異步電動機疊頻法溫升試驗淺析

張宏川

（東方電氣集團東方電機有限公司，四川 德陽 618000）

我國工業發展迅速，隨之而來對于電動機的需求也開始呈現出顯著提升的趨勢。然而在實際的工業環境中，很多電動機都會面臨較大的工作壓力，交流電動機的容量常常會超出出廠時設定的負載試驗能力，因此為了能夠保證對應的電動機實現有效安全運行，必須對其展開溫升試驗。對于異步電動機而言，溫升試驗的價值就在于確定額定負載條件下運行時，定子繞組的工作溫度和電機某些部分溫度高于冷卻介質溫度的溫升。獲取到溫升特征的數據，對于電動機自身的壽命以及日常安全等方面都有十分重要的價值。然而在溫升試驗的領域中，由于對大功率以及立式電動機展開試驗時，很難找到合適的對拖機組或者負載來完成試驗，因此現在常見的做法是通過定子疊頻的方式，對等效負荷進行模擬，進一步獲取到溫升數據以及效率估值。

對于疊頻法溫升試驗而言，其發展經歷了漫長的過程。20世紀80年代，國際上就已經開始出現對應的研究，當時的美國、日本以及德國等國家，都已經展開了對應的研究；進入到90年代，歐美開始了針對雙發電機疊頻法的更為深入的關注。與這種情況對應的是，我國相對而言起步較晚，在80年代諸多國家的疊頻試驗風起云涌時，我國的相關試驗也在隨之展開，但只是嘗試階段，而在90年代，歐美試驗成果頻出的時候，我國也在迎頭趕上，當時國內已經將疊頻法引入了GB1032-85標準中，并且在很多類型的異步電動機的試驗中積累了大量數據。GB1032-85標準明確指出，300kW以上臥式或者100kW以上的立式異步電動機均可以采用疊頻法或者降低點壓法展開溫升試驗。經過多年的發展，電動機容量的不斷提升以及其他諸多原因，都使得85版標準中提及的方法不再適用于實踐環境，隨之也涌現出了諸多新的思路，推動了疊頻法的不斷發展。時至今日，國際環境中以D.J.McKinnon等為代表的學者，開始利用派克方程求解異步電動機等效負荷情況下的數學模型，并且對正弦脈寬調制（SPWM，Sinusoidal Pulse-Width Modulation，SPWM）疊頻法下的損耗變動規律展開了研究。同時我國也在綜合多方經驗的情況下，制定了疊頻等效負載法試驗標準GB/T 21211-2007，針對疊頻試驗中電源電壓、頻率以及溫升折算等加以初步規范，將該領域的研究推動到了一個新的階段。

針對大型異步電動機展開溫升試驗的時候，要求電動機保持在額定負荷展開工作，此時因為軸伸側無負載，因此運行轉差率趨近于0，導致無法在定子與轉子中感應出額定負載電流和轉矩電勢。定子疊頻法則是通過改變電動機轉子的轉動慣量，來實現增加電動機定子電流的效果，從損耗的角度實現了對于等效負荷的加載。從工作原理的角度看，此種方法主要是將2種相近頻率的主、副電源進行矢量疊加，進一步形成新的拍頻電源，其頻率等于2個電源的頻率差f1-f2，用這個新的疊加電源來實現電動機的驅動。此種情況下，電動機氣隙中合成磁通為主、副電源矢量疊加的結果，當電動機轉速低于定子磁場同步轉速時，其感應轉矩與轉速保持同向，則處于電動機模式的工作狀態，反之，則發揮制動作用，相當于處于發電機模式工作狀態。進一步合成的旋轉磁場在同步轉速附近產生了脈動振蕩，則設備會在2種工作模式直接切換，從而實現改變電機轉子的轉動慣量的目標。

在考察定子疊頻法理論時，對相應的變量展開數學表達，則主、副電源經過磁場疊加后產生新的矢量Φ3，其矢量端點變化軌跡參見圖1。

圖1 電源合成矢量端點軌跡

綜合圖1，其中Φ為電源產生的電機磁通，用U表示電壓，ω表示電源角頻率，則依據余弦定理有合成Φ3的幅值如式（1）。

通過式（2）不難發現Φm的變化規律。其中Φ1m以及Φ2m均為常數，則有式（3）。

當θ1false從0開始增加到π的過程中時，Φm會不斷減小，而θ1false從π一直增加到2π的過程中，Φm則會不斷增加，整個過程中，Φm以拍頻false為周期展開變化。

進一步分析Φ3的速度周期變化，參見圖2。圖2中，B、D2點為切點，在弧BAD上，旋轉坐標系上垂直于Φ3的旋轉線速度V’為順時針方向，對應該區間的轉速小于ω1，而在B、D2點上，V’為0，而在弧BCD上，V’為逆時針方向，該區間的轉速大于ω1。則依據合成磁場相位求解合成角度ω3，結果見式（4）。

圖2 合成矢量速度變化示意圖

在式（2）以及式（4）的基礎上，可以確定出合成角頻率ω3的變化曲線。一個比較典型的情況，即當ω3增加，轉子加速，而當ω3減小，轉子也對應減速。大中型異步電動機轉子常常具有極大的轉動慣量，當拍頻為5Hz，而主頻為50Hz的時候，ω3在0.2s內即可實現一個周期，因此轉子速度變化會落后于磁場轉速。與之對應，當磁場轉速高于轉子速度時，會保持在電動機模式運行，而當磁場轉速低于轉子速度時，則會保持在發電機狀態展開運行。這種方式通過改變轉子慣量而進一步決定電機定子電流的大小，與疊頻磁場的變化速度保持正比。

在疊頻法溫升試驗的實現過程中，除了要對其相關原理加強理解外，還必須進一步展開包括疊頻頻率的選定，以及對于疊頻更具體的方式的確定等方面相關問題需要落實討論，限于篇幅問題，在此不多做議論。對于疊頻法而言，其自身也處于不斷完善與發展的進程中，諸如不同疊頻法的分析對比，以及電流、發熱等效率方面的對比都有待于進一步完善，并且以場路耦合的方式中，其動態磁場、溫度場等細節，都是未來研究的主要內容。但是截至目前，疊頻法溫升試驗對于異步電動機的價值已經明確，其深入應用，解決了大型異步電動機因為負載問題而難以展開溫升試驗的問題，其價值不容忽視。

參考文獻：

[1]路義萍,洪光宇,湯璐等.多風路大型空冷汽輪發電動機三維流場計算[J].中國電動機工程學報,2013,33(3).

[2]GB/T 1032-2012,三相異步電動機試驗方法[S].

[3]李巖,姚旭東.變頻器在異步電機疊頻溫升試驗中的應用研究[J].電氣自動化 ,2011,33(3).

[4]楊斌,催正軍.三相異步電動機半電壓疊頻溫升試驗探討[J].移動電源與車輛,2005,(4).