异步电动机降压运行时的转速变化分析

李荣华, 丁 鹏, 余晓峰

(湖南理工学院 机械工程学院, 湖南 岳阳 414006)

异步电动机降压运行时的转速变化分析

李荣华, 丁 鹏, 余晓峰

(湖南理工学院 机械工程学院, 湖南 岳阳 414006)

基于异步电动机电磁转矩的实用表达式, 分析了电动机分别带恒转矩、恒功率和平方律性质的三类典型负载的降压运行, 得出其转差率和转速降落的计算方法, 并进行了实例计算研究. 在理论上为校核降压引起的电动机转速降低是否满足运行要求提供了依据.

异步电动机; 降压运行; 转速; 负载类型

引言

在实际应用中, 相当一部分三相异步电动机往往处于变负荷运行, 甚至长期处于轻载或空载状态, 出现“大马拉小车”现象, 造成电动机运行效率低下、电能浪费严重的情况. 此时常常采取降低电动机端电压的方法进行降压节电运行, 以提高运行效率, 达到节能目的. 但电动机降压运行后转速会有所降低, 带不同类型负载时转速的降落又不一样, 在工程应用中, 必须校核降压运行引起的转速降低是否在装置系统所允许的范围之内, 因此, 对这类问题很有必要进行分析研究.

1 异步电动机电磁转矩表达式的简化

根据电机学原理, 三相异步电动机电磁转矩T的实用表达式为[1,2]

其中Tm为电动机的最大转矩; sm为电动机的临界转差率; s为与电磁转矩T对应的运行转差率.电动机正常运行时的s很小, 远小于sm, 则上式可简化为

2 带不同类型负载降压运行时的转速变化

异步电动机的最大转矩与定子相电压平方成正比, 而临界转差率与定子电压无关[1]. 设电动机降压前的定子相电压、运行转速、转差率、电磁转矩、最大转矩分别用U1、n、s、T和Tm表示, 降压运行后这五个量分别用U1x、nx、sx、Tx和Tmx表示, 降压前后的临界转差率均用sm表示, 于是有降压比

为简化分析, 在工程应用中往往忽略电动机的空载损耗转矩, 于是在稳态运行时, 可以认为电动机的电磁转矩与负载转矩 TL相平衡. 在此前提下, 按不同负载类型分别讨论电动机降压运行时的转速变化,生产机械的负载特性主要有恒转矩、恒功率和平方律负载三种类型.

2.1 带恒转矩负载时的转差率变化

电动机带恒转矩负载运行时, 降压前后其转速虽有变化, 但负载转矩不变, 根据式(1)有于是可得

由此可见, 当电动机带恒转矩负载时, 转差率与定子相电压的平方成反比, 降压后, 其转差率增加为原来的倍, 转速有所降低.

2.2 带恒功率负载时的转差率变化

具有这种特性的负载, 负载转矩 TL的大小与转速成反比, 两者的乘积不变(机械功率恒定), 即有=常数、属于这一类负载的生产机械有各种机床的主传动等, 忽略电动机的空载损耗转矩,降压运行时, 有

由此可得

解得符合稳定要求的降压后的运行转差率为

上式表明, 三相异步电动机带恒功率负载降压节电运行时, 降压比不得低于由降压前转差率决定的值否则降压后无法带动负载继续稳定运行.

2.3 带平方律负载时的转差率变化

具有这种特性的负载, 负载转矩 TL的大小与转速的平方成正比, 即

属于这一类负载的生产机械有通风机、水泵、油泵等流体机械, 忽略电动机的空载损耗转矩, 降压运行时有

由此可得

解得符合稳定要求的降压后的运行转差率为

2.4 降压运行后的转速降落及实例计算分析

轻负载时对电动机进行降压节电运行, 可以提高运行效率、节约能源. 但电动机降压运行后转速有所降低, 具体应用中, 须校核其转速降落是否在装置系统所允许的变化范围之内. 已知降压前的转差率s和求出降压后的转差率sx, 则可得其转速降落百分比∆n%为

异步电动机降压节电运行的实现方式很多, 其中将电机绕组进行 Δ/Y改接降压的方法简单易行且应用广泛, 下面具体计算该方法降压运行后的转速降落情况. 电动机由Δ接改成Y接时, 其降压比一般是在较轻负载下(负载率低于 40%)进行 Δ/Y 改接降压运行, 降压前的运行转差率较低[3,4], 在此取s= 0.003、0.005、0.01、0.015、0.02、0.025、0.03七个典型值, 根据式(2)、(5)、(9)和(10)进行计算, 带三种不同性质负载时的计算结果分别见表1、表2和表3.

表1 电动机Δ/Y改接降压运行的转速降落(恒转矩负载)

表2 电动机Δ/Y改接降压运行的转速降落(恒功率负载)

表3 电动机Δ/Y改接降压运行的转速降落(平方律负载)

3 结束语

(1)异步电动机降压节电运行会引起转速降低, 且带不同类型负载时转速降落又不一样, 在工程应用中, 须校核降压引起的转速降低是否在装置系统所允许的范围之内. 为此本文提供了降压后运行转差率和转速降落的理论计算方法.

(2)根据文中分析和实例计算表明, 电动机降压前转差率越低, 降压后转速降落越小; 三类典型负载中, 电动机带恒功率负载降压运行时转速降最大, 带恒转矩负载时次之, 带平方律负载时转速降最小.

[1] 唐 介. 电机与拖动[M]. 北京: 高等教育出版社, 2007

[2] 段 成, 李荣华, 寻真福. 低压电机Δ/Y改接降压节电的应用条件[J]. 电工技术, 2012(2): 33～34

[3] 李荣华, 张 敬. 电动机Δ/Y改接降压运行的功率因数及效率[J]. 节能, 2008, 27(8): 40～42

[4] 刘利军. 节电技术及其工程应用[M]. 北京: 中国电力出版社, 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

湖南省教育厅科研项目(12C0700)

李荣华(1970− ), 男, 湖南永州人, 湖南理工学院机械工程学院副教授. 主要研究方向: 电气传动及节能