李榮華, 丁 鵬, 余曉峰

(湖南理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院, 湖南 岳陽(yáng) 414006)

異步電動(dòng)機(jī)降壓運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速變化分析

李榮華, 丁 鵬, 余曉峰

(湖南理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院, 湖南 岳陽(yáng) 414006)

基于異步電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的實(shí)用表達(dá)式, 分析了電動(dòng)機(jī)分別帶恒轉(zhuǎn)矩、恒功率和平方律性質(zhì)的三類典型負(fù)載的降壓運(yùn)行, 得出其轉(zhuǎn)差率和轉(zhuǎn)速降落的計(jì)算方法, 并進(jìn)行了實(shí)例計(jì)算研究. 在理論上為校核降壓引起的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低是否滿足運(yùn)行要求提供了依據(jù).

異步電動(dòng)機(jī); 降壓運(yùn)行; 轉(zhuǎn)速; 負(fù)載類型

引言

在實(shí)際應(yīng)用中, 相當(dāng)一部分三相異步電動(dòng)機(jī)往往處于變負(fù)荷運(yùn)行, 甚至長(zhǎng)期處于輕載或空載狀態(tài), 出現(xiàn)“大馬拉小車”現(xiàn)象, 造成電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率低下、電能浪費(fèi)嚴(yán)重的情況. 此時(shí)常常采取降低電動(dòng)機(jī)端電壓的方法進(jìn)行降壓節(jié)電運(yùn)行, 以提高運(yùn)行效率, 達(dá)到節(jié)能目的. 但電動(dòng)機(jī)降壓運(yùn)行后轉(zhuǎn)速會(huì)有所降低, 帶不同類型負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)速的降落又不一樣, 在工程應(yīng)用中, 必須校核降壓運(yùn)行引起的轉(zhuǎn)速降低是否在裝置系統(tǒng)所允許的范圍之內(nèi), 因此, 對(duì)這類問題很有必要進(jìn)行分析研究.

1 異步電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式的簡(jiǎn)化

根據(jù)電機(jī)學(xué)原理, 三相異步電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩T的實(shí)用表達(dá)式為[1,2]

其中Tm為電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩; sm為電動(dòng)機(jī)的臨界轉(zhuǎn)差率; s為與電磁轉(zhuǎn)矩T對(duì)應(yīng)的運(yùn)行轉(zhuǎn)差率.電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的s很小, 遠(yuǎn)小于sm, 則上式可簡(jiǎn)化為

2 帶不同類型負(fù)載降壓運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速變化

異步電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩與定子相電壓平方成正比, 而臨界轉(zhuǎn)差率與定子電壓無(wú)關(guān)[1]. 設(shè)電動(dòng)機(jī)降壓前的定子相電壓、運(yùn)行轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)差率、電磁轉(zhuǎn)矩、最大轉(zhuǎn)矩分別用U1、n、s、T和Tm表示, 降壓運(yùn)行后這五個(gè)量分別用U1x、nx、sx、Tx和Tmx表示, 降壓前后的臨界轉(zhuǎn)差率均用sm表示, 于是有降壓比

為簡(jiǎn)化分析, 在工程應(yīng)用中往往忽略電動(dòng)機(jī)的空載損耗轉(zhuǎn)矩, 于是在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí), 可以認(rèn)為電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩 TL相平衡. 在此前提下, 按不同負(fù)載類型分別討論電動(dòng)機(jī)降壓運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速變化,生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載特性主要有恒轉(zhuǎn)矩、恒功率和平方律負(fù)載三種類型.

2.1 帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)差率變化

電動(dòng)機(jī)帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載運(yùn)行時(shí), 降壓前后其轉(zhuǎn)速雖有變化, 但負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變, 根據(jù)式(1)有于是可得

由此可見, 當(dāng)電動(dòng)機(jī)帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí), 轉(zhuǎn)差率與定子相電壓的平方成反比, 降壓后, 其轉(zhuǎn)差率增加為原來(lái)的倍, 轉(zhuǎn)速有所降低.

2.2 帶恒功率負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)差率變化

具有這種特性的負(fù)載, 負(fù)載轉(zhuǎn)矩 TL的大小與轉(zhuǎn)速成反比, 兩者的乘積不變(機(jī)械功率恒定), 即有=常數(shù)、屬于這一類負(fù)載的生產(chǎn)機(jī)械有各種機(jī)床的主傳動(dòng)等, 忽略電動(dòng)機(jī)的空載損耗轉(zhuǎn)矩,降壓運(yùn)行時(shí), 有

由此可得

解得符合穩(wěn)定要求的降壓后的運(yùn)行轉(zhuǎn)差率為

上式表明, 三相異步電動(dòng)機(jī)帶恒功率負(fù)載降壓節(jié)電運(yùn)行時(shí), 降壓比不得低于由降壓前轉(zhuǎn)差率決定的值否則降壓后無(wú)法帶動(dòng)負(fù)載繼續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行.

2.3 帶平方律負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)差率變化

具有這種特性的負(fù)載, 負(fù)載轉(zhuǎn)矩 TL的大小與轉(zhuǎn)速的平方成正比, 即

屬于這一類負(fù)載的生產(chǎn)機(jī)械有通風(fēng)機(jī)、水泵、油泵等流體機(jī)械, 忽略電動(dòng)機(jī)的空載損耗轉(zhuǎn)矩, 降壓運(yùn)行時(shí)有

由此可得

解得符合穩(wěn)定要求的降壓后的運(yùn)行轉(zhuǎn)差率為

2.4 降壓運(yùn)行后的轉(zhuǎn)速降落及實(shí)例計(jì)算分析

輕負(fù)載時(shí)對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行降壓節(jié)電運(yùn)行, 可以提高運(yùn)行效率、節(jié)約能源. 但電動(dòng)機(jī)降壓運(yùn)行后轉(zhuǎn)速有所降低, 具體應(yīng)用中, 須校核其轉(zhuǎn)速降落是否在裝置系統(tǒng)所允許的變化范圍之內(nèi). 已知降壓前的轉(zhuǎn)差率s和求出降壓后的轉(zhuǎn)差率sx, 則可得其轉(zhuǎn)速降落百分比?n%為

異步電動(dòng)機(jī)降壓節(jié)電運(yùn)行的實(shí)現(xiàn)方式很多, 其中將電機(jī)繞組進(jìn)行 Δ/Y改接降壓的方法簡(jiǎn)單易行且應(yīng)用廣泛, 下面具體計(jì)算該方法降壓運(yùn)行后的轉(zhuǎn)速降落情況. 電動(dòng)機(jī)由Δ接改成Y接時(shí), 其降壓比一般是在較輕負(fù)載下(負(fù)載率低于 40%)進(jìn)行 Δ/Y 改接降壓運(yùn)行, 降壓前的運(yùn)行轉(zhuǎn)差率較低[3,4], 在此取s= 0.003、0.005、0.01、0.015、0.02、0.025、0.03七個(gè)典型值, 根據(jù)式(2)、(5)、(9)和(10)進(jìn)行計(jì)算, 帶三種不同性質(zhì)負(fù)載時(shí)的計(jì)算結(jié)果分別見表1、表2和表3.

表1 電動(dòng)機(jī)Δ/Y改接降壓運(yùn)行的轉(zhuǎn)速降落(恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載)

表2 電動(dòng)機(jī)Δ/Y改接降壓運(yùn)行的轉(zhuǎn)速降落(恒功率負(fù)載)

表3 電動(dòng)機(jī)Δ/Y改接降壓運(yùn)行的轉(zhuǎn)速降落(平方律負(fù)載)

3 結(jié)束語(yǔ)

(1)異步電動(dòng)機(jī)降壓節(jié)電運(yùn)行會(huì)引起轉(zhuǎn)速降低, 且?guī)Р煌愋拓?fù)載時(shí)轉(zhuǎn)速降落又不一樣, 在工程應(yīng)用中, 須校核降壓引起的轉(zhuǎn)速降低是否在裝置系統(tǒng)所允許的范圍之內(nèi). 為此本文提供了降壓后運(yùn)行轉(zhuǎn)差率和轉(zhuǎn)速降落的理論計(jì)算方法.

(2)根據(jù)文中分析和實(shí)例計(jì)算表明, 電動(dòng)機(jī)降壓前轉(zhuǎn)差率越低, 降壓后轉(zhuǎn)速降落越小; 三類典型負(fù)載中, 電動(dòng)機(jī)帶恒功率負(fù)載降壓運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速降最大, 帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí)次之, 帶平方律負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)速降最小.

[1] 唐 介. 電機(jī)與拖動(dòng)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2007

[2] 段 成, 李榮華, 尋真福. 低壓電機(jī)Δ/Y改接降壓節(jié)電的應(yīng)用條件[J]. 電工技術(shù), 2012(2): 33～34

[3] 李榮華, 張 敬. 電動(dòng)機(jī)Δ/Y改接降壓運(yùn)行的功率因數(shù)及效率[J]. 節(jié)能, 2008, 27(8): 40～42

[4] 劉利軍. 節(jié)電技術(shù)及其工程應(yīng)用[M]. 北京: 中國(guó)電力出版社, 2011

The Analysis of Speed Variation of Asynchronous Motor Reducing Voltage Operation

LI Rong-hua, DING Peng, YU Xiao-feng
(College of Mechanical Engineering，Hunan Institute of Science and Technology, Yueyang 414006, China)

Based on the practical expression of the electromagnetic torque of asynchronous motor, this paper analyzed the reducing voltage operation when motor run with three typical load such as constant torque, constant power and square law nature respectively. It can draw a conclusion about the calculation method of slip and speed landing, and carried out example calculation and study, which provides the theory basis for motor speed decreased whether it meet operation requirements caused by verifying reducing voltage.

asynchronous motor; operation in reducing voltage; speed; load type

TM306

A

1672-5298(2014)04-0046-03

2014-09-26

湖南省教育廳科研項(xiàng)目(12C0700)

李榮華(1970? ), 男, 湖南永州人, 湖南理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院副教授. 主要研究方向: 電氣傳動(dòng)及節(jié)能