异步电动机叠频法温升试验浅析

张宏川

（东方电气集团东方电机有限公司，四川 德阳 618000）

我国工业发展迅速，随之而来对于电动机的需求也开始呈现出显著提升的趋势。然而在实际的工业环境中，很多电动机都会面临较大的工作压力，交流电动机的容量常常会超出出厂时设定的负载试验能力，因此为了能够保证对应的电动机实现有效安全运行，必须对其展开温升试验。对于异步电动机而言，温升试验的价值就在于确定额定负载条件下运行时，定子绕组的工作温度和电机某些部分温度高于冷却介质温度的温升。获取到温升特征的数据，对于电动机自身的寿命以及日常安全等方面都有十分重要的价值。然而在温升试验的领域中，由于对大功率以及立式电动机展开试验时，很难找到合适的对拖机组或者负载来完成试验，因此现在常见的做法是通过定子叠频的方式，对等效负荷进行模拟，进一步获取到温升数据以及效率估值。

对于叠频法温升试验而言，其发展经历了漫长的过程。20世纪80年代，国际上就已经开始出现对应的研究，当时的美国、日本以及德国等国家，都已经展开了对应的研究；进入到90年代，欧美开始了针对双发电机叠频法的更为深入的关注。与这种情况对应的是，我国相对而言起步较晚，在80年代诸多国家的叠频试验风起云涌时，我国的相关试验也在随之展开，但只是尝试阶段，而在90年代，欧美试验成果频出的时候，我国也在迎头赶上，当时国内已经将叠频法引入了GB1032-85标准中，并且在很多类型的异步电动机的试验中积累了大量数据。GB1032-85标准明确指出，300kW以上卧式或者100kW以上的立式异步电动机均可以采用叠频法或者降低点压法展开温升试验。经过多年的发展，电动机容量的不断提升以及其他诸多原因，都使得85版标准中提及的方法不再适用于实践环境，随之也涌现出了诸多新的思路，推动了叠频法的不断发展。时至今日，国际环境中以D.J.McKinnon等为代表的学者，开始利用派克方程求解异步电动机等效负荷情况下的数学模型，并且对正弦脉宽调制（SPWM，Sinusoidal Pulse-Width Modulation，SPWM）叠频法下的损耗变动规律展开了研究。同时我国也在综合多方经验的情况下，制定了叠频等效负载法试验标准GB/T 21211-2007，针对叠频试验中电源电压、频率以及温升折算等加以初步规范，将该领域的研究推动到了一个新的阶段。

针对大型异步电动机展开温升试验的时候，要求电动机保持在额定负荷展开工作，此时因为轴伸侧无负载，因此运行转差率趋近于0，导致无法在定子与转子中感应出额定负载电流和转矩电势。定子叠频法则是通过改变电动机转子的转动惯量，来实现增加电动机定子电流的效果，从损耗的角度实现了对于等效负荷的加载。从工作原理的角度看，此种方法主要是将2种相近频率的主、副电源进行矢量叠加，进一步形成新的拍频电源，其频率等于2个电源的频率差f1-f2，用这个新的叠加电源来实现电动机的驱动。此种情况下，电动机气隙中合成磁通为主、副电源矢量叠加的结果，当电动机转速低于定子磁场同步转速时，其感应转矩与转速保持同向，则处于电动机模式的工作状态，反之，则发挥制动作用，相当于处于发电机模式工作状态。进一步合成的旋转磁场在同步转速附近产生了脉动振荡，则设备会在2种工作模式直接切换，从而实现改变电机转子的转动惯量的目标。

在考察定子叠频法理论时，对相应的变量展开数学表达，则主、副电源经过磁场叠加后产生新的矢量Φ3，其矢量端点变化轨迹参见图1。

图1 电源合成矢量端点轨迹

综合图1，其中Φ为电源产生的电机磁通，用U表示电压，ω表示电源角频率，则依据余弦定理有合成Φ3的幅值如式（1）。

通过式（2）不难发现Φm的变化规律。其中Φ1m以及Φ2m均为常数，则有式（3）。

当θ1false从0开始增加到π的过程中时，Φm会不断减小，而θ1false从π一直增加到2π的过程中，Φm则会不断增加，整个过程中，Φm以拍频false为周期展开变化。

进一步分析Φ3的速度周期变化，参见图2。图2中，B、D2点为切点，在弧BAD上，旋转坐标系上垂直于Φ3的旋转线速度V’为顺时针方向，对应该区间的转速小于ω1，而在B、D2点上，V’为0，而在弧BCD上，V’为逆时针方向，该区间的转速大于ω1。则依据合成磁场相位求解合成角度ω3，结果见式（4）。

图2 合成矢量速度变化示意图

在式（2）以及式（4）的基础上，可以确定出合成角频率ω3的变化曲线。一个比较典型的情况，即当ω3增加，转子加速，而当ω3减小，转子也对应减速。大中型异步电动机转子常常具有极大的转动惯量，当拍频为5Hz，而主频为50Hz的时候，ω3在0.2s内即可实现一个周期，因此转子速度变化会落后于磁场转速。与之对应，当磁场转速高于转子速度时，会保持在电动机模式运行，而当磁场转速低于转子速度时，则会保持在发电机状态展开运行。这种方式通过改变转子惯量而进一步决定电机定子电流的大小，与叠频磁场的变化速度保持正比。

在叠频法温升试验的实现过程中，除了要对其相关原理加强理解外，还必须进一步展开包括叠频频率的选定，以及对于叠频更具体的方式的确定等方面相关问题需要落实讨论，限于篇幅问题，在此不多做议论。对于叠频法而言，其自身也处于不断完善与发展的进程中，诸如不同叠频法的分析对比，以及电流、发热等效率方面的对比都有待于进一步完善，并且以场路耦合的方式中，其动态磁场、温度场等细节，都是未来研究的主要内容。但是截至目前，叠频法温升试验对于异步电动机的价值已经明确，其深入应用，解决了大型异步电动机因为负载问题而难以展开温升试验的问题，其价值不容忽视。

参考文献：

[1]路义萍,洪光宇,汤璐等.多风路大型空冷汽轮发电动机三维流场计算[J].中国电动机工程学报,2013,33(3).

[2]GB/T 1032-2012,三相异步电动机试验方法[S].

[3]李岩,姚旭东.变频器在异步电机叠频温升试验中的应用研究[J].电气自动化 ,2011,33(3).

[4]杨斌,催正军.三相异步电动机半电压叠频温升试验探讨[J].移动电源与车辆,2005,(4).