屏蔽電動(dòng)機(jī)運(yùn)行性能分析

紀(jì)繁祥，吳慶廣

(1 哈爾濱工程大學(xué)核安全與仿真技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱150001;2 中國石油吉林石化公司乙二醇廠，吉林吉林132021)

0 引言

屏蔽電動(dòng)機(jī)由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，所驅(qū)動(dòng)的負(fù)載主要是風(fēng)機(jī)、水泵等離心式機(jī)械負(fù)載，屬于平方降轉(zhuǎn)矩負(fù)載，此種負(fù)載在調(diào)速過程中要求電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的平方成比例增減，因此，屏蔽電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)運(yùn)行過程與其負(fù)載的機(jī)械時(shí)間常數(shù)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等參數(shù)有直接的關(guān)系。為了正確的選擇電動(dòng)機(jī)，特別是為了保證屏蔽電動(dòng)機(jī)能夠順利起動(dòng)并保證起動(dòng)停止時(shí)間符合工程實(shí)際要求，需要計(jì)算屏蔽電動(dòng)機(jī)機(jī)組機(jī)械時(shí)間常數(shù)和阻力矩、惰行時(shí)間和起動(dòng)時(shí)電流有效值等參數(shù)，現(xiàn)就這些參數(shù)的求法作如下解析。

1 屏蔽電動(dòng)機(jī)惰行曲線

屏蔽電動(dòng)機(jī)惰行時(shí)的動(dòng)力矩只包含阻力力矩，也就是當(dāng)以標(biāo)幺值表示時(shí)得出

式中，m0—?jiǎng)恿貥?biāo)幺值(動(dòng)力矩/電動(dòng)機(jī)額定力矩);mc—阻力矩標(biāo)幺值(阻力矩/電動(dòng)機(jī)額定力矩)。

則屏蔽電動(dòng)機(jī)的惰行時(shí)間的標(biāo)幺值為

式中，ta—屏蔽電動(dòng)機(jī)的惰行時(shí)間的標(biāo)幺值;v—屏蔽電動(dòng)機(jī)的惰行轉(zhuǎn)速，r/min;mc'—初始的阻力矩標(biāo)幺值(阻力矩/電動(dòng)機(jī)額定力矩)。

取v1=vn(電機(jī)額定轉(zhuǎn)數(shù))和v(電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速)解方程式(2)最終得出

具有離心式機(jī)械負(fù)載的屏蔽電動(dòng)機(jī)機(jī)組在不同的標(biāo)幺值起始力矩mc'時(shí)惰行時(shí)間的標(biāo)幺值對(duì)轉(zhuǎn)速的標(biāo)幺值的關(guān)系曲線，見圖1。

圖1 不同阻力下的惰轉(zhuǎn)曲線

2 逸轉(zhuǎn)和惰行時(shí)間的求法

如果屏蔽電動(dòng)機(jī)的力矩超過機(jī)組阻力力矩，那么電動(dòng)機(jī)加速率為正，而轉(zhuǎn)速將增加，或者逸轉(zhuǎn)，如果屏蔽電動(dòng)機(jī)的力矩小于阻力力矩，那么加速率為負(fù)而轉(zhuǎn)速減少電動(dòng)機(jī)惰行。求逸轉(zhuǎn)時(shí)間最簡(jiǎn)單的方法是圖解法，為此我們畫出如圖2 所示的在規(guī)定電壓的電動(dòng)機(jī)的力矩以及阻力力矩對(duì)滑差的關(guān)系曲線，力矩都以額定力矩的百分?jǐn)?shù)表示。

然后求等于電動(dòng)機(jī)力矩和阻力矩之差的加速力矩，并把加速力矩曲線分成一系列的矩形mc1、mc2等，則逸轉(zhuǎn)和惰行曲線按下式計(jì)算

當(dāng)逸轉(zhuǎn)時(shí)△s 為負(fù)，而m2為負(fù);當(dāng)惰行時(shí)△s為正，而mc為負(fù)(見圖2)。

圖2 逸轉(zhuǎn)時(shí)間的求法

3 機(jī)械時(shí)間常數(shù)和阻力矩的求法

屏蔽電動(dòng)機(jī)的機(jī)械時(shí)間常數(shù)是極為重要的參數(shù)，它可以全面標(biāo)示出電動(dòng)機(jī)機(jī)組的特性，并決定著屏蔽電動(dòng)機(jī)在惰行和啟動(dòng)時(shí)的性能。屏蔽電動(dòng)機(jī)的機(jī)械時(shí)間常數(shù)計(jì)算公式見公式(3)

式中，Ta—機(jī)械時(shí)間常數(shù);PN—電動(dòng)機(jī)額定功率(kW);GD2—電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kgm2);n0—電動(dòng)機(jī)空載轉(zhuǎn)速(r/min)。

從式(3)可見，為了求取屏蔽電動(dòng)機(jī)機(jī)組的機(jī)械時(shí)間常數(shù)，必須知道電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)數(shù)和額定功率，以及電動(dòng)機(jī)和機(jī)械負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，當(dāng)求總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意到，當(dāng)機(jī)械負(fù)載的額定轉(zhuǎn)數(shù)不同于屏蔽電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)數(shù)時(shí)，機(jī)械負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量應(yīng)當(dāng)按式(4)換算為屏蔽電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)數(shù)下的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

機(jī)械時(shí)間常數(shù)可以按惰行曲線用試驗(yàn)方法獲得，在切斷瞬間，即t=0 當(dāng)時(shí)，在圖1 中，引至惰行曲線的切線截切于橫軸(時(shí)間軸)的截段，等于當(dāng)時(shí)間t=0 時(shí)機(jī)械時(shí)間常數(shù)對(duì)標(biāo)幺值過剩力矩之比。假如電動(dòng)機(jī)在切斷前以額定負(fù)載運(yùn)行，那么被切線在時(shí)間軸上所切割的線段等于機(jī)械時(shí)間常數(shù)。用這種方法同時(shí)也可決定阻力力矩的特性。

4 起動(dòng)時(shí)電流有效值求法

在選擇屏蔽電動(dòng)機(jī)時(shí)，可以大致求出屏蔽電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程中的電流有效值，對(duì)于鼠籠型屏蔽電動(dòng)機(jī)來說，可以略去轉(zhuǎn)子繞組電阻和電抗隨著滑差而變化的關(guān)系。屏蔽電動(dòng)機(jī)具有不大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，用以驅(qū)動(dòng)起始力矩不大的機(jī)械，特別是用于風(fēng)機(jī)、水泵等類機(jī)械。在圖3 中，畫出兩個(gè)臨界轉(zhuǎn)差值為0.1 和0.15 的屏蔽電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流對(duì)滑差的關(guān)系曲線。在圖4 中畫出對(duì)于具有離心泵式阻力力矩的機(jī)械開動(dòng)曲線，在作曲線時(shí)，取最大力矩對(duì)額定力矩之比等于2。

圖3 起動(dòng)電流對(duì)轉(zhuǎn)差率的關(guān)系曲線

圖4 起動(dòng)電流對(duì)時(shí)間的關(guān)系曲線和逸轉(zhuǎn)曲線

當(dāng)已知起動(dòng)電流對(duì)滑差的關(guān)系以及起動(dòng)滑差對(duì)時(shí)間的關(guān)系曲線，可以很容易的求得起動(dòng)電流對(duì)時(shí)間的關(guān)系。從圖4 中可見，對(duì)于具有臨界轉(zhuǎn)差率sm=0.15 的屏蔽電動(dòng)機(jī)，起動(dòng)時(shí)間內(nèi)的有效電流值等于0.925IK(IK—電機(jī)額定堵轉(zhuǎn)電流，不計(jì)入直流分量)，而對(duì)于具有sn=0.1 的屏蔽電動(dòng)機(jī)，則為0.935Ik。故對(duì)于屏蔽電動(dòng)機(jī)來說，在起動(dòng)時(shí)間內(nèi)的有效電流的平均值可以取為0.93Ik。

5 結(jié)語

屏蔽電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的負(fù)載為離心式機(jī)械負(fù)載，而所有離心式機(jī)械具有與轉(zhuǎn)數(shù)的平方成正比例變化的阻力力矩。自惰行曲線求得的起始阻力力矩，將永遠(yuǎn)小于電動(dòng)機(jī)靜止時(shí)的機(jī)械起始力矩，而由試驗(yàn)方法求得的屏蔽電動(dòng)機(jī)的相關(guān)特性與理論特性會(huì)有些區(qū)別，但對(duì)于極大多數(shù)的離心式機(jī)械，此種差別是不大的，有利于計(jì)算屏蔽電動(dòng)機(jī)機(jī)組機(jī)械時(shí)間常數(shù)和阻力矩、屏蔽電動(dòng)機(jī)惰行時(shí)間和起動(dòng)時(shí)電流有效值，并將計(jì)算結(jié)果加以應(yīng)用，為合理的選擇屏蔽電動(dòng)機(jī)提供了可靠的幫助。