變頻調(diào)速異步電機負(fù)載特性檢測研究*

雷奶華， 陳筱鐵，溫韻光

(1.寧德出入境檢驗檢疫局， 福建 福安 355017； 2.三明出入境檢驗檢疫局， 福建 三明 365000)

變頻調(diào)速異步電機負(fù)載特性檢測研究*

雷奶華1， 陳筱鐵2，溫韻光1

(1.寧德出入境檢驗檢疫局， 福建 福安 355017； 2.三明出入境檢驗檢疫局， 福建 三明 365000)

變頻電機正以優(yōu)越的性能和顯著的節(jié)能效果得到了廣泛的推廣和應(yīng)用。通過對比普通異步電機的負(fù)載特性檢測方法，介紹了在變頻器供電和正弦波供電兩種電源方式下，對變頻異步電機進行空載、堵轉(zhuǎn)和負(fù)載試驗，從而對電機的負(fù)載特性檢測進行研究。試驗表明，恒轉(zhuǎn)矩啟動時，變頻電機工作狀態(tài)良好，而在高頻運行時，電機的效率和轉(zhuǎn)矩性能都受到較大的影響。

變頻調(diào)速異步電機；負(fù)載特性；檢測

Abstract: Variable frequency adjustable speed asynchronous motor is popularized because of its high efficiency and ascendant capability. By contrasting the characteristic test method of common asynchronous motor, noload, blockup and load test of the frequency conversion motor are researched in transducer power supply and in sine power supply. The test shows that the frequency motor runs in constant torque，when motor is starting in constant torque. The efficiency and torque capability of motor is influenced greatly when it is running in high speed.

Key words: frequency conversion motor; load characteristic; test

0 引 言

隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)的驚人發(fā)展，變頻調(diào)速正在以其卓越的性能和經(jīng)濟性，在調(diào)速領(lǐng)域，引導(dǎo)了一場取代傳統(tǒng)調(diào)速方式更新?lián)Q代的變革，正以很快的速度取代傳統(tǒng)的機械調(diào)速和直流調(diào)速[1]。變頻調(diào)速電機以改變電機頻率和改變運行電壓從而達到電機調(diào)速的目的，與普通電機有區(qū)別，變頻器直接驅(qū)動普通電機，對電機有損害。變頻調(diào)速主要用于負(fù)載變化的場合，所以有必要對變頻調(diào)速電機的負(fù)載特性進行檢測和研究。

1 變頻調(diào)速電機的優(yōu)點

變頻調(diào)速電機主要是通過改變頻率和電壓，從而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和負(fù)載，實現(xiàn)節(jié)能，其節(jié)能的優(yōu)點主要體現(xiàn)三個方面：一是變頻節(jié)能。如生活中的變頻制冷、變頻調(diào)速、變頻供水系統(tǒng)等。變頻調(diào)速主要用于負(fù)載變化的場合，節(jié)能效果非常明顯，典型的就是恒壓供水系統(tǒng)。其節(jié)能原理簡單講就是根據(jù)需要，改變頻率，進而改變輸出功率。比方說，只需要5 kW的功率，如果不調(diào)速，電機可能輸出10 kW功率，而采用變頻調(diào)速只輸出5 kW，就可以做到變頻節(jié)能了；二是功率因數(shù)補償節(jié)能。無功功率不但增加線損和設(shè)備的發(fā)熱，更主要的是功率因數(shù)的降低導(dǎo)致電網(wǎng)有功功率的降低，大量的無功電能消耗在線路當(dāng)中，設(shè)備使用效率低下，浪費嚴(yán)重。使用變頻調(diào)速裝置后，由于變頻器內(nèi)部濾波電容的作用，減少了無功損耗，增加了電網(wǎng)的有功功率；三是軟啟動節(jié)能。由于普通電機為直接啟動或Y/D啟動，啟動電流等于4～7倍額定電流，會對機電設(shè)備和供電電網(wǎng)造成嚴(yán)重的沖擊。而使用變頻節(jié)能裝置后，利用變頻器的軟啟動功能將使啟動電流從零開始，減輕了電網(wǎng)的沖擊,從而節(jié)能[2]。

2 負(fù)載特性檢測研究

一臺變頻電機的負(fù)載特性包括轉(zhuǎn)矩性能、效率、功率因數(shù)、以及損耗等，對于變頻電機在實際的應(yīng)用中十分重要。參照普通異步電機的試驗方法，在研究中按電機試驗的先后順序，先進行堵轉(zhuǎn)試驗，再進行負(fù)載試驗，最后做空載試驗。

2.1 堵轉(zhuǎn)試驗

堵轉(zhuǎn)試驗在電機接近實際狀態(tài)下由正弦波供電，試驗時，應(yīng)將轉(zhuǎn)子堵住。試驗時，施于定子繞組的電壓盡可能從不低于0.9倍額定電壓開始，然后逐步降低電壓至定子電流接近額定電流為止，其間共測取5～7點讀數(shù)，每點應(yīng)同時測取下列數(shù)值：電壓、電流、轉(zhuǎn)矩、功率。每點讀數(shù)時，通電持續(xù)時間應(yīng)不超過10s，以免繞組過熱。額定點的堵轉(zhuǎn)電流和堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩可由堵轉(zhuǎn)曲線查取[3]。

轉(zhuǎn)矩計算：

(1)

式中：PK堵轉(zhuǎn)時的輸入功率，PKcu1堵轉(zhuǎn)時的定子繞組I2R損耗，PKS堵轉(zhuǎn)時的雜散損耗，ns同步轉(zhuǎn)速。

低頻堵轉(zhuǎn)試驗也用相同的方法進行曲線的擬合和計算，分別在1/4頻率和1/2頻率時進行堵轉(zhuǎn)試驗，記錄不同頻率下堵轉(zhuǎn)的電壓、電流、轉(zhuǎn)矩和功率，用同樣的方法進行曲線擬后，然后在曲線上求取對應(yīng)頻率的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩和堵轉(zhuǎn)電流。

2.2 負(fù)載試驗

負(fù)載試驗是變頻電機負(fù)載特性分析中最重要的一個試驗，進行負(fù)載試驗的目的是確定電機的效率、功率因數(shù)、轉(zhuǎn)速和電流，對于確定變頻電機在變頻器供電時的工作狀態(tài)和工作性能十分重要。負(fù)載機械與電機軸線應(yīng)對中并保證安全。讀取讀數(shù)的過程先讀取最大負(fù)載時的讀數(shù)，然后讀取低負(fù)載時的讀數(shù)。試驗應(yīng)在額定電壓和基準(zhǔn)頻率下進行。開始讀取試驗數(shù)據(jù)之前，定子繞組溫度與額定負(fù)載熱試驗時測得的溫度之差應(yīng)不超過5 K[3]。

用合適的設(shè)備(直流機或測功機)給電動機加負(fù)載，在6個負(fù)載點處給電機加負(fù)載，4個負(fù)載點大致均勻分布在不小于25%～100%的額定負(fù)載之間，在大于100%但不超過150%額定負(fù)載之間適當(dāng)選取2個負(fù)載點。電機加負(fù)載的過程從最大負(fù)載開始，逐步按順序降低到最小負(fù)載[4]。試驗應(yīng)盡快地進行，以期減少試驗過程中電機的溫度變化。在每個負(fù)載點外，測取電壓、電流、功率、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、頻率及電阻。在電動機熱試驗后，重新起動電動機，測試負(fù)載特性?；鶞?zhǔn)頻率為50 Hz電動機，將變頻器分別調(diào)至5 Hz、15 Hz、30 Hz、50 Hz的頻率下測取電動機的額定轉(zhuǎn)矩、110%額定轉(zhuǎn)矩、80%額定轉(zhuǎn)矩，隨后分別在60 Hz、80 Hz、100 Hz的頻率下測取電動機在標(biāo)稱功率、110%標(biāo)稱功率、80%標(biāo)稱功率各點處的轉(zhuǎn)矩值(此時的標(biāo)稱功率應(yīng)折算為轉(zhuǎn)矩)，然后繪出電動機的負(fù)載特性曲線。在測試過程中，電動機應(yīng)平穩(wěn)運轉(zhuǎn)，無明顯轉(zhuǎn)矩脈動現(xiàn)象[5]。

在6個負(fù)載點處給電機加負(fù)載，4個負(fù)載點大致均勻分布在不小于25%～100%的額定負(fù)載之間(包括100%額定負(fù)載)，在大于100%但不超過150%額定負(fù)載之間適當(dāng)選取2個負(fù)載點。電機加負(fù)載的過程是從最大負(fù)載開始，逐步按順序降低到最小負(fù)載。試驗應(yīng)盡可能快地進行，以期減少試驗過程中電機的溫度變化。

2.3 空載試驗

空載試驗是為了確定變頻電機的鐵耗和風(fēng)摩耗的確定。空載試驗在在負(fù)載試驗后進行，讀取并記錄試驗數(shù)據(jù)之前輸入功率應(yīng)穩(wěn)定，輸入功率相隔半小時的2個讀數(shù)之差應(yīng)不大于前一個讀數(shù)的3%，試驗分別在正弦波電源和變頻器電源下以相同基波頻率進行試驗。

對于正弦波供電空載試驗，被試電機施以基準(zhǔn)頻率的電壓，電壓的變化范圍從125%的額定電壓逐步降低到空載電流最小或不穩(wěn)定的最低電壓為止。在125%～60%額定電壓之間，其中包括100%額定電壓，取4～5個電壓點(大致均勻分布)，大約50%額定電壓和最低電壓之間取3～4個電壓點。

在每個電壓點，測取I0，U0和P0，并應(yīng)測取R0或θ0，根據(jù)溫度與電阻成比例關(guān)系，利用試驗開始前測得的繞組初始端電阻R1、初始溫度θ1及測取的每點溫度θ0，可確定每個電壓點處的端電阻R0?？蛰d試驗后，立即測取定子繞組端電阻，將此電阻作為每個電壓點處的電阻值。當(dāng)按B法測定電機效率時，必須測取每點的R0或θ0。對于變頻器電源供電基準(zhǔn)頻率空載試驗，被試電機施以基準(zhǔn)頻率的額定電壓，測取Ib0、Ub0、Pb0，試驗后立即測取定子繞組端電阻[6]。

對于鐵耗和風(fēng)摩耗的確定，空載輸入功率P0是電動機空載運行時的總損耗，由P0減去試驗溫度下定子I2R損耗，得到風(fēng)摩耗和鐵耗之和P0′。變頻器供電下電動機諧波損耗為：空載輸入功率Pb0，減去試驗溫度下定子I2R損耗，再減去風(fēng)摩耗和鐵耗。正弦波電源供電下電動機的空載損耗肯定小于變頻器供電的空載損耗[7]。

3 實 例

選取1臺1.5kW兩級的變頻調(diào)速異步電機，采用變頻器供電，用直流機拖動的負(fù)載方式給樣機進行試驗，先進行負(fù)載試驗，而后進行空載試驗，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)對負(fù)載曲線進行擬合。

在變頻器供電的狀態(tài)下，負(fù)載特性曲線如圖1所示，當(dāng)頻率沒有達到額定頻率時，變頻電機接近于恒轉(zhuǎn)矩運轉(zhuǎn)，電機運行平穩(wěn)，當(dāng)頻率高于額定頻率時，轉(zhuǎn)速提高，電機的轉(zhuǎn)矩下降，電機的輸出性能受影響[7]。

變頻電機的效率與轉(zhuǎn)速(即頻率)的關(guān)系如圖2中所示，電機的效率是隨著運行頻率的增加而逐步增大，在運行頻率達到額定頻率點時，效率的變化趨于緩和，但隨著頻率的加大，效率急劇降低。

變頻電機的功率因數(shù)與轉(zhuǎn)速(即頻率)的關(guān)系曲線如圖3所示。電機的功率因數(shù)是隨著運行頻率的增加而逐步增大，在運行頻率達到額定頻率點時，功率因數(shù)的變化趨于緩和，但隨著頻率的加大，效率降低，但降低的幅度不如效率曲線劇烈[7]。

圖1 變頻器供電的負(fù)載特性曲線

圖2 變頻電機的效率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線

圖3 變頻電機的功率因數(shù)與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線

總之，額定點附近工作時，電機的性能和負(fù)載特性良好，相對于高頻(60～90Hz),在低頻工作時(10～40Hz)電機的效率整體水平較高，處于恒轉(zhuǎn)矩的狀態(tài)，工作平穩(wěn)，工作性能也較好,建議變頻電機盡量不在高頻狀態(tài)下工作。

4 結(jié) 論

變頻調(diào)速電機主要是通過改變頻率和電壓，從而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和負(fù)載，實現(xiàn)節(jié)能，因此變頻調(diào)速電機的負(fù)載特性檢測對于電機十分重要。變頻電機的試驗中，要分析變頻器供電和正弦波電網(wǎng)供電兩種情況下的性能，盡可能讓電機處于額定頻率或是低頻的狀態(tài)下工作。在高頻運行時，電機的效率和功率因數(shù)都較低，而轉(zhuǎn)速相對又很高，要盡量避免電機處于高頻狀態(tài)下工作。

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Load Characteristic Test for Variable Frequency Adjustable Speed Asynchronous Motor

LEI Nai-hua1, CHEN Xiao-tie2, WEN Yun-guang1

(1.NingdeEntry-exitInspectionandQuarantineBureau,FuanFujian355017，China; 2.SanmingEntry-exitInspectionandQuarantineBureau,SanmingFujian365000，China)

2014-05-14

國家質(zhì)檢總局科技計劃項目(2013IK073)

雷奶華(1979-),男,福建福安人, 工程師，主要從事電機控制與檢測方面的工作。

TM

A

1007-4414(2014)04-0203-03