空調(diào)異步電機運行原理及非正常測試分析

盧智斌 肖彪

（珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070）

空調(diào)異步電機運行原理及非正常測試分析

盧智斌 肖彪

（珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070）

根據(jù)IEC 60335-1:2010和IEC 60335-2-40:2013要求，需要對電機進行溫升測試和非正常測試，本文主要針對異步電機運行原理和非正常測試結(jié)果進行分析。

異步電機；旋轉(zhuǎn)磁場；轉(zhuǎn)矩；轉(zhuǎn)差率；電流；溫度

1 引言

異步電機結(jié)構(gòu)簡單，維護容易，運行可靠，價格便宜，具有良好的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性，它是家用電器中使用最為廣泛的電機?？照{(diào)異步電機按電源分類主要包括單相異步電機和三相異步電機，而單相異步電機又可分為單相電阻分相起動異步電機、單相電容分相起動異步電機、單相電容運轉(zhuǎn)異步電機、單相電容起動與運轉(zhuǎn)異步電機和單相罩極式異步電機。目前空調(diào)上主要用的是單相電容運轉(zhuǎn)異步電機，該種類電機功率因數(shù)、效率和過載能力等都比普通單相電機高。

根據(jù)IEC 60335-1:2010和IEC 60335-2-40:2013要求，需要對電機進行溫升測試和非正常測試，本文主要針對異步電機運行原理和非正常測試結(jié)果進行分析，得出電機在非正常情況下工作，將導(dǎo)致空調(diào)系統(tǒng)壓力異常，引起安全隱患，應(yīng)當(dāng)采取各種保護措施防范危險的發(fā)生。

2 異步電機運行原理

2.1 三相異步電機

2.1.1 基本結(jié)構(gòu)

三相異步電機主要由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成，定子由鐵心、繞組和機座三部分組成，鐵心是電機磁路的一部分，它由硅鋼片疊壓而成，片與片之間是絕緣，以減少渦流損耗。轉(zhuǎn)子由鐵心和繞組組成，繞組通常有鼠籠式和線繞式兩種。在定子鐵心和轉(zhuǎn)子之間有一定的氣隙，轉(zhuǎn)子鐵心、氣隙與定子鐵心構(gòu)成電動機的完整磁路。通常，異步電機的氣隙很小，一般為0.1mm-1mm。

由于異步電機的定子繞組到定子鐵心（機座）只滿足基本絕緣（爬電距離小于8mm，繞組絕緣套管厚度小于2mm），氣隙小于1mm，因此異步電機的轉(zhuǎn)軸只能滿足基本絕緣。

2.1.2 工作原理

三相異步電機的工作原理，是基于定子旋轉(zhuǎn)磁場（定子繞組內(nèi)三相電流所產(chǎn)生的合成磁場）和轉(zhuǎn)子電流（轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)的電流）的相互作用。

圖1 二極三相異步電機接線圖和旋轉(zhuǎn)磁場

圖2 單相電容運轉(zhuǎn)異步電機接線圖

圖3 單相電容運轉(zhuǎn)異步電機旋轉(zhuǎn)磁場

圖4 單相電容運轉(zhuǎn)異步電機轉(zhuǎn)矩T-轉(zhuǎn)差率S曲線

旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子有相對切割運動，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生感應(yīng)電動勢并產(chǎn)生感應(yīng)電流。根據(jù)電磁力定律，載流的轉(zhuǎn)子在磁場中受到電磁力作用，形成電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。當(dāng)三相異步電機通以三相對稱電流時，所產(chǎn)生的磁場是圓形旋轉(zhuǎn)磁場，負序力矩T-為零，合成力矩等于正序力矩T+，如圖4中T+曲線。二極三相異步電機接線圖和旋轉(zhuǎn)磁場如圖1所示。

由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與定子旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速不同步，所以把這種電機稱為異步電機，而把轉(zhuǎn)速差（n0-n）與定子旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速n0的比值稱為異步電機的轉(zhuǎn)差率，用S表示，即S=（n0-n）/n0。而n0=60f/p，f為電流頻率，p為磁極對數(shù)。在電機銘牌上通常會標示出頻率和極數(shù)，即可計算出該電機大概的實際轉(zhuǎn)速，如50Hz，6p，n0=（60*50）/3=1000r/min，異步電機在額定負載時，S=1.5%-6%，異步電機實際最大轉(zhuǎn)速n≈960r/min。

根據(jù)磁勢平衡原理，I1*N1≈I2*N2，轉(zhuǎn)子電流和定子電流成正比，轉(zhuǎn)子電流增大，定子電流也增大。當(dāng)電機負載增大時，電機轉(zhuǎn)速下降，轉(zhuǎn)子切割旋轉(zhuǎn)磁場速度增加，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流增大，定子電流也相應(yīng)增大，電機輸入和輸出功率增大。

2.2 單相電容運轉(zhuǎn)異步電機

2.2.1 基本結(jié)構(gòu)

單相電容運轉(zhuǎn)異步電機與三相電機結(jié)構(gòu)基本相同，主要差異在于定子繞組，其包括主繞組和副繞組，兩繞組的軸線在空間互相垂直，接線圖如圖2所示，旋轉(zhuǎn)磁場如圖3所示。副繞組與運行電容串聯(lián)，與主繞組并聯(lián)，主要用于電機啟動和改善電機運行狀態(tài)。

圖5 電機電容開路溫度曲線

圖6 轉(zhuǎn)矩T-轉(zhuǎn)差率S曲線

圖7 電機電容短路溫度曲線

圖8 電機堵轉(zhuǎn)溫度曲線

圖9 電流-轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線

圖10 電機電容堵轉(zhuǎn)溫度曲線

2.2.2 工作原理

由于副繞組串有運行電容C，適當(dāng)選擇容量使該繞組中的電流在相位上超前主繞組中的電流90度，使其在通電后能在定、轉(zhuǎn)子氣隙內(nèi)產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場，使轉(zhuǎn)子能自行啟動。電機轉(zhuǎn)動起來后，副繞組和電容繼續(xù)參與運行，此時產(chǎn)生的磁場為橢圓度較小的旋轉(zhuǎn)磁場，負序力矩T-較小，這將提高電機效率和過載能力。單相電容運轉(zhuǎn)異步電機轉(zhuǎn)矩T-轉(zhuǎn)差率S曲線如圖4所示。

3 非正常測試分析

3.1 測試要求

根據(jù)IEC 60335-1:2010和IEC 60335-2-40:2013第19章測試要求，空調(diào)異步電動機需要進行如下測試：

（1）運轉(zhuǎn)電容開路測試；

（2）運轉(zhuǎn)電容短路測試；

（3）電機堵轉(zhuǎn)測試；

（4）三相電機缺相測試；

（5）運轉(zhuǎn)電容開路+電機堵轉(zhuǎn)測試。

3.2 單相異步電機電容開路測試分析

測試步驟：

電機在運行過程中將運轉(zhuǎn)電容開路。

測試結(jié)果：

在運轉(zhuǎn)電容開路后，電機轉(zhuǎn)速下降，電機能繼續(xù)轉(zhuǎn)動，溫度緩慢上升，直至達到平衡狀態(tài)，圖5為電機電容開路溫度曲線。

測試分析：

副電容開路后，副繞組相當(dāng)于開路，電機只有主繞組參與工作。此時電機中已沒有旋轉(zhuǎn)磁場，取而代之的是一個空間軸線固定而大小按正弦規(guī)律變化的交變脈動磁場，可以分解成兩個轉(zhuǎn)速相等而方向相反的旋轉(zhuǎn)磁場Bm1和Bm2，兩個磁場分別作用于轉(zhuǎn)子而產(chǎn)生兩個方向相反的轉(zhuǎn)矩。這種情況的電機沒有啟動能力，啟動轉(zhuǎn)矩為零。電機一旦轉(zhuǎn)動起來，它能自行加速到穩(wěn)定運行狀態(tài)，轉(zhuǎn)矩T-轉(zhuǎn)差率S曲線如圖6所示。

由于電機已平穩(wěn)運行，電容開路后電機能繼續(xù)轉(zhuǎn)動，由圖4和圖6對比可知，圖6的負序力矩T-增大，合成轉(zhuǎn)矩相比開路前要降低，因此電機轉(zhuǎn)速下降，電流相應(yīng)增大，電機溫度上升。

3.3 單相異步電機電容短路測試分析

測試步驟：

電機在運行過程中將運轉(zhuǎn)電容短路。

測試結(jié)果：

在運轉(zhuǎn)電容短路后，電機轉(zhuǎn)速下降較多，能緩慢轉(zhuǎn)動或停止運行，溫度快速上升，直至過載保護停止運行，圖7為電機電容短路溫度曲線。

測試分析：

副電容短路后，副繞組直接接在電源上，副繞組和主繞組并聯(lián)運行，因沒有電容的分壓限流，副繞組溫度快速上升。

由于兩相繞組不對稱，加之主繞組和副繞組得不到應(yīng)有的電流相位差，則氣隙中的磁場變?yōu)闄E圓度更大的旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)矩T-轉(zhuǎn)差率S曲線如圖6所示。相對電容開路，電容短路后產(chǎn)生的負序力矩更大，合成轉(zhuǎn)矩相比短路前要降低很多，最大轉(zhuǎn)矩和過載能力大幅下降，因此電機在原額定負載下轉(zhuǎn)速下降較多，或停止運行（最大轉(zhuǎn)矩比阻力距?。ㄗ与娏饕惭杆僭龃?，電機溫度快速上升。

3.4 異步電機堵轉(zhuǎn)測試分析

測試步驟：

電機進行15天周期堵轉(zhuǎn)測試。

測試結(jié)果：

電機轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)后，由于定子和轉(zhuǎn)子電流很大，電機溫度快速上升，直至達到平衡狀態(tài)或過載保護停止運行。圖8為電機堵轉(zhuǎn)溫度曲線。

測試分析：

轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)后，電機轉(zhuǎn)差率S為1，旋轉(zhuǎn)磁場和轉(zhuǎn)子相對速度達到最大，轉(zhuǎn)子快速切割磁場線，產(chǎn)生很大的感應(yīng)電流，對應(yīng)定子電流也很大，堵轉(zhuǎn)電流可達額定電流的5-7倍，轉(zhuǎn)子損耗和定子損耗增加，電機溫度快速上升，電流-轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線如圖9所示，電機堵轉(zhuǎn)電流即為電機啟動轉(zhuǎn)速為零時的電流，隨著轉(zhuǎn)速的提高，電流將逐漸下降。

3.5 三相異步電機缺相測試分析

測試步驟：

電機在運行過程中斷開其中一相。

測試結(jié)果：

在電機缺相后，電機轉(zhuǎn)速下降，電機能繼續(xù)轉(zhuǎn)動，溫度上升，直至達到平衡狀態(tài)。

測試分析：

三相電機缺相前，三相繞組通以三相對稱的交流電時產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場，負序力矩為零，合成轉(zhuǎn)矩等于正序力矩。電機缺相后，產(chǎn)生的磁場是交變脈動磁場，三相繞組不再對稱，負序力矩增大，合成轉(zhuǎn)矩降低，同時沒有啟動能力，此時轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)差率曲線與單相電機電容開路時相似。

由于合成力矩較缺相前降低，電機轉(zhuǎn)速將下降，電流增大，此時轉(zhuǎn)子損耗和定子損耗增加，電機溫度上升。

3.6 單相異步電機電容開路+堵轉(zhuǎn)測試分析

測試步驟：

把電機運轉(zhuǎn)電容開路后進行堵轉(zhuǎn)測試。

測試結(jié)果：

電機轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)和電容開路后，電機溫度上升，直至達到平衡狀態(tài)，圖10為電機電容堵轉(zhuǎn)溫度曲線。

測試分析：

電容開路后，副繞組相當(dāng)于開路，只有主繞組通電工作，電機溫度上升。由于副繞組沒有通電發(fā)熱，因此電機發(fā)熱量比直接堵轉(zhuǎn)要小。

4 結(jié)語

由以上分析可得出，異步電機在非正常情況下工作有以下共同點：（1）電機電流和溫度上升；（2）電機轉(zhuǎn)速下降或停止，且沒有自啟動能力；（3）由于電機轉(zhuǎn)速下降，造成空調(diào)蒸發(fā)器和冷凝器熱交換量下降，因此，當(dāng)電機在低壓側(cè)發(fā)生非正常情況時，空調(diào)系統(tǒng)壓力下降；當(dāng)電機在高壓側(cè)發(fā)生非正常情況時，空調(diào)系統(tǒng)壓力上升；兩種情況都可導(dǎo)致整機出現(xiàn)保護。

異步電機不能長時間在非正常情況下工作，否則電機繞組壽命將大幅下降甚至燒毀引起火災(zāi)，也會使空調(diào)系統(tǒng)壓力出現(xiàn)異常。因此，電機過載器和其他保護措施顯得異常重要，且通過以上一系列的非正常測試確?？照{(diào)系統(tǒng)的安全性。通常，對于空調(diào)上的異步電機，可在繞組上設(shè)置溫度過載保護器；對于三相異步電機，可增加缺相保護；對于PG電機，可在控制電路上增加轉(zhuǎn)速異常檢測、過流檢測等保護功能。

The study of Asynchronous motor operation principle and abnormal test of air conditioner

LU ZhiBin XIAO Biao
(GREE Electric Appliances, Inc. of Zhuhai Zhuhai 519070)

According to IEC 60335-1: 2010 and IEC 60335-2-40: 2013 requirements, the need for motor temperature test and abnormal test, this paper asynchronous motor operating principles and abnormal test results were analyzed.

Asynchronous motor; Rotating magnetic field; Torque; Slip; Current; Temperature