基于直流注入的三相感应电动机等效负载热试验研究

王传军， 刘 祺， 童陟嵩， 李永奇

(1.上海电机系统节能工程技术研究中心有限公司，上海 200063；2.上海电科电机科技有限公司，上海 200063)

0 引 言

电机产品的热试验有直接负载热试验和等效负载热试验2类[1]。直接负载热试验通过轴联结对电机输出轴施加一定的负载进行试验。与直接负载热试验相比，等效负载热试验具有如下优点：不需要在轴端耦合机械负载；对电源容量要求大大降低；试验设备简单、经济，应用方便。

基于等效负载方法的上述优点，国内外科研院所和电机生产厂家很早就开展了一些研究和探索。20世纪90年代，欧美国家对定子叠频法进行大量的试验研究，21世纪初，欧美学者又将定子叠频法进一步扩展至效率估算领域[2]。综合国外的标准及国内经验，我国于2007年制定了GB/T 21211—2007《等效负载和叠加试验技术 间接法确定旋转电机温升》标准[3]，并于2017年重新界定了各试验方法的不确定度。虽然各类间接试验法已成为了推荐标准，但国内仍鲜有针对此类方法和类似装置开展研究、研制的报道，在标准制修订过程中也缺少相关试验数据的对比。

本文对GB/T 21211—2017标准“等效负载热试验直流注入法”进行了研究，并基于该方法开发了三相感应电动机等效负载热试验装置。详细介绍了装置研制的关键因素和要点。通过应用该装置积累了一定的试验数据，为相关研究提供帮助。

1 直流注入法理论

电机产品的等效负载热试验是在非额定负载条件下，通过单一试验近似地确定电机部件在额定负载时的温升，对于电机定子绕组来说，即意味着在绕组中产生有效的满载电流[4]。

直流注入法被试电机由交流电源供电并在额定电压下空载运行，此时利用可调电压的直流电源在电机三相定子绕组上各叠加一直流电流，调节直流电源输出电压，使得交流空载电流的有效值叠加上注入的直流电流等于电动机的满载电流，即实现等效负载。直流注入的等效负载试验线路原理图如图1所示。被试电机和交流电源发电机均是星形接法，且两者的中性点是可用的，直流电源接在2个中性点中间。调节直流发电机输出电流，即可增加被试电机定子绕组内的电流有效值，交流电源发电机提供额定电压并能承受额定电流。

图1 直流注入的等效负载试验线路原理图

直流电源建立的是空间静止磁场，其极数是定子极数的3倍。转子旋转产生磁通和电流，因而在转子中有额外的损耗，即在转子上产生制动转矩，在定子绕组中也产生反作用电流分量。交流电源则提供补偿电流，平衡制动转矩反应产生的去磁作用。

注入的直流电流越大，转子产生的制动转矩越大，因此调节直流电源的输出电流即可达到调节负载的目的。

2 装置电气系统设计

2.1 试验能力

装置主要用来完成550 W及以下三相感应电动机的热试验。试验能力要求如表1所示。

表1 试验能力要求

2.2 系统设计

基于试验能力需求，采用直流注入法设计三相感应电动机等效负载热试验装置。系统原理图如图2所示。该系统由交/直流供电单元、控制单元、测量单元等部分组成。交流电源由电网直接供电，A1/B1/C1/N为380 V/50 Hz三相四线供电电网电源；VD1/VD2/VD3为可程控直流输出电源，其主要技术参数如表2所示。控制单元由断路器QF1～QF24、接触器KM1～KM24、接触器ZKM1～ZKM24等组成。电流测量传感器ZH1～ZH24和电参数测量仪P1～P24构成本装置测量单元。FR1～FR24为热保护。

图2 系统原理图

表2 可程控直流输出电源主要技术参数

2.3 设计要点

为了将直流叠加到交流系统中，在上述基本构成的基础上设计了交直流耦合回路，以确保交流和直流电流仅作用在电机绕组上，同时防止交流和直流回路之间产生相互干扰。装置设计主要采取了如下措施：

(1) 为防止交流进入直流电源，增加耦合变压器T1、T2、T3，其一次绕组和二次绕组产生对称的交流电压并相互抵消，即满足在直流电源上产生的交流电压接近零。

(2) 为使直流仅在电机回路上循环(使电机绕组发热)，不能进入交流电源系统而使变压器绕组发热，在耦合变压器的一次回路增加隔直电容器C1、C2、C3。

参考图2，设电机的某相绕组为RM，流经该绕组的电流为IRM，绕组电压为URM；耦合变压器的一次绕组为RT1，电感量为L1，二次绕组为RT2，一次绕组上的电压为URT1，二次绕组上的电压为URT2，为满足在直流电源上产生的交流电压接近零的要求，则：

(1)

式中：

(2)

(3)

欲满足式(1)，则应达到：

墨镜男坐下来，给自己倒了一杯酒，看着范坚强抽烟，不敢先喝。范坚强左手举起杯子，偏头瞥了他一眼，说：“喝一杯吧。”他才一口喝干，站起来给范坚强斟酒。范坚强看着酒杯，用拿烟的右手轻轻在桌面点了点。他又给自己倒酒，月光下，呈亮亮的一道弧线。边倒，边说：“老板，不如把他做了，以绝后患。”见范坚强不做声，偷偷看他一眼，放下酒瓶端端正正坐着。

(4)

表3 耦合变压器主要参数

3 试验验证

3.1 试验数据

基于上述设计，以某系列550 W三相感应电动机为研究对象进行了试验。试验电机主要技术参数如表4所示。为了准确对试验电机参数进行准确测量，通过FLUKE高精度电参数分析仪NORMA4K对试验对象进行数据采集，试验电机电流注入有效值为1.36 A，24台电机同时进行试验时，直流电源输出电压20.3 V，输出电流20.5 A，隔直电容电流为22 A。

表4 试验电机主要技术参数

表5给出了某台电机10次试验结果，其中ΔθN,equiv是由本装置通过直流注入法测试而确定的温升值，ΔθN是根据GB/T 755—2019《旋转电机定额和性能》规定的直接负载法测试而确定的温升值[5]。

表5 试验温升值

随后从24台试验电机中随机抽取了8台电机，按照GB/T 1032—2012《三相异步电动机试验方法》进行了热试验[6]。试验情况对照表如表6所示。

表6 试验情况对照表

3.2 试验数据分析

利用贝塞尔公式:

(5)

根据式(5)求得直流注入法测量结果的标准偏差值为1.2 K。不确定度公式如下：

(6)

同理求得，直接负载法测量结果的标准偏差值为1.0 K，测量结果的A类标准不确定度为0.33 K，自由度为9。

为更直观地比较2种试验方法的试验结果和趋势，图3和图4对比了2种试验方法所得结果。

图3 不同试验次数试验数据对照情况

图4 不同抽样编号试验数据对照情况

比较可见，直流注入法试验标准偏差稍大于直接负载法试验标准偏差。

从图3和图4可见，以等效负载试验方法确定的电机绕组温升与额定负载试验结果比较总是存在偏差，相对于额定负载下的不确定度定义为

(7)

根据表5数据，按照式(7)计算不确定度为4.8%。

相关文献[4]显示，等效负载法的不确定度在±10%的范围内。

4 结 语

本文采用直流注入法设计了可同时对24台最大功率550 W的三相感应电动机进行等效负载热试验的装置，提高了试验效率，试验能耗低，测试过程简单易操作，不确定度在可接受范围内，具有良好的实用性。该装置实现了批量地在电机内产生可控的加热，因此适用于对电机进行加速热老化试验。这些测试常常用于分析和总结电机的绝缘设计，掌握其绝缘系统随时间变化的热性能。通过这种方式，可以获得电机的预期寿命[7]。

电机生产厂家的电机试验站经常会受试验电源、试验设备、试验样品、试验工装、试验批量、安装方式等多因素限制[8]，无法对试验电机施加直接负载。此时使用感应电机等效负载直流注入法进行热试验是一种非常理想可行的试验方法。