不对称电机效率及能量守恒法测量

蔡圣清, 李杰

(银川能源学院 电力系，宁夏 银川 750105)

0 引 言

随着世界各国的工业化发展加快，三相异步电动机的用量越来越大，电机成为现代工业社会中的主要能源消耗者，在欧盟约69%的电力消耗在工业，而三相鼠笼式感应电动机是工业最常用的电气设备之一。据中国电力企业联合会最新发布信息：我国第二产业电量比重为73.6%[1]，而电动机数量之大已消耗中国工业60%～65%的电能，跟国际最佳水平相比，中国电动机效率要低10%～30%[2]。

如何提高三相异步电动机效率使其更加经济、节能、环保、高效，以更加优越的、高性能的电机替代传统电机，已成为目前世界关注和研究的重大热点之一。欧美日等发达国家先后投入大量人力和资金在这方面广泛研究。出台了IEEE112、C520.20、MGI-12.58.1、C-390、IEC34-2、JEC-37、BS-269标准。我国也对应出台了GB186B、IEC6003-3以及新国标GB186B-2012标准[3]。这些标准出台都以如何降低定、转子损耗、铁损耗、空阻和摩擦力及额外负荷为目标。研究的前提以电源电压为额定值为基准。但是在我国这样一个幅原辽阔的大地上要保证每个电机的供电绝对对称是不可能的。三相电源受传输中的阻抗差异、气候、地理环境和负载的影响，也会受到外界雷电及其它干扰。存在三相电源不对称是必然的，会不时打破三相平衡状态，引起电机额外热耗，大大降低电机效率(这是我国电机效率低的一个重要因素)。

总之，研究电机效率是一个永恒的课题，也是我国电机与国际电机接轨的一个重要节点。 三相异步电动机旋转能量是建立在电机的正负序磁场转矩的基础上的。而正负序电磁转矩方向总是相反的。无论何种因素引起的三相不平衡运行都必然会存在正序磁势和负序磁势的共存。对正序而言，电机要从电网吸收功率，通过电磁感应转化为轴的输出机械功率，而此时的负序则是把电源吸收的功率和从轴上吸取的机械功率，共同转化为定转子的铁损耗、铜损耗和转子的风摩损耗。这种损耗将转化为热能形式。电机实际运行中，有很多不确定因素存在，难以保证三相的电压、负载不变化，会使电机处在不平衡运行成为一种常态。

1 三相电机的不平衡运行分析

1.1 三相平衡状态

当三相电动机通入三相对称交流电时，每一相的基波磁动势为：fk1=Fk1cosωtcosα如图1所示。其中Fk1是基波的振幅，α是空间坐标，ω是角频率，根据三角函数公式2cosAcosB=cos(A-B)+cos(A+B)[4]可分解为：

图1 三相对称磁势

式中Pm:转轴上得到的机械功率；PM：是电源供给的电磁功率；s：转差率，n0:是电磁转速,n:为实际转

1.2 三相不平衡运行

图2 三相不对称磁势

2 案例分析

2.1 缺一相电压时

设缺A相，总基波磁动势为：

正序磁势幅值是负序磁势幅值的2倍，根据上面分析仍然是一个椭圆轨迹的磁势，长轴是短轴的3倍，这个时候有的电机缓慢运转，有的电机根本不转，主要原因是电机轴的风摩力大小的区别，并不是电机没有旋转力矩。

2.2 只有一相电压

基波脉振磁势为：

此时，脉振磁势可以分解为两个幅值相等，而转向相反的两个圆形旋转磁势，合成转矩为0，电机n=0，所以不会旋转。

图3 实验装置

3 实验

(1)实验电路图如图3所示。实验器件有：DJ24微型电动机一台， VICTOR6236P测数表一件，DGJ-07数字功率表两块，50 W变阻器一个，高精度秒表两块，0.5 kg金属锥一个，无弹性尼龙细绳一条，标准刻度尺及其定滑轮一个(如表1所示)。

表1 实验各参数

(2)实验放在室内进行，主要减小锥体运动阻力，把0.5 kg的金属锥用细绳拴紧再通过房顶的定滑轮连到电机的轴上固定。开启电机后锥体以墙面标准刻度表为背景从低端向高端运动。经过多次精细测量，选D-F3m区间定位锥体匀速运动区。保持A、B相电压不变，用调节变阻器来改变电机C相输入电压，每改变一次电压值，电动机的运动速度发生改变。用两块高精度秒表测出D、F点的即时时间。二者差值就是锥体匀速运动的时间。得到锥体的势能为mgh。而电机从电源吸收功率所得电能为W电=(Pw1+Pw2)*Ts,从而得到图4和图5的不对称度λ与效率η和转速n和效率η的关系图。如图4、5所示。

图中λ表示：三相不平衡矢量合成幅度与基准值比。

图4 不对称系数λ和η关系图

图5 转速n与效率η曲线图

4 结束语

[1] 中国电力企业联合会中国电力工业现状与展望[EB/OL] (2015-03-10)[2016-08-03]. http://news.bjx.com.cn/html/20150310/596276.shtml.

[2] 龙迪.电动机数量消耗中国工业60%的电能[EB/OL](2011-11-02)[2016-08-03]. http://www.ce.cn/cysc/newmain/pplm/hysm/201111/02/t20111102_21062168.shtml.

[3] S CORINO E,ROMERO R,F MANTILLA.How the efficiency of induction motor is measured[EB/OL]( 2012-12-03)[2016-08-03]. http://wenku.baidu.com/view/790c1ebf65ce050876321378.html.

[4] 郭木森，黄元梅，黄经武.电机学[M].3版.北京：高等教育出版社，1999.

[5] 李发海，朱东起.电机学[M].北京：科学出版社，2007.

[6] 李俊卿，李志远.三相变压器不对称运行的分析[J].华北电力大学学报，2001,28(4)：15-18.

[7] 施才生.三相异步电动机缺相运行几种保护[J].煤矿机械，2008：29(1)156-158.

[8] 吴新振，徐世广.单相异步电机最大转矩计算[J].电机技术，1993，20(3)：10-12.