蔡圣清, 李杰

(銀川能源學(xué)院 電力系，寧夏 銀川 750105)

0 引 言

隨著世界各國的工業(yè)化發(fā)展加快，三相異步電動(dòng)機(jī)的用量越來越大，電機(jī)成為現(xiàn)代工業(yè)社會(huì)中的主要能源消耗者，在歐盟約69%的電力消耗在工業(yè)，而三相鼠籠式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)是工業(yè)最常用的電氣設(shè)備之一。據(jù)中國電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)最新發(fā)布信息：我國第二產(chǎn)業(yè)電量比重為73.6%[1]，而電動(dòng)機(jī)數(shù)量之大已消耗中國工業(yè)60%～65%的電能，跟國際最佳水平相比，中國電動(dòng)機(jī)效率要低10%～30%[2]。

如何提高三相異步電動(dòng)機(jī)效率使其更加經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、環(huán)保、高效，以更加優(yōu)越的、高性能的電機(jī)替代傳統(tǒng)電機(jī)，已成為目前世界關(guān)注和研究的重大熱點(diǎn)之一。歐美日等發(fā)達(dá)國家先后投入大量人力和資金在這方面廣泛研究。出臺(tái)了IEEE112、C520.20、MGI-12.58.1、C-390、IEC34-2、JEC-37、BS-269標(biāo)準(zhǔn)。我國也對(duì)應(yīng)出臺(tái)了GB186B、IEC6003-3以及新國標(biāo)GB186B-2012標(biāo)準(zhǔn)[3]。這些標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)都以如何降低定、轉(zhuǎn)子損耗、鐵損耗、空阻和摩擦力及額外負(fù)荷為目標(biāo)。研究的前提以電源電壓為額定值為基準(zhǔn)。但是在我國這樣一個(gè)幅原遼闊的大地上要保證每個(gè)電機(jī)的供電絕對(duì)對(duì)稱是不可能的。三相電源受傳輸中的阻抗差異、氣候、地理環(huán)境和負(fù)載的影響，也會(huì)受到外界雷電及其它干擾。存在三相電源不對(duì)稱是必然的，會(huì)不時(shí)打破三相平衡狀態(tài)，引起電機(jī)額外熱耗，大大降低電機(jī)效率(這是我國電機(jī)效率低的一個(gè)重要因素)。

總之，研究電機(jī)效率是一個(gè)永恒的課題，也是我國電機(jī)與國際電機(jī)接軌的一個(gè)重要節(jié)點(diǎn)。 三相異步電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)能量是建立在電機(jī)的正負(fù)序磁場轉(zhuǎn)矩的基礎(chǔ)上的。而正負(fù)序電磁轉(zhuǎn)矩方向總是相反的。無論何種因素引起的三相不平衡運(yùn)行都必然會(huì)存在正序磁勢和負(fù)序磁勢的共存。對(duì)正序而言，電機(jī)要從電網(wǎng)吸收功率，通過電磁感應(yīng)轉(zhuǎn)化為軸的輸出機(jī)械功率，而此時(shí)的負(fù)序則是把電源吸收的功率和從軸上吸取的機(jī)械功率，共同轉(zhuǎn)化為定轉(zhuǎn)子的鐵損耗、銅損耗和轉(zhuǎn)子的風(fēng)摩損耗。這種損耗將轉(zhuǎn)化為熱能形式。電機(jī)實(shí)際運(yùn)行中，有很多不確定因素存在，難以保證三相的電壓、負(fù)載不變化，會(huì)使電機(jī)處在不平衡運(yùn)行成為一種常態(tài)。

1 三相電機(jī)的不平衡運(yùn)行分析

1.1 三相平衡狀態(tài)

當(dāng)三相電動(dòng)機(jī)通入三相對(duì)稱交流電時(shí)，每一相的基波磁動(dòng)勢為：fk1=Fk1cosωtcosα如圖1所示。其中Fk1是基波的振幅，α是空間坐標(biāo)，ω是角頻率，根據(jù)三角函數(shù)公式2cosAcosB=cos(A-B)+cos(A+B)[4]可分解為：

圖1 三相對(duì)稱磁勢

式中Pm:轉(zhuǎn)軸上得到的機(jī)械功率；PM：是電源供給的電磁功率；s：轉(zhuǎn)差率，n0:是電磁轉(zhuǎn)速,n:為實(shí)際轉(zhuǎn)

1.2 三相不平衡運(yùn)行

圖2 三相不對(duì)稱磁勢

2 案例分析

2.1 缺一相電壓時(shí)

設(shè)缺A相，總基波磁動(dòng)勢為：

正序磁勢幅值是負(fù)序磁勢幅值的2倍，根據(jù)上面分析仍然是一個(gè)橢圓軌跡的磁勢，長軸是短軸的3倍，這個(gè)時(shí)候有的電機(jī)緩慢運(yùn)轉(zhuǎn)，有的電機(jī)根本不轉(zhuǎn)，主要原因是電機(jī)軸的風(fēng)摩力大小的區(qū)別，并不是電機(jī)沒有旋轉(zhuǎn)力矩。

2.2 只有一相電壓

基波脈振磁勢為：

此時(shí)，脈振磁勢可以分解為兩個(gè)幅值相等，而轉(zhuǎn)向相反的兩個(gè)圓形旋轉(zhuǎn)磁勢，合成轉(zhuǎn)矩為0，電機(jī)n=0，所以不會(huì)旋轉(zhuǎn)。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置

3 實(shí)驗(yàn)

(1)實(shí)驗(yàn)電路圖如圖3所示。實(shí)驗(yàn)器件有：DJ24微型電動(dòng)機(jī)一臺(tái)， VICTOR6236P測數(shù)表一件，DGJ-07數(shù)字功率表兩塊，50 W變阻器一個(gè)，高精度秒表兩塊，0.5 kg金屬錐一個(gè)，無彈性尼龍細(xì)繩一條，標(biāo)準(zhǔn)刻度尺及其定滑輪一個(gè)(如表1所示)。

表1 實(shí)驗(yàn)各參數(shù)

(2)實(shí)驗(yàn)放在室內(nèi)進(jìn)行，主要減小錐體運(yùn)動(dòng)阻力，把0.5 kg的金屬錐用細(xì)繩拴緊再通過房頂?shù)亩ɑ嗊B到電機(jī)的軸上固定。開啟電機(jī)后錐體以墻面標(biāo)準(zhǔn)刻度表為背景從低端向高端運(yùn)動(dòng)。經(jīng)過多次精細(xì)測量，選D-F3m區(qū)間定位錐體勻速運(yùn)動(dòng)區(qū)。保持A、B相電壓不變，用調(diào)節(jié)變阻器來改變電機(jī)C相輸入電壓，每改變一次電壓值，電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度發(fā)生改變。用兩塊高精度秒表測出D、F點(diǎn)的即時(shí)時(shí)間。二者差值就是錐體勻速運(yùn)動(dòng)的時(shí)間。得到錐體的勢能為mgh。而電機(jī)從電源吸收功率所得電能為W電=(Pw1+Pw2)*Ts,從而得到圖4和圖5的不對(duì)稱度λ與效率η和轉(zhuǎn)速n和效率η的關(guān)系圖。如圖4、5所示。

圖中λ表示：三相不平衡矢量合成幅度與基準(zhǔn)值比。

圖4 不對(duì)稱系數(shù)λ和η關(guān)系圖

圖5 轉(zhuǎn)速n與效率η曲線圖

4 結(jié)束語

[1] 中國電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)中國電力工業(yè)現(xiàn)狀與展望[EB/OL] (2015-03-10)[2016-08-03]. http://news.bjx.com.cn/html/20150310/596276.shtml.

[2] 龍迪.電動(dòng)機(jī)數(shù)量消耗中國工業(yè)60%的電能[EB/OL](2011-11-02)[2016-08-03]. http://www.ce.cn/cysc/newmain/pplm/hysm/201111/02/t20111102_21062168.shtml.

[3] S CORINO E,ROMERO R,F MANTILLA.How the efficiency of induction motor is measured[EB/OL]( 2012-12-03)[2016-08-03]. http://wenku.baidu.com/view/790c1ebf65ce050876321378.html.

[4] 郭木森，黃元梅，黃經(jīng)武.電機(jī)學(xué)[M].3版.北京：高等教育出版社，1999.

[5] 李發(fā)海，朱東起.電機(jī)學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2007.

[6] 李俊卿，李志遠(yuǎn).三相變壓器不對(duì)稱運(yùn)行的分析[J].華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2001,28(4)：15-18.

[7] 施才生.三相異步電動(dòng)機(jī)缺相運(yùn)行幾種保護(hù)[J].煤礦機(jī)械，2008：29(1)156-158.

[8] 吳新振，徐世廣.單相異步電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩計(jì)算[J].電機(jī)技術(shù)，1993，20(3)：10-12.