电压不平衡对电机杂散损耗试验结果的影响

梁光耀，陈林云，马立权，张海龙

（ 1.上海电动工具研究所（集团）有限公司，上海 200233 2.山海关船舶重工有限责任公司，河北 秦皇岛 066206 ）

电压不平衡对电机杂散损耗试验结果的影响

梁光耀1，陈林云1，马立权2，张海龙1

（ 1.上海电动工具研究所（集团）有限公司，上海 200233 2.山海关船舶重工有限责任公司，河北 秦皇岛 066206 ）

在异步电动机的型式试验中，测试电压的不平衡度对电机杂散损耗产生较大影响。通过探讨此种影响的理论依据，说明不同试验设备对异步电机产生不同的试验结果，尤其是采用变频电源和普通调压器作为电机测试电源对电机试验结论的差异。

型式试验，三相电压不平衡，电机效率、杂散损耗、变频电源

0 引言

纵观电机测试技术发展的过程，电机测试系统已逐渐从初期的使用调压器或发电机发展到使用以电力电子器件IGBT为核心的变频电源。变频电源具有使用简便、可靠性好、自动化程度高等诸多优点，采用变频电源技术组建电机试验站已成为趋势。

1 概述

在异步电机的实测过程中，常发现一些较有规律的问题，即：同一台异步电机在不同的测试设备中，测试结果均有不同。这对于变频电源设备的制造或供应商而言，验收时就有必要为客户提供一个严谨合理的解释。

2 测试分析

通过同一台电机在某老式测试设备（第三方）和变频设备这两套不同设备上的试验数据和分析结果的差异，经过比对，从总的测试结果来看，除了杂散损耗差异较大外，两组数据在效率、损耗、温升等数值上虽有一定差异，但仍在合理的偏差范围内，是可以接受的。具 体数值见表1。

表1 负载效率测试分析数据

由表1可见，两种测试台之间电机满载电流、输入功率及电机效率分析数据相差不多，但“负载杂散损耗”的数据差别很大，分别占总输入功率的1.2 152%、0.8 476%，二者相差近50%。通过核查发现在空载试验数据中，部分数据差异较大，对比结果见表2。

由表2可见，额定电压下的空载输入电流和空载输入功率具有明显差异，基于此初步推断，造成负载杂散损耗差别的原因在于空载数据差异。

根据GB/T 1032《三相异步电动机试验方法》要求，负载杂散损耗以负载剩余损耗与转矩平方的关系经过线性回归来计算，负载剩余损耗计算公式如下：

式中 P0’—空载风摩耗与铁耗之和损耗

PL—剩余损耗

P1—输入功率

P2—输出功率

Pfw—风摩耗

Pfe—铁耗

Pcu1—定子损耗

Pcu2—转子损耗

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式中，铁耗Pfe和风摩耗Pfw来源于空载试验数据。Pfe与Pfw和值(P0’)增加，PL必然减小。P0’一般为相对固定值（在GB/T 1032中，该值被认为恒定）且绝对数值较小，当电机输出功率增大至额定功率甚至1.25倍额定功率时，此数据的影响相对较小。当电机逐渐减载至接近空载状态时，数据差值的影响逐渐增大。对经过线性回归计算后的直线而言，上端的影响相对较小，但底端被“抬高”，反映在回归公式中，造成了回归公式中斜率A的下降，而杂散损耗计算公式为：

可以看出，杂散损耗PS与斜率A成正比关系，斜率A的下降，必然造成杂散损耗PS的减小；核对试验对比试验数据的计算结果，可证实上述猜测是正确的，对比数据见表3所示。

表3 斜率、截距及相关系数

从表3可以看出，老式测试台的测试数据由于空载损耗的增加，剩余损耗整体下降（从截距的大小对比可以明显看出这一点），由于负载测试曲线中的末端更接近空载状态，空载损耗的影响愈加明显，造成斜率的变化。

通过表2分析空载损耗差异的原因，可以看到二者电流不平衡度差异极大。从电磁理论分析，当电流不平衡时，电机内部所建立的旋转磁场将与理想的圆形产生偏差，偏差越大，电流所产生的磁场效率将降低。图1所示为理想圆形磁场与椭圆形磁场对电机电流产生的电磁牵引力所带来的影响。

图1 圆形磁场与椭圆形磁场的旋转力示意

由图1可见，在圆形磁场中，定子电流产生的电磁力F1正交于转子的轴向，形成转子转动的有效牵引力矩，而对于椭圆形磁场，电流形成的电磁力F1与形成转子实际旋转力矩的轴向力F1’之间形成一个夹角（记为α），即，真正形成有效力矩的电磁牵引力为F1×Cos α，这就必然引起了电机损耗的增加；进一步检查原始试验数据发现，在变频电源试验系统中，试验系统输出的三相电压绝对差值在0.5 V以内，而总厂试验台的三相输出电压最大差值为2 V左右，老式试验台的三相输出电压最大差值大于3 V，对于同一台被试电机来说，电流不平衡度的变化趋势与试验电压的不平衡度是密切相关的。

从另一个角度来看，电压不平衡是指在正序电压中叠加了一个负序分量的电压，而负序分量的电压对于电机而言是一个反向的磁场作用。相同的电压在电机中的作用有很大区别，从空载损耗上来看，电压不平衡越大，空载损耗越大。

大量的试验统计数据表明，同一台电机在同样的试验条件下，流过定子的电流越大，电流的平衡度越好。空载状态下，电压的不平衡度对电机参数的影响大于其负载状态。

从负载杂散损耗推荐值来判断，GB/T 1032中关于负载杂散损耗的推荐值计算公式（在电机的额定功率1 kW

P1—输入功率

PN—电机额定功率

采用变频电源试验平台所测试的数据计算结果，以变频电源测试试验报告的数据为例，额定负载下的输入功率P1为15 123.2 W，负载杂散损耗Ps为183.22 W，负载杂散损耗占输入功率的1.2 152%。

按某老式测试台测试数据计算，额定负载下的输入功率P1为15 123.2 W，负载杂散损耗Ps为128.41 W，负载杂散损耗占输入功率的0.8 476%。

按照推荐值法来计算额定点的负载杂散损耗比值：

相对而言，采用变频电源试验台的测试数据更接近推荐值的计算结果，从侧面证明，电压平衡度对电机试验结果的影响非常明显的。

从电源的本质上看，变频电源与老式试验台电源是有区别的，图2为两种电源基本原理示意图。

图2 变频电源与老式试验台电源基本框图

通过图2可以看出，变频电源基于IGBT为功率器件，采用全数字控制模式，其电压波形的生成采用数字化计算所得。在PWM输出阶段，输出波形的电压平衡度基本接近0，后续的滤波器升压变才是其产生不平衡的因素，通过反馈可实时调整输出电压的平衡度，所以在其输出端电压平衡度可保证在0.1%以内。老式试验台由发电机或市网加调压器组成，其不平衡度完全靠机械部件保证，不平衡度较变频电源大。具体差别见表4。

表4 不平衡度差异

为了验证电压不平衡对测试的影响，通过利用现有的变频电源试验系统对一台11 kW/380 V三相异步电机分别进行标准试验及人为形成电压不平衡输出方式试验。两种试验的接线方式如图3和图4所示（负载侧的供电电源未画出，为标准试验接线方式）。

图3 标准试验方式接线

图4 人为不平衡试验方式接线

在图4所示的人为不平衡试验接线方式中，在其中一相输出线路中串联一台单相自耦调压器TB，调整TB的输出电压，使其产生大约3 V左右的电压差值，重新对电机进行试验，两组试验的分析数据如表5所示。

表5 对比试验

表5结果显示：判断正确。

3 结语

在GB/T 1032标准中，对试验电压的负序分量做出了严格的规定（≤0.5%），从上述分析可以看到，试验系统输出电压自身的平衡度对于电机试验数据，尤其是空载试验数据的影响非常明显。变频电源构成的电机试验系统采用了交——直——交变流方式，输出电压与电网隔离，输出采用全数字控制，故而输出电压的平衡度完全不受外界环境的影响，可以达到相对理想的试验条件，测试结果更能反映被测电机的内在特性。

[1]王传军．三相异步电机负载杂散损耗测量不确定度评定[J]．电机与控制应用．2011.38(9).

[2]李海成,王庆东,尹志华．中小型笼型异步电机杂散损耗的降低措施[J]．电机与控制应用．2015.42(4).

[3]陈世坤．电机学[M]．北京：机械工业出版社．1997.

The Influence of Voltage Unbalance on Motor Stray Loss Test Results

Liang Guangyao1, Chen LinYun1, Ma Liquan2, Zhang Hailong1

(1.SETRI(Group) Co.Ltd., Shanghai 200233, China 2. Shanhaiguan Shipbuilding Industry Co., Ltd., Qinhuangdao 066206, China)

In the type-test of the asynchronous motor, where the motor stray loss in the actual test finds that the test voltage unbalance has a great impact on it. By discussing the theoretical basis of this influence, this paper illustrated the different test equipments may have different test results for asynchronous motors, especially the use of variable frequency power supplies and the general regulators as the test power.

Type-test, Three-phase voltage unbalance, Motor efficiency, Stray-load loss, Variable-frequency power supply

TM306

A

1674-2796（2017）03-0001-04

2017-02-17

梁光耀（1971—）男，大学本科，工程师，主要从事电力电子产品的开发与研究。