盧智斌 肖彪

（珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070）

空調(diào)異步電機(jī)運(yùn)行原理及非正常測(cè)試分析

盧智斌 肖彪

（珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070）

根據(jù)IEC 60335-1:2010和IEC 60335-2-40:2013要求，需要對(duì)電機(jī)進(jìn)行溫升測(cè)試和非正常測(cè)試，本文主要針對(duì)異步電機(jī)運(yùn)行原理和非正常測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析。

異步電機(jī)；旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)；轉(zhuǎn)矩；轉(zhuǎn)差率；電流；溫度

1 引言

異步電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)容易，運(yùn)行可靠，價(jià)格便宜，具有良好的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，它是家用電器中使用最為廣泛的電機(jī)。空調(diào)異步電機(jī)按電源分類(lèi)主要包括單相異步電機(jī)和三相異步電機(jī)，而單相異步電機(jī)又可分為單相電阻分相起動(dòng)異步電機(jī)、單相電容分相起動(dòng)異步電機(jī)、單相電容運(yùn)轉(zhuǎn)異步電機(jī)、單相電容起動(dòng)與運(yùn)轉(zhuǎn)異步電機(jī)和單相罩極式異步電機(jī)。目前空調(diào)上主要用的是單相電容運(yùn)轉(zhuǎn)異步電機(jī)，該種類(lèi)電機(jī)功率因數(shù)、效率和過(guò)載能力等都比普通單相電機(jī)高。

根據(jù)IEC 60335-1:2010和IEC 60335-2-40:2013要求，需要對(duì)電機(jī)進(jìn)行溫升測(cè)試和非正常測(cè)試，本文主要針對(duì)異步電機(jī)運(yùn)行原理和非正常測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，得出電機(jī)在非正常情況下工作，將導(dǎo)致空調(diào)系統(tǒng)壓力異常，引起安全隱患，應(yīng)當(dāng)采取各種保護(hù)措施防范危險(xiǎn)的發(fā)生。

2 異步電機(jī)運(yùn)行原理

2.1 三相異步電機(jī)

2.1.1 基本結(jié)構(gòu)

三相異步電機(jī)主要由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成，定子由鐵心、繞組和機(jī)座三部分組成，鐵心是電機(jī)磁路的一部分，它由硅鋼片疊壓而成，片與片之間是絕緣，以減少渦流損耗。轉(zhuǎn)子由鐵心和繞組組成，繞組通常有鼠籠式和線繞式兩種。在定子鐵心和轉(zhuǎn)子之間有一定的氣隙，轉(zhuǎn)子鐵心、氣隙與定子鐵心構(gòu)成電動(dòng)機(jī)的完整磁路。通常，異步電機(jī)的氣隙很小，一般為0.1mm-1mm。

由于異步電機(jī)的定子繞組到定子鐵心（機(jī)座）只滿足基本絕緣（爬電距離小于8mm，繞組絕緣套管厚度小于2mm），氣隙小于1mm，因此異步電機(jī)的轉(zhuǎn)軸只能滿足基本絕緣。

2.1.2 工作原理

三相異步電機(jī)的工作原理，是基于定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)（定子繞組內(nèi)三相電流所產(chǎn)生的合成磁場(chǎng)）和轉(zhuǎn)子電流（轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)的電流）的相互作用。

圖1 二極三相異步電機(jī)接線圖和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)

圖2 單相電容運(yùn)轉(zhuǎn)異步電機(jī)接線圖

圖3 單相電容運(yùn)轉(zhuǎn)異步電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)

圖4 單相電容運(yùn)轉(zhuǎn)異步電機(jī)轉(zhuǎn)矩T-轉(zhuǎn)差率S曲線

旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子有相對(duì)切割運(yùn)動(dòng)，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)并產(chǎn)生感應(yīng)電流。根據(jù)電磁力定律，載流的轉(zhuǎn)子在磁場(chǎng)中受到電磁力作用，形成電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。當(dāng)三相異步電機(jī)通以三相對(duì)稱電流時(shí)，所產(chǎn)生的磁場(chǎng)是圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，負(fù)序力矩T-為零，合成力矩等于正序力矩T+，如圖4中T+曲線。二極三相異步電機(jī)接線圖和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)如圖1所示。

由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速不同步，所以把這種電機(jī)稱為異步電機(jī)，而把轉(zhuǎn)速差（n0-n）與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速n0的比值稱為異步電機(jī)的轉(zhuǎn)差率，用S表示，即S=（n0-n）/n0。而n0=60f/p，f為電流頻率，p為磁極對(duì)數(shù)。在電機(jī)銘牌上通常會(huì)標(biāo)示出頻率和極數(shù)，即可計(jì)算出該電機(jī)大概的實(shí)際轉(zhuǎn)速，如50Hz，6p，n0=（60*50）/3=1000r/min，異步電機(jī)在額定負(fù)載時(shí)，S=1.5%-6%，異步電機(jī)實(shí)際最大轉(zhuǎn)速n≈960r/min。

根據(jù)磁勢(shì)平衡原理，I1*N1≈I2*N2，轉(zhuǎn)子電流和定子電流成正比，轉(zhuǎn)子電流增大，定子電流也增大。當(dāng)電機(jī)負(fù)載增大時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，轉(zhuǎn)子切割旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)速度增加，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流增大，定子電流也相應(yīng)增大，電機(jī)輸入和輸出功率增大。

2.2 單相電容運(yùn)轉(zhuǎn)異步電機(jī)

2.2.1 基本結(jié)構(gòu)

單相電容運(yùn)轉(zhuǎn)異步電機(jī)與三相電機(jī)結(jié)構(gòu)基本相同，主要差異在于定子繞組，其包括主繞組和副繞組，兩繞組的軸線在空間互相垂直，接線圖如圖2所示，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)如圖3所示。副繞組與運(yùn)行電容串聯(lián)，與主繞組并聯(lián)，主要用于電機(jī)啟動(dòng)和改善電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。

圖5 電機(jī)電容開(kāi)路溫度曲線

圖6 轉(zhuǎn)矩T-轉(zhuǎn)差率S曲線

圖7 電機(jī)電容短路溫度曲線

圖8 電機(jī)堵轉(zhuǎn)溫度曲線

圖9 電流-轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線

圖10 電機(jī)電容堵轉(zhuǎn)溫度曲線

2.2.2 工作原理

由于副繞組串有運(yùn)行電容C，適當(dāng)選擇容量使該繞組中的電流在相位上超前主繞組中的電流90度，使其在通電后能在定、轉(zhuǎn)子氣隙內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，使轉(zhuǎn)子能自行啟動(dòng)。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)后，副繞組和電容繼續(xù)參與運(yùn)行，此時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)為橢圓度較小的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，負(fù)序力矩T-較小，這將提高電機(jī)效率和過(guò)載能力。單相電容運(yùn)轉(zhuǎn)異步電機(jī)轉(zhuǎn)矩T-轉(zhuǎn)差率S曲線如圖4所示。

3 非正常測(cè)試分析

3.1 測(cè)試要求

根據(jù)IEC 60335-1:2010和IEC 60335-2-40:2013第19章測(cè)試要求，空調(diào)異步電動(dòng)機(jī)需要進(jìn)行如下測(cè)試：

（1）運(yùn)轉(zhuǎn)電容開(kāi)路測(cè)試；

（2）運(yùn)轉(zhuǎn)電容短路測(cè)試；

（3）電機(jī)堵轉(zhuǎn)測(cè)試；

（4）三相電機(jī)缺相測(cè)試；

（5）運(yùn)轉(zhuǎn)電容開(kāi)路+電機(jī)堵轉(zhuǎn)測(cè)試。

3.2 單相異步電機(jī)電容開(kāi)路測(cè)試分析

測(cè)試步驟：

電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中將運(yùn)轉(zhuǎn)電容開(kāi)路。

測(cè)試結(jié)果：

在運(yùn)轉(zhuǎn)電容開(kāi)路后，電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，電機(jī)能繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，溫度緩慢上升，直至達(dá)到平衡狀態(tài)，圖5為電機(jī)電容開(kāi)路溫度曲線。

測(cè)試分析：

副電容開(kāi)路后，副繞組相當(dāng)于開(kāi)路，電機(jī)只有主繞組參與工作。此時(shí)電機(jī)中已沒(méi)有旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，取而代之的是一個(gè)空間軸線固定而大小按正弦規(guī)律變化的交變脈動(dòng)磁場(chǎng)，可以分解成兩個(gè)轉(zhuǎn)速相等而方向相反的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)Bm1和Bm2，兩個(gè)磁場(chǎng)分別作用于轉(zhuǎn)子而產(chǎn)生兩個(gè)方向相反的轉(zhuǎn)矩。這種情況的電機(jī)沒(méi)有啟動(dòng)能力，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為零。電機(jī)一旦轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，它能自行加速到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，轉(zhuǎn)矩T-轉(zhuǎn)差率S曲線如圖6所示。

由于電機(jī)已平穩(wěn)運(yùn)行，電容開(kāi)路后電機(jī)能繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，由圖4和圖6對(duì)比可知，圖6的負(fù)序力矩T-增大，合成轉(zhuǎn)矩相比開(kāi)路前要降低，因此電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，電流相應(yīng)增大，電機(jī)溫度上升。

3.3 單相異步電機(jī)電容短路測(cè)試分析

測(cè)試步驟：

電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中將運(yùn)轉(zhuǎn)電容短路。

測(cè)試結(jié)果：

在運(yùn)轉(zhuǎn)電容短路后，電機(jī)轉(zhuǎn)速下降較多，能緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)或停止運(yùn)行，溫度快速上升，直至過(guò)載保護(hù)停止運(yùn)行，圖7為電機(jī)電容短路溫度曲線。

測(cè)試分析：

副電容短路后，副繞組直接接在電源上，副繞組和主繞組并聯(lián)運(yùn)行，因沒(méi)有電容的分壓限流，副繞組溫度快速上升。

由于兩相繞組不對(duì)稱，加之主繞組和副繞組得不到應(yīng)有的電流相位差，則氣隙中的磁場(chǎng)變?yōu)闄E圓度更大的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)矩T-轉(zhuǎn)差率S曲線如圖6所示。相對(duì)電容開(kāi)路，電容短路后產(chǎn)生的負(fù)序力矩更大，合成轉(zhuǎn)矩相比短路前要降低很多，最大轉(zhuǎn)矩和過(guò)載能力大幅下降，因此電機(jī)在原額定負(fù)載下轉(zhuǎn)速下降較多，或停止運(yùn)行（最大轉(zhuǎn)矩比阻力距?。ㄗ与娏饕惭杆僭龃?，電機(jī)溫度快速上升。

3.4 異步電機(jī)堵轉(zhuǎn)測(cè)試分析

測(cè)試步驟：

電機(jī)進(jìn)行15天周期堵轉(zhuǎn)測(cè)試。

測(cè)試結(jié)果：

電機(jī)轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)后，由于定子和轉(zhuǎn)子電流很大，電機(jī)溫度快速上升，直至達(dá)到平衡狀態(tài)或過(guò)載保護(hù)停止運(yùn)行。圖8為電機(jī)堵轉(zhuǎn)溫度曲線。

測(cè)試分析：

轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)后，電機(jī)轉(zhuǎn)差率S為1，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子相對(duì)速度達(dá)到最大，轉(zhuǎn)子快速切割磁場(chǎng)線，產(chǎn)生很大的感應(yīng)電流，對(duì)應(yīng)定子電流也很大，堵轉(zhuǎn)電流可達(dá)額定電流的5-7倍，轉(zhuǎn)子損耗和定子損耗增加，電機(jī)溫度快速上升，電流-轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線如圖9所示，電機(jī)堵轉(zhuǎn)電流即為電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)速為零時(shí)的電流，隨著轉(zhuǎn)速的提高，電流將逐漸下降。

3.5 三相異步電機(jī)缺相測(cè)試分析

測(cè)試步驟：

電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中斷開(kāi)其中一相。

測(cè)試結(jié)果：

在電機(jī)缺相后，電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，電機(jī)能繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，溫度上升，直至達(dá)到平衡狀態(tài)。

測(cè)試分析：

三相電機(jī)缺相前，三相繞組通以三相對(duì)稱的交流電時(shí)產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，負(fù)序力矩為零，合成轉(zhuǎn)矩等于正序力矩。電機(jī)缺相后，產(chǎn)生的磁場(chǎng)是交變脈動(dòng)磁場(chǎng)，三相繞組不再對(duì)稱，負(fù)序力矩增大，合成轉(zhuǎn)矩降低，同時(shí)沒(méi)有啟動(dòng)能力，此時(shí)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)差率曲線與單相電機(jī)電容開(kāi)路時(shí)相似。

由于合成力矩較缺相前降低，電機(jī)轉(zhuǎn)速將下降，電流增大，此時(shí)轉(zhuǎn)子損耗和定子損耗增加，電機(jī)溫度上升。

3.6 單相異步電機(jī)電容開(kāi)路+堵轉(zhuǎn)測(cè)試分析

測(cè)試步驟：

把電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)電容開(kāi)路后進(jìn)行堵轉(zhuǎn)測(cè)試。

測(cè)試結(jié)果：

電機(jī)轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)和電容開(kāi)路后，電機(jī)溫度上升，直至達(dá)到平衡狀態(tài)，圖10為電機(jī)電容堵轉(zhuǎn)溫度曲線。

測(cè)試分析：

電容開(kāi)路后，副繞組相當(dāng)于開(kāi)路，只有主繞組通電工作，電機(jī)溫度上升。由于副繞組沒(méi)有通電發(fā)熱，因此電機(jī)發(fā)熱量比直接堵轉(zhuǎn)要小。

4 結(jié)語(yǔ)

由以上分析可得出，異步電機(jī)在非正常情況下工作有以下共同點(diǎn)：（1）電機(jī)電流和溫度上升；（2）電機(jī)轉(zhuǎn)速下降或停止，且沒(méi)有自啟動(dòng)能力；（3）由于電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，造成空調(diào)蒸發(fā)器和冷凝器熱交換量下降，因此，當(dāng)電機(jī)在低壓側(cè)發(fā)生非正常情況時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)壓力下降；當(dāng)電機(jī)在高壓側(cè)發(fā)生非正常情況時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)壓力上升；兩種情況都可導(dǎo)致整機(jī)出現(xiàn)保護(hù)。

異步電機(jī)不能長(zhǎng)時(shí)間在非正常情況下工作，否則電機(jī)繞組壽命將大幅下降甚至燒毀引起火災(zāi)，也會(huì)使空調(diào)系統(tǒng)壓力出現(xiàn)異常。因此，電機(jī)過(guò)載器和其他保護(hù)措施顯得異常重要，且通過(guò)以上一系列的非正常測(cè)試確保空調(diào)系統(tǒng)的安全性。通常，對(duì)于空調(diào)上的異步電機(jī)，可在繞組上設(shè)置溫度過(guò)載保護(hù)器；對(duì)于三相異步電機(jī)，可增加缺相保護(hù)；對(duì)于PG電機(jī)，可在控制電路上增加轉(zhuǎn)速異常檢測(cè)、過(guò)流檢測(cè)等保護(hù)功能。

The study of Asynchronous motor operation principle and abnormal test of air conditioner

LU ZhiBin XIAO Biao
(GREE Electric Appliances, Inc. of Zhuhai Zhuhai 519070)

According to IEC 60335-1: 2010 and IEC 60335-2-40: 2013 requirements, the need for motor temperature test and abnormal test, this paper asynchronous motor operating principles and abnormal test results were analyzed.

Asynchronous motor; Rotating magnetic field; Torque; Slip; Current; Temperature