同步電動(dòng)機(jī)主要性能參數(shù)的測(cè)定

歷銳，喬麗娜

(國(guó)家防爆電機(jī)工程技術(shù)研究中心，黑龍江佳木斯 154002)

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同步電動(dòng)機(jī)主要性能參數(shù)的測(cè)定

歷銳，喬麗娜

(國(guó)家防爆電機(jī)工程技術(shù)研究中心，黑龍江佳木斯 154002)

摘要同步電動(dòng)機(jī)是一種把電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的定、轉(zhuǎn)子雙邊勵(lì)磁的交流電動(dòng)機(jī)。介紹了同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、起動(dòng)電流、牽入轉(zhuǎn)矩、失步轉(zhuǎn)矩、效率的測(cè)定方法，全面展現(xiàn)了產(chǎn)品的各項(xiàng)性能，提供滿足用戶要求的高品質(zhì)產(chǎn)品。

關(guān)鍵詞同步電動(dòng)機(jī)；轉(zhuǎn)矩；起動(dòng)電流；效率

0引言

異步電動(dòng)機(jī)的五大性能指標(biāo)有：效率、功率因數(shù)、起動(dòng)電流倍數(shù)、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)、最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)。而對(duì)于同步電動(dòng)機(jī)而言其主要有六大性能指標(biāo)：效率、功率因數(shù)、起動(dòng)電流倍數(shù)、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)、牽入轉(zhuǎn)矩倍數(shù)、失步轉(zhuǎn)矩倍數(shù)[1]。由于同步電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)可以通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流進(jìn)行調(diào)整，因此不對(duì)其測(cè)定方法進(jìn)行介紹，鑒于此，本文主要介紹測(cè)定同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，測(cè)定牽入轉(zhuǎn)矩，測(cè)定失步轉(zhuǎn)矩，測(cè)定效率等幾方面內(nèi)容。

1起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的測(cè)定

同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩用堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)測(cè)定。測(cè)定前應(yīng)檢查電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，盡可能事先用低電壓確定對(duì)應(yīng)于最大起動(dòng)電流和最小起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)子位置，然后按上述位置將轉(zhuǎn)子堵住。

測(cè)定時(shí)電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁回路的接線方式應(yīng)和實(shí)際使用時(shí)的接線方式一致，勵(lì)磁回路中所需接入的起動(dòng)電阻(滅磁電阻)值若在被試電動(dòng)機(jī)的技術(shù)文件中無規(guī)定時(shí)，宜取10倍勵(lì)磁繞組的電阻值。被試電動(dòng)機(jī)的定子繞組接到額定頻率，電壓可調(diào)至實(shí)際對(duì)稱的電源上。當(dāng)電源電壓在額定值的20%以下時(shí)，將被試電動(dòng)機(jī)接入，然后盡快地升高電源電壓，使定子電流調(diào)至兩倍的額定電流值左右，此時(shí)迅速讀取三線電壓、三相電流、輸入功率或轉(zhuǎn)矩，為了避免電動(dòng)機(jī)過熱，試驗(yàn)必須從速進(jìn)行。然后逐漸降低電源電壓(此時(shí)頻率應(yīng)保持為額定)，用上述同樣方法讀取7～9點(diǎn)。當(dāng)讀完最后一點(diǎn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)并切斷電源時(shí)，應(yīng)立即測(cè)量定子繞組的直流電阻值。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制三相電流平均值與三線電壓平均值的關(guān)系曲線，如圖1所示[2]。在曲線上的最大試驗(yàn)電壓處順曲線的直線部分延長(zhǎng)與橫軸相交，交點(diǎn)電壓為U′，則被試電動(dòng)機(jī)的最初起動(dòng)電流可按式(1)計(jì)算，單位(A)。

圖1堵轉(zhuǎn)電流和電壓的關(guān)系曲線

(1)

式中，UN—被試電機(jī)的額定電壓(V)；UK—測(cè)定時(shí)所加的三線電壓最大值的平均值(V)；IK—對(duì)應(yīng)于電壓UK時(shí)三相電流的平均值(A) 。

最初起動(dòng)轉(zhuǎn)矩按可按式(2)計(jì)算

(2)

式中，MK—對(duì)應(yīng)于電壓UK時(shí)測(cè)得的轉(zhuǎn)矩(N·m)。

若在試驗(yàn)時(shí)無法直接測(cè)得轉(zhuǎn)矩MK，則MK可通過電磁功率計(jì)算。先按式(3)計(jì)算轉(zhuǎn)子堵住時(shí)輸入轉(zhuǎn)子的電磁功率

PM=P1-PFe-3IK2Ra×10-3(kW)

(3)

式中，P1—對(duì)應(yīng)于電壓UK時(shí)的輸入功率(kW)；PFe—對(duì)應(yīng)于電壓UK時(shí)的鐵耗，由空載試驗(yàn)求得(kW)；Ra—緊接在試驗(yàn)后測(cè)得的定子繞組的直流電阻值(Ω)。

根據(jù)式(4)計(jì)算出轉(zhuǎn)矩MK

(4)

式中，nN—被試電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速(r/min)。

2牽入轉(zhuǎn)矩的測(cè)定

同步電動(dòng)機(jī)的名義牽入轉(zhuǎn)矩是指采用異步起動(dòng)法時(shí)，電動(dòng)機(jī)在額定頻率、額定電壓下，轉(zhuǎn)差率為5%時(shí)的轉(zhuǎn)矩值。測(cè)定牽入轉(zhuǎn)矩時(shí)，被試電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁回路應(yīng)與測(cè)定最初起動(dòng)電流時(shí)的接線相同，牽入轉(zhuǎn)矩可采用直接負(fù)載法或加速度法測(cè)定。

2.1直接負(fù)載法

被試電動(dòng)機(jī)應(yīng)接到額定頻率，電壓可調(diào)實(shí)際對(duì)稱的電源上作異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。被試電動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)電壓，應(yīng)在阻尼繞組及磁極的極靴不致過熱的情況下盡可能提高，一般應(yīng)在額定值的50%以上。調(diào)節(jié)被試電動(dòng)機(jī)的負(fù)載，使其轉(zhuǎn)差率為5%,同時(shí)讀取被試電動(dòng)機(jī)的定子電壓、定子電流、輸入功率、轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)差；若負(fù)載為測(cè)功機(jī)還應(yīng)讀取轉(zhuǎn)矩；如果采用分析過的直流發(fā)電機(jī)作為負(fù)載時(shí)，應(yīng)同時(shí)讀取直流發(fā)電機(jī)的端電壓、電樞電流和勵(lì)磁電流。

被試電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)差率為s時(shí)的牽入轉(zhuǎn)矩按式(5)計(jì)算

(5)

式中，P2—被試電動(dòng)機(jī)的輸出功率(kW)；Pms—被試電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)差率為s時(shí)的機(jī)械損耗，如無此數(shù)據(jù)，可近似取空載試驗(yàn)時(shí)的機(jī)械損耗Pm(kW)。

被試電動(dòng)機(jī)在額定電壓時(shí)的名義牽入轉(zhuǎn)矩由式(6)計(jì)算

(6)

式中，U′—圖1中求得的電壓值(V)；U—求得Mpi時(shí)的試驗(yàn)電壓值(V)。

試驗(yàn)時(shí)轉(zhuǎn)差率為5%的一點(diǎn)不易準(zhǔn)確建立時(shí)，則可調(diào)節(jié)被試電動(dòng)機(jī)的負(fù)載，使轉(zhuǎn)差率為5%左右。按上述方法讀取4～5點(diǎn)數(shù)據(jù)并計(jì)算轉(zhuǎn)矩，然后作出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差率的關(guān)系曲線。從曲線上確定轉(zhuǎn)差率為5%時(shí)的轉(zhuǎn)矩。

2.2加速法

被試電動(dòng)機(jī)應(yīng)接到額定頻率，電壓可調(diào)實(shí)際對(duì)稱的電源上，使電動(dòng)機(jī)作空載起動(dòng)。電源電壓(一般在20%左右的額定電壓)應(yīng)調(diào)節(jié)到能使電動(dòng)機(jī)由30%額定轉(zhuǎn)速加速到額定轉(zhuǎn)速，所需時(shí)間為90s左右。在加速過程中，電源電壓、頻率應(yīng)保持不變。如果使電動(dòng)機(jī)由靜止?fàn)顟B(tài)起動(dòng)的最低電壓不能滿足上述要求，則應(yīng)進(jìn)一步降低電源電壓，直到滿足上述要求為止。但此時(shí)電動(dòng)機(jī)可采用其它方法幫助起動(dòng)(例如用吊車幫助起動(dòng)或先用較高電壓起動(dòng)，然后切斷電源使電動(dòng)機(jī)降速，待電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降到30%nN以下時(shí)，再加所需電壓進(jìn)行試驗(yàn)等)。在轉(zhuǎn)速為30%～80%nN范圍內(nèi)，每隔5～10s測(cè)量一次轉(zhuǎn)速并記錄時(shí)間。在轉(zhuǎn)速為80%～100%nN范圍內(nèi)每隔3～5s記錄一次。在試驗(yàn)過程中應(yīng)注意電動(dòng)機(jī)是否過熱。

圖2n=f(t)曲線

(7)

式中，GD2—被試電動(dòng)機(jī)的飛輪轉(zhuǎn)矩(N·m)。

額定電壓時(shí)的牽入轉(zhuǎn)矩按式(6)計(jì)算獲得，在此試驗(yàn)中轉(zhuǎn)速宜采用定時(shí)計(jì)數(shù)的數(shù)字式測(cè)速儀來測(cè)量。

3失步轉(zhuǎn)矩的測(cè)定

同步電動(dòng)機(jī)的失步轉(zhuǎn)矩可由直接負(fù)載法測(cè)定，也可用分析法確定。

3.1直接負(fù)載法

測(cè)定時(shí)宜用負(fù)載可調(diào)的制動(dòng)器，測(cè)功機(jī)或分析過的直流發(fā)電機(jī)作負(fù)載。被試電動(dòng)機(jī)應(yīng)接到額定頻率、額定電壓實(shí)際對(duì)稱的電源上。將被試電動(dòng)機(jī)調(diào)到額定負(fù)載狀態(tài)下運(yùn)行，然后保持其勵(lì)磁電流不變，逐漸增加被試電動(dòng)機(jī)的負(fù)載使之失步，在失步瞬間從制動(dòng)器或測(cè)功儀上測(cè)得的轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)值即為被試電動(dòng)機(jī)的失步轉(zhuǎn)矩。直流發(fā)電機(jī)負(fù)載法不為常用，不做過多介紹。

3.2分析法

如果被測(cè)量的電動(dòng)機(jī)不能用直接負(fù)載法測(cè)定最大轉(zhuǎn)矩時(shí)，可用分析法確定。同步電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩標(biāo)么值按式(8)計(jì)算

(8)

(9)

A=1+f(ε)

(10)

(11)

式中，IfN—被試電動(dòng)機(jī)的額定勵(lì)磁電流(A)；Ifδ0—對(duì)應(yīng)于額定電壓時(shí)的空載氣隙勵(lì)磁電流(A)見圖3；Xd*—被試電動(dòng)機(jī)的直軸同步電抗的不飽和值的標(biāo)么值；Xq*—被試電動(dòng)機(jī)的直軸同步電抗的的標(biāo)么值； f(ε)可由圖4查得。

圖3同步電動(dòng)機(jī)的空載特性曲線

圖4f(ε)函數(shù)曲線

4效率的測(cè)定

同步電動(dòng)機(jī)的效率可用間接法或直接法測(cè)定。

4.1間接法

間接法通常稱為損耗分析法，采用間接法測(cè)定電機(jī)效率時(shí)，應(yīng)分別測(cè)定或計(jì)算下列各種損耗。主要分為恒定損耗P0(與負(fù)載電流無關(guān)的損耗，包括：基本鐵耗PFe和機(jī)械損耗Pm)，基本銅耗PCu，勵(lì)磁損耗Pf(包括勵(lì)磁繞組基本銅耗Pcuf和集電環(huán)上電刷的電損耗或勵(lì)磁機(jī)的損耗)，雜散損耗Ps包括定子繞組內(nèi)的雜散銅耗和磁路及其他金屬部分(導(dǎo)線除外)內(nèi)的雜散損耗。同步電動(dòng)機(jī)效率按式(12)計(jì)算

(12)式中，∑P—總損耗，即：∑P=P0+PCu+Pf+Ps;PN—電動(dòng)機(jī)的額定功率。

4.2直接法

直接法一般只適用于小型同步電動(dòng)機(jī)。直接測(cè)定效率用輸入和輸出功率法求得。試驗(yàn)時(shí)，電動(dòng)機(jī)在額定工作方式下運(yùn)行，當(dāng)各部分溫度基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)以后，直接測(cè)定電動(dòng)機(jī)的輸入和輸出功率，并記錄繞組、軸承等各部分的溫度及冷卻介質(zhì)溫度。效率按式(13)計(jì)算

(13)

式中，P1—電動(dòng)機(jī)的輸入功率(kW)；P2—電動(dòng)機(jī)的輸入功率(kW)。

5結(jié)語

本文對(duì)同步電動(dòng)機(jī)的各種性能指標(biāo)的測(cè)定進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，產(chǎn)品性能參數(shù)的測(cè)定實(shí)質(zhì)是產(chǎn)品功能的檢驗(yàn)，從選購(gòu)產(chǎn)品的角度來看，用戶選購(gòu)的不僅僅是產(chǎn)品，還有產(chǎn)品所具備的卓越性能。因此產(chǎn)品試驗(yàn)的目的就是全面的向用戶展現(xiàn)、驗(yàn)證產(chǎn)品的各項(xiàng)性能，滿足用戶的需求，為其提供高品質(zhì)的產(chǎn)品。

參考文獻(xiàn)

[1]李幼倩，韓君強(qiáng).現(xiàn)代新型增安型無刷勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

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Brief Talk on Major Performance Parameters Measurement of Synchronous Motor

LiRuiandQiaoLina

(National Engineering Technology Research Center of Explosion-Proof Electric Machine, Jiamusi 154002, China)

AbstractSynchronous motor is an AC motor of which stator and rotor are excited at both primary and secondary, and it transfer electric energy into mechanical energy. This paper introduces measurement method for starting torque, starting current, pull-in torque, pull-out torque and efficiency of synchronous motor, and fully exhibits performance of the product to the customer. The product of high quality can be provided to meet requirements of the customer.

Key wordsSynchronous motor；torque；starting current；efficiency

收稿日期：2015-10-16

作者簡(jiǎn)介：歷銳男1982年生；畢業(yè)于黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)，現(xiàn)從事電機(jī)設(shè)計(jì)研發(fā)工作.

中圖分類號(hào)：TM341

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-7281(2016)02-0009-004

DOI:10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.02.03