張克帥
成都建筑材料工業(yè)設計研究院有限公司,四川 成都 610051
水泥廠異步繞線電機轉(zhuǎn)子回路電纜的選擇
張克帥
成都建筑材料工業(yè)設計研究院有限公司,四川 成都 610051
通過異步繞線電機的空載試驗、堵轉(zhuǎn)試驗數(shù)據(jù),計算得出電機等值電路中定子、轉(zhuǎn)子及勵磁回路的阻抗,然后根據(jù)等值電路,分析不同的轉(zhuǎn)差率S下繞線電機轉(zhuǎn)子繞組電流的變化規(guī)律,給轉(zhuǎn)子回路電纜的選擇、轉(zhuǎn)子的額定電流給出了明確的答案。
繞線電機 工作原理 空載試驗 堵轉(zhuǎn)試驗 等值電路 轉(zhuǎn)子電流 電流折算
水泥廠許多大型設備,如水泥磨、輥壓機等設備的拖動均采用繞線電機,而繞線電機一般采用液體電阻柜作為啟動裝置,電機轉(zhuǎn)子至水電阻的電纜選擇是否合適,直接影響設備的安全、可靠、經(jīng)濟地運行。對于繞線電機轉(zhuǎn)子回路電纜的選擇,觀點不一,有的認為應該按轉(zhuǎn)子額定電流的1/3選擇,有的認為應該按轉(zhuǎn)子額定電流的1/2選擇,有的認為應該按轉(zhuǎn)子額定電流選擇。本文結(jié)合繞線電機的工作原理、等值電路、空載、堵轉(zhuǎn)試驗參數(shù)等對電機轉(zhuǎn)子回路電纜的選擇作詳細定量的分析,供讀者參考。
三相交流異步電動機一般由定子和轉(zhuǎn)子組成,如圖1所示。定子由鐵芯、定子繞組、機座組成。轉(zhuǎn)子由鐵芯、轉(zhuǎn)子繞組組成。我們知道,三相異步電動機的定子繞組在定子鐵芯上是三相對稱分布的,三相繞組互差120度角,當三相定子繞組接入三相正弦交流電源時,定子繞組就會產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場。閉合的轉(zhuǎn)子導體將切割旋轉(zhuǎn)磁場的磁力線而產(chǎn)生感應電流,電流又與旋轉(zhuǎn)磁場相互作用產(chǎn)生電磁力偶,電磁力偶驅(qū)動轉(zhuǎn)子沿旋轉(zhuǎn)磁場方向旋轉(zhuǎn)。如圖1所示,轉(zhuǎn)子回路切割旋轉(zhuǎn)磁場,按右手定則,產(chǎn)生的電流方向見圖1。轉(zhuǎn)子電流導體按左手定則,產(chǎn)生圖1所示方向的力偶,使轉(zhuǎn)子在電磁力偶的作用下旋轉(zhuǎn)。
2.1 定子電路分析
感應電機的電路模型如圖2所示,旋轉(zhuǎn)磁場的磁感應強度沿電機的氣隙近似按正弦規(guī)律分布,因此,通過定子繞組的磁通Φ也是隨時間按正弦規(guī)律變化的,設Φ=Φm·sinω1t ,則定子每相繞組中產(chǎn)生的感應電動勢為:
圖1 電機的工作原理
圖2 電機的電路模型
代入得e=-N·ω·Φm·cosωt
ω=2πf
e=-N·2πf·Φm·cosωt =-Em·cosωt
=2πNfΦm/
其有效值為:
E=Em/=4.44NfΦm
按基爾荷夫電壓定理:
)
·X+(-
·R+j
=
2.2 轉(zhuǎn)子電路分析
如圖2所示,旋轉(zhuǎn)磁場在轉(zhuǎn)子每相繞組中感應出的電動勢為:其有效值為:E2=4.44N2f2Φm
按基爾荷夫電壓定理:
2=2·R2+j2·X2
其中f2為轉(zhuǎn)子側(cè)電壓或電流的頻率,
X2=ω2·L2=2πf2L2=2πsfL2=sX20
而X20=2πfL2(電機啟動瞬間,轉(zhuǎn)子感抗最大為X20)。
由上式可知,異步電機啟動瞬間n=0,則S= ;異步電機空載時n≈n0,則s≈0 ;異步電動機額定運行時s= .5%~6% ,則電機轉(zhuǎn)子頻率f2=s.f=(0.75~3)Hz,其中F=50 Hz。
由f2=s·f及E2=4.4 4 N2f2Φm得,E2=4.44N2·sf·Φm,電機啟動瞬間,s= ,轉(zhuǎn)子電動勢最大,記為E20,即為轉(zhuǎn)子的額定電壓:
E20=4.44N2·f·Φm
那么E2=s·E20。
電機轉(zhuǎn)子電流有效值:
為便于實際計算,將轉(zhuǎn)子電路與定子電路作直接電的連接,必須將轉(zhuǎn)子回路作等值的折算,過程如下:
轉(zhuǎn)子靜止不動時,S= ,f2=f。思路:將實際轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子電路折算為靜止不動的轉(zhuǎn)子電路,實際運行的轉(zhuǎn)子電流:
分子分母除以s,得:
等效整理后得:
頻率折算后,還不能把定子、轉(zhuǎn)子電路連接起來,因為2個電路的電動勢不相等。參見變壓器等效原理,人為地用一個相數(shù)m1、匝數(shù)N1、繞組系數(shù)kω1和定子繞組一樣的繞組代替相數(shù)為m2、匝數(shù)為N2以及繞組系數(shù)kω2,且經(jīng)過頻率折算的轉(zhuǎn)子繞組。轉(zhuǎn)子回路的折算值加“′”表示。
電流折算:代表的物理意義不同。等效負載
其中 稱電流比;
電壓折算:
阻抗折算:
其中
稱電壓比;
根據(jù)折算前后參數(shù)的關系,可作出折算后的T形等效電路,如圖3所示。注意:折算只改變相關的值大小,而不改變其相位的大小。
圖3 電機等值電路
下面結(jié)合某水泥廠的水泥磨主電機的銘牌參數(shù)及電機出廠前的試驗數(shù)據(jù)作一定量分析。電機的銘牌參數(shù)見表1。
(1)由空載試驗數(shù)據(jù)求勵磁回路參數(shù) ,見表2。
試驗后定子繞組線電阻為:
R1=0.100 3 Ω
表2中定子銅耗:
表 電動機的額定參數(shù)
表2 三相異步電動機空載實驗數(shù)據(jù)
R0.cau1=1.5I02·R1
風摩耗與鐵耗之和:
0=P0-P0.cau1
根據(jù)表3數(shù)據(jù)作電機的空載特性曲線如圖4,由曲線0=f(U0/Un)2分離得pfm=17.145 kW,由曲線
0=f(U0/Un),I0=f(U0/Un) 分離的額定電壓U0=6 300 V 時的鐵耗:
PFe=35.97 kW
空載電流:
I0=169.62 A,P0=57.45 kW
空載阻抗:
勵磁電阻:
空載電阻:
R0=R1+Rm=0.058 0+0.416 7=0.474 7Ω
空載電抗:
P0—電動機空載時的相電壓、相電流、三相空載功率(Y法)。
圖4 電機的空載特性曲線
(2)由堵轉(zhuǎn)實驗數(shù)據(jù)求短路參數(shù),見表3。
根據(jù)表3數(shù)據(jù)作電機的堵轉(zhuǎn)特性曲線如圖5,由曲線分離的額定電流Ik=444.5A時的堵轉(zhuǎn)功率pk=141.39 kW,堵轉(zhuǎn)試驗電壓Uk=1 024.7 V。
現(xiàn)得出了電機等值電路參數(shù)的具體數(shù)值,下面分析一下電機在啟動、空載及額定工況時的轉(zhuǎn)子電流的變化情況,如圖6所示。為簡化計算,忽略勵磁回路的阻抗Zm圖中虛線部分。
計算結(jié)果列入表5。
到了這一步,就通過電機的等值電路,計算出折算后的異步繞線電機轉(zhuǎn)子回路的電流。有人可能會問,電機轉(zhuǎn)子回路的實際電流到底是多少呢?經(jīng)過多方查閱資料,終于找到了答案,現(xiàn)敘述如下:
代入數(shù)值,得
可認為時的相電壓、相電流、三相短路功率(Y接法)。
表3 三相異步電動機堵轉(zhuǎn)實驗數(shù)據(jù)
根據(jù)異步繞線電機的空載、堵轉(zhuǎn)試驗結(jié)果,電機等值電路中定子、轉(zhuǎn)子、勵磁回路的阻抗計算結(jié)果如表4,對大、中型異步電機,為簡化計算,電壓折算比:
電流折算比:
其中m1是定子繞組的相數(shù),一般情況m1=3;m2是轉(zhuǎn)子繞組的相數(shù),只有繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子繞組是三相,鼠籠式異步電動機轉(zhuǎn)子繞組一般不是三相,而是m2相。
所以對于繞線式異步電機有:
代入數(shù)值,額定工況下
I1=I2′=444.5 A,轉(zhuǎn)子電流I2=I2′·ki=444.5× 1.86=826.8 A(由于忽略了電機的勵磁電流,轉(zhuǎn)子電流的計算值偏大)。
圖5 電機的堵轉(zhuǎn)特性曲線
表4 計算結(jié)果
圖6 轉(zhuǎn)子電流的變化情況
電機的空載、堵轉(zhuǎn)試驗,計算出了電機等值電路的參數(shù),通過分析和比較,可以得出下列結(jié)論:
(1)繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子額定電流是電機在額定工況下的實際工作電流,不是電機啟動時的啟動電流;
表5 計算結(jié)果
(2) 繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子電流變化規(guī)律是:電機啟動時轉(zhuǎn)子電流最大,約為轉(zhuǎn)子額定電流的4~7倍;電機空載運行時,s≈0,轉(zhuǎn)子電流幾乎為零,轉(zhuǎn)子回路相當于開路;電機額定負載時,s≈0.015~0.060,轉(zhuǎn)差率s越大(電機轉(zhuǎn)速越低),轉(zhuǎn)子電流也越大。
(3) 工程實踐時可以用定子側(cè)的電流I1來估算轉(zhuǎn)子側(cè)電流I2=I1·ki,ki為電機的額定相電壓與轉(zhuǎn)子開路相電壓之比(注意電機的繞組接法)。
(4) 由于繞線式異步電動機在額定工況下轉(zhuǎn)子電流約為轉(zhuǎn)子的額定電流,所以轉(zhuǎn)子電纜的截面大小須按電機轉(zhuǎn)子側(cè)的額定電流來選擇,不能按轉(zhuǎn)子的額定電流的1/3或1/2進行選擇。
總之,大型繞線電機作為水泥廠磨機、輥壓機、風機等核心工藝設備的驅(qū)動設備,準確無誤地掌握電機的啟動、空載、額定工況下電機定子、轉(zhuǎn)子回路的電壓、電流、頻率、轉(zhuǎn)差率、功率因數(shù)等參數(shù)的變化規(guī)律,對電機轉(zhuǎn)子電纜的選擇、電機設備故障分析及維護有著非常重要的實際意義。
[1] 李發(fā)海,王巖. 電機與拖動基礎[M] . 北京: 清華大學出版社, 2010.
[2] GB/T1032-2005, 三相異步電動機試驗方法[S].
2015-03-20)
TQ 72.8;TM3
B
008-0473(20 5)04-0056-06
0. 6008/j.cnki. 008-0473.20 5.04.0 5