張宏川

（東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司，四川 德陽(yáng) 618000）

我國(guó)工業(yè)發(fā)展迅速，隨之而來對(duì)于電動(dòng)機(jī)的需求也開始呈現(xiàn)出顯著提升的趨勢(shì)。然而在實(shí)際的工業(yè)環(huán)境中，很多電動(dòng)機(jī)都會(huì)面臨較大的工作壓力，交流電動(dòng)機(jī)的容量常常會(huì)超出出廠時(shí)設(shè)定的負(fù)載試驗(yàn)?zāi)芰?，因此為了能夠保證對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)有效安全運(yùn)行，必須對(duì)其展開溫升試驗(yàn)。對(duì)于異步電動(dòng)機(jī)而言，溫升試驗(yàn)的價(jià)值就在于確定額定負(fù)載條件下運(yùn)行時(shí)，定子繞組的工作溫度和電機(jī)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(duì)于電動(dòng)機(jī)自身的壽命以及日常安全等方面都有十分重要的價(jià)值。然而在溫升試驗(yàn)的領(lǐng)域中，由于對(duì)大功率以及立式電動(dòng)機(jī)展開試驗(yàn)時(shí)，很難找到合適的對(duì)拖機(jī)組或者負(fù)載來完成試驗(yàn)，因此現(xiàn)在常見的做法是通過定子疊頻的方式，對(duì)等效負(fù)荷進(jìn)行模擬，進(jìn)一步獲取到溫升數(shù)據(jù)以及效率估值。

對(duì)于疊頻法溫升試驗(yàn)而言，其發(fā)展經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的過程。20世紀(jì)80年代，國(guó)際上就已經(jīng)開始出現(xiàn)對(duì)應(yīng)的研究，當(dāng)時(shí)的美國(guó)、日本以及德國(guó)等國(guó)家，都已經(jīng)展開了對(duì)應(yīng)的研究；進(jìn)入到90年代，歐美開始了針對(duì)雙發(fā)電機(jī)疊頻法的更為深入的關(guān)注。與這種情況對(duì)應(yīng)的是，我國(guó)相對(duì)而言起步較晚，在80年代諸多國(guó)家的疊頻試驗(yàn)風(fēng)起云涌時(shí)，我國(guó)的相關(guān)試驗(yàn)也在隨之展開，但只是嘗試階段，而在90年代，歐美試驗(yàn)成果頻出的時(shí)候，我國(guó)也在迎頭趕上，當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)已經(jīng)將疊頻法引入了GB1032-85標(biāo)準(zhǔn)中，并且在很多類型的異步電動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)中積累了大量數(shù)據(jù)。GB1032-85標(biāo)準(zhǔn)明確指出，300kW以上臥式或者100kW以上的立式異步電動(dòng)機(jī)均可以采用疊頻法或者降低點(diǎn)壓法展開溫升試驗(yàn)。經(jīng)過多年的發(fā)展，電動(dòng)機(jī)容量的不斷提升以及其他諸多原因，都使得85版標(biāo)準(zhǔn)中提及的方法不再適用于實(shí)踐環(huán)境，隨之也涌現(xiàn)出了諸多新的思路，推動(dòng)了疊頻法的不斷發(fā)展。時(shí)至今日，國(guó)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(dòng)機(jī)等效負(fù)荷情況下的數(shù)學(xué)模型，并且對(duì)正弦脈寬調(diào)制（SPWM，Sinusoidal Pulse-Width Modulation，SPWM）疊頻法下的損耗變動(dòng)規(guī)律展開了研究。同時(shí)我國(guó)也在綜合多方經(jīng)驗(yàn)的情況下，制定了疊頻等效負(fù)載法試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21211-2007，針對(duì)疊頻試驗(yàn)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(dòng)到了一個(gè)新的階段。

針對(duì)大型異步電動(dòng)機(jī)展開溫升試驗(yàn)的時(shí)候，要求電動(dòng)機(jī)保持在額定負(fù)荷展開工作，此時(shí)因?yàn)檩S伸側(cè)無負(fù)載，因此運(yùn)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(fù)載電流和轉(zhuǎn)矩電勢(shì)。定子疊頻法則是通過改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，來實(shí)現(xiàn)增加電動(dòng)機(jī)定子電流的效果，從損耗的角度實(shí)現(xiàn)了對(duì)于等效負(fù)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(jìn)行矢量疊加，進(jìn)一步形成新的拍頻電源，其頻率等于2個(gè)電源的頻率差f1-f2，用這個(gè)新的疊加電源來實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)。此種情況下，電動(dòng)機(jī)氣隙中合成磁通為主、副電源矢量疊加的結(jié)果，當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于定子磁場(chǎng)同步轉(zhuǎn)速時(shí)，其感應(yīng)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速保持同向，則處于電動(dòng)機(jī)模式的工作狀態(tài)，反之，則發(fā)揮制動(dòng)作用，相當(dāng)于處于發(fā)電機(jī)模式工作狀態(tài)。進(jìn)一步合成的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在同步轉(zhuǎn)速附近產(chǎn)生了脈動(dòng)振蕩，則設(shè)備會(huì)在2種工作模式直接切換，從而實(shí)現(xiàn)改變電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的目標(biāo)。

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

圖1 電源合成矢量端點(diǎn)軌跡

綜合圖1，其中Φ為電源產(chǎn)生的電機(jī)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(dāng)θ1false從0開始增加到π的過程中時(shí)，Φm會(huì)不斷減小，而θ1false從π一直增加到2π的過程中，Φm則會(huì)不斷增加，整個(gè)過程中，Φm以拍頻false為周期展開變化。

進(jìn)一步分析Φ3的速度周期變化，參見圖2。圖2中，B、D2點(diǎn)為切點(diǎn)，在弧BAD上，旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上垂直于Φ3的旋轉(zhuǎn)線速度V’為順時(shí)針方向，對(duì)應(yīng)該區(qū)間的轉(zhuǎn)速小于ω1，而在B、D2點(diǎn)上，V’為0，而在弧BCD上，V’為逆時(shí)針方向，該區(qū)間的轉(zhuǎn)速大于ω1。則依據(jù)合成磁場(chǎng)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(gè)比較典型的情況，即當(dāng)ω3增加，轉(zhuǎn)子加速，而當(dāng)ω3減小，轉(zhuǎn)子也對(duì)應(yīng)減速。大中型異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子常常具有極大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，當(dāng)拍頻為5Hz，而主頻為50Hz的時(shí)候，ω3在0.2s內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)一個(gè)周期，因此轉(zhuǎn)子速度變化會(huì)落后于磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速。與之對(duì)應(yīng)，當(dāng)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速高于轉(zhuǎn)子速度時(shí)，會(huì)保持在電動(dòng)機(jī)模式運(yùn)行，而當(dāng)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速低于轉(zhuǎn)子速度時(shí)，則會(huì)保持在發(fā)電機(jī)狀態(tài)展開運(yùn)行。這種方式通過改變轉(zhuǎn)子慣量而進(jìn)一步?jīng)Q定電機(jī)定子電流的大小，與疊頻磁場(chǎng)的變化速度保持正比。

在疊頻法溫升試驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)過程中，除了要對(duì)其相關(guān)原理加強(qiáng)理解外，還必須進(jìn)一步展開包括疊頻頻率的選定，以及對(duì)于疊頻更具體的方式的確定等方面相關(guān)問題需要落實(shí)討論，限于篇幅問題，在此不多做議論。對(duì)于疊頻法而言，其自身也處于不斷完善與發(fā)展的進(jìn)程中，諸如不同疊頻法的分析對(duì)比，以及電流、發(fā)熱等效率方面的對(duì)比都有待于進(jìn)一步完善，并且以場(chǎng)路耦合的方式中，其動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)等細(xì)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(yàn)對(duì)于異步電動(dòng)機(jī)的價(jià)值已經(jīng)明確，其深入應(yīng)用，解決了大型異步電動(dòng)機(jī)因?yàn)樨?fù)載問題而難以展開溫升試驗(yàn)的問題，其價(jià)值不容忽視。

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