一种小容量异步电机有功损耗的快速估算方法

范永威

（上海勘测设计研究院， 上海 200434）

一种小容量异步电机有功损耗的快速估算方法

范永威

（上海勘测设计研究院， 上海 200434）

三相异步电机空载有功损耗是异步电机比较重要的性能指标之一。在三相异步电机运行效率分析的基础上，提出了三相异步电机空载有功损耗的估算方法，并分析了其在不同异步电机空载视在功率中的占比，对开展异步电机相关的工作具有一定的现实指导意义。

异步电机；空载有功损耗；效率分析；空载视在功率

0 引言

三相异步电动机运行时，所消耗的功率包括有功功率和无功功率两个分量。有功功率是电动机产生机械转矩并且驱动负载所需的功率；无功功率则是电动机内部的电场与磁场随着电源频率的反复变化，在负载与电源之间不断地进行能量交换时所消耗的功率。

异步电动机运行时的无功功率和有功损耗均由其空载时的无功功率和有功损耗以及一定负载率下无功功率和有功损耗的增加值两部分组成。异步电机空载运行时，其输出轴上没有任何机械负载，电机输入电流主要用于电机内部电磁场的建立、维持铁心损耗和风阻损耗等固定损耗以及定子铜耗所需要的电能，因此异步电机的空载电流中无功分量占了绝大部分，而有功分量相比而言较小。正因为如此，实践中往往将电机的空载输入电流全部视为无功分量，而忽略有功损耗，但是这种近似处理并不适用于所有异步电机相关的分析和计算，因此通过给定的电机额定参数估算电机的空载有功损耗，估算电机空载视在功率中有功损耗的占比情况是有必要的。

本文在分析三相异步电动机效率与负载率关系的基础上，得出电机空载有功损耗与电机额定参数之间的估算关系，并进一步分析了空载有功损耗在各种异步电机空载视在功率中的占比情况，对开展异步电机相关的设计、计算等具有一定的指导意义。

1 三相异步电机效率特性

由 GB 12497《三相异步电动机经济运行》可知：

式中：ΔP 为电动机运行有功损耗；ΔP0为电动机空载有功损耗； ΔPN为电动机额定有功损耗； P1，P2， PN为电动机输入功率、 输出功率和额定功率；β为电动机运行负载率；η为电动机运行效率。

由式（1）-（3）可知：

此时， 效率有最大值 ηmax。

进一步分析可知， 在以负载率 βx为中心、为取值半径的区域内， 效率曲线近似以 β =βx为中心轴左右对称， 故当电机最大效率对应的负载率 βx未知时， 可以通过效率曲线上效率等于额定效率时对应的另一个负载率 β1近似获得βx值， 即：

典型的效率曲线如图1所示。

图1 效率与负载率关系曲线

2 三相异步电机空载有功损耗估算

通过三相异步电机效率特性的分析，由式（5）可知：

即如果已知某电机最大效率时对应的负载率βx， 那么电机的空载有功损耗 ΔP0就可以通过式（7）获取。

实践中电机生产厂家往往提供电机的额定参数、空载电流、图或表形式的工作特性曲线数据，通过工作特性曲线中的效率曲线可以获得最大效率时的负载率 βx， 进而由式（7）求得电机空载有功损耗 ΔP0。 下面通过实例说明。

某生产厂家提供的电机参数为： 额定电压 UN=10 kV；空 载 电 流 I0=7.8 A， 其 它 参 数 见 表1。

表1 电机厂提供的参数

由 表1 可 知 ， 电 机 的 额 定 功 率 PN=250 kW；ηN=0.940 8， 由 式 （3） 可 得 额 定 工 况 下 的 电 机 有功损耗 ΔPN=15.73 kW。

由 图1 和 表1， 当 电 机 效 率 曲 线 在 β = β1≈0.75 时 ， 效 率 η1=ηN， 由 式 6 得 βx=0.875， 则 ΔP0=0.434， ΔPN=6.83 kW。

根 据 电 机 厂 提 供 的 数 据 ， ΔP0=7.1 kW， 偏 差为 3.8%， 这在工程实践中是可以接受的。

3 空载有功损耗分析

电动机空载电流与额定电流的经验公式为：

其中 k 为计算系数， 当 cosφe≤0.85 时， k=2.1； 当cosφe＞0.85 时， k=2.15。

由式（3）， （7）和（8），可得：

式中： S0为电机空载视在功率； ηN， cosφN为电机额定效率、额定功率因数。

一般电机最大效率对应的负载率 βx＞0.8， 则k1为 0.4～0.5。 根据式（9）， 令 x 轴为异步电机额定效率 ηN， y 轴 为 额 定 功 率 因 数 cosφN， z 轴 分 别 为异步电机空载有功与空载视在功率的比值 P0/S0以 及 空 载 无 功 与空载 视在功率的比值， 取仿 真 分 析 结果如图2和图3所示。

图2 电机空载有功与额定参数关系

图3 电机空载无功与额定参数关系

电机的额定功率因数和额定效率均随着电机容量的减小而降低，并与电机的极对数有密切关系，在相同功率情况下，电机转速越低即极对数越多，效率和功率因数也越低。

进一步分析可知，大中型高压异步电机的额定效率和额定功率因数的取值区间位于图2和图3中偏右边区域，空载有功损耗在整个空载视在功率中的占比较小， 一般不大于 10%， 相应的空载无功占比一般不小于 99%， 前文所举例子中电机 空 载 电 流 I0=7.6 A， 空 载 有 功 损 耗 ΔP0=7.1 kW，则 电 机 空 载 运 行 时 视 在 功 率kVar， 其空载有功占比 5.3%，而空载无功占比为99.86%。

低压小型电机额定效率和额定功率因数取值区间偏向于图2和图3中左边区域，空载有功损耗在整个视在功率中的占比相对较大，甚至可达到 30%以上， 而空载无功占比则可能低至 95%。

综上分析，大中型高压异步电机在电机空载运行时，其视在功率中空载无功功率所占比例很高，故将空载电流全部视为电机的励磁电流进行相关设计或计算，其误差较小，可以满足工程精度要求。

小容量的低压异步电机由于空载视在功率中有功成分相对较大，无功占比相对要小很多，如果此时也将空载电流全部视为空载励磁电流，则引起的误差会比较大，例如在做异步电机的无功补偿计算时，通常按照设定的目标功率因数值并根据电机的额定参数计算需要的无功补偿量，同时按照电容器额定电流不大于电机励磁电流的90%校核。显然， 此时按照电机空载输入电流的90%校核是不合适的， 而应该在空载输入电流中扣除有功分量，即找出真正的空载励磁电流来做无功校核。

4 结论

异步电机在空载运行时，其空载输入电流主要用于电机内部电磁场的建立，因此空载无功是其空载功率的主要部分，对于容量较大的高压异步电机，空载励磁电流近似取值为空载输入电流是合适的，但是对于小容量的低压异步电机，其空载运行时有功损耗相对较大，无功占比相应减小，因此应区分空载输入电流和空载励磁电流，以免产生较大的偏差。

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（本文编辑：徐 晗）

Fast Estimation M ethod of Active Power Loss for Low-capacity Asynchronous M otor

FAN Yong-wei
（Shanghai Investigation&Design Research Institute， Shanghai200434， China）

The no-load active power loss of three-phase asynchronousmotors is among the important performance indexes for asynchronousmotors.Through the analysis on its operation efficiency， this paper puts forward the estimation method for no-load active power loss of these motors.In addition， it analyzes its proportions in the no-load apparent power of different asynchronousmotors and can serve as a reference for practices of themotors.

asynchronousmotor；no-load active power loss；efficiency analysis；no-load apparent power

TM343+.2

： B

：1007-1881（2011）10-0046-03

2011-06-10

范永威（1979-）， 男， 浙江台州人， 工程师， 主要从事电气科研、设计工作。