基于直流注入的三相感應(yīng)電動機(jī)等效負(fù)載熱試驗(yàn)研究

王傳軍， 劉 祺， 童陟嵩， 李永奇

(1.上海電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能工程技術(shù)研究中心有限公司，上海 200063；2.上海電科電機(jī)科技有限公司，上海 200063)

0 引 言

電機(jī)產(chǎn)品的熱試驗(yàn)有直接負(fù)載熱試驗(yàn)和等效負(fù)載熱試驗(yàn)2類[1]。直接負(fù)載熱試驗(yàn)通過軸聯(lián)結(jié)對電機(jī)輸出軸施加一定的負(fù)載進(jìn)行試驗(yàn)。與直接負(fù)載熱試驗(yàn)相比，等效負(fù)載熱試驗(yàn)具有如下優(yōu)點(diǎn)：不需要在軸端耦合機(jī)械負(fù)載；對電源容量要求大大降低；試驗(yàn)設(shè)備簡單、經(jīng)濟(jì)，應(yīng)用方便。

基于等效負(fù)載方法的上述優(yōu)點(diǎn)，國內(nèi)外科研院所和電機(jī)生產(chǎn)廠家很早就開展了一些研究和探索。20世紀(jì)90年代，歐美國家對定子疊頻法進(jìn)行大量的試驗(yàn)研究，21世紀(jì)初，歐美學(xué)者又將定子疊頻法進(jìn)一步擴(kuò)展至效率估算領(lǐng)域[2]。綜合國外的標(biāo)準(zhǔn)及國內(nèi)經(jīng)驗(yàn)，我國于2007年制定了GB/T 21211—2007《等效負(fù)載和疊加試驗(yàn)技術(shù) 間接法確定旋轉(zhuǎn)電機(jī)溫升》標(biāo)準(zhǔn)[3]，并于2017年重新界定了各試驗(yàn)方法的不確定度。雖然各類間接試驗(yàn)法已成為了推薦標(biāo)準(zhǔn)，但國內(nèi)仍鮮有針對此類方法和類似裝置開展研究、研制的報道，在標(biāo)準(zhǔn)制修訂過程中也缺少相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比。

本文對GB/T 21211—2017標(biāo)準(zhǔn)“等效負(fù)載熱試驗(yàn)直流注入法”進(jìn)行了研究，并基于該方法開發(fā)了三相感應(yīng)電動機(jī)等效負(fù)載熱試驗(yàn)裝置。詳細(xì)介紹了裝置研制的關(guān)鍵因素和要點(diǎn)。通過應(yīng)用該裝置積累了一定的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為相關(guān)研究提供幫助。

1 直流注入法理論

電機(jī)產(chǎn)品的等效負(fù)載熱試驗(yàn)是在非額定負(fù)載條件下，通過單一試驗(yàn)近似地確定電機(jī)部件在額定負(fù)載時的溫升，對于電機(jī)定子繞組來說，即意味著在繞組中產(chǎn)生有效的滿載電流[4]。

直流注入法被試電機(jī)由交流電源供電并在額定電壓下空載運(yùn)行，此時利用可調(diào)電壓的直流電源在電機(jī)三相定子繞組上各疊加一直流電流，調(diào)節(jié)直流電源輸出電壓，使得交流空載電流的有效值疊加上注入的直流電流等于電動機(jī)的滿載電流，即實(shí)現(xiàn)等效負(fù)載。直流注入的等效負(fù)載試驗(yàn)線路原理圖如圖1所示。被試電機(jī)和交流電源發(fā)電機(jī)均是星形接法，且兩者的中性點(diǎn)是可用的，直流電源接在2個中性點(diǎn)中間。調(diào)節(jié)直流發(fā)電機(jī)輸出電流，即可增加被試電機(jī)定子繞組內(nèi)的電流有效值，交流電源發(fā)電機(jī)提供額定電壓并能承受額定電流。

圖1 直流注入的等效負(fù)載試驗(yàn)線路原理圖

直流電源建立的是空間靜止磁場，其極數(shù)是定子極數(shù)的3倍。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生磁通和電流，因而在轉(zhuǎn)子中有額外的損耗，即在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩，在定子繞組中也產(chǎn)生反作用電流分量。交流電源則提供補(bǔ)償電流，平衡制動轉(zhuǎn)矩反應(yīng)產(chǎn)生的去磁作用。

注入的直流電流越大，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的制動轉(zhuǎn)矩越大，因此調(diào)節(jié)直流電源的輸出電流即可達(dá)到調(diào)節(jié)負(fù)載的目的。

2 裝置電氣系統(tǒng)設(shè)計

2.1 試驗(yàn)?zāi)芰?/h3>

裝置主要用來完成550 W及以下三相感應(yīng)電動機(jī)的熱試驗(yàn)。試驗(yàn)?zāi)芰σ笕绫?所示。

表1 試驗(yàn)?zāi)芰σ?/p>

2.2 系統(tǒng)設(shè)計

基于試驗(yàn)?zāi)芰π枨?，采用直流注入法設(shè)計三相感應(yīng)電動機(jī)等效負(fù)載熱試驗(yàn)裝置。系統(tǒng)原理圖如圖2所示。該系統(tǒng)由交/直流供電單元、控制單元、測量單元等部分組成。交流電源由電網(wǎng)直接供電，A1/B1/C1/N為380 V/50 Hz三相四線供電電網(wǎng)電源；VD1/VD2/VD3為可程控直流輸出電源，其主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。控制單元由斷路器QF1～QF24、接觸器KM1～KM24、接觸器ZKM1～ZKM24等組成。電流測量傳感器ZH1～ZH24和電參數(shù)測量儀P1～P24構(gòu)成本裝置測量單元。FR1～FR24為熱保護(hù)。

圖2 系統(tǒng)原理圖

表2 可程控直流輸出電源主要技術(shù)參數(shù)

2.3 設(shè)計要點(diǎn)

為了將直流疊加到交流系統(tǒng)中，在上述基本構(gòu)成的基礎(chǔ)上設(shè)計了交直流耦合回路，以確保交流和直流電流僅作用在電機(jī)繞組上，同時防止交流和直流回路之間產(chǎn)生相互干擾。裝置設(shè)計主要采取了如下措施：

(1) 為防止交流進(jìn)入直流電源，增加耦合變壓器T1、T2、T3，其一次繞組和二次繞組產(chǎn)生對稱的交流電壓并相互抵消，即滿足在直流電源上產(chǎn)生的交流電壓接近零。

(2) 為使直流僅在電機(jī)回路上循環(huán)(使電機(jī)繞組發(fā)熱)，不能進(jìn)入交流電源系統(tǒng)而使變壓器繞組發(fā)熱，在耦合變壓器的一次回路增加隔直電容器C1、C2、C3。

參考圖2，設(shè)電機(jī)的某相繞組為RM，流經(jīng)該繞組的電流為IRM，繞組電壓為URM；耦合變壓器的一次繞組為RT1，電感量為L1，二次繞組為RT2，一次繞組上的電壓為URT1，二次繞組上的電壓為URT2，為滿足在直流電源上產(chǎn)生的交流電壓接近零的要求，則：

(1)

式中：

(2)

(3)

欲滿足式(1)，則應(yīng)達(dá)到：

墨鏡男坐下來，給自己倒了一杯酒，看著范堅強(qiáng)抽煙，不敢先喝。范堅強(qiáng)左手舉起杯子，偏頭瞥了他一眼，說：“喝一杯吧?！彼乓豢诤雀桑酒饋斫o范堅強(qiáng)斟酒。范堅強(qiáng)看著酒杯，用拿煙的右手輕輕在桌面點(diǎn)了點(diǎn)。他又給自己倒酒，月光下，呈亮亮的一道弧線。邊倒，邊說：“老板，不如把他做了，以絕后患?！币姺秷詮?qiáng)不做聲，偷偷看他一眼，放下酒瓶端端正正坐著。

(4)

表3 耦合變壓器主要參數(shù)

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

基于上述設(shè)計，以某系列550 W三相感應(yīng)電動機(jī)為研究對象進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表4所示。為了準(zhǔn)確對試驗(yàn)電機(jī)參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確測量，通過FLUKE高精度電參數(shù)分析儀NORMA4K對試驗(yàn)對象進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，試驗(yàn)電機(jī)電流注入有效值為1.36 A，24臺電機(jī)同時進(jìn)行試驗(yàn)時，直流電源輸出電壓20.3 V，輸出電流20.5 A，隔直電容電流為22 A。

表4 試驗(yàn)電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

表5給出了某臺電機(jī)10次試驗(yàn)結(jié)果，其中ΔθN,equiv是由本裝置通過直流注入法測試而確定的溫升值，ΔθN是根據(jù)GB/T 755—2019《旋轉(zhuǎn)電機(jī)定額和性能》規(guī)定的直接負(fù)載法測試而確定的溫升值[5]。

表5 試驗(yàn)溫升值

隨后從24臺試驗(yàn)電機(jī)中隨機(jī)抽取了8臺電機(jī)，按照GB/T 1032—2012《三相異步電動機(jī)試驗(yàn)方法》進(jìn)行了熱試驗(yàn)[6]。試驗(yàn)情況對照表如表6所示。

表6 試驗(yàn)情況對照表

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

利用貝塞爾公式:

(5)

根據(jù)式(5)求得直流注入法測量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差值為1.2 K。不確定度公式如下：

(6)

同理求得，直接負(fù)載法測量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差值為1.0 K，測量結(jié)果的A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.33 K，自由度為9。

為更直觀地比較2種試驗(yàn)方法的試驗(yàn)結(jié)果和趨勢，圖3和圖4對比了2種試驗(yàn)方法所得結(jié)果。

圖3 不同試驗(yàn)次數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對照情況

圖4 不同抽樣編號試驗(yàn)數(shù)據(jù)對照情況

比較可見，直流注入法試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差稍大于直接負(fù)載法試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差。

從圖3和圖4可見，以等效負(fù)載試驗(yàn)方法確定的電機(jī)繞組溫升與額定負(fù)載試驗(yàn)結(jié)果比較總是存在偏差，相對于額定負(fù)載下的不確定度定義為

(7)

根據(jù)表5數(shù)據(jù)，按照式(7)計算不確定度為4.8%。

相關(guān)文獻(xiàn)[4]顯示，等效負(fù)載法的不確定度在±10%的范圍內(nèi)。

4 結(jié) 語

本文采用直流注入法設(shè)計了可同時對24臺最大功率550 W的三相感應(yīng)電動機(jī)進(jìn)行等效負(fù)載熱試驗(yàn)的裝置，提高了試驗(yàn)效率，試驗(yàn)?zāi)芎牡停瑴y試過程簡單易操作，不確定度在可接受范圍內(nèi)，具有良好的實(shí)用性。該裝置實(shí)現(xiàn)了批量地在電機(jī)內(nèi)產(chǎn)生可控的加熱，因此適用于對電機(jī)進(jìn)行加速熱老化試驗(yàn)。這些測試常常用于分析和總結(jié)電機(jī)的絕緣設(shè)計，掌握其絕緣系統(tǒng)隨時間變化的熱性能。通過這種方式，可以獲得電機(jī)的預(yù)期壽命[7]。

電機(jī)生產(chǎn)廠家的電機(jī)試驗(yàn)站經(jīng)常會受試驗(yàn)電源、試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)樣品、試驗(yàn)工裝、試驗(yàn)批量、安裝方式等多因素限制[8]，無法對試驗(yàn)電機(jī)施加直接負(fù)載。此時使用感應(yīng)電機(jī)等效負(fù)載直流注入法進(jìn)行熱試驗(yàn)是一種非常理想可行的試驗(yàn)方法。