電動(dòng)機(jī)輸入電壓運(yùn)行分析

韓宏飛

（1.華北電力大學(xué)，北京102206；2.陜西榆林供電局，陜西 榆林 719000）

電動(dòng)機(jī)輸入電壓運(yùn)行分析

韓宏飛1，2

（1.華北電力大學(xué)，北京102206；2.陜西榆林供電局，陜西 榆林 719000）

電力系統(tǒng)對(duì)用戶電壓合格范圍的規(guī)定是：6～10kV為±7%；380V為+10%、-20%。那么，對(duì)于用戶而言，究竟在什么范圍內(nèi)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行較經(jīng)濟(jì)，這是一個(gè)值得探討的問(wèn)題。

1 電動(dòng)機(jī)損耗計(jì)算

一般認(rèn)為電壓高一些較好，因此多數(shù)用戶將自己的母線電壓調(diào)到1.0～1.1倍的額定電壓（Ue），以為這樣最好用，也較放心。那么這樣做的結(jié)果，是對(duì)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行是有利？還是比較經(jīng)濟(jì)？我們通過(guò)試驗(yàn)來(lái)回答這個(gè)問(wèn)題。

1.1 電動(dòng)機(jī)鐵損計(jì)算分析

筆者曾對(duì)一臺(tái)JR114-4繞線型轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)壓試驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 電動(dòng)機(jī)空載調(diào)壓試驗(yàn)表Tab.1 Motor no-load voltage regulation testing table kW

目前各生產(chǎn)廠家的電動(dòng)機(jī)，其合格電壓范圍均在額定電壓范圍內(nèi)。若超過(guò)額定電壓損耗就迅速增加，特別是空載損耗增加得更為迅速。

一般認(rèn)為，定子鐵損PFe與電壓的平方成正比

然而，試驗(yàn)數(shù)據(jù)就不完全符合式（1）的情況。特別是當(dāng)電壓超過(guò)額定值時(shí)，運(yùn)行中的異步電動(dòng)機(jī)鐵損就大幅度增加。

圖1為JR114-4電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行曲線，當(dāng)電壓從1.1倍額定電壓值降至0.95倍額定電壓值時(shí)其鐵損值為

圖1 JR114-4電動(dòng)機(jī)空載曲線圖Fig.1 JR114-4Motor no-load curve

按式（1）計(jì)算，則為

顯然，按式（1）所得數(shù)值偏小，但按照4次方關(guān)系計(jì)算，則為

這一數(shù)值與實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)相似，說(shuō)明鐵損差值與電壓的4次方之差成正比關(guān)系（近似）。

圖2為YK3200-2/118高速電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行曲線。由該曲線得出，當(dāng)電壓由1.1倍額定電壓值降為0.95倍額定電壓值時(shí)，其鐵損差值為

若按式（1）計(jì)算，則為

此值顯然偏小。若按3次方計(jì)算，則為

圖2 YK3200-2/1180電動(dòng)機(jī)空載曲線圖Fig.2 YK3200-2/1180Motor no-load curve

這一計(jì)算值小于實(shí)際數(shù)值，但大于電壓平方之差與額定電壓鐵損乘積。由此可見(jiàn)鐵損差值與電壓已超過(guò)平方關(guān)系。根據(jù)實(shí)驗(yàn)和有關(guān)資料介紹，電動(dòng)機(jī)鐵損的大小與電壓的0.25～4次方成正比。同時(shí)可以看出，要想確定ΔPFe值，應(yīng)該從實(shí)驗(yàn)中得出。

1.2 電動(dòng)機(jī)銅耗計(jì)算

電動(dòng)機(jī)的端電壓降低后，在一定的負(fù)荷下其定子銅耗應(yīng)當(dāng)增加，定子銅耗決定于定子電流的平方，其損耗差值按式（2）確定

式中，PCuH為額定電流下的定子銅耗；I1、I2為偏離額定值的定子電流。

當(dāng)負(fù)載一定時(shí)，按照一般規(guī)律，隨著電壓的降低，電動(dòng)機(jī)的電流將增大，因此銅耗也增加。然而事實(shí)并非如此，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)得知，隨著電壓的降低，定子電流增加的速度逐漸減慢。當(dāng)電壓降到一定數(shù)值時(shí)，定子電流變化非常微小。這種現(xiàn)象對(duì)于不同的電動(dòng)機(jī)表現(xiàn)不同。其共同特點(diǎn)是，有一個(gè)特定電壓和臨界負(fù)載功率。在此負(fù)載功率點(diǎn)，電壓不同，而電流相等。臨界負(fù)載功率有大有小，有的電動(dòng)機(jī)臨界負(fù)載功率就是額定功率。即在額定負(fù)載功率點(diǎn)，電壓降低，而電流不變。有的電動(dòng)機(jī)在臨界功率點(diǎn)，隨著電壓降低，定子電流反而減小。因而，電動(dòng)機(jī)銅耗差值ΔPCu在電壓降低時(shí)，可以是正值，也可以是負(fù)值或等于0。

1.3 轉(zhuǎn)差率損耗計(jì)算

電動(dòng)機(jī)取決于機(jī)械特性的損耗為轉(zhuǎn)差率的損耗，這種損耗產(chǎn)生于轉(zhuǎn)子之中。由于轉(zhuǎn)子的銅耗正比于電動(dòng)機(jī)的額定軸功率與轉(zhuǎn)差率，因此損耗為：

式中，PH為電動(dòng)機(jī)的額定功率；β為電動(dòng)機(jī)的負(fù)載率；S1、S2為電動(dòng)機(jī)在不同負(fù)載情況下的轉(zhuǎn)差率。

當(dāng)電壓降低時(shí)，一般S1＜S2，故ΔPP值常為負(fù)值。這是由于當(dāng)電壓降低時(shí)，電動(dòng)機(jī)的頻率必然有所降低，這樣將會(huì)影響到具有確定特性的機(jī)械工作。

1.4 短路附加損耗計(jì)算

電動(dòng)機(jī)的短路附加損耗，一般按0.5%額定功率選取。當(dāng)負(fù)載不同于額定值時(shí)，它正比于定子電流的平方，即

ΔPf數(shù)值在電壓降低的情況下，與ΔPCu的性質(zhì)一樣，可以是正的，也可以是負(fù)的或0。

1.5 無(wú)功損耗計(jì)算

當(dāng)電動(dòng)機(jī)的輸入電壓降低時(shí)，其所消耗的無(wú)功功率Q也將減小。一般無(wú)功功率的經(jīng)濟(jì)當(dāng)量KQ在0.002～0.008kW/（kV·A），則無(wú)功損耗差為

由于電壓降低時(shí)，一般Q1＜Q2，故ΔPQ將是正的。

2 電動(dòng)機(jī)損耗計(jì)算公式

在上節(jié)討論的基礎(chǔ)上，可以總結(jié)出，在電壓降低的情況下，各種損耗差值可以用式（6）表示式（6）中第3項(xiàng)，對(duì)于具有恒定阻力短機(jī)械的電動(dòng)機(jī)而言取正號(hào)，對(duì)具有風(fēng)機(jī)型阻力短的取負(fù)號(hào)。

由式（6）可以看出，當(dāng)電壓降低時(shí)，電動(dòng)機(jī)的定子電流有可能是減小的。若式（6）中的各項(xiàng)均為正值，則PZ值越大。這時(shí)，由于電壓降低而得到的經(jīng)濟(jì)效益也就越大。

由于降低電壓所得到的相對(duì)經(jīng)濟(jì)效率可以表示為：

式中，η為電動(dòng)機(jī)效率。

3 電動(dòng)機(jī)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)分析

現(xiàn)在以JR114-4電動(dòng)機(jī)、YK3200-2/1180水泵電動(dòng)機(jī)為例，用以上公式進(jìn)行計(jì)算，試驗(yàn)電動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行效果。

3.1 JR114-4電動(dòng)機(jī)

PH=115kW；η=91%；工作負(fù)載0.75PH；當(dāng)電動(dòng)機(jī)從1.1Ue變到0.95Ue時(shí)，電動(dòng)機(jī)電流從0.69IH～0.74IH；無(wú)功功率減小19kV·A；轉(zhuǎn)差率從0.00284增加到0.00385；KQ=0.006kW/（kV·A）；額定銅耗PCuH=0.71kW。該電動(dòng)機(jī)為風(fēng)機(jī)動(dòng)力。

從圖1中找到ΔPFe=0.73kW，則

若每kW·h以0.4元計(jì)算，該機(jī)組每年運(yùn)行7500h，則年節(jié)約電費(fèi)為0.83×0.4×7500=2490（元）。

3.2 YK3200-2/1180水泵電動(dòng)機(jī)

PH=3200kW；η=95%；工作負(fù)載0.72PH；當(dāng)電動(dòng)機(jī)從1.1Ue變到0.95Ue時(shí)，電動(dòng)機(jī)電流從0.672IH增加到0.739IH；無(wú)功功率減小311kV·A；轉(zhuǎn)差率從0.00283增加到0.00381；KQ=0.006kW/（kV·A）；額定銅耗PCuH=17.56kW。

從圖2中找到ΔPFe=16.8kW，則

年節(jié)約電費(fèi)約為17.75×0.4×7500=53250（元）。

通過(guò)對(duì)各類電動(dòng)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，各種電動(dòng)機(jī)在允許降低電壓的情況下，損耗均有所降低，電動(dòng)機(jī)在0.95Ue運(yùn)行情況下，損耗降低幅度相對(duì)較大。特別是鼓風(fēng)機(jī)、水泵類，降損更顯著。通常，對(duì)鼓風(fēng)機(jī)的ΔPZ降低4%，則δη便可增加3.5倍。

4 結(jié)論

用戶可以在輸入電壓允許變化的范圍內(nèi)，合理調(diào)整電動(dòng)機(jī)的輸入電壓，可以降低電動(dòng)機(jī)損耗，提高電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率。從電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)看出，電動(dòng)機(jī)在0.95Ue下運(yùn)行最經(jīng)濟(jì)。

除電動(dòng)機(jī)輸入電壓外，影響電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的外部因素還有系統(tǒng)電網(wǎng)電源的頻率、諧波含量等，但電動(dòng)機(jī)輸入電壓的大小是影響電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的基礎(chǔ)因素。各廠礦、農(nóng)村在各級(jí)電壓運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)，其輸入電壓最合理是在0.95～1.0Ue范圍內(nèi)。對(duì)于降低起動(dòng)的電動(dòng)機(jī)，在選定起動(dòng)電壓時(shí)，應(yīng)考慮電源電壓降低的幅度，以防電動(dòng)機(jī)因電壓較低而起動(dòng)困難。

[1]趙家禮.低壓三相異步電動(dòng)機(jī)修理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2010.

[2]周立，張龍.電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2006.

[3]才家剛.電機(jī)使用與維修技術(shù)問(wèn)答[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2009.

[4]李圣年.潛水電泵與泵用電動(dòng)機(jī)修理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[5]程浩忠，吳浩.電力系統(tǒng)無(wú)功與電壓穩(wěn)定性[M].北京：中國(guó)電力出版社，2004.

[6]齊任民，楚富洲.電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定與控制實(shí)用技術(shù)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2004.

Operation Analysis of Motor Input Voltage

HAN Hong-fei1,2
（1.NorthChineElectricUniversity，Beijing102206,China；2.ShaanxiYulinPowerSupplyBureau，Yulin719000，ShaanxiProvince,China）

In this paper,test results of the input of the motor voltage regulator are analyzed to find out the law of motor operation with changes of the voltage input and the law of loss changes,and to obtain the energy-saving formula and determine the voltage range for the economical operation of motors and other precautions for the operation.Through repeated tests and quantitative analyses of the loss differences,it is concluded that the most efficient operation with the minimum loss should be that the motor operates at 0.95times of the rated voltage.

motor;input voltage;no-load;economics

通過(guò)對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行輸入電壓調(diào)節(jié)試驗(yàn)分析，尋找電動(dòng)機(jī)隨著輸入電壓的變化，其損耗變化的規(guī)律，得出節(jié)電計(jì)算公式，確定電動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的電壓范圍及注意事項(xiàng)。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)與損耗差值定量分析，得出一般電動(dòng)機(jī)在0.95倍額定電壓下運(yùn)行最經(jīng)濟(jì)，損耗最小。

電動(dòng)機(jī)；輸入電壓；空載；經(jīng)濟(jì)性

1674-3814（2011）12-0081-03

TM 343

A

2011-02-05。

韓宏飛（1973—），男，華北電力大學(xué)在職碩士研究生，高級(jí)工程師，從事規(guī)劃基建部工作。

（編輯 董小兵）