三相异步电动机在不同负载率时的效率探究分析

张 俊，赵云峰，章力天，潘柏根，陆月星，杨 刚

（安徽省电机产品及零部件质量监督检验中心，安徽 宣城242500）

1 三相异步电机设计原理

交流电机是实现交流电能和机械能之间转换的电机，其中可以将其分为同步电机和异步电机两大类，同步电机通常作为发电机使用，而异步电机主要作为电动机。异步电机中，使用量较大的是三相异步电机。三相异步电机以三相对称交流电为驱动源，通过特定的机械结构和电磁作用原理，实现电能到机械能的转化，从而作为现代工业生产和日常生活中的动力源。三相异步电机主要由定子、转子、绕组和机座等构成[1-2]。交变的电流通过绕组，在气隙中产生以一定速度旋转的磁场，转子中导条或者绕组在磁场中产生感应电流，带电导体在磁场中受到安培力的作用，从而形成驱动转子运动的转矩[3-4]。

2 三相异步电动机在不同负载率时的损耗分析

对于三相电动机而言，一般认为总损耗包括定子损耗、转子损耗、铁耗、风摩耗、负载杂散损耗5大损耗，这5大损耗之和是影响电机输出效率的关键因素。通过型式试验测取上述损耗值是求取电机效率的常用方法。与此同时，在试验过程中某一温度测取的损耗是可以通过修正到期望温度下的损耗。在研究三相异步电动机的效率过程中，采用GB/T1032—2012中的B法进行相关试验。在试验中需要用到转速转矩传感器、功率计、温度巡检仪等设备，为了保障试验结果的准确性，所有设备精度等级均达到0.2级及以上。

2.1 定子绕组损耗Pcu1s

三相异步电机在工作过程中，定子绕组中通入正弦的交流电，电能一部分转化为磁能，另一部分转化为热能，而做无用功的热能就是定子绕组上的损耗。对于一般铜绕组来说，不同温度时的三相电动机的绕组的阻值是变化的，因此在计算电机定子绕组损耗需要按照规定温度下端电阻进行运算，公式如下所示：

2.2 转子绕组损耗Pcu2s

三相异步电动机的转子可以分为绕线转子和铸铝转子，对于绕线转子而言，可以依据电子流动碰撞产生的热效应来计算绕线转子损耗，理论分析可知，这种热量损耗与绕组中的感应电流的平方和规定温度的绕线阻值成正比。对于铸铝转子而言，是对绕线转子的改良，利用铸铝导条中的感应电流在旋转磁场中产生的安培力带动转子转动，转子导条一般与电机轴向成一定角度斜置来消除转子和定子齿之间谐波相互作用，从而减小附加转矩和激振噪声。绕线转子和铸铝转子发热原理是相同的，可以利用直接法依据定子绕组损耗Pcu1s的计算公式进行运算，但是由于电机在工作中感应电流值无法获取，只能采用间接法计算，公式如下所示：

式（3）（4）中：P1为输入功率；Pcu1s为规定温度下定子损耗；PFe为铁耗；s为转差率；θt为规定温度，℃；θ0为测量转速和转差率时定子绕组温度，℃。

2.3 风摩耗Pf

电动机的风摩耗主要是电动机在转动过程中转子和冷却风扇与空气之间均产生摩擦，对于这种摩擦损耗有两种计算方式。

一种是根据流体力学中的牛顿粘性公式进行计算，将风速看成沿半径方向线性递减，可依据公式（5）计算；另一种计算方式，根据GB/T1032—2012中的要求，采用一半额定电压至最低电压时恒定损耗与电压数值，作恒定损耗对（U0/UN）2的曲线，将直线延长至零电压与纵轴的交点视为风摩耗[5]。

式（5）中：μ为空气粘性系数，取1.7894×10-5Pa·s；r为转子半径，mm；ω为转速，rad/s；Δr为气隙，mm。

2.4 铁耗PFe

检测行业中，电机的铁耗取60%～125%额定电压之间的各点电压，作恒定损耗减去风摩耗的值对U0/UN的关系曲线。不同负载时的铁耗根据电压之间的比值找到对应损耗值，其中：

2.5 负载杂散损耗Ps

负载实验中输入功率与输出机械功率之差为视在总损耗，从视在总损耗中减去定子损耗、转子损耗、风摩耗和铁耗之后，剩余的那部分损耗称为剩余损耗PS0。剩余损耗与T2呈线性关系，通过对剩余损耗数据的线性回归分析求取负载杂散损耗，公式如下：

3 三相异步电机的效率理论计算

效率是同一单位表示的输出功率P2和输入功率P1之比，对于三相异步电机而言，即等于电机轴端输出的机械功率与供电电源的输出端电功率之比，公式如下：

式（7）中：PT为总损耗，W。

4 不同负载率时损耗分析

不同负载率是指电机稳态运行时输出端功率与额定功率比值。实际应用和分析研究中对于不同负载情况下的损耗一般取额定负载工况预估损耗值或者依据该工况下的电流进行计算相关损耗。对于三相异步电机来说，上述的预估和计算方式对在不同负载率工况下电机效率计算存在较为明显的误差，尤其对于大电机计算误差更为显著。当电机输出功率小于额定功率时，三相定子绕组中的线电流小于额定电流，根据感应电机等效电路原理可知，单相定子上的铜损耗等于定子内阻损耗，与定子电流I2成正比，因此，三相异步电机的铜损耗等于单相铜损耗乘比例系数，一般取1.5。因此，如果按照100%负载率时的铜损计算，会将使得低负载率时电机的总损耗变大，使得效率计算值偏小。

同理，当输出功率大于额定功率时，按照额定负载时定子绕组的线电流去计算铜损，会将高负载率时电机的总损耗变小，使得电机效率计算值偏大。根据电机做空载试验时的特性曲线的可知，铁耗大小与U0/UN的比值成单调递增趋势，用额定负载时电流计算会引起Ub的偏差，导致铁耗偏差变化趋势与铜损趋势类似。

针对铸铝导条电机而言，导条在转子中斜置设计，结合电机是特殊变压器的特性，转子感应电流变化与一二次侧匝数比值成反比且转差率数值一般数量级较小，使得不同负载率时，转子上的损耗的误差较小。风摩耗将其视为机械特性，与气隙与转速相关，电流计算值变化对其影响较小。

5 型式试验

现场试验图如图1所示。在实验中，取电机型号为YX3-200L-4的三相四极电机进行空载、负载、温升试验，电机的相关参数如表1所示。

表1 试验样机的参数表

图1 现场试验图

陪试机选用额定功率为45kW的4极电动机。通常风摩耗和铁耗根据空载试验求出，效率由温升和负载试验得出。

对电机进行不同负载工况下的型式试验，首先，开展3次不同负载时的电机试验，在三相异步电机的试验系统中将额定功率分别乘以0.5、0.75、1，即分别对该电机加50%、75%、100%的负载，试验加载过程需根据对应的负载率进行加载，主要加载方式采取降低陪试电机的频率，减小电机的实际转速，对被试机施加负载转矩。

对应负载测取的损耗值和效率值如表2所示。满载时的负载试验结果如图2所示。

图2 满载时的负载试验结果图

表2 实验结果

6 结论

根据不同负载率下电机空载、负载和温升试验的结果可知，随着负载率的增加，定子损耗和转子变化趋势较为明显，负载每增加25%，定子损耗增加约1倍。风摩耗一般认为与负载试验无关，因此不同负载时的风摩耗变化较小。根据铁耗的测量结果，铁耗的值通常认为电机的机械有关，其铁耗的值较为稳定在470W左右。随着负载率的增加，负载越大，电机的杂散损耗越大，由测量结果可知，每增加25%负载，杂散损耗则增加50%左右。另外由不同负载率时的实验结果表明，对于三相异步电动机而言，75%负载附近时的效率通常较大。