基于调速器的给水泵用超大型异步电动机试验分析

孙冠群，张黎锁

（1. 中国计量学院机电工程学院，杭州 310018；2. 中国北车·永济新时速电机电器有限责任公司，山西 永济 044502）

基于调速器的给水泵用超大型异步电动机试验分析

孙冠群1，张黎锁2

（1. 中国计量学院机电工程学院，杭州 310018；2. 中国北车·永济新时速电机电器有限责任公司，山西 永济 044502）

传统方式下的超大型鼠笼式三相异步电动机设计,为了提高启动能力往往会牺牲掉效率、温升、体积重量、甚至成本。近年来针对超大型三相异步电动机的专用调速器（Adjustable-Speed Drive，简称：ASD）应运而生并开始应用，但针对ASD的高性价比的电动机的设计制造相对落后，一手的试验比较数据更加缺乏。如同变频器促进了专用的变频调速型的中小型三相异步电动机的设计一样，本文针对ASD应用的超大型鼠笼式三相异步电动机，从该类电动机关键的启动分析入手，以损耗与效率为关注重点，通过火电厂给水泵用3MW的ASD型超大鼠笼式三相异步电动机的试验比较分析，得出具有参考价值的试验数据及结论。

超大型异步电动机；调速器；效率；损耗；启动电流与转矩；试验研究

0 前言

超大型鼠笼式三相异步电动机不同于中小型三相异步电动机，当前国内外大部分中小型三相异步电动机为了因应变频器的使用，专门设计开发系列化的变频调速异步电动机。但超大型三相异步电动机（一般为 3MW 以上）则不同，它有着与中小型异步电动机不同的现实与特点，近年来专用调速器（ASD）在超大型鼠笼式三相异步电动机上的使用，增强了其调速和启动性能，并具有逐步蚕食原来由绕线式异步电动机占据市场的趋势，但因应调速器的使用而针对性地设计系列化的调速型超大鼠笼式异步电动机的工作，在业界尚未成熟和完善，也缺乏一定的试验研究基础。本文基于给水泵用超大型三相异步电动机的启动分析入手，以电机效率作为关注重点，展开基于ASD的超大型鼠笼式异步电动机试验研究，期待为系列化的超大型鼠笼式三相异步电动机设计提供一些经验。

1 异步电动机的启动

1.1 异步电动机启动的常规分析

长期以来，对于超大型三相异步电动机的设计师来说，启动问题是其设计该类电机时重点考虑的。相较于直流电动机和永磁电动机，异步电动机的主要弱点在于它的启动能力。转矩角等于 9 0°是电机能获得最大转矩/电流比的条件，但异步电动机在直接启动时定转子磁场转矩角远小于 9 0°。大型异步电动机相对中小型的和低速的（四极以上）异步电动机具有更低的启动转矩，启动过程更困难，对电网的影响更大[1]。

异步电动机针对启动时的要求，可以概括为：尽量大的启动转矩，尽量小的启动电流。电动机必需能带载从静止到运行速率，并且启动转矩应当至少为额定负载转矩的60%；其次，启动电流不能超过限定值，譬如由于实际电源的限制，最大启动电流不应高于满载电流的400%，具体启动方式一般有全电压、降电压、星-三角变换、辅助电容、软启动器启动等[2,3]。

为了满足上述的启动要求与限制，在电机设计方面，通常重点关注转子槽形及其材料，以便于增加转子电阻并且降低转子电抗。在电机设计中有很多种转子槽形可供选择，所有槽形的设计都要考虑电机启动时的集肤效应[4]，由于集肤效应，感应电流主要集中在转子（槽）导条的顶部，因此，转子（槽）导条顶部对电机启动特性的影响非常关键[5]。导条材料的不同也有影响，越大的异步电动机使用铜导条的比例越大，常规的改善启动性能的方法是采用高阻值导条[6]。

但是，靠增加转子电阻、降低转子电抗的方式在实际中的缺点是增加了电机损耗、牺牲了电机的效率，这与当前高效电机的发展背道而驰！这样往往也造成机座尺寸的增大，因为高电阻的铜条产生更多的热量需要较大的散热面积。采用外围的辅助电容、（磁控）软启动器等方式虽然对电机的启动有一定帮助[7-9]，但对电机运行期间的节能降耗并无多大意义，尤其在并不是频繁启停控制的火电厂给水泵的场合。

1.2 异步电动机的ASD启动

当一台异步电动机，用工频（50Hz）电源全电压供电启动时，启动瞬间转子静止时的转差频率是50Hz，srδ是定子电流建立的旋转磁场与转子电流建立的磁场间的空间电角度（即转矩角），此时这个角度不过°20左右，如图 1所示。虽然此时转子磁场强度比较高，但电机的启动转矩却相当小，而启动电流相当大。

图1 定转子磁场轴线（夹角δsr＜20°）

低速时，转子电路近似为无功电路（电抗为主），转子电流和定子电流相位接近，因此，被这两个电流建立的磁场之间仅仅有小的间隔，两磁场间的转矩夹角自然是相当小。

ASD的作用就是可以任意改变电源频率以满足电动机转差控制时的需求，意味着转差频率能够根据需要任意改变，所以定、转子磁场间的夹角也是可以控制并调整到°90附近，如能达到图 2所示，便能得到最大的启动转矩[4,10]。另外，当电动机加速时，或者运行期间调速时，在速度变化过程中，电源频率也可以通过ASD控制以维持最大转矩。

图2 定转子磁场轴线（夹角 δ sr ≈90°）

可见，采用ASD之后，异步电动机设计中不需要考虑过多的启动设计需求，自然也应该起到一定的降低电机损耗的作用。

2 基于 ASD的超大型鼠笼式三相异步电动机试验分析

对于所有超大型异步电动机，启动问题、效率问题是必须关注的重要问题。下面就以启动、效率和关注的特性试验为重点，针对采用新型ASD控制下的，为某电厂给水泵新开发的 3MW 三相异步电动机进行部分试验分析。

图3 电动机图片

试验负载采用额定输出为 3000kVA的同步发电机，采用能量回馈型线路，基本保证异步电动机所需约三分之二的电能来自其所带动的同步发电机，可节约试验用电能消耗。

2.1 电动机损耗试验比较分析

为了获得效率值，需要研究电机内电能变换中的各种损耗。电动机的五种主要损耗分别是：定子绕组电阻损耗（定子铜损）、转子电阻损耗（转子铜损）、铁心损耗、风摩损耗和杂散损耗。转子电阻损耗由转子槽尺寸和导体材料决定。铁心损耗的决定因素有电工钢片型号、电源频率以及气隙磁通密度。电动机速度及冷却风扇影响风摩损耗。杂散损耗一般与定转子槽的几何尺寸、气隙磁密、电工钢以及制造工艺有关。

表1是3MW四极异步电动机，根据有关标准[11,12]，将基于ASD设计的新电机与原来的几款同功率同系列电机经型式试验测试的典型损耗分布数据对比，转子导条材质均为铜，表1显示的是标准转子导条截面下的各损耗及占比，电动机采用的是 T2型号的纯铜材质，这个作为下面各表对比的基础。当使用H85低导电率的黄铜做转子导条材料时（表 2），转子铜损从14.8kW增加到36.5kW，在电机设计中采用深槽T2导条时（表 3），转子铜损也是增加的，不过从 14.8kW增加到16.2kW。当标准转子导条电机采用ASD控制时（表4），电流密度能增加到最大的允许值，定、转子铜损均会下降，而铁损则略有增加到16.8kW，这是因为电机平均频率增加导致了磁滞损耗的增加，但是电机总损耗是没有增加的。

定子铜损主要与定子绕组电阻有关，在给定不变的定子槽尺寸下，电机电流和铜线线规将影响定子铜耗，另外，对于一定的给定电压条件下，由于启动电流的要求需增加定子绕组匝数，这增加了定子的额外损耗。转子铜损受转矩和电流影响大。铁损由磁密与频率决定，杂散损耗则和转子电流密切相关。表1～4中，杂散损耗根据有关标准被假定为额定功率的0.93%。风摩损耗与速度和机座类型有关。从表1～4中也可看出，高阻值的H85铜材的使用明显地增加了转子铜耗和电机总损耗。

表1 标准转子导条的损耗分布（T2，100%电导率）

表2 高电阻转子导条的损耗分布（H85，37%电导率）

表3 深转子导条的损耗分布（T2）

表4 ASD控制的损耗分布（T2）

应用ASD时，转差率被控制在正常的运行转差范围内，譬如 0.5～2Hz之间，因此，启动时转子电阻、电抗不会改变，而且ASD通过对转差率的控制也同时增大了转矩夹角接近 9 0°，达到最佳的转矩产生条件。转差率从50Hz到2Hz，几乎是转子等效电阻30倍的增加，因为等效电阻与转差是成反比关系。ASD控制时启动频率的控制变化是有核心意义的，因为它改变了转矩角，从 2 0°到接近 9 0°，当转矩角小时，电能主要增强到转子电路中并产生热量（有功损耗），当转矩角大时，更多的电能转化为建立磁场（无功）。可见，ASD提供了完整的解决方案。

2.2 电动机转矩与速度分析

电动机启动转矩可通过转矩公式获得，即当 s=1时

式中p为极对数，U1是相电压，f1是电源频率，R1+R2是电机总电阻， X1+ X2是全部漏抗。

启动转矩与一定频率下的1U成正比，与2R也成正比，与漏抗成反比。考虑到同功率不同极数的系列电动机的设计，图4给出极数与漏阻抗之间的关系，极数越多漏抗越低。

图4 转子电阻、漏抗与极数之间关系

这也证实了启动转矩随着极数增加而增加的事实，如图 5所示。转子电阻值和全部电抗值是决定启动转矩的主要因素。因而，对于电动机设计师来说，准确预测这些参数值是非常有必要的。

图5 启动转矩与极数之间关系

2.3 不同转子槽形电机的重点指标比较

表5给出了四种不同设计方案的比较，分别采用：标准导条、高阻导条、深导条以及带ASD控制标准导条。可见，ASD控制下的电机设计方案，除了有好的效率和启动性能，还具备更低的温升以及较高的转矩能力。

表5 不同方案的各项性能比较

当应用高阻导条时，相对标准导条，其更多的额外热量需从转子散发，这就需要更大的电机结构尺寸来保证温升不至于超标。除了电能节省外，损耗减少也降低了电机温升，并且能保持电机在原有体积尺寸范围内不变，ASD控制的电机与H85高阻导条电机甚至有 22.5%的温升差距，调速器的应用使温升降低的意义是重大的，尤其是一定范围内功率达到最大值时意义更加明显。不过，由于ASD启动时的瞬间超低频率（0.5-2Hz），对电网频率还是有一定的冲击性，文献[13]通过频率的计算校验安全性，确保频率被控制在所检验的安全范围内，这对高精度超大型低频ASD启动异步电动机还是有一定的参考价值。

3 结论

设计满足较好的启动转矩和电流的电动机，不得不增加了损耗牺牲了效率。反过来，这些高损耗导致需要增加电动机的结构尺寸便于散热。基于ASD的电动机则消除了以上这些启动所需的要求限制，允许电机设计基于运行工况而不是过多关注启动问题，这样才能设计出更高效、低温升、小尺寸（高功率密度）的超大型三相异步电动机。本文通过 3MW 的超大型鼠笼式三相异步电动机的实践，为设计师们提供了一点经验总结。

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审稿人：富立新

Test Research of Super Large Induction Motors Based on ASD for Feedwater Pump

SUN Guanqun1, ZHANG Lisuo2
(1. College of Mechanical and Electrical Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China; 2. Yongji Xinshisu Electric Equipment CO., LTD, China CNR Corporation Limited, Yongji 044502, China)

The traditional methods of super large squirrel-cage three-phase asynchronous motor design, in order to improve the capacity to start, will tend to sacrifice efficiency, temperature,volume, weight and cost. In recent years, Adjustable-Speed Drive(abbreviation: ASD) of very large three-phase asynchronous motor special governor began to be used and mature. As the converter promoted the special frequency control type small three-phase induction motor design,according to the ASD application of super large squirrel-cage three-phase asynchronous motor design is not mature. This article analyzes the key of the motor firstly with efficiency as the core index. By design and experimental comparison and analysis of 3MW super squirrel-cage three-phase asynchronous motor of ASD drive, reached the high starting performance, low efficiency, small volume and weight, lower cost. This paper will give designers of asynchronous motor provide some experience.

super large induction motors; adjustable-speed drive (ASD); efficiency; loss; starting current and torque; test research

TM32

A

1000-3983(2014)05-0014-04

2014-01-19

孙冠群（1974-），2005年毕业于西北工业大学电力电子与电气传动专业，获硕士学位，主要从事电机及其控制方面的研究，讲师。