某閘門啟閉機(jī)串電阻啟動(dòng)平均電流校驗(yàn)及探討

鐘國(guó)梁，占華，戴睿，方國(guó)參，盧帆興，李明輝

（1.江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，江西贛州341000；2.上饒中材機(jī)械有限公司，江西上饒334000；3.上猶縣陡水鎮(zhèn)上猶江水電廠，江西上猶341212）

某閘門啟閉機(jī)串電阻啟動(dòng)平均電流校驗(yàn)及探討

鐘國(guó)梁1，占華2，戴睿1，方國(guó)參3，盧帆興1，李明輝1

（1.江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，江西贛州341000；2.上饒中材機(jī)械有限公司，江西上饒334000；3.上猶縣陡水鎮(zhèn)上猶江水電廠，江西上猶341212）

電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)設(shè)計(jì)問題因涉及面廣、專業(yè)性強(qiáng)而成為電氣專業(yè)人員常研究的課題。結(jié)合具體工程實(shí)踐，參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)設(shè)計(jì)手冊(cè)，利用科學(xué)計(jì)算軟件，對(duì)某閘門啟閉機(jī)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，側(cè)重點(diǎn)在于電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)平均電流的計(jì)算及電動(dòng)機(jī)選型。探討了繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)平均電流工程計(jì)算方法，分析計(jì)算了啟動(dòng)平均電流及啟動(dòng)時(shí)間與轉(zhuǎn)子所串電阻的關(guān)系，所得結(jié)論與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)相符。

閘門啟閉機(jī)；串電阻啟動(dòng)；啟動(dòng)平均電流；啟動(dòng)時(shí)間；冶金起重電動(dòng)機(jī)

1 引言

繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)串電阻啟動(dòng)是電動(dòng)機(jī)重載啟動(dòng)設(shè)計(jì)常見的方式，相關(guān)教科書及設(shè)計(jì)手冊(cè)對(duì)這個(gè)問題也常有涉及，因技術(shù)條件的限制側(cè)重點(diǎn)在啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的校驗(yàn)，對(duì)電動(dòng)機(jī)能否直接啟動(dòng)及對(duì)配電網(wǎng)的影響往往只能依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式校驗(yàn)［1］。隨著電機(jī)拖動(dòng)技術(shù)在各行業(yè)的廣泛應(yīng)用及電動(dòng)機(jī)容量的加大，限制電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流，減少啟動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊成為工程設(shè)計(jì)中不得不考慮的問題。

我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《通用用電設(shè)備配電設(shè)計(jì)規(guī)范 GB 50055—2011》中第2.2.4（1）條有這樣的規(guī)定“啟動(dòng)電流平均值不宜超過電動(dòng)機(jī)額定電流的2倍或制造廠的規(guī)定值”［2］。很明顯為保證配電網(wǎng)及電動(dòng)機(jī)自身的使用安全，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)采用了“啟動(dòng)平均電流”這一概念并且將其作為電機(jī)啟動(dòng)設(shè)計(jì)的一個(gè)指標(biāo)進(jìn)行量化。那么在工程設(shè)計(jì)中如何計(jì)算啟動(dòng)平均電流，以及如何應(yīng)用這一國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)條款指導(dǎo)繞線轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)串電阻重載啟動(dòng)設(shè)計(jì)，這是本論文所要研究和探討的問題。

2 啟動(dòng)平均電流及時(shí)間的計(jì)算

繞線轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)Τ型等值電路相對(duì)復(fù)雜，在工程設(shè)計(jì)及研究分析中，通常采用簡(jiǎn)化等值電路及實(shí)用機(jī)械特性表達(dá)式［3］。電動(dòng)機(jī)重載啟動(dòng)設(shè)計(jì)除啟動(dòng)電流要符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)外，啟動(dòng)時(shí)間通常要滿足設(shè)計(jì)要求（頻繁啟動(dòng)的場(chǎng)合啟動(dòng)時(shí)間過長(zhǎng)生產(chǎn)效率低）。下面就繞線轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)串電阻啟動(dòng)的“啟動(dòng)平均電流”及“啟動(dòng)時(shí)間”的計(jì)算問題進(jìn)行分析，為使論述簡(jiǎn)單采用串電阻一級(jí)啟動(dòng)。

2.1 啟動(dòng)簡(jiǎn)化等值電路及平均電流求法

電機(jī)啟動(dòng)簡(jiǎn)化等值電路如圖1所示，s為電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率，該值在啟動(dòng)過程中不斷發(fā)生變化。作為工程設(shè)計(jì)先假設(shè)定子繞組相電壓U1在啟動(dòng)過程中保持不變（實(shí)際往往是變化且低于額定值的）。

圖1 電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)等值電路圖Fig.1 Diagram of starting motor equivalent circuit

依據(jù)等值電路圖可求得啟動(dòng)電流的表達(dá)式為

由于s在啟動(dòng)過程中是不斷變化的，啟動(dòng)平均電流的表達(dá)式為

由式（2）可知只要知道轉(zhuǎn)差率s的上下限，借助Matlab軟件求被積函數(shù)的定積分［4］，可算出平均啟動(dòng)電流。

2.2 串電阻啟動(dòng)轉(zhuǎn)差率s上下限的求法

求s上下限如圖2所示。電動(dòng)機(jī)串電阻啟動(dòng)機(jī)械特性為曲線A，電動(dòng)機(jī)固有機(jī)械特性為曲線B，繞線轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)串電阻啟動(dòng)最大電磁轉(zhuǎn)矩Tm不變，改變的只是最大電磁轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)差率sm。通常為充分利用電機(jī)的啟動(dòng)能力，繞線轉(zhuǎn)子電機(jī)串電阻一級(jí)啟動(dòng)將啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩設(shè)計(jì)為電機(jī)的最大電磁轉(zhuǎn)矩Tm，此時(shí)對(duì)應(yīng)的sm=1，由式（4）可得串電阻啟動(dòng)機(jī)械特性表達(dá)式。電機(jī)固有機(jī)械特性對(duì)應(yīng)的sm值可由下式求取：

圖2 串電阻啟動(dòng)機(jī)械特性圖Fig.2 Diagram of series resistance starting mechanical properties

式中：λM為電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)。

電機(jī)的機(jī)械特性實(shí)用表達(dá)式：

電動(dòng)機(jī)串電阻啟動(dòng)時(shí)sm=1，如下式：

計(jì)算出轉(zhuǎn)子側(cè)折算到定子側(cè)的總電阻值，帶入式（1）可得啟動(dòng)電流I(s)的表達(dá)式。

對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載為加快啟動(dòng)過程，通常在1.2TL作為切換點(diǎn)，電機(jī)由串電阻啟動(dòng)跳到固有機(jī)械特性繼續(xù)啟動(dòng)運(yùn)行，通過聯(lián)解電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性與負(fù)載機(jī)械特性方程可以求出切換點(diǎn)b及穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)d。顯然電機(jī)的啟動(dòng)平均電流由兩部分組成：一部分為串電阻的啟動(dòng)平均電流其s上=1 s下=sb，依據(jù)式（2）計(jì)算的平均啟動(dòng)電流為；另一部分為固有機(jī)械特性的啟動(dòng)平均電流其s上=sb=sc，s下=sd，依據(jù)式（2）計(jì)算的平均啟動(dòng)電流為

2.3 帶載啟動(dòng)時(shí)間的計(jì)算

依據(jù)電機(jī)拖動(dòng)運(yùn)動(dòng)方程式：

可推導(dǎo)出啟動(dòng)時(shí)間的計(jì)算公式：

當(dāng)s下=1，s上=sb，借助Matlab軟件求被積函數(shù)的定積分，可求出從a點(diǎn)到b點(diǎn)的串電阻啟動(dòng)時(shí)間t1；當(dāng)s下=sb=sc，s上=sd同樣可借助Matlab軟件求被積函數(shù)的定積分，求出從c點(diǎn)到d點(diǎn)的固有機(jī)械特性啟動(dòng)時(shí)間t2（理論計(jì)算t2值是無(wú)窮大的，實(shí)際可采用e點(diǎn)作為固有機(jī)械特性曲線啟動(dòng)終止點(diǎn)，解方程可得se=0.05）。

3 工程設(shè)計(jì)應(yīng)用舉例及分析

某閘門啟閉機(jī)啟閉速度設(shè)計(jì)為0.9m/s，啟動(dòng)時(shí)間要求不超過5 s，經(jīng)分析選用電機(jī)型號(hào)YZR250M1-8，電機(jī)參數(shù)查閱《鋼鐵電力企業(yè)設(shè)計(jì)手冊(cè)》在工作制為S3負(fù)載率為40%的基準(zhǔn)下為：PN=30kW，r1=0.15Ω，x1=0.24Ω，r′2=0.13Ω，，n1=750r/min，nN=720r/min，IN= 67.4 A，TN=398N·m，λM=2.6，=1.79，折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL=415N·m，系統(tǒng)總的飛輪矩為GD2=989N·m2，設(shè)計(jì)并校驗(yàn)該電動(dòng)機(jī)串電阻啟動(dòng)。

按前面介紹的設(shè)計(jì)思路，利用式（3）～式（4）可求得sb=sc=0.26，sd=0.04。依據(jù)式（5）可求得，所串電阻折算值0.5Ω。

定子相電壓U1=220 V，依據(jù)所求得的切換點(diǎn)的轉(zhuǎn)差率及電阻值可求得兩段平均電流分別為

依據(jù)式（7）可推導(dǎo)出從a點(diǎn)到b點(diǎn)，及從c點(diǎn)到e點(diǎn)的啟動(dòng)時(shí)間分別為

為便于分析，掌握啟動(dòng)平均電流及啟動(dòng)時(shí)間的變化規(guī)律，在切換負(fù)載線1.2TL及飛輪矩GD2不變的情況下，通過改變串電阻的阻值來(lái)改變sm的值，從而改變電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)機(jī)械特性曲線，分析計(jì)算數(shù)據(jù)見表1，可以得出以下結(jié)論。

1）一級(jí)串電阻啟動(dòng)情況下，sm=1所串電阻的阻值使得2個(gè)啟動(dòng)平均電流較為接近，啟動(dòng)時(shí)間也較為理想。當(dāng)電阻偏小時(shí)會(huì)增加，啟動(dòng)時(shí)間減少不明顯；當(dāng)電阻偏大時(shí)，會(huì)增加，啟動(dòng)時(shí)間增加。

3）轉(zhuǎn)子電阻的阻值折算到定子側(cè)的阻值變化0.13Ω左右，啟動(dòng)電流平均值就呈現(xiàn)了較大的變化，轉(zhuǎn)子實(shí)際阻值還要除以1.79（變比的平方ke2）。所以，轉(zhuǎn)子串電阻啟動(dòng)設(shè)計(jì)要求轉(zhuǎn)子電阻阻值計(jì)算準(zhǔn)確性高、轉(zhuǎn)子電阻材料熱穩(wěn)定性好，啟動(dòng)電阻器自身成本也較高。

表1 調(diào)整串電阻的阻值啟動(dòng)平均電流及啟動(dòng)時(shí)間分析表Tab.1 Adjustment series resistance change on the average starting current and starting time analysis table

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)總結(jié)如下。

1）注意應(yīng)用場(chǎng)合，閘門啟閉機(jī)為電動(dòng)機(jī)不頻繁啟動(dòng)的重載啟動(dòng)應(yīng)用場(chǎng)合，如果是頻繁啟動(dòng)的應(yīng)用場(chǎng)合建議參閱相關(guān)的設(shè)計(jì)手冊(cè)。本論文的設(shè)計(jì)案例如果參考《鋼鐵企業(yè)電力設(shè)計(jì)手冊(cè)》至少需采用兩級(jí)串電阻啟動(dòng)［6］，而本設(shè)計(jì)一級(jí)串電阻啟動(dòng)設(shè)計(jì)就可符合要求，且設(shè)計(jì)更加緊湊、合理，運(yùn)行更加可靠。

2）注意電動(dòng)機(jī)的選型，本設(shè)計(jì)采用的是冶金起重特種電機(jī)，過載及繞組絕緣耐熱能力強(qiáng)，和普通繞線異步電動(dòng)機(jī)性能參數(shù)不同。

3）本設(shè)計(jì)是在假設(shè)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電壓不變的情況下分析驗(yàn)算的，實(shí)際電壓會(huì)有波動(dòng)，要注意電動(dòng)機(jī)供配電源及設(shè)備的選型使啟動(dòng)電壓波動(dòng)控制在工程允許的范圍內(nèi)。

電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)問題是個(gè)復(fù)雜的問題，涉及到配電網(wǎng)、電機(jī)選型、啟動(dòng)裝置、設(shè)計(jì)要求及應(yīng)用場(chǎng)合多方面問題的交叉融合。通過本論文的研究可以發(fā)現(xiàn)，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《通用用電設(shè)備配電設(shè)計(jì)規(guī)范 GB 50055—2011》提出了繞線轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)平均電流限制的串電阻啟動(dòng)的設(shè)計(jì)要求，但在電機(jī)試驗(yàn)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)里還沒有電機(jī)能承受多大啟動(dòng)平均電流的試驗(yàn)［7］，這在一定程度上會(huì)給電機(jī)選型及啟動(dòng)設(shè)計(jì)造成困難。由于技術(shù)在不斷的進(jìn)步，具體問題需具體分析，設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)結(jié)論僅供同行參考。

［1］天津電氣傳動(dòng)設(shè)計(jì)研究所.電氣傳動(dòng)自動(dòng)化技術(shù)手冊(cè)［M］.第3版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

［2］GB 50055—2011.通用用電設(shè)備配電設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2002.

［3］林瑞光.電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)［M］.第3版.杭州：浙江大學(xué)出版社，2002.

［4］馮衛(wèi)兵.數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)［M］.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2010.

［5］GB/T 21975—2008.起重及冶金用三相異步電動(dòng)機(jī)可靠性試驗(yàn)方法［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

［6］鋼鐵企業(yè)電力設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì).鋼鐵企業(yè)電力設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1996.

［7］GB/T 1032—2012.三相異步電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)方法［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.

Gate Hoist Series Resistance Starting of Average Current Check and Discussion

ZHONG Guo-liang1，ZHAN Hua2，DAI Rui1，F(xiàn)ANG Guo-can3，LU Fan-xing1，LI Ming-hui1
（1.Applied Science Institute，Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou 341000，Jiangxi，China；2.Shangrao Sinoma Machinery Co.，Ltd.，Shangrao 334000，Jiangxi，China；3.Shangyou County Town of Steep Water Shangyoujiang Hydropower Plant，Shangyou 341212，Jiangxi，China）

Motor starting design problems due to the wide range，strong professional often become electrical professionals research topic.Combining with specific engineering practice，referencing to national standards and related design manual，using scientific computing software，a gate hoist starting design analysis was offered，focus lies in the motor starting average current calculation and motor selection.discussed the wound rotor asynchronous motor starting average current engineering calculation method，analysed the starting average current and starting time series with rotor resistance，the conclusion is consistent with the actual operation data.Because technology continues to progress，and the specific problems need concrete analysis，the design experience and related conclusion is only for the colleague reference.

gate hoist；series resistance starting；starting average current；start time；metallurgy lifting motor

TM11

A

2013-11-20

修改稿日期：2014-11-05

江西理工大學(xué)質(zhì)量工程核心課程“電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)”項(xiàng)目（XZG-11-03-50）；江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院科研基金項(xiàng)目（YKL-14-03-3）

鐘國(guó)梁（1976-），男，碩士研究生，講師，Email：zhongguoliang@sohu.com