三相異步電機測試技術與方法

呂償　李林　李彥霞

摘 要：本研究為某一種電機開發了一套測試分析系統，通過空載試驗、負載試驗、堵轉試驗、溫升試驗、T-N試驗等一系列試驗，驗證該電機的性能是否符合出廠要求。測試結果表明，該電機的各項參數均達到要求。

關鍵詞：三相異步電機;測試技術;T-N試驗;力矩系數測試

中圖分類號：TM343 文獻標識碼：A 文章編號：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，三相異步電動機廣泛運用于智能包裝裝備，在現代工業體系中有著不可或缺的地位。而在新電機試制過程中，對工藝、性能有著嚴格的試驗測試要求，需要根據試驗結果得出的數據，探索新電機繼續優化或改進的方案。因此，電機測試方案的合理性、可參考性顯得尤為重要。方攸同[1]研究了異步電機參數測試技術，旨在開發一套智能儀器降低測試時長，提高測試精度，以實現對可疑電機的全面檢測。黃湘寧[2]針對電機的測試，開展了智能化電機自動測試與控制系統研究。其以工控機作為自動測試系統的核心控制設備，提高了電機測試的效率及精準度，較大程度上減少了人為因素對測試結果的影響。程捷[3]引入高級編程語言及最小二乘法理論，開發了一套適用于電機測試的系統。該系統能夠根據國標要求，實現對三相異步電動機不同類型的試驗測試、數據采集、故障報警、曲線擬合和結果分析，提高了電機測試分析的自動化水平。本文旨在設計一套具備操作簡單、功能齊全、快速準確、易于擴展等特性的測試分析方法，以期為三相異步電動機測試分析提供借鑒。

1 基本要求

三相異步電動機測試分析系統是為某電機廠開發的一套電機測試分析系統，電機廠家對該系統的基本要求如下。①轉矩轉速傳感器噪聲小、壽命長、誤差小。②電參數測量儀等測量儀器所測量的電壓、電流、功率等一系列參數必須滿足試驗精度，所產生的試驗誤差必須滿足試驗要求。③普通電機必須能完成電機的出廠試驗測試，如匝間試驗、耐壓試驗、絕緣試驗等;而三相異步電動機必須能完成型式試驗的多個測試項目，如空載試驗、負載試驗、堵轉試驗、溫升試驗、T-N試驗等一系列試驗。然后基于以上試驗結果對電機的基本性能進行逐步檢測，對電機能否達到要求給出參考性意見。

2 電機試驗環境

根據電機的試驗要求和電機的使用環境，給出電機在測試時的外部環境和硬件環境，具體如表1所示。

3 電機試驗環境

3.1 溫升120K

溫升試驗的目的是測定電機在規定時長內持續運行時各個部件的實際溫升，以檢驗電機設計與制造工藝是否合格。溫升試驗方法有直接負載法、等效負載法和間接換算法。本文采用負載法。本次溫升試驗的任務是讓被測電機在所帶的負載為滿載條件下運行至溫度幾乎不變，測得此時繞組、鐵芯、軸承、機殼等幾個部位的溫度。這主要是因為溫度過高將會造成壽命變短，且高溫環境還會造成電機效率降低。因此，通過測量溫升一系列溫度參數，人們可以直接判斷電機性能好壞，從而判斷制造工藝是否良好[4，5]。

溫升計算公式為：

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

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

將被試電機安裝在對拖臺上，負載驅動器設為力矩環，被試驅動器設為速度環。220VAC供電共母線運行。被試電機與負載電機轉動方向相反，測試被試電機在最高轉速范圍內各轉速點下連續120K溫升的轉矩、電流、功率、繞組溫度和環境溫度。在測試時，每10min記錄一次電機繞組溫度的變化，同時調節負載大小，直到被試電機溫升穩定在120K且保持30min無變化。根據測試結果，記錄該時段內各點測量值，并繪制連續120K溫升的T-N曲線（見圖1）。

根據測試結果可知，當120K溫升時，功率為2.04kW，大于1.7kW，滿足設計要求。

3.2 T-N試驗

轉矩轉速測試是型式試驗不可或缺的內容，其能從本質上評估轉矩能否順利啟動和穩定運轉。該試驗目的是求取電機的轉矩最大值、最小值以及其堵轉轉矩，試驗曲線圖是以轉速為橫軸、以轉矩為縱軸，根據對應的曲線效果圖求得幾個轉矩值[6-8]。數據計算如下。

當被測試電機的電壓范圍是額定電壓0.9～1.1倍時，可采用式（2）進行計算。

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

式中，[Tmax]為最大轉矩的試驗值，N·m;[UN]為被測電機的額定電壓;[Ut]為測試電壓。

本次測試將被試電機安裝在對拖臺上，負載驅動器設為速度環，被試驅動器設為力矩環。負載電機拖動被試電機某方向運轉于固定轉速，被試電機的出力方向與轉動方向相同（即保證被試電機處于電動機狀態）。改變被試系統的驅動器輸出電流，測試各電流下的轉矩大小，并繪制T-I曲線（見圖2）。

試驗結果表明，當電機的轉速一定時，電流不斷增大，其轉矩也相應增大。詳細結果如表2所示。

3.3 極限機械特性

根據電機的動力學方程，電機空載運行時，其滿足以下條件：

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

式中，[Mm]為被測電機的電磁轉矩;[M0]為屈風摩轉矩;[J]為旋轉部分的總轉動慣量;[ω]為電機的旋轉角速度。

將被試系統設定為速度環，調節到合適的特性，負載系統力矩環運行，220V供電下共母線運行。增加最佳偏角、弱磁角后，電機在配套的伺服驅動器最大電流限制下，測試電機在最高轉速范圍內各轉速點的最大輸出扭矩。極限機械特性曲線如圖3所示。

本次試驗在電機極限電流37A，通過調節電機轉速，發現在2 000r/min時，電機的輸出轉矩變化不大，當電機轉速超過3 000r/min時，輸出轉矩將明顯降低。

3.4 VS點測試

負載電機速度環控制：①完成對電機轉速、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，得到其之間的關系;②通過效率和功率因素判斷電機性能好壞;③獲取電機運行性能的重要參數。

負載電機拖動被試電機某方向運轉于較低轉速（電機運行于1 000r/min），被試系統的出力方向與轉動方向相同（即保證被試電機處于電動機狀態）。從小到大改變被試系統驅動器輸出電流，在每個電流下，通過改變電流矢量偏角，比較不同偏角下電機輸出扭矩，找到最大扭矩，記錄此時的扭矩及偏角，直至電流達到適配驅動器的最大電流。

在每個電流下（通常選擇較大電流進行測試），保持其最佳矢量偏角不變，逐漸抬高負載電機的設定轉速，提升被試電機轉速，直至被試系統的電流控制開始出現失控（體現為實際電流開始脫離穩定點，或電流超差開始出現），記錄拐點的轉速、轉矩，計算其功率。測試結果如表3所示。

本次試驗發現，在電流小于6A時，出現拐點。偏角度數、補償角度數、最佳補償角將不再為0，此時的最大轉矩增大、轉速逐漸減小。

3.5 電機性能測試結果

根據設計的測試方案得出該款電機的性能測試結果如表4所示。

4 結論

本文系統論述了該電機性能測試方法，從溫升、力矩系數、極限機械特性、VS點測試等測試項目分析該電機的性能。從測試結果可以看出，本文所采用的測試方法是可行的。所測試的電機性能與制造工藝要求均合格。

參考文獻：

[1]方攸同.異步電機測試技術與可靠性研究[D].天津：河北工業大學，2001.

[2]黃湘寧.三相異步電機自動測試與控制系統的研究[D].長沙：湖南大學，2003.

[3]程捷.三相異步電動機測試與分析系統的開發與研究[D].青島：青島科技大學，2017.

[4]Dong G H. Research and Discussion on Data Processing of the Temperature Rise Test for the Motor Winding[J]. Advanced Materials Research， 2011（354）： 1257-1260.

[5]Zhang Z H， Chi C C， Liu J J， et al. The Motor Temperature Rise Test System Based on Magnetic Powder Dynamometer[J]. Advanced Materials Research， 2014（998）：495-498.

[6]閆華光，范瀅，段小華，等.現場電動機效率測試方法及智能測試系統研究[J].電力需求側管理，2008（1）：34-36.

[7]梁洲，陳意軍，蔣知英.基于LabVIEW的電機負載試驗研究[J].湖南工程學院學報（自科版），2015（4）：6-8.

[8]雷奶華，湯紹釗，溫韻光，等.使用B法進行電機效率檢測[J].電機技術，2012（2）：47-49.