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、堵轉試驗數(shù)據(jù)，計算得出電機等值電路中定子、轉子及勵磁回路的阻抗，然后根據(jù)等值電路，分析不同的轉差率S下繞線電機轉子繞組電流的變化規(guī)律，給轉子回路電纜的選擇、轉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 堵轉試驗 等值電路 轉子電流 電流折算

0 引言

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。對于繞線電機轉子回路電纜的選擇，觀點不一，有的認為應該按轉子額定電流的1/3選擇，有的認為應該按轉子額定電流的1/2選擇，有的認為應該按轉子額定電流選擇。本文結合繞線電機的工作原理、等值電路、空載、堵轉試驗參數(shù)等對電機轉子回路電纜的選擇作詳細定量的分析，供讀者參考。

1 電機工作原理

三相交流異步電動機一般由定子和轉子組成，如圖1所示。定子由鐵芯、定子繞組、機座組成。轉子由鐵芯、轉子繞組組成。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)生一個旋轉磁場。閉合的轉子導體將切割旋轉磁場的磁力線而產(chǎn)生感應電流，電流又與旋轉磁場相互作用產(chǎn)生電磁力偶，電磁力偶驅動轉子沿旋轉磁場方向旋轉。如圖1所示，轉子回路切割旋轉磁場，按右手定則，產(chǎn)生的電流方向見圖1。轉子電流導體按左手定則，產(chǎn)生圖1所示方向的力偶，使轉子在電磁力偶的作用下旋轉。

2 三相異步電機的電路模型分析

2.1 定子電路分析

感應電機的電路模型如圖2所示，旋轉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 轉子電路分析

如圖2所示，旋轉磁場在轉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為轉子側電壓或電流的頻率，

X2=ω2·L2=2πf2L2=2πsfL2=sX20

而X20=2πfL2（電機啟動瞬間，轉子感抗最大為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= ，轉子電動勢最大，記為E20，即為轉子的額定電壓：

E20=4.44N2·f·Φm

那么E2=s·E20。

電機轉子電流有效值：

3 三相異步電機的等值電路

為便于實際計算，將轉子電路與定子電路作直接電的連接，必須將轉子回路作等值的折算，過程如下：

轉子靜止不動時，S= ，f2=f。思路：將實際轉動的轉子電路折算為靜止不動的轉子電路，實際運行的轉子電流：

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)過頻率折算的轉子繞組。轉子回路的折算值加“′”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

4 繞線電機試驗參數(shù)及等值電路中阻抗計算結果

下面結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)作電機的堵轉特性曲線如圖5，由曲線分離的額定電流Ik=444.5A時的堵轉功率pk=141.39 kW，堵轉試驗電壓Uk=1 024.7 V。

5 試驗結果分析

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子回路的電流。有人可能會問，電機轉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實驗數(shù)據(jù)

根據(jù)異步繞線電機的空載、堵轉試驗結果，電機等值電路中定子、轉子、勵磁回路的阻抗計算結果如表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是轉子繞組的相數(shù)，只有繞線式異步電動機轉子繞組是三相，鼠籠式異步電動機轉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，轉子電流的計算值偏大）。

圖5 電機的堵轉特性曲線

表4 計算結果

圖6 轉子電流的變化情況

電機的空載、堵轉試驗，計算出了電機等值電路的參數(shù)，通過分析和比較，可以得出下列結論：

（1）繞線式異步電動機轉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 計算結果

（2） 繞線式異步電動機轉子電流變化規(guī)律是：電機啟動時轉子電流最大，約為轉子額定電流的4～7倍；電機空載運行時，s≈0，轉子電流幾乎為零，轉子回路相當于開路；電機額定負載時，s≈0.015～0.060，轉差率s越大（電機轉速越低），轉子電流也越大。

（3） 工程實踐時可以用定子側的電流I1來估算轉子側電流I2=I1·ki，ki為電機的額定相電壓與轉子開路相電壓之比（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子電流約為轉子的額定電流，所以轉子電纜的截面大小須按電機轉子側的額定電流來選擇，不能按轉子的額定電流的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、轉子回路的電壓、電流、頻率、轉差率、功率因數(shù)等參數(shù)的變化規(guī)律，對電機轉子電纜的選擇、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