变频调速异步电机负载特性检测研究*

2014-07-24雷奶华陈筱铁温韵光

机械研究与应用 2014年4期

关键词：变频变频器电动机

雷奶华，陈筱铁，温韵光

(1.宁德出入境检验检疫局，福建福安 355017； 2.三明出入境检验检疫局，福建三明 365000)

变频调速异步电机负载特性检测研究*

雷奶华1，陈筱铁2，温韵光1

(1.宁德出入境检验检疫局，福建福安 355017； 2.三明出入境检验检疫局，福建三明 365000)

变频电机正以优越的性能和显著的节能效果得到了广泛的推广和应用。通过对比普通异步电机的负载特性检测方法，介绍了在变频器供电和正弦波供电两种电源方式下，对变频异步电机进行空载、堵转和负载试验，从而对电机的负载特性检测进行研究。试验表明，恒转矩启动时，变频电机工作状态良好，而在高频运行时，电机的效率和转矩性能都受到较大的影响。

变频调速异步电机；负载特性；检测

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

随着电力电子技术、微电子技术的惊人发展，变频调速正在以其卓越的性能和经济性，在调速领域，引导了一场取代传统调速方式更新换代的变革，正以很快的速度取代传统的机械调速和直流调速[1]。变频调速电机以改变电机频率和改变运行电压从而达到电机调速的目的，与普通电机有区别，变频器直接驱动普通电机，对电机有损害。变频调速主要用于负载变化的场合，所以有必要对变频调速电机的负载特性进行检测和研究。

1 变频调速电机的优点

变频调速电机主要是通过改变频率和电压，从而调节转速和负载，实现节能，其节能的优点主要体现三个方面：一是变频节能。如生活中的变频制冷、变频调速、变频供水系统等。变频调速主要用于负载变化的场合，节能效果非常明显，典型的就是恒压供水系统。其节能原理简单讲就是根据需要，改变频率，进而改变输出功率。比方说，只需要5 kW的功率，如果不调速，电机可能输出10 kW功率，而采用变频调速只输出5 kW，就可以做到变频节能了；二是功率因数补偿节能。无功功率不但增加线损和设备的发热，更主要的是功率因数的降低导致电网有功功率的降低，大量的无功电能消耗在线路当中，设备使用效率低下，浪费严重。使用变频调速装置后，由于变频器内部滤波电容的作用，减少了无功损耗，增加了电网的有功功率；三是软启动节能。由于普通电机为直接启动或Y/D启动，启动电流等于4～7倍额定电流，会对机电设备和供电电网造成严重的冲击。而使用变频节能装置后，利用变频器的软启动功能将使启动电流从零开始，减轻了电网的冲击,从而节能[2]。

2 负载特性检测研究

一台变频电机的负载特性包括转矩性能、效率、功率因数、以及损耗等，对于变频电机在实际的应用中十分重要。参照普通异步电机的试验方法，在研究中按电机试验的先后顺序，先进行堵转试验，再进行负载试验，最后做空载试验。

2.1 堵转试验

堵转试验在电机接近实际状态下由正弦波供电，试验时，应将转子堵住。试验时，施于定子绕组的电压尽可能从不低于0.9倍额定电压开始，然后逐步降低电压至定子电流接近额定电流为止，其间共测取5～7点读数，每点应同时测取下列数值：电压、电流、转矩、功率。每点读数时，通电持续时间应不超过10s，以免绕组过热。额定点的堵转电流和堵转转矩可由堵转曲线查取[3]。

转矩计算：

(1)

式中：PK堵转时的输入功率，PKcu1堵转时的定子绕组I2R损耗，PKS堵转时的杂散损耗，ns同步转速。

低频堵转试验也用相同的方法进行曲线的拟合和计算，分别在1/4频率和1/2频率时进行堵转试验，记录不同频率下堵转的电压、电流、转矩和功率，用同样的方法进行曲线拟后，然后在曲线上求取对应频率的堵转转矩和堵转电流。

2.2 负载试验

负载试验是变频电机负载特性分析中最重要的一个试验，进行负载试验的目的是确定电机的效率、功率因数、转速和电流，对于确定变频电机在变频器供电时的工作状态和工作性能十分重要。负载机械与电机轴线应对中并保证安全。读取读数的过程先读取最大负载时的读数，然后读取低负载时的读数。试验应在额定电压和基准频率下进行。开始读取试验数据之前，定子绕组温度与额定负载热试验时测得的温度之差应不超过5 K[3]。

用合适的设备(直流机或测功机)给电动机加负载，在6个负载点处给电机加负载，4个负载点大致均匀分布在不小于25%～100%的额定负载之间，在大于100%但不超过150%额定负载之间适当选取2个负载点。电机加负载的过程从最大负载开始，逐步按顺序降低到最小负载[4]。试验应尽快地进行，以期减少试验过程中电机的温度变化。在每个负载点外，测取电压、电流、功率、转矩、转速、频率及电阻。在电动机热试验后，重新起动电动机，测试负载特性。基准频率为50 Hz电动机，将变频器分别调至5 Hz、15 Hz、30 Hz、50 Hz的频率下测取电动机的额定转矩、110%额定转矩、80%额定转矩，随后分别在60 Hz、80 Hz、100 Hz的频率下测取电动机在标称功率、110%标称功率、80%标称功率各点处的转矩值(此时的标称功率应折算为转矩)，然后绘出电动机的负载特性曲线。在测试过程中，电动机应平稳运转，无明显转矩脉动现象[5]。

在6个负载点处给电机加负载，4个负载点大致均匀分布在不小于25%～100%的额定负载之间(包括100%额定负载)，在大于100%但不超过150%额定负载之间适当选取2个负载点。电机加负载的过程是从最大负载开始，逐步按顺序降低到最小负载。试验应尽可能快地进行，以期减少试验过程中电机的温度变化。

2.3 空载试验

空载试验是为了确定变频电机的铁耗和风摩耗的确定。空载试验在在负载试验后进行，读取并记录试验数据之前输入功率应稳定，输入功率相隔半小时的2个读数之差应不大于前一个读数的3%，试验分别在正弦波电源和变频器电源下以相同基波频率进行试验。

对于正弦波供电空载试验，被试电机施以基准频率的电压，电压的变化范围从125%的额定电压逐步降低到空载电流最小或不稳定的最低电压为止。在125%～60%额定电压之间，其中包括100%额定电压，取4～5个电压点(大致均匀分布)，大约50%额定电压和最低电压之间取3～4个电压点。

在每个电压点，测取I0，U0和P0，并应测取R0或θ0，根据温度与电阻成比例关系，利用试验开始前测得的绕组初始端电阻R1、初始温度θ1及测取的每点温度θ0，可确定每个电压点处的端电阻R0。空载试验后，立即测取定子绕组端电阻，将此电阻作为每个电压点处的电阻值。当按B法测定电机效率时，必须测取每点的R0或θ0。对于变频器电源供电基准频率空载试验，被试电机施以基准频率的额定电压，测取Ib0、Ub0、Pb0，试验后立即测取定子绕组端电阻[6]。

对于铁耗和风摩耗的确定，空载输入功率P0是电动机空载运行时的总损耗，由P0减去试验温度下定子I2R损耗，得到风摩耗和铁耗之和P0′。变频器供电下电动机谐波损耗为：空载输入功率Pb0，减去试验温度下定子I2R损耗，再减去风摩耗和铁耗。正弦波电源供电下电动机的空载损耗肯定小于变频器供电的空载损耗[7]。

3 实例

选取1台1.5kW两级的变频调速异步电机，采用变频器供电，用直流机拖动的负载方式给样机进行试验，先进行负载试验，而后进行空载试验，根据试验数据对负载曲线进行拟合。

在变频器供电的状态下，负载特性曲线如图1所示，当频率没有达到额定频率时，变频电机接近于恒转矩运转，电机运行平稳，当频率高于额定频率时，转速提高，电机的转矩下降，电机的输出性能受影响[7]。

变频电机的效率与转速(即频率)的关系如图2中所示，电机的效率是随着运行频率的增加而逐步增大，在运行频率达到额定频率点时，效率的变化趋于缓和，但随着频率的加大，效率急剧降低。

变频电机的功率因数与转速(即频率)的关系曲线如图3所示。电机的功率因数是随着运行频率的增加而逐步增大，在运行频率达到额定频率点时，功率因数的变化趋于缓和，但随着频率的加大，效率降低，但降低的幅度不如效率曲线剧烈[7]。

图1 变频器供电的负载特性曲线

图2 变频电机的效率与转速的关系曲线

图3 变频电机的功率因数与转速的关系曲线

总之，额定点附近工作时，电机的性能和负载特性良好，相对于高频(60～90Hz),在低频工作时(10～40Hz)电机的效率整体水平较高，处于恒转矩的状态，工作平稳，工作性能也较好,建议变频电机尽量不在高频状态下工作。

4 结论

变频调速电机主要是通过改变频率和电压，从而调节转速和负载，实现节能，因此变频调速电机的负载特性检测对于电机十分重要。变频电机的试验中，要分析变频器供电和正弦波电网供电两种情况下的性能，尽可能让电机处于额定频率或是低频的状态下工作。在高频运行时，电机的效率和功率因数都较低，而转速相对又很高，要尽量避免电机处于高频状态下工作。

[1] 叶水音.电机学[M].北京:中国电力出版社，2009.

[2] 郭为民，曹增辉.浅析变频电机的优势与推广价值 [J].实用技术，2009,37(9):56-58.

[3] 刘万太，彭晓，谢卫才，等.变频电机铁心损耗计算方法的研究[J].电机与控制应用，2010，37(11)：11-14.

[4] 徐伟专，董行健，方宏.浅谈变频电机试验的功率测量[J].电机与控制应用,2009,36(12)：39-41.

[5]GB/T22670-2008 变频器供电三相笼型感应电动机试验方法[S].2008.

[6] 周启章.变频调速异步电动机转矩特性分析[J].电机技术，2001(2)：3-5.

[7] 扶蔚鹏，黄守道.变频调速对三相感应电动机的影响[J].防爆电机,2000(3)：6-9.

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

国家质检总局科技计划项目(2013IK073)