变频调速电机机械损耗计算值的确定.docx

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变频调速电机机械损耗计算值的确定

变频调速电机机械损耗的确定

目录

变频调速电机机械损耗的确定1

1概述2

2内风扇在不同频率点的损耗分解与计算2

3轴承摩擦在不同频率点的损耗分解与计算7

4变频调速电机的机械损耗分布10

5系列电机的相关验证实验16

1概述

变频调速电机的损耗分布是：

机械损耗占电机总损耗的20％～35％左右，这与小功率电机的损耗分布有较为明显的差别，因此在系列变频调速电机的变频特性计算时，对其机械损耗的分解和确定将直接影响变频调速特性计算结果的准确性。

机械损耗可以分为风扇损耗和轴承摩擦损耗两部分，根据国内外相关资料介绍和在以往电机系列开发中的经验，这两种损耗与转速之间的变化规律是不同的。

为求得不同频率时电机的特性，有必要分解不同频率时的风耗和轴承摩擦损耗。

本文将通过试验验证的方法，确定了变频调速电机在不同频率下的机械损耗。

2内风扇在不同频率点的损耗分解与计算

对变频调速电机，由于需要在较宽范围内调频运行，一般应采用强迫冷却风机构成外循环风路，而在内循环风路中，采用了内风扇增加冷却效果。

由于很难对内风扇的损耗水平和与转速（频率）的变化规律进行试验和分析，因此需要研究外风扇的损耗水平和与转速（频率）的变化规律，进而延伸到内风扇与转速（频率）的变化情况。

2.1风扇损耗随转速（频率）变化的理论分析

对风扇等类似机械，其功率与转速的对应关系为：

其中，P为转速为n时的损耗水平，n0为额定转速，可见，其损耗与其转速的三次方成正比，对于变频调速电机，由于电机的转差绝对值较小，在5～100Hz范围内转差的变化可以用频率的变化近似替代，因此可以近似的认为其损耗与其频率（f）/基频（f0）的三次方成正比，即：

或

对于变频调速电机，在没有试验验证的情况下，不能人为认定损耗与其频率之间为三次方关系，而是应在原有理论基础上，通过试验验证求得其实际关系，因此，损耗与频率的关系式可以简化为：

其中的系数k包含了在额定转速下的电机风扇损耗P0和基准频率f0（一般为50Hz）两项因素。

在-315M-4电机上，做了不同频率下、电机有无外风扇的空载特性对比试验，由试验数据分析结果来求得相应的系数并验证这项结论。

2.2-315M-4电机不同频率下的空载特性试验及结果分析

挑选了一台-315M-4、132kW、4P电机，在电机有外风扇的情况下，对电机在20Hz、30Hz、40Hz、50Hz及70Hz下分别做空载特性试验，由曲线法得到其风扇损耗和轴承损耗的和，即总损耗。

取消外风扇，在电机无外风扇的情况下，对电机在20Hz、30Hz、40Hz、50Hz及70Hz下分别做空载特性试验，由曲线法得到其轴承损耗。

最后，根据不同频率下的损耗差值即为外风扇的损耗。

表12-315M-4电机不同频率下的空载特性试验及结果

频率（Hz）

无外风扇时机械损耗

（轴承损耗等）（W）

有外风扇时机械损耗

（轴承损耗＋风扇损耗等）（W）

风扇损耗（W）

20

96.54

218.6

122.06

30

184.1

508.8

324.7

40

334.92

1074.6

739.68

50

614.6

2117.6

1503

70

1224

5834.4

4610.4

对比在有无外风扇的条件下、50Hz时分离后的铁耗的误差，先判断本次试验的准确性程度。

表13有无外风扇的条件下、50Hz时分离后的铁耗的误差

状态

铁耗（W）

误差（％）

有外风扇

1496.38

6.6

无外风扇

1602.2

由于有、无外风扇的试验是分别做的，试验时的温度有所不同，因此对电机试验数据有一定的影响，但是这种影响对寻找风扇损耗和频率之间的变化规律影响不大，可以认为本次试验的准确性是可以接受的。

根据关系式

，将50Hz时的风扇损耗做为试验数据分析的基准点，代入30Hz下的风扇损耗，求得在电机转差变化不大时，相应的系数为：

k＝0.012，n＝2.99≈3

得到-315M-4（132kW）电机风扇损耗与频率之间的关系为：

将不同频率下的损耗的理论计算值与实测值的误差列表3，验证是否符合理论分析：

表14-315M-4（132kW、4P）不同频率下的风扇损耗

频率（Hz）

试验值（W）

计算值（W）

误差（％）

20

122.06

96

21.35

30

324.7

324

0.22

40

797.2

768

3.66

50

1503

1500

0.20

70

4610.4

4116

10.72

可见，除20Hz数据理论分析与实测值误差较大以外，其余各点均与三次方的关系基本一致，基本验证了风扇损耗与频率之间为三次方变化规律。

2.4内风扇在不同频率下的损耗分解规律

以上是对电机外风扇在不同频率下的损耗分析，但是，由于变频调速电机在较宽频率范围内变化，一般使用独立风机进行冷却，这部分的损耗计算已经去除。

但由于内风扇无法分离，因此不能对内风扇的损耗水平用试验的方法进行测量，但变频调速电机的内风扇引起的损耗仍然可以按照上述分析的结果进行理论分析和分解，可以认为内风扇的损耗与频率之间也存在三次方变化规律：

3轴承摩擦在不同频率点的损耗分解与计算

3.1轴承摩擦损耗随转速（频率）变化的理论探讨

随着电机转速的变化，轴承摩擦损耗也在变化，对于变频调速电机，由于电机的转差绝对值较小，在5～100Hz范围内转差的变化可以用频率的变化近似替代，因此可以近似的认为其损耗与其频率（f）/基频（f0）的关系可以通过下式求得：

其中，P0’为基准频率f0下的损耗，P’为某运行频率f下的损耗。

3.2轴承摩擦损耗随转速（频率）变化的试验数据分析

由上述的理论分析，需要求得轴承摩擦损耗和频率之间的对应关系。

同样对于变频调速电机，在没有试验验证的情况下，不能人为认定损耗与其频率之间的关系，而是应在原有理论基础上，求得其实际关系，因此，损耗与频率的关系式可以简化为：

其中的系数k’包含了在额定转速下的电机风扇损耗P0’和基准频率f0（一般为50Hz）两项因素。

在-315M-4电机上，也做了不同频率下的空载特性试验，由试验数据分析结果来求得相应的系数并验证这项结论。

将50Hz时的轴承摩擦损耗做为试验数据分析的基准点，代入30Hz下的损耗，求得在电机转差变化不大时，相应的系数为：

k＝0.06，n＝2.36

得到-315M-4（132kW）电机轴承摩擦损耗与频率之间的关系为：

将不同频率下的损耗的理论计算值与实测值列表4，验证是否符合理论分析：

表15-315M-4（132kW、4P）不同频率下的轴承损耗

频率（Hz）

试验值（W）

计算值（W）

误差（％）

20

96.54

70.56

26.91

30

184.1

183.72

0.21

40

334.92

362.25

8.16

50

614.6

613.37

0.20

70

1224

1357

10.87

可见，除20Hz数据理论分析与实测值误差较大以外（低于基准频率时应考虑轴承油脂粘性变化对机械损耗的影响），其余各点均符合相应的变化规律。

3.3轴承摩擦在不同频率下的损耗分解

不同频率下的轴承摩擦损耗计算为：

但是，对低频（5Hz、10Hz和20Hz）时的轴承损耗还应考虑轴承油脂的粘度对转速的影响，对计算以后得到的绝对值应加以修正。

4变频调速电机的机械损耗分布

4.1系列315中心高电机的机械损耗分布比例

如要对变频调速电机进行内风扇以及轴承摩擦等损耗的分解，需要首先确定原电机的外、内风扇以及轴承摩擦等损耗的分布比例。

根据-315M-4（132kW）电机在不同频率下各种损耗的试验分析结果，首先对该电机的各种损耗比例做了归纳（表16）：

表16-315M-4（132kW、4P）不同频率下的机械损耗

频率（Hz）

无外风扇时机械损耗

（轴承损耗）

（W）

风扇损耗

（W）

有外风扇时机械损耗－总损耗

（轴承损耗＋风扇损耗）

（W）

轴承损耗占总损耗的比例

（％）

风扇损耗占总损耗的比例

（％）

50

614.6

1503

2117.6

29.0

71.0

由于系统在非工频（50Hz）时的测量精度会存在一定的误差，因此应以50Hz下的试验数据来确定电机的机械损耗分布。

可以看到，该电机的风扇损耗约占总机械损耗的70％左右，而轴承损耗约占总机械损耗的30％。

4.2系列电机的机械损耗分布

在以上对-315M-4电机的机械损耗试验及分析中，我们经过验证，其轴承损耗约占电机总机械损耗的30％左右。

但是，系列315中心高电机为两轴承的支撑结构型式，而电机采用了三轴承的支撑结构，如果将-315M-4电机的机械损耗试验中得到的轴承摩擦损耗分析应用于变频调速电机中，必须进行适当的修正。

由于变频调速电机中三个轴承的尺寸是一致的，按4.1的分析中就4极电机采用两轴承结构时轴承损耗占总机械损耗的30％，那么每一个轴承的摩擦损耗约占总机械损耗的15％，如今增加了一个轴承，因此三个轴承的摩擦损耗增加为45％Pfw。

由此，三轴承结构时，轴承摩擦损耗占电机总的机械损耗的比例可按下式估算：

式中，P’为轴承摩擦损耗，Pfw为总的机械损耗。

而风扇损耗此时占电机总的机械损耗的比例可按下式估算：

式中，P为风扇损耗。

为了计算方便起见，认为三轴承结构时，4极电机的轴承摩擦损耗占总机械损耗的40％，风扇损耗占总机械损耗的60％，根据对不同极数下电机机械损耗中的分布情况的经验，以及对变频调速电机所采用的风扇和轴承尺寸的归纳，对原电机的2、6和8极也按上述方法进行了折算，得到电机风扇及轴承摩擦等损耗的分布，见表17：

表17电机机械损耗分布

电机极数

风扇损耗所占比例（％）

轴承摩擦等损耗所占比例（％）

2

70

30

4

60

40

6～8

60

40

根据电机设计时对机械损耗的估算，确定了机械损耗的设计参考值见表7，其中包含了内、外风扇损耗和轴承摩擦损耗。

表18电机机械损耗的设计参考值

中心高

2P

4P

6P

8P

355

3500W

2500W

1650W

1280W

400

5500W

4000W

2850W

2000W

450

7500W

6000W

3800W

3000W

根据对原电机的外、内风扇以及轴承摩擦等损耗的分布进行的归纳。

由于电机的内风扇仅在电机内部对转子温度起到循环扩散作用，初步估计约占风扇损耗的20％，而外风扇损耗将约占风扇损耗的80％。

现以-355-4为例，其机械损耗初步估算为2500W。

外风扇损耗（50Hz）：

2500×0.6×0.8＝1200W

轴承摩擦等损耗（50Hz）：

2500×0.4＝1000W

内风扇损耗（50Hz）：

2500×0.6×0.2＝300W

因此，取消外风扇后（注：

外风路由独立的冷却风机提供风量，损耗不进入电机本体的损耗计算），由内风扇和轴承摩擦等引起的总损耗为：

1000＋300＝1300W。

4.3变频调速电机的机械损耗分布

根据表7电机总机械损耗的设计参考值，初步确定了变频调速电机的总机械损耗设计参考值

4.4变频调速电机不同频率点的机械损耗（

以上仅计算了50Hz时由内风扇和轴承摩擦等引起的总损耗，由于损耗类型不同，其与转速（频率）之间的变化规律不同，因此对不同频率点的计算应根据损耗类型不同分别计算。

按公式对表19确定的变频调速电机按不同频率点的机械损耗分别进行分解计算，在低于基准频率时（5Hz、10Hz和20Hz）考虑由于轴承油脂粘度变化所引起的损耗增加，对最后的总损耗进行了适当的修正，这种修正也是基于在-315M-4电机试验总结的基础上得到的。

5系列电机的相关验证实验

为了验证以上对外风扇损耗和轴承摩擦损耗的分布是否准确，挑选了两台电机做机械损耗的测定。

5.1电机空载特性试验

表18和表19的这种分解是一种建立在理论分析和对以往产品的经验总结基础上进行的，尚需要实际的测试结果来验证或重新修正。

因此通过在全部按照电机设计方案制造的样机上，做有外风扇和无外风扇下的空载特性对比试验，求得电机不同状态下的机械损耗。

样机情况：

该电机为浙江某厂为某厂配套生产的驱动电机，型号-400-4，额定功率450kW，电压380V，频率50Hz。

电机有内、外风扇，相应地做了各种对比试验。

450kW样机的空载特性试验结果（有外风扇、50Hz时）

根据计算结果分别做P0＝f（U0/UN）、P0’＝f（U0/UN）、I0＝f（U0/UN）和P0’＝f（U0/UN）2等曲线，得到有外风扇、50Hz时电机的铁耗Pfe=4151W；电机的机械耗Pfw=4771W。

表24450kW样机的空载特性试验结果（有外风扇、50Hz时）

功率（kW）

频率（Hz）

铁耗（W）

机械耗（W）

450

50

4151

4771

450kW样机的空载特性试验结果（无外风扇、50Hz时）

根据计算结果分别做P0＝f（U0/UN）、P0’＝f（U0/UN）、I0＝f（U0/UN）和P0’＝f（U0/UN）2等曲线，得到无外风扇、50Hz时电机的铁耗Pfe=4178W；电机的机械耗Pfw=3392W。

表25450kW样机的空载特性试验结果（无外风扇、50Hz时）

功率（kW）

频率（Hz）

铁耗（W）

机械耗（W）

450

50

4178

3392

5.2样机试验结果分析

（1）样机机械损耗增加较多的原因

在450kW样机的计算结果中，按照试验数据分离出的机械损耗都比电磁设计方案中的设计参考值要高，而对比以往在电机上所做的空载特性试验的结果，机械损耗（有外风扇）均未超过设计参考值，那么本次样机中机械损耗的增加则可能有两个原因：

一个是样机的加工和装配精度不高；另一个就是450kW样机为立式带底脚固定电机需承载转子自重而装有推力轴承，但试验时是卧式安装，在无推力作用下所引起的轴承损耗增加。

为此，在广东某厂的另外一台样机上也做了空载特性试验，该样机的情况为：

该电机为广东某厂为通风机配套生产的驱动电机，型号-355-4，额定功率400kW，电压380V，频率50Hz。

由于其外冷却风量主要由所拖动的通风机提供，因此电机本身取消了外风扇，其余部件按照电机设计生产。

由于电机本身没有外风扇，仅做无外风扇的空载特性试验来确定此时的机械损耗。

450kW与400kW样机存在一项共同的特殊情况：

400kW样机因为需要承担轴向推力而装有推力轴承，450kW样机为立式带底脚固定电机需承载转子自重而装有推力轴承。

但在试验时，两台样机都带有底脚，并且由于两个试验场地工装设备的限制，都是在卧式情况下进行的试验。

以上的这种特殊性虽然对试验结果造成了影响，但由于450kW与400kW样机都有这种共同的特殊性，使得它们之间的结果也具有较高的可比性。

根据对400kW广东样机试验的计算结果分别做P0＝f（U0/UN）、P0’＝f（U0/UN）、I0＝f（U0/UN）和P0’＝f（U0/UN）2等曲线，得到400kW电机的铁耗Pfe=5343.71W；电机的机械耗Pfw=2535.41W。

（无外风扇）

表26400kW样机的空载特性试验结果（无外风扇、50Hz时）

功率（kW）

频率（Hz）

铁耗（W）

机械耗（W）

400

50

5343.71

2535.41

表27为两个规格的电机的机械损耗试验值与设计参考值之间的对比：

表27机械损耗实际值与设计值

样机

机械损耗实际值（W）

机械损耗设计值（W）

增加值（W）

所使用的推力轴承型号

400kW样机

2535.41

1300注

1235.41

7324B

450kW样机

4771

4000

771

7326B

450kW样机

3392

2080注

1312

7326B

注：

1300W指在无外风扇状态下的机械损耗设计参考值，2080W对400中心高电机无外风扇时的机械损耗设计参考值。

试验结果为，由于推力轴承的安装，在无推力作用下摩擦损耗增加了不少，从而引起了电机总机械损耗的增加。

但是增加量为多少，尚需要其他试验加以分离。

（2）450kW样机在50Hz下对外风扇损耗的分离结果

对照450kW样机在50Hz时，分别做了电机有无外风扇的空载特性试验，对比计算结果，可以发现本次试验的结果是比较准确的，原因就是两次试验后分离的电机铁耗仅相差

＝0.65％

这种误差的产生一方面来自实验系统测量精度，另一方面来自于对试验结果的曲线拟合，从误差水平来看，本次试验的精度达到了较高的水平。

因此，可以认为外风扇引起的机械损耗为：

4771-3392＝1379W

这个试验值是较为准确的，而根据4.2电机机械损耗的分析中，认为三轴承结构时，风扇损耗中约有80％为外风扇损耗，因此计算得到的外风扇损耗为：

4000×60％×80％＝1920W