异步电动机在不对称电压下运行时的性能变化

胡浩



异步电动机在不对称电压下运行时的性能变化

胡浩

(湖南文理学院机械工程学院, 湖南常德, 415000)

分析了三相异步电动机在不对称三相电压下运行性能(电机定子电流、电磁转矩和效率)的变化情况, 结果表明, 三相异步电动机在不对称电压运行时, 至少有一相电流超过额定电流, 电机转矩减少和效率降低。总结了不对称电压对电动机危害的一些情况, 给出了电机运行时对三相电压对称度的要求。

异步电动机; 不对称电压; 电机性能

在低压电网中, 由于大负荷的冲击、电网线路与设备的故障等多方面的原因使得电网三相电压不对称, 给三相异步电动机带来危害[1]。本文结合一个具体实例, 分析不对称电压对电机电流、电磁转矩及效率方面的影响, 为提高电能质量及供配电设计与运行提供依据。

1 基本原理

本文采用对称分量法研究不对称三相电路, 即把不对称的三相电压分解成相序不同的3组对称的三相电压, 也就是零序电压、正序电压与负序电压[2]。零序分量为且满足,,; 正序分量为, 且满足,; 负序分量为,,, 且满足,。其中为120°的复量算子, 即= ej120°,2= ej240°。

在研究三相异步电动机时, 正序电压加在定子绕组上产生正序电流, 形成正向的旋转磁场; 负序电压加在定子绕组上产生负序电流, 形成反向的旋转磁场[3]。设电机在正向旋转磁场下的转差率为, 则在反向旋转磁场下的转差率

式中0为正向旋转磁场的转速,为电机转子的转速。

进一步, 由异步电动机的简化等值电路[4]可以得到正序与负序时的等值电路, 如图1所示。图1中下标1、2分别表示定子电路与转子电路的参数; (1)、(2)分别表示正序量与负序量;1、1为定子一相绕组的电阻与感抗;2、2为转子一相绕组的电阻与感抗的折算值。

图1 异步电动机简化等值电路

2 实例计算

在上述理论的基础上, 以某煤矿电机运行为例进行实例计算。电动机型号Y280S-4, 额定功率N= 75 kW, 额定转速N= 1 480 r/min, 额定电压1N= 380 V, 额定电流1N= 139.7 A, 额定效率N= 92.7%, 定子额定功率因数cos1N= 0.88, 起动电流倍数I= 7.0, 起动转矩倍数st= 1.9, 过载倍数T= 2.2, 定子绕组Y型接法。电机所接不对称三相相电压为:。

2.1 电流

首先计算图1等值电路中的参数[5]。定子绕组的电阻, 其中。电机的感抗, 其中相电压X= 220 V, 磁极对数= 2; 额定转矩N= 9 550N/N= 484 N·m; 转子绕组等效电阻2=, 临界转差率。

再计算定子不对称相电压的正序分量与负序分量。由零序、正序和负序分量之间的关系,相电压正序分量。相电压负序分量。

计算不对称电压下相电流的正序分量与负序分量。由图1可知,相电流正序分量。相电流负序分量,其中=N= 0.013(以电机带额定负载考虑)。由于电机定子绕组Y型接法无中线, 故没有零序电流。△型接法时, 线电流中无零序电流。

由以上电流数据可知, c相绕组的电流是额定电流的1.56倍, 在较长时间的运行中必然会因过热而损坏。

2.2 转矩

2.3 效率

穆尔的动物诗歌承载着“文以载道”的文学伦理观念。她认为生活是一个创造性过程，诗人有能力给这个世上发生的每一件事赋予一种意义。艾略特曾说：“穆尔用动物诗来伪装自己，表达她的现代主义愿望，动物诗歌是她间接表达她的个人思想有效途径。”［5］11这一观点值得赞同。

(1) 附加功率损耗的计算。不对称电压所引起的附加功率损耗, 主要是由负序分量所产生, 其中包括负序电流在定子绕组中产生的铜耗Cu1(2)和负序磁场在转子上引起的转子铜耗、铁耗与杂散损耗2部分, 后一部分损耗可以用附加电磁功率损耗Δem(2)来表示[7], 那么总的附加功率损耗

Δ=Cu1(2)+Δem(2)。 (2)

Δem(2)=, (3)

而

Cu1(2)=。 (4)

对于该电机来说, Δ= 1.55 kW。

(2) 效率的计算。在三相对称电压情况下, 电动机的效率[8]N=N/1= 1-∑/1, 则总损耗∑= (1-N)1=。对于该电机∑= 5.9 kW。在三相电压不对称情况下的电机总损耗功率∑= 7.45 kW。在不对称电压下的各相输入功率a=aacosa= 15.65 kW,b=bIcosb= 5.86 kW,c=cccosc= 39.52 kW。总的输入功率1=a+bc= 61.03 kW。那么在不对称电压情况下, 电动机的效率N= (1-∑/1) × 100% = 87.8%, 而正常情况下电动机的额定效率N= 92.7%。由此可见, 电动机的效率降低了4.9%。

3 讨论

对于异步电动机运行在不对称电压下的性能分析, 以往有2种方法。一种是利用电机运行的基本原理与相关公式(其中包括一些经验公式), 分析计算出电机运行时的电流、转矩与效率等情况[9], 从而评估电机的运行性能。这种方法计算相对比较简单, 但计算结果的准确度不高; 另一种方法是先把电动机三相的等值电路参数分别求出, 再按各自参数的等值电路分别计算各相运行时的电流、转矩和效率, 最后予以综合[10]。第二种方法计算结果的准确度较前一种方法要高些, 但计算工作量大。本文采用对称分量法, 结合电机一般等值电路, 进行分析计算, 工作量不大, 计算结果的准确度高, 是一种好的分析计算方法。对于异步电动机在不对称电压下运行时的转速和功率因数的变化情况, 也可进行相应的分析计算, 从而全面评价电机的运行性能。

为了克服这些不良情况, 必须保证供电质量:

(2) 要保证三相电压的不对称度δ= (1(2)/1(1)) ×100%≤ 1.5%。在某些工作环境下(如短时大负荷冲击等), 三相电压的不对称度要求可适当放宽, 但必须满足δ＜ 3.5%[11]。

(3) 当电压不对称时, 应及时检测与分析原因。只有保证供电电压满足上述要求, 才能确保电动机的正常运行。

4 结论

由以上的计算可知, 异步电动机在不对称电压下运行时有下列不良情况出现: (1) 至少有一相电流超过额定电流, 如果电动机运行时间稍长, 将损坏电机绕组。(2) 电动机的电磁转矩减少, 即带负载的能力降低, 相应地起动能力与过载能力都有所降低。(3) 电动机的损耗增大, 效率降低。这不仅浪费电能, 而且加剧电机的发热, 缩短电机的使用寿命。

参考文献：

[1] 奚慧巍. 不对称运行时异步电动机的电磁振动研究[D]. 秦皇岛:燕山大学, 2011.

[2] 史仪凯. 电工电子应用技术[M]. 北京: 科学出版社, 2009: 138–140.

[3] 王欢. 三相异步电动机的工作原理及运行方式[J]. 科技风, 2012, 27(9): 87.

[4] 林友杰, 谢卫才. 基于参数回归模型的异步电动机等值电路参数测定[J]. 微特电机, 2011, 42(6): 33–36.

[5] 顾绳谷. 电机及拖动基础[M]. 北京: 机械工业出版社, 2012: 135–148.

[6] 章翠娥. 三相异步电动机的工作特性分析[J]. 才智, 2014, 14(21): 340.

[7] 高仕红. 基于Matlab的异步电动机工作特性的研究[J]. 电气电子教学学报, 2010, 36(4): 40–42.

[8] 李春峰, 王岩, 于微波. 三相异步电动机工作特性的研究[C]//Proceedings of 2010 The 3rd International Conference on Power Electronics and Intelligent Transportation System, 2010: 251–254.

[9] 胡浩, 杨斌文. 电机工作特性的计算方法[J]. 湖南文理学院学报: 自然科学版, 2013, 25(1): 31–34.

[10] 张爱军, 张金霞, 樊明. 基于异步电动机T型等值电路的参数辨识分析[J]. 甘肃科技, 2015, 31(4): 21–26.

[11] 中小型旋转电机通用安全要求: GB14711–2013 [S].

(责任编校:刘刚毅)

Operation characteristics change of induction motor at asymmetrical voltage

Hu Hao

(College of Mechanical Engineering, Hunan University of Arts and Science, Changde 415000, China)

The change of three-phase induction motor’ operation characteristics is analyzed and calculated at asymmetrical three-phase voltage, including stator current, electromagnetic torque and efficiency etc. of the motor. The results show that, while at least one phase current is over the rated current, the motor’ torque reduction and its efficiency reduction will decrease. Circs of damaging motor at asymmetrical three-phase voltage are summarized.

induction motor;asymmetrical voltage; motor’ characteristics

10.3969/j.issn.1672–6146.2015.03.006

TM 343

1672–6146(2015)03–0022–04

胡浩,hh0822@126.com。

2015–05–17

湖南省教育厅科研项目(14C0786)。