雷奶華， 陳筱鐵，溫韻光

(1.寧德出入境檢驗(yàn)檢疫局， 福建 福安 355017； 2.三明出入境檢驗(yàn)檢疫局， 福建 三明 365000)

變頻調(diào)速異步電機(jī)負(fù)載特性檢測(cè)研究*

雷奶華1， 陳筱鐵2，溫韻光1

(1.寧德出入境檢驗(yàn)檢疫局， 福建 福安 355017； 2.三明出入境檢驗(yàn)檢疫局， 福建 三明 365000)

變頻電機(jī)正以優(yōu)越的性能和顯著的節(jié)能效果得到了廣泛的推廣和應(yīng)用。通過(guò)對(duì)比普通異步電機(jī)的負(fù)載特性檢測(cè)方法，介紹了在變頻器供電和正弦波供電兩種電源方式下，對(duì)變頻異步電機(jī)進(jìn)行空載、堵轉(zhuǎn)和負(fù)載試驗(yàn)，從而對(duì)電機(jī)的負(fù)載特性檢測(cè)進(jìn)行研究。試驗(yàn)表明，恒轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)時(shí)，變頻電機(jī)工作狀態(tài)良好，而在高頻運(yùn)行時(shí)，電機(jī)的效率和轉(zhuǎn)矩性能都受到較大的影響。

變頻調(diào)速異步電機(jī)；負(fù)載特性；檢測(cè)

Abstract: Variable frequency adjustable speed asynchronous motor is popularized because of its high efficiency and ascendant capability. By contrasting the characteristic test method of common asynchronous motor, noload, blockup and load test of the frequency conversion motor are researched in transducer power supply and in sine power supply. The test shows that the frequency motor runs in constant torque，when motor is starting in constant torque. The efficiency and torque capability of motor is influenced greatly when it is running in high speed.

Key words: frequency conversion motor; load characteristic; test

0 引 言

隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)的驚人發(fā)展，變頻調(diào)速正在以其卓越的性能和經(jīng)濟(jì)性，在調(diào)速領(lǐng)域，引導(dǎo)了一場(chǎng)取代傳統(tǒng)調(diào)速方式更新?lián)Q代的變革，正以很快的速度取代傳統(tǒng)的機(jī)械調(diào)速和直流調(diào)速[1]。變頻調(diào)速電機(jī)以改變電機(jī)頻率和改變運(yùn)行電壓從而達(dá)到電機(jī)調(diào)速的目的，與普通電機(jī)有區(qū)別，變頻器直接驅(qū)動(dòng)普通電機(jī)，對(duì)電機(jī)有損害。變頻調(diào)速主要用于負(fù)載變化的場(chǎng)合，所以有必要對(duì)變頻調(diào)速電機(jī)的負(fù)載特性進(jìn)行檢測(cè)和研究。

1 變頻調(diào)速電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)

變頻調(diào)速電機(jī)主要是通過(guò)改變頻率和電壓，從而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和負(fù)載，實(shí)現(xiàn)節(jié)能，其節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)三個(gè)方面：一是變頻節(jié)能。如生活中的變頻制冷、變頻調(diào)速、變頻供水系統(tǒng)等。變頻調(diào)速主要用于負(fù)載變化的場(chǎng)合，節(jié)能效果非常明顯，典型的就是恒壓供水系統(tǒng)。其節(jié)能原理簡(jiǎn)單講就是根據(jù)需要，改變頻率，進(jìn)而改變輸出功率。比方說(shuō)，只需要5 kW的功率，如果不調(diào)速，電機(jī)可能輸出10 kW功率，而采用變頻調(diào)速只輸出5 kW，就可以做到變頻節(jié)能了；二是功率因數(shù)補(bǔ)償節(jié)能。無(wú)功功率不但增加線損和設(shè)備的發(fā)熱，更主要的是功率因數(shù)的降低導(dǎo)致電網(wǎng)有功功率的降低，大量的無(wú)功電能消耗在線路當(dāng)中，設(shè)備使用效率低下，浪費(fèi)嚴(yán)重。使用變頻調(diào)速裝置后，由于變頻器內(nèi)部濾波電容的作用，減少了無(wú)功損耗，增加了電網(wǎng)的有功功率；三是軟啟動(dòng)節(jié)能。由于普通電機(jī)為直接啟動(dòng)或Y/D啟動(dòng)，啟動(dòng)電流等于4～7倍額定電流，會(huì)對(duì)機(jī)電設(shè)備和供電電網(wǎng)造成嚴(yán)重的沖擊。而使用變頻節(jié)能裝置后，利用變頻器的軟啟動(dòng)功能將使啟動(dòng)電流從零開(kāi)始，減輕了電網(wǎng)的沖擊,從而節(jié)能[2]。

2 負(fù)載特性檢測(cè)研究

一臺(tái)變頻電機(jī)的負(fù)載特性包括轉(zhuǎn)矩性能、效率、功率因數(shù)、以及損耗等，對(duì)于變頻電機(jī)在實(shí)際的應(yīng)用中十分重要。參照普通異步電機(jī)的試驗(yàn)方法，在研究中按電機(jī)試驗(yàn)的先后順序，先進(jìn)行堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)，再進(jìn)行負(fù)載試驗(yàn)，最后做空載試驗(yàn)。

2.1 堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)

堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)在電機(jī)接近實(shí)際狀態(tài)下由正弦波供電，試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)將轉(zhuǎn)子堵住。試驗(yàn)時(shí)，施于定子繞組的電壓盡可能從不低于0.9倍額定電壓開(kāi)始，然后逐步降低電壓至定子電流接近額定電流為止，其間共測(cè)取5～7點(diǎn)讀數(shù)，每點(diǎn)應(yīng)同時(shí)測(cè)取下列數(shù)值：電壓、電流、轉(zhuǎn)矩、功率。每點(diǎn)讀數(shù)時(shí)，通電持續(xù)時(shí)間應(yīng)不超過(guò)10s，以免繞組過(guò)熱。額定點(diǎn)的堵轉(zhuǎn)電流和堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩可由堵轉(zhuǎn)曲線查取[3]。

轉(zhuǎn)矩計(jì)算：

(1)

式中：PK堵轉(zhuǎn)時(shí)的輸入功率，PKcu1堵轉(zhuǎn)時(shí)的定子繞組I2R損耗，PKS堵轉(zhuǎn)時(shí)的雜散損耗，ns同步轉(zhuǎn)速。

低頻堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)也用相同的方法進(jìn)行曲線的擬合和計(jì)算，分別在1/4頻率和1/2頻率時(shí)進(jìn)行堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)，記錄不同頻率下堵轉(zhuǎn)的電壓、電流、轉(zhuǎn)矩和功率，用同樣的方法進(jìn)行曲線擬后，然后在曲線上求取對(duì)應(yīng)頻率的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩和堵轉(zhuǎn)電流。

2.2 負(fù)載試驗(yàn)

負(fù)載試驗(yàn)是變頻電機(jī)負(fù)載特性分析中最重要的一個(gè)試驗(yàn)，進(jìn)行負(fù)載試驗(yàn)的目的是確定電機(jī)的效率、功率因數(shù)、轉(zhuǎn)速和電流，對(duì)于確定變頻電機(jī)在變頻器供電時(shí)的工作狀態(tài)和工作性能十分重要。負(fù)載機(jī)械與電機(jī)軸線應(yīng)對(duì)中并保證安全。讀取讀數(shù)的過(guò)程先讀取最大負(fù)載時(shí)的讀數(shù)，然后讀取低負(fù)載時(shí)的讀數(shù)。試驗(yàn)應(yīng)在額定電壓和基準(zhǔn)頻率下進(jìn)行。開(kāi)始讀取試驗(yàn)數(shù)據(jù)之前，定子繞組溫度與額定負(fù)載熱試驗(yàn)時(shí)測(cè)得的溫度之差應(yīng)不超過(guò)5 K[3]。

用合適的設(shè)備(直流機(jī)或測(cè)功機(jī))給電動(dòng)機(jī)加負(fù)載，在6個(gè)負(fù)載點(diǎn)處給電機(jī)加負(fù)載，4個(gè)負(fù)載點(diǎn)大致均勻分布在不小于25%～100%的額定負(fù)載之間，在大于100%但不超過(guò)150%額定負(fù)載之間適當(dāng)選取2個(gè)負(fù)載點(diǎn)。電機(jī)加負(fù)載的過(guò)程從最大負(fù)載開(kāi)始，逐步按順序降低到最小負(fù)載[4]。試驗(yàn)應(yīng)盡快地進(jìn)行，以期減少試驗(yàn)過(guò)程中電機(jī)的溫度變化。在每個(gè)負(fù)載點(diǎn)外，測(cè)取電壓、電流、功率、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、頻率及電阻。在電動(dòng)機(jī)熱試驗(yàn)后，重新起動(dòng)電動(dòng)機(jī)，測(cè)試負(fù)載特性?；鶞?zhǔn)頻率為50 Hz電動(dòng)機(jī)，將變頻器分別調(diào)至5 Hz、15 Hz、30 Hz、50 Hz的頻率下測(cè)取電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩、110%額定轉(zhuǎn)矩、80%額定轉(zhuǎn)矩，隨后分別在60 Hz、80 Hz、100 Hz的頻率下測(cè)取電動(dòng)機(jī)在標(biāo)稱功率、110%標(biāo)稱功率、80%標(biāo)稱功率各點(diǎn)處的轉(zhuǎn)矩值(此時(shí)的標(biāo)稱功率應(yīng)折算為轉(zhuǎn)矩)，然后繪出電動(dòng)機(jī)的負(fù)載特性曲線。在測(cè)試過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)應(yīng)平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，無(wú)明顯轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)現(xiàn)象[5]。

在6個(gè)負(fù)載點(diǎn)處給電機(jī)加負(fù)載，4個(gè)負(fù)載點(diǎn)大致均勻分布在不小于25%～100%的額定負(fù)載之間(包括100%額定負(fù)載)，在大于100%但不超過(guò)150%額定負(fù)載之間適當(dāng)選取2個(gè)負(fù)載點(diǎn)。電機(jī)加負(fù)載的過(guò)程是從最大負(fù)載開(kāi)始，逐步按順序降低到最小負(fù)載。試驗(yàn)應(yīng)盡可能快地進(jìn)行，以期減少試驗(yàn)過(guò)程中電機(jī)的溫度變化。

2.3 空載試驗(yàn)

空載試驗(yàn)是為了確定變頻電機(jī)的鐵耗和風(fēng)摩耗的確定?？蛰d試驗(yàn)在在負(fù)載試驗(yàn)后進(jìn)行，讀取并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)之前輸入功率應(yīng)穩(wěn)定，輸入功率相隔半小時(shí)的2個(gè)讀數(shù)之差應(yīng)不大于前一個(gè)讀數(shù)的3%，試驗(yàn)分別在正弦波電源和變頻器電源下以相同基波頻率進(jìn)行試驗(yàn)。

對(duì)于正弦波供電空載試驗(yàn)，被試電機(jī)施以基準(zhǔn)頻率的電壓，電壓的變化范圍從125%的額定電壓逐步降低到空載電流最小或不穩(wěn)定的最低電壓為止。在125%～60%額定電壓之間，其中包括100%額定電壓，取4～5個(gè)電壓點(diǎn)(大致均勻分布)，大約50%額定電壓和最低電壓之間取3～4個(gè)電壓點(diǎn)。

在每個(gè)電壓點(diǎn)，測(cè)取I0，U0和P0，并應(yīng)測(cè)取R0或θ0，根據(jù)溫度與電阻成比例關(guān)系，利用試驗(yàn)開(kāi)始前測(cè)得的繞組初始端電阻R1、初始溫度θ1及測(cè)取的每點(diǎn)溫度θ0，可確定每個(gè)電壓點(diǎn)處的端電阻R0。空載試驗(yàn)后，立即測(cè)取定子繞組端電阻，將此電阻作為每個(gè)電壓點(diǎn)處的電阻值。當(dāng)按B法測(cè)定電機(jī)效率時(shí)，必須測(cè)取每點(diǎn)的R0或θ0。對(duì)于變頻器電源供電基準(zhǔn)頻率空載試驗(yàn)，被試電機(jī)施以基準(zhǔn)頻率的額定電壓，測(cè)取Ib0、Ub0、Pb0，試驗(yàn)后立即測(cè)取定子繞組端電阻[6]。

對(duì)于鐵耗和風(fēng)摩耗的確定，空載輸入功率P0是電動(dòng)機(jī)空載運(yùn)行時(shí)的總損耗，由P0減去試驗(yàn)溫度下定子I2R損耗，得到風(fēng)摩耗和鐵耗之和P0′。變頻器供電下電動(dòng)機(jī)諧波損耗為：空載輸入功率Pb0，減去試驗(yàn)溫度下定子I2R損耗，再減去風(fēng)摩耗和鐵耗。正弦波電源供電下電動(dòng)機(jī)的空載損耗肯定小于變頻器供電的空載損耗[7]。

3 實(shí) 例

選取1臺(tái)1.5kW兩級(jí)的變頻調(diào)速異步電機(jī)，采用變頻器供電，用直流機(jī)拖動(dòng)的負(fù)載方式給樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，先進(jìn)行負(fù)載試驗(yàn)，而后進(jìn)行空載試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)負(fù)載曲線進(jìn)行擬合。

在變頻器供電的狀態(tài)下，負(fù)載特性曲線如圖1所示，當(dāng)頻率沒(méi)有達(dá)到額定頻率時(shí)，變頻電機(jī)接近于恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)轉(zhuǎn)，電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，當(dāng)頻率高于額定頻率時(shí)，轉(zhuǎn)速提高，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩下降，電機(jī)的輸出性能受影響[7]。

變頻電機(jī)的效率與轉(zhuǎn)速(即頻率)的關(guān)系如圖2中所示，電機(jī)的效率是隨著運(yùn)行頻率的增加而逐步增大，在運(yùn)行頻率達(dá)到額定頻率點(diǎn)時(shí)，效率的變化趨于緩和，但隨著頻率的加大，效率急劇降低。

變頻電機(jī)的功率因數(shù)與轉(zhuǎn)速(即頻率)的關(guān)系曲線如圖3所示。電機(jī)的功率因數(shù)是隨著運(yùn)行頻率的增加而逐步增大，在運(yùn)行頻率達(dá)到額定頻率點(diǎn)時(shí)，功率因數(shù)的變化趨于緩和，但隨著頻率的加大，效率降低，但降低的幅度不如效率曲線劇烈[7]。

圖1 變頻器供電的負(fù)載特性曲線

圖2 變頻電機(jī)的效率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線

圖3 變頻電機(jī)的功率因數(shù)與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線

總之，額定點(diǎn)附近工作時(shí)，電機(jī)的性能和負(fù)載特性良好，相對(duì)于高頻(60～90Hz),在低頻工作時(shí)(10～40Hz)電機(jī)的效率整體水平較高，處于恒轉(zhuǎn)矩的狀態(tài)，工作平穩(wěn)，工作性能也較好,建議變頻電機(jī)盡量不在高頻狀態(tài)下工作。

4 結(jié) 論

變頻調(diào)速電機(jī)主要是通過(guò)改變頻率和電壓，從而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和負(fù)載，實(shí)現(xiàn)節(jié)能，因此變頻調(diào)速電機(jī)的負(fù)載特性檢測(cè)對(duì)于電機(jī)十分重要。變頻電機(jī)的試驗(yàn)中，要分析變頻器供電和正弦波電網(wǎng)供電兩種情況下的性能，盡可能讓電機(jī)處于額定頻率或是低頻的狀態(tài)下工作。在高頻運(yùn)行時(shí)，電機(jī)的效率和功率因數(shù)都較低，而轉(zhuǎn)速相對(duì)又很高，要盡量避免電機(jī)處于高頻狀態(tài)下工作。

[1] 葉水音.電機(jī)學(xué)[M].北京:中國(guó)電力出版社，2009.

[2] 郭為民，曹增輝.淺析變頻電機(jī)的優(yōu)勢(shì)與推廣價(jià)值 [J].實(shí)用技術(shù)，2009,37(9):56-58.

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Load Characteristic Test for Variable Frequency Adjustable Speed Asynchronous Motor

LEI Nai-hua1, CHEN Xiao-tie2, WEN Yun-guang1

(1.NingdeEntry-exitInspectionandQuarantineBureau,FuanFujian355017，China; 2.SanmingEntry-exitInspectionandQuarantineBureau,SanmingFujian365000，China)

2014-05-14

國(guó)家質(zhì)檢總局科技計(jì)劃項(xiàng)目(2013IK073)

雷奶華(1979-),男,福建福安人, 工程師，主要從事電機(jī)控制與檢測(cè)方面的工作。

TM

A

1007-4414(2014)04-0203-03