率P1之比，對于三相異步電機而言，即等于電機軸端輸出的機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 不同負載率時損耗分析

不同負載率是指電機穩(wěn)態(tài)運行時輸出端功率與額定功率比值。實際應(yīng)用和分析研究中對于不同負載情況下的損耗一般取額定負載工況預(yù)估損耗值或者依據(jù)該工況下的電流進行計算相關(guān)損耗。對于三相異步電機來說，上述的預(yù)估和計算方式對在不同負載率工況下電機效率計算存在較為明顯的誤差，尤其對于大電機計算誤差更為顯著。當電機輸出功率小于額定功率時，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%負載率時的銅損計算，會將使得低負載率時電機的總損耗變大，使得效率計算值偏小。

同理，當輸出功率大于額定功率時，按照額定負載時定子繞組的線電流去計算銅損，會將高負載率時電機的總損耗變小，使得電機效率計算值偏大。根據(jù)電機做空載試驗時的特性曲線的可知，鐵耗大小與U0/UN的比值成單調(diào)遞增趨勢，用額定負載時電流計算會引起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)條電機而言，導(dǎo)條在轉(zhuǎn)子中斜置設(shè)計，結(jié)合電機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，使得不同負載率時，轉(zhuǎn)子上的損耗的誤差較小。風(fēng)摩耗將其視為機械特性，與氣隙與轉(zhuǎn)速相關(guān)，電流計算值變化對其影響較小。

5 型式試驗

現(xiàn)場試驗圖如圖1所示。在實驗中，取電機型號為YX3-200L-4的三相四極電機進行空載、負載、溫升試驗，電機的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 試驗樣機的參數(shù)表

圖1 現(xiàn)場試驗圖

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

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

對應(yīng)負載測取的損耗值和效率值如表2所示。滿載時的負載試驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 滿載時的負載試驗結(jié)果圖

表2 實驗結(jié)果

6 結(jié)論

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