三相異步電機(jī)測(cè)試技術(shù)與方法

呂償　李林　李彥霞

摘 要：本研究為某一種電機(jī)開(kāi)發(fā)了一套測(cè)試分析系統(tǒng)，通過(guò)空載試驗(yàn)、負(fù)載試驗(yàn)、堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)、溫升試驗(yàn)、T-N試驗(yàn)等一系列試驗(yàn)，驗(yàn)證該電機(jī)的性能是否符合出廠要求。測(cè)試結(jié)果表明，該電機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)均達(dá)到要求。

關(guān)鍵詞：三相異步電機(jī);測(cè)試技術(shù);T-N試驗(yàn);力矩系數(shù)測(cè)試

中圖分類號(hào)：TM343 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）23-0133-04

A Three-phase Asynchronous Motor Testing Technique and Method

LYU Chang LI Lin LI Yanxia

（School of Electromechanical Engineering， Guangdong Baiyun University，Guangzhou Guangdong 510450）

Abstract： This study developed a test and analysis system for a motor. Through a series of tests such as no-load test， load test， stop-up test， temperature rise test and T-N test， the performance of the motor can be verified whether it met the requirements of the factory. The test results show that the parameters of the motor meet the requirements.

Keywords： three-phase asynchronous motor;test technology;T-N test;torque coefficient test

近年來(lái)，三相異步電動(dòng)機(jī)廣泛運(yùn)用于智能包裝裝備，在現(xiàn)代工業(yè)體系中有著不可或缺的地位。而在新電機(jī)試制過(guò)程中，對(duì)工藝、性能有著嚴(yán)格的試驗(yàn)測(cè)試要求，需要根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得出的數(shù)據(jù)，探索新電機(jī)繼續(xù)優(yōu)化或改進(jìn)的方案。因此，電機(jī)測(cè)試方案的合理性、可參考性顯得尤為重要。方攸同[1]研究了異步電機(jī)參數(shù)測(cè)試技術(shù)，旨在開(kāi)發(fā)一套智能儀器降低測(cè)試時(shí)長(zhǎng)，提高測(cè)試精度，以實(shí)現(xiàn)對(duì)可疑電機(jī)的全面檢測(cè)。黃湘寧[2]針對(duì)電機(jī)的測(cè)試，開(kāi)展了智能化電機(jī)自動(dòng)測(cè)試與控制系統(tǒng)研究。其以工控機(jī)作為自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的核心控制設(shè)備，提高了電機(jī)測(cè)試的效率及精準(zhǔn)度，較大程度上減少了人為因素對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。程捷[3]引入高級(jí)編程語(yǔ)言及最小二乘法理論，開(kāi)發(fā)了一套適用于電機(jī)測(cè)試的系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠根據(jù)國(guó)標(biāo)要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)不同類型的試驗(yàn)測(cè)試、數(shù)據(jù)采集、故障報(bào)警、曲線擬合和結(jié)果分析，提高了電機(jī)測(cè)試分析的自動(dòng)化水平。本文旨在設(shè)計(jì)一套具備操作簡(jiǎn)單、功能齊全、快速準(zhǔn)確、易于擴(kuò)展等特性的測(cè)試分析方法，以期為三相異步電動(dòng)機(jī)測(cè)試分析提供借鑒。

1 基本要求

三相異步電動(dòng)機(jī)測(cè)試分析系統(tǒng)是為某電機(jī)廠開(kāi)發(fā)的一套電機(jī)測(cè)試分析系統(tǒng)，電機(jī)廠家對(duì)該系統(tǒng)的基本要求如下。①轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器噪聲小、壽命長(zhǎng)、誤差小。②電參數(shù)測(cè)量?jī)x等測(cè)量?jī)x器所測(cè)量的電壓、電流、功率等一系列參數(shù)必須滿足試驗(yàn)精度，所產(chǎn)生的試驗(yàn)誤差必須滿足試驗(yàn)要求。③普通電機(jī)必須能完成電機(jī)的出廠試驗(yàn)測(cè)試，如匝間試驗(yàn)、耐壓試驗(yàn)、絕緣試驗(yàn)等;而三相異步電動(dòng)機(jī)必須能完成型式試驗(yàn)的多個(gè)測(cè)試項(xiàng)目，如空載試驗(yàn)、負(fù)載試驗(yàn)、堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)、溫升試驗(yàn)、T-N試驗(yàn)等一系列試驗(yàn)。然后基于以上試驗(yàn)結(jié)果對(duì)電機(jī)的基本性能進(jìn)行逐步檢測(cè)，對(duì)電機(jī)能否達(dá)到要求給出參考性意見(jiàn)。

2 電機(jī)試驗(yàn)環(huán)境

根據(jù)電機(jī)的試驗(yàn)要求和電機(jī)的使用環(huán)境，給出電機(jī)在測(cè)試時(shí)的外部環(huán)境和硬件環(huán)境，具體如表1所示。

3 電機(jī)試驗(yàn)環(huán)境

3.1 溫升120K

溫升試驗(yàn)的目的是測(cè)定電機(jī)在規(guī)定時(shí)長(zhǎng)內(nèi)持續(xù)運(yùn)行時(shí)各個(gè)部件的實(shí)際溫升，以檢驗(yàn)電機(jī)設(shè)計(jì)與制造工藝是否合格。溫升試驗(yàn)方法有直接負(fù)載法、等效負(fù)載法和間接換算法。本文采用負(fù)載法。本次溫升試驗(yàn)的任務(wù)是讓被測(cè)電機(jī)在所帶的負(fù)載為滿載條件下運(yùn)行至溫度幾乎不變，測(cè)得此時(shí)繞組、鐵芯、軸承、機(jī)殼等幾個(gè)部位的溫度。這主要是因?yàn)闇囟冗^(guò)高將會(huì)造成壽命變短，且高溫環(huán)境還會(huì)造成電機(jī)效率降低。因此，通過(guò)測(cè)量溫升一系列溫度參數(shù)，人們可以直接判斷電機(jī)性能好壞，從而判斷制造工藝是否良好[4，5]。

溫升計(jì)算公式為：

[Δ=Δ（INI）2[1+Δ（IN/I）-ΔK1+Δ+Ψ]]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中，[Δ]為試驗(yàn)電流[I]的繞組溫升，K;[IN]為額定電流，A;[I]為溫升試驗(yàn)電流。上述溫升值在[I-ININ×100%]小于10%時(shí)適用。

將被試電機(jī)安裝在對(duì)拖臺(tái)上，負(fù)載驅(qū)動(dòng)器設(shè)為力矩環(huán)，被試驅(qū)動(dòng)器設(shè)為速度環(huán)。220VAC供電共母線運(yùn)行。被試電機(jī)與負(fù)載電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，測(cè)試被試電機(jī)在最高轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)各轉(zhuǎn)速點(diǎn)下連續(xù)120K溫升的轉(zhuǎn)矩、電流、功率、繞組溫度和環(huán)境溫度。在測(cè)試時(shí)，每10min記錄一次電機(jī)繞組溫度的變化，同時(shí)調(diào)節(jié)負(fù)載大小，直到被試電機(jī)溫升穩(wěn)定在120K且保持30min無(wú)變化。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，記錄該時(shí)段內(nèi)各點(diǎn)測(cè)量值，并繪制連續(xù)120K溫升的T-N曲線（見(jiàn)圖1）。

根據(jù)測(cè)試結(jié)果可知，當(dāng)120K溫升時(shí)，功率為2.04kW，大于1.7kW，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 T-N試驗(yàn)

轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測(cè)試是型式試驗(yàn)不可或缺的內(nèi)容，其能從本質(zhì)上評(píng)估轉(zhuǎn)矩能否順利啟動(dòng)和穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。該試驗(yàn)?zāi)康氖乔笕‰姍C(jī)的轉(zhuǎn)矩最大值、最小值以及其堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，試驗(yàn)曲線圖是以轉(zhuǎn)速為橫軸、以轉(zhuǎn)矩為縱軸，根據(jù)對(duì)應(yīng)的曲線效果圖求得幾個(gè)轉(zhuǎn)矩值[6-8]。數(shù)據(jù)計(jì)算如下。

當(dāng)被測(cè)試電機(jī)的電壓范圍是額定電壓0.9～1.1倍時(shí)，可采用式（2）進(jìn)行計(jì)算。

[Tmax=Tmax（UN/Ut）2]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中，[Tmax]為最大轉(zhuǎn)矩的試驗(yàn)值，N·m;[UN]為被測(cè)電機(jī)的額定電壓;[Ut]為測(cè)試電壓。

本次測(cè)試將被試電機(jī)安裝在對(duì)拖臺(tái)上，負(fù)載驅(qū)動(dòng)器設(shè)為速度環(huán)，被試驅(qū)動(dòng)器設(shè)為力矩環(huán)。負(fù)載電機(jī)拖動(dòng)被試電機(jī)某方向運(yùn)轉(zhuǎn)于固定轉(zhuǎn)速，被試電機(jī)的出力方向與轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同（即保證被試電機(jī)處于電動(dòng)機(jī)狀態(tài)）。改變被試系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)器輸出電流，測(cè)試各電流下的轉(zhuǎn)矩大小，并繪制T-I曲線（見(jiàn)圖2）。

試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速一定時(shí)，電流不斷增大，其轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)增大。詳細(xì)結(jié)果如表2所示。

3.3 極限機(jī)械特性

根據(jù)電機(jī)的動(dòng)力學(xué)方程，電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)，其滿足以下條件：

[Mm-M0=Jdωdt]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

式中，[Mm]為被測(cè)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩;[M0]為屈風(fēng)摩轉(zhuǎn)矩;[J]為旋轉(zhuǎn)部分的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;[ω]為電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角速度。

將被試系統(tǒng)設(shè)定為速度環(huán)，調(diào)節(jié)到合適的特性，負(fù)載系統(tǒng)力矩環(huán)運(yùn)行，220V供電下共母線運(yùn)行。增加最佳偏角、弱磁角后，電機(jī)在配套的伺服驅(qū)動(dòng)器最大電流限制下，測(cè)試電機(jī)在最高轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)各轉(zhuǎn)速點(diǎn)的最大輸出扭矩。極限機(jī)械特性曲線如圖3所示。

本次試驗(yàn)在電機(jī)極限電流37A，通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，發(fā)現(xiàn)在2 000r/min時(shí)，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩變化不大，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速超過(guò)3 000r/min時(shí)，輸出轉(zhuǎn)矩將明顯降低。

3.4 VS點(diǎn)測(cè)試

負(fù)載電機(jī)速度環(huán)控制：①完成對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速、效率、電流、功率因素、輸入功率與輸出功率的工作特性曲線擬合，得到其之間的關(guān)系;②通過(guò)效率和功率因素判斷電機(jī)性能好壞;③獲取電機(jī)運(yùn)行性能的重要參數(shù)。

負(fù)載電機(jī)拖動(dòng)被試電機(jī)某方向運(yùn)轉(zhuǎn)于較低轉(zhuǎn)速（電機(jī)運(yùn)行于1 000r/min），被試系統(tǒng)的出力方向與轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同（即保證被試電機(jī)處于電動(dòng)機(jī)狀態(tài)）。從小到大改變被試系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器輸出電流，在每個(gè)電流下，通過(guò)改變電流矢量偏角，比較不同偏角下電機(jī)輸出扭矩，找到最大扭矩，記錄此時(shí)的扭矩及偏角，直至電流達(dá)到適配驅(qū)動(dòng)器的最大電流。

在每個(gè)電流下（通常選擇較大電流進(jìn)行測(cè)試），保持其最佳矢量偏角不變，逐漸抬高負(fù)載電機(jī)的設(shè)定轉(zhuǎn)速，提升被試電機(jī)轉(zhuǎn)速，直至被試系統(tǒng)的電流控制開(kāi)始出現(xiàn)失控（體現(xiàn)為實(shí)際電流開(kāi)始脫離穩(wěn)定點(diǎn)，或電流超差開(kāi)始出現(xiàn)），記錄拐點(diǎn)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩，計(jì)算其功率。測(cè)試結(jié)果如表3所示。

本次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在電流小于6A時(shí)，出現(xiàn)拐點(diǎn)。偏角度數(shù)、補(bǔ)償角度數(shù)、最佳補(bǔ)償角將不再為0，此時(shí)的最大轉(zhuǎn)矩增大、轉(zhuǎn)速逐漸減小。

3.5 電機(jī)性能測(cè)試結(jié)果

根據(jù)設(shè)計(jì)的測(cè)試方案得出該款電機(jī)的性能測(cè)試結(jié)果如表4所示。

4 結(jié)論

本文系統(tǒng)論述了該電機(jī)性能測(cè)試方法，從溫升、力矩系數(shù)、極限機(jī)械特性、VS點(diǎn)測(cè)試等測(cè)試項(xiàng)目分析該電機(jī)的性能。從測(cè)試結(jié)果可以看出，本文所采用的測(cè)試方法是可行的。所測(cè)試的電機(jī)性能與制造工藝要求均合格。

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