水泥厂异步绕线电机转子回路电缆的选择

张克帅

成都建筑材料工业设计研究院有限公司，四川 成都 610051

水泥厂异步绕线电机转子回路电缆的选择

张克帅

成都建筑材料工业设计研究院有限公司，四川 成都 610051

通过异步绕线电机的空载试验、堵转试验数据，计算得出电机等值电路中定子、转子及励磁回路的阻抗，然后根据等值电路，分析不同的转差率S下绕线电机转子绕组电流的变化规律，给转子回路电缆的选择、转子的额定电流给出了明确的答案。

绕线电机 工作原理 空载试验 堵转试验 等值电路 转子电流 电流折算

0 引言

水泥厂许多大型设备，如水泥磨、辊压机等设备的拖动均采用绕线电机，而绕线电机一般采用液体电阻柜作为启动装置，电机转子至水电阻的电缆选择是否合适，直接影响设备的安全、可靠、经济地运行。对于绕线电机转子回路电缆的选择，观点不一，有的认为应该按转子额定电流的1/3选择，有的认为应该按转子额定电流的1/2选择，有的认为应该按转子额定电流选择。本文结合绕线电机的工作原理、等值电路、空载、堵转试验参数等对电机转子回路电缆的选择作详细定量的分析，供读者参考。

1 电机工作原理

三相交流异步电动机一般由定子和转子组成，如图1所示。定子由铁芯、定子绕组、机座组成。转子由铁芯、转子绕组组成。我们知道，三相异步电动机的定子绕组在定子铁芯上是三相对称分布的，三相绕组互差120度角，当三相定子绕组接入三相正弦交流电源时，定子绕组就会产生一个旋转磁场。闭合的转子导体将切割旋转磁场的磁力线而产生感应电流，电流又与旋转磁场相互作用产生电磁力偶，电磁力偶驱动转子沿旋转磁场方向旋转。如图1所示，转子回路切割旋转磁场，按右手定则，产生的电流方向见图1。转子电流导体按左手定则，产生图1所示方向的力偶，使转子在电磁力偶的作用下旋转。

2 三相异步电机的电路模型分析

2.1 定子电路分析

感应电机的电路模型如图2所示，旋转磁场的磁感应强度沿电机的气隙近似按正弦规律分布，因此，通过定子绕组的磁通Φ也是随时间按正弦规律变化的，设Φ=Φm·sinω1t ，则定子每相绕组中产生的感应电动势为：

图1 电机的工作原理

图2 电机的电路模型

代入得e=－N·ω·Φm·cosωt

ω=2πf

e=－N·2πf·Φm·cosωt =－Em·cosωt

=2πNfΦm/

其有效值为：

E=Em/=4.44NfΦm

按基尔荷夫电压定理：

)

·X+(－

·R+j

=

2.2 转子电路分析

如图2所示，旋转磁场在转子每相绕组中感应出的电动势为：其有效值为：E2=4.44N2f2Φm

按基尔荷夫电压定理：

2=2·R2+j2·X2

其中f2为转子侧电压或电流的频率，

X2=ω2·L2=2πf2L2=2πsfL2=sX20

而X20=2πfL2（电机启动瞬间，转子感抗最大为X20）。

由上式可知，异步电机启动瞬间n=0，则S= ；异步电机空载时n≈n0，则s≈0 ；异步电动机额定运行时s= .5%～6% ，则电机转子频率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，电机启动瞬间，s= ，转子电动势最大，记为E20，即为转子的额定电压：

E20=4.44N2·f·Φm

那么E2=s·E20。

电机转子电流有效值：

3 三相异步电机的等值电路

为便于实际计算，将转子电路与定子电路作直接电的连接，必须将转子回路作等值的折算，过程如下：

转子静止不动时，S= ，f2=f。思路：将实际转动的转子电路折算为静止不动的转子电路，实际运行的转子电流：

分子分母除以s，得：

等效整理后得：

频率折算后，还不能把定子、转子电路连接起来，因为2个电路的电动势不相等。参见变压器等效原理，人为地用一个相数m1、匝数N1、绕组系数kω1和定子绕组一样的绕组代替相数为m2、匝数为N2以及绕组系数kω2，且经过频率折算的转子绕组。转子回路的折算值加“′”表示。

电流折算：代表的物理意义不同。等效负载

其中 称电流比；

电压折算：

阻抗折算：

其中

称电压比；

根据折算前后参数的关系，可作出折算后的T形等效电路，如图3所示。注意：折算只改变相关的值大小，而不改变其相位的大小。

图3 电机等值电路

4 绕线电机试验参数及等值电路中阻抗计算结果

下面结合某水泥厂的水泥磨主电机的铭牌参数及电机出厂前的试验数据作一定量分析。电机的铭牌参数见表1。

（1）由空载试验数据求励磁回路参数 ，见表2。

试验后定子绕组线电阻为：

R1=0.100 3 Ω

表2中定子铜耗：

表 电动机的额定参数

表2 三相异步电动机空载实验数据

R0.cau1=1.5I02·R1

风摩耗与铁耗之和：

0=P0-P0.cau1

根据表3数据作电机的空载特性曲线如图4，由曲线0=f(U0/Un)2分离得pfm=17.145 kW，由曲线

0=f(U0/Un)，I0=f(U0/Un) 分离的额定电压U0=6 300 V 时的铁耗：

PFe=35.97 kW

空载电流：

I0=169.62 A，P0=57.45 kW

空载阻抗：

励磁电阻：

空载电阻：

R0=R1+Rm=0.058 0+0.416 7=0.474 7Ω

空载电抗：

P0—电动机空载时的相电压、相电流、三相空载功率（Y法）。

图4 电机的空载特性曲线

（2）由堵转实验数据求短路参数，见表3。

根据表3数据作电机的堵转特性曲线如图5，由曲线分离的额定电流Ik=444.5A时的堵转功率pk=141.39 kW，堵转试验电压Uk=1 024.7 V。

5 试验结果分析

现得出了电机等值电路参数的具体数值，下面分析一下电机在启动、空载及额定工况时的转子电流的变化情况，如图6所示。为简化计算，忽略励磁回路的阻抗Zm图中虚线部分。

计算结果列入表5。

到了这一步，就通过电机的等值电路，计算出折算后的异步绕线电机转子回路的电流。有人可能会问，电机转子回路的实际电流到底是多少呢？经过多方查阅资料，终于找到了答案，现叙述如下：

代入数值，得

可认为时的相电压、相电流、三相短路功率（Y接法）。

表3 三相异步电动机堵转实验数据

根据异步绕线电机的空载、堵转试验结果，电机等值电路中定子、转子、励磁回路的阻抗计算结果如表4，对大、中型异步电机，为简化计算，电压折算比：

电流折算比：

其中m1是定子绕组的相数，一般情况m1=3；m2是转子绕组的相数，只有绕线式异步电动机转子绕组是三相，鼠笼式异步电动机转子绕组一般不是三相，而是m2相。

所以对于绕线式异步电机有：

代入数值，额定工况下

I1=I2′=444.5 A，转子电流I2=I2′·ki=444.5× 1.86=826.8 A（由于忽略了电机的励磁电流，转子电流的计算值偏大）。

图5 电机的堵转特性曲线

表4 计算结果

图6 转子电流的变化情况

电机的空载、堵转试验，计算出了电机等值电路的参数，通过分析和比较，可以得出下列结论：

（1）绕线式异步电动机转子额定电流是电机在额定工况下的实际工作电流，不是电机启动时的启动电流；

表5 计算结果

（2） 绕线式异步电动机转子电流变化规律是：电机启动时转子电流最大，约为转子额定电流的4～7倍；电机空载运行时，s≈0，转子电流几乎为零，转子回路相当于开路；电机额定负载时，s≈0.015～0.060，转差率s越大（电机转速越低），转子电流也越大。

（3） 工程实践时可以用定子侧的电流I1来估算转子侧电流I2=I1·ki，ki为电机的额定相电压与转子开路相电压之比（注意电机的绕组接法）。

（4） 由于绕线式异步电动机在额定工况下转子电流约为转子的额定电流，所以转子电缆的截面大小须按电机转子侧的额定电流来选择，不能按转子的额定电流的1/3或1/2进行选择。

总之，大型绕线电机作为水泥厂磨机、辊压机、风机等核心工艺设备的驱动设备，准确无误地掌握电机的启动、空载、额定工况下电机定子、转子回路的电压、电流、频率、转差率、功率因数等参数的变化规律，对电机转子电缆的选择、电机设备故障分析及维护有着非常重要的实际意义。

[1] 李发海,王岩. 电机与拖动基础[M] . 北京: 清华大学出版社, 2010.

[2] GB/T1032-2005, 三相异步电动机试验方法[S].

2015-03-20）

TQ 72.8;TM3

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008-0473(20 5)04-0056-06

0. 6008/j.cnki. 008-0473.20 5.04.0 5