空调异步电机运行原理及非正常测试分析

卢智斌 肖彪

（珠海格力电器股份有限公司 广东珠海 519070）

空调异步电机运行原理及非正常测试分析

卢智斌 肖彪

（珠海格力电器股份有限公司 广东珠海 519070）

根据IEC 60335-1:2010和IEC 60335-2-40:2013要求，需要对电机进行温升测试和非正常测试，本文主要针对异步电机运行原理和非正常测试结果进行分析。

异步电机；旋转磁场；转矩；转差率；电流；温度

1 引言

异步电机结构简单，维护容易，运行可靠，价格便宜，具有良好的稳态和动态特性，它是家用电器中使用最为广泛的电机。空调异步电机按电源分类主要包括单相异步电机和三相异步电机，而单相异步电机又可分为单相电阻分相起动异步电机、单相电容分相起动异步电机、单相电容运转异步电机、单相电容起动与运转异步电机和单相罩极式异步电机。目前空调上主要用的是单相电容运转异步电机，该种类电机功率因数、效率和过载能力等都比普通单相电机高。

根据IEC 60335-1:2010和IEC 60335-2-40:2013要求，需要对电机进行温升测试和非正常测试，本文主要针对异步电机运行原理和非正常测试结果进行分析，得出电机在非正常情况下工作，将导致空调系统压力异常，引起安全隐患，应当采取各种保护措施防范危险的发生。

2 异步电机运行原理

2.1 三相异步电机

2.1.1 基本结构

三相异步电机主要由定子和转子构成，定子由铁心、绕组和机座三部分组成，铁心是电机磁路的一部分，它由硅钢片叠压而成，片与片之间是绝缘，以减少涡流损耗。转子由铁心和绕组组成，绕组通常有鼠笼式和线绕式两种。在定子铁心和转子之间有一定的气隙，转子铁心、气隙与定子铁心构成电动机的完整磁路。通常，异步电机的气隙很小，一般为0.1mm-1mm。

由于异步电机的定子绕组到定子铁心（机座）只满足基本绝缘（爬电距离小于8mm，绕组绝缘套管厚度小于2mm），气隙小于1mm，因此异步电机的转轴只能满足基本绝缘。

2.1.2 工作原理

三相异步电机的工作原理，是基于定子旋转磁场（定子绕组内三相电流所产生的合成磁场）和转子电流（转子绕组内的电流）的相互作用。

图1 二极三相异步电机接线图和旋转磁场

图2 单相电容运转异步电机接线图

图3 单相电容运转异步电机旋转磁场

图4 单相电容运转异步电机转矩T-转差率S曲线

旋转磁场与转子有相对切割运动，根据电磁感应原理，转子产生感应电动势并产生感应电流。根据电磁力定律，载流的转子在磁场中受到电磁力作用，形成电磁转矩，驱动转子旋转。当三相异步电机通以三相对称电流时，所产生的磁场是圆形旋转磁场，负序力矩T-为零，合成力矩等于正序力矩T+，如图4中T+曲线。二极三相异步电机接线图和旋转磁场如图1所示。

由于转子转速与定子旋转磁场转速不同步，所以把这种电机称为异步电机，而把转速差（n0-n）与定子旋转磁场转速n0的比值称为异步电机的转差率，用S表示，即S=（n0-n）/n0。而n0=60f/p，f为电流频率，p为磁极对数。在电机铭牌上通常会标示出频率和极数，即可计算出该电机大概的实际转速，如50Hz，6p，n0=（60*50）/3=1000r/min，异步电机在额定负载时，S=1.5%-6%，异步电机实际最大转速n≈960r/min。

根据磁势平衡原理，I1*N1≈I2*N2，转子电流和定子电流成正比，转子电流增大，定子电流也增大。当电机负载增大时，电机转速下降，转子切割旋转磁场速度增加，转子感应电流增大，定子电流也相应增大，电机输入和输出功率增大。

2.2 单相电容运转异步电机

2.2.1 基本结构

单相电容运转异步电机与三相电机结构基本相同，主要差异在于定子绕组，其包括主绕组和副绕组，两绕组的轴线在空间互相垂直，接线图如图2所示，旋转磁场如图3所示。副绕组与运行电容串联，与主绕组并联，主要用于电机启动和改善电机运行状态。

图5 电机电容开路温度曲线

图6 转矩T-转差率S曲线

图7 电机电容短路温度曲线

图8 电机堵转温度曲线

图9 电流-转矩-转速曲线

图10 电机电容堵转温度曲线

2.2.2 工作原理

由于副绕组串有运行电容C，适当选择容量使该绕组中的电流在相位上超前主绕组中的电流90度，使其在通电后能在定、转子气隙内产生一个旋转磁场，使转子能自行启动。电机转动起来后，副绕组和电容继续参与运行，此时产生的磁场为椭圆度较小的旋转磁场，负序力矩T-较小，这将提高电机效率和过载能力。单相电容运转异步电机转矩T-转差率S曲线如图4所示。

3 非正常测试分析

3.1 测试要求

根据IEC 60335-1:2010和IEC 60335-2-40:2013第19章测试要求，空调异步电动机需要进行如下测试：

（1）运转电容开路测试；

（2）运转电容短路测试；

（3）电机堵转测试；

（4）三相电机缺相测试；

（5）运转电容开路+电机堵转测试。

3.2 单相异步电机电容开路测试分析

测试步骤：

电机在运行过程中将运转电容开路。

测试结果：

在运转电容开路后，电机转速下降，电机能继续转动，温度缓慢上升，直至达到平衡状态，图5为电机电容开路温度曲线。

测试分析：

副电容开路后，副绕组相当于开路，电机只有主绕组参与工作。此时电机中已没有旋转磁场，取而代之的是一个空间轴线固定而大小按正弦规律变化的交变脉动磁场，可以分解成两个转速相等而方向相反的旋转磁场Bm1和Bm2，两个磁场分别作用于转子而产生两个方向相反的转矩。这种情况的电机没有启动能力，启动转矩为零。电机一旦转动起来，它能自行加速到稳定运行状态，转矩T-转差率S曲线如图6所示。

由于电机已平稳运行，电容开路后电机能继续转动，由图4和图6对比可知，图6的负序力矩T-增大，合成转矩相比开路前要降低，因此电机转速下降，电流相应增大，电机温度上升。

3.3 单相异步电机电容短路测试分析

测试步骤：

电机在运行过程中将运转电容短路。

测试结果：

在运转电容短路后，电机转速下降较多，能缓慢转动或停止运行，温度快速上升，直至过载保护停止运行，图7为电机电容短路温度曲线。

测试分析：

副电容短路后，副绕组直接接在电源上，副绕组和主绕组并联运行，因没有电容的分压限流，副绕组温度快速上升。

由于两相绕组不对称，加之主绕组和副绕组得不到应有的电流相位差，则气隙中的磁场变为椭圆度更大的旋转磁场，转矩T-转差率S曲线如图6所示。相对电容开路，电容短路后产生的负序力矩更大，合成转矩相比短路前要降低很多，最大转矩和过载能力大幅下降，因此电机在原额定负载下转速下降较多，或停止运行（最大转矩比阻力距小），定子电流也迅速增大，电机温度快速上升。

3.4 异步电机堵转测试分析

测试步骤：

电机进行15天周期堵转测试。

测试结果：

电机转子堵转后，由于定子和转子电流很大，电机温度快速上升，直至达到平衡状态或过载保护停止运行。图8为电机堵转温度曲线。

测试分析：

转子堵转后，电机转差率S为1，旋转磁场和转子相对速度达到最大，转子快速切割磁场线，产生很大的感应电流，对应定子电流也很大，堵转电流可达额定电流的5-7倍，转子损耗和定子损耗增加，电机温度快速上升，电流-转矩-转速曲线如图9所示，电机堵转电流即为电机启动转速为零时的电流，随着转速的提高，电流将逐渐下降。

3.5 三相异步电机缺相测试分析

测试步骤：

电机在运行过程中断开其中一相。

测试结果：

在电机缺相后，电机转速下降，电机能继续转动，温度上升，直至达到平衡状态。

测试分析：

三相电机缺相前，三相绕组通以三相对称的交流电时产生圆形旋转磁场，负序力矩为零，合成转矩等于正序力矩。电机缺相后，产生的磁场是交变脉动磁场，三相绕组不再对称，负序力矩增大，合成转矩降低，同时没有启动能力，此时转矩-转差率曲线与单相电机电容开路时相似。

由于合成力矩较缺相前降低，电机转速将下降，电流增大，此时转子损耗和定子损耗增加，电机温度上升。

3.6 单相异步电机电容开路+堵转测试分析

测试步骤：

把电机运转电容开路后进行堵转测试。

测试结果：

电机转子堵转和电容开路后，电机温度上升，直至达到平衡状态，图10为电机电容堵转温度曲线。

测试分析：

电容开路后，副绕组相当于开路，只有主绕组通电工作，电机温度上升。由于副绕组没有通电发热，因此电机发热量比直接堵转要小。

4 结语

由以上分析可得出，异步电机在非正常情况下工作有以下共同点：（1）电机电流和温度上升；（2）电机转速下降或停止，且没有自启动能力；（3）由于电机转速下降，造成空调蒸发器和冷凝器热交换量下降，因此，当电机在低压侧发生非正常情况时，空调系统压力下降；当电机在高压侧发生非正常情况时，空调系统压力上升；两种情况都可导致整机出现保护。

异步电机不能长时间在非正常情况下工作，否则电机绕组寿命将大幅下降甚至烧毁引起火灾，也会使空调系统压力出现异常。因此，电机过载器和其他保护措施显得异常重要，且通过以上一系列的非正常测试确保空调系统的安全性。通常，对于空调上的异步电机，可在绕组上设置温度过载保护器；对于三相异步电机，可增加缺相保护；对于PG电机，可在控制电路上增加转速异常检测、过流检测等保护功能。

The study of Asynchronous motor operation principle and abnormal test of air conditioner

LU ZhiBin XIAO Biao
(GREE Electric Appliances, Inc. of Zhuhai Zhuhai 519070)

According to IEC 60335-1: 2010 and IEC 60335-2-40: 2013 requirements, the need for motor temperature test and abnormal test, this paper asynchronous motor operating principles and abnormal test results were analyzed.

Asynchronous motor; Rotating magnetic field; Torque; Slip; Current; Temperature