李榮華, 丁 鵬, 余曉峰

(湖南理工學院 機械工程學院, 湖南 岳陽 414006)

異步電動機降壓運行時的轉(zhuǎn)速變化分析

李榮華, 丁 鵬, 余曉峰

(湖南理工學院 機械工程學院, 湖南 岳陽 414006)

基于異步電動機電磁轉(zhuǎn)矩的實用表達式, 分析了電動機分別帶恒轉(zhuǎn)矩、恒功率和平方律性質(zhì)的三類典型負載的降壓運行, 得出其轉(zhuǎn)差率和轉(zhuǎn)速降落的計算方法, 并進行了實例計算研究. 在理論上為校核降壓引起的電動機轉(zhuǎn)速降低是否滿足運行要求提供了依據(jù).

異步電動機; 降壓運行; 轉(zhuǎn)速; 負載類型

引言

在實際應(yīng)用中, 相當一部分三相異步電動機往往處于變負荷運行, 甚至長期處于輕載或空載狀態(tài), 出現(xiàn)“大馬拉小車”現(xiàn)象, 造成電動機運行效率低下、電能浪費嚴重的情況. 此時常常采取降低電動機端電壓的方法進行降壓節(jié)電運行, 以提高運行效率, 達到節(jié)能目的. 但電動機降壓運行后轉(zhuǎn)速會有所降低, 帶不同類型負載時轉(zhuǎn)速的降落又不一樣, 在工程應(yīng)用中, 必須校核降壓運行引起的轉(zhuǎn)速降低是否在裝置系統(tǒng)所允許的范圍之內(nèi), 因此, 對這類問題很有必要進行分析研究.

1 異步電動機電磁轉(zhuǎn)矩表達式的簡化

根據(jù)電機學原理, 三相異步電動機電磁轉(zhuǎn)矩T的實用表達式為[1,2]

其中Tm為電動機的最大轉(zhuǎn)矩; sm為電動機的臨界轉(zhuǎn)差率; s為與電磁轉(zhuǎn)矩T對應(yīng)的運行轉(zhuǎn)差率.電動機正常運行時的s很小, 遠小于sm, 則上式可簡化為

2 帶不同類型負載降壓運行時的轉(zhuǎn)速變化

異步電動機的最大轉(zhuǎn)矩與定子相電壓平方成正比, 而臨界轉(zhuǎn)差率與定子電壓無關(guān)[1]. 設(shè)電動機降壓前的定子相電壓、運行轉(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, 降壓運行后這五個量分別用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

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

2.1 帶恒轉(zhuǎn)矩負載時的轉(zhuǎn)差率變化

電動機帶恒轉(zhuǎn)矩負載運行時, 降壓前后其轉(zhuǎn)速雖有變化, 但負載轉(zhuǎn)矩不變, 根據(jù)式(1)有于是可得

由此可見, 當電動機帶恒轉(zhuǎn)矩負載時, 轉(zhuǎn)差率與定子相電壓的平方成反比, 降壓后, 其轉(zhuǎn)差率增加為原來的倍, 轉(zhuǎn)速有所降低.

2.2 帶恒功率負載時的轉(zhuǎn)差率變化

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

由此可得

解得符合穩(wěn)定要求的降壓后的運行轉(zhuǎn)差率為

上式表明, 三相異步電動機帶恒功率負載降壓節(jié)電運行時, 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法帶動負載繼續(xù)穩(wěn)定運行.

2.3 帶平方律負載時的轉(zhuǎn)差率變化

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

屬于這一類負載的生產(chǎn)機械有通風機、水泵、油泵等流體機械, 忽略電動機的空載損耗轉(zhuǎn)矩, 降壓運行時有

由此可得

解得符合穩(wěn)定要求的降壓后的運行轉(zhuǎn)差率為

2.4 降壓運行后的轉(zhuǎn)速降落及實例計算分析

輕負載時對電動機進行降壓節(jié)電運行, 可以提高運行效率、節(jié)約能源. 但電動機降壓運行后轉(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

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

表1 電動機Δ/Y改接降壓運行的轉(zhuǎn)速降落(恒轉(zhuǎn)矩負載)

表2 電動機Δ/Y改接降壓運行的轉(zhuǎn)速降落(恒功率負載)

表3 電動機Δ/Y改接降壓運行的轉(zhuǎn)速降落(平方律負載)

3 結(jié)束語

(1)異步電動機降壓節(jié)電運行會引起轉(zhuǎn)速降低, 且?guī)Р煌愋拓撦d時轉(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行轉(zhuǎn)差率和轉(zhuǎn)速降落的理論計算方法.

(2)根據(jù)文中分析和實例計算表明, 電動機降壓前轉(zhuǎn)差率越低, 降壓后轉(zhuǎn)速降落越小; 三類典型負載中, 電動機帶恒功率負載降壓運行時轉(zhuǎn)速降最大, 帶恒轉(zhuǎn)矩負載時次之, 帶平方律負載時轉(zhuǎn)速降最小.

[1] 唐 介. 電機與拖動[M]. 北京: 高等教育出版社, 2007

[2] 段 成, 李榮華, 尋真福. 低壓電機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. 電動機Δ/Y改接降壓運行的功率因數(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目(12C0700)

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