屏蔽電動機運行性能分析

紀繁祥，吳慶廣

(1 哈爾濱工程大學核安全與仿真技術(shù)國防重點學科實驗室，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

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

1 屏蔽電動機惰行曲線

屏蔽電動機惰行時的動力矩只包含阻力力矩，也就是當以標幺值表示時得出

式中，m0—動力矩標幺值(動力矩/電動機額定力矩);mc—阻力矩標幺值(阻力矩/電動機額定力矩)。

則屏蔽電動機的惰行時間的標幺值為

式中，ta—屏蔽電動機的惰行時間的標幺值;v—屏蔽電動機的惰行轉(zhuǎn)速，r/min;mc'—初始的阻力矩標幺值(阻力矩/電動機額定力矩)。

取v1=vn(電機額定轉(zhuǎn)數(shù))和v(電機實際轉(zhuǎn)速)解方程式(2)最終得出

具有離心式機械負載的屏蔽電動機機組在不同的標幺值起始力矩mc'時惰行時間的標幺值對轉(zhuǎn)速的標幺值的關(guān)系曲線，見圖1。

圖1 不同阻力下的惰轉(zhuǎn)曲線

2 逸轉(zhuǎn)和惰行時間的求法

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

然后求等于電動機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算

當逸轉(zhuǎn)時△s 為負，而m2為負;當惰行時△s為正，而mc為負(見圖2)。

圖2 逸轉(zhuǎn)時間的求法

3 機械時間常數(shù)和阻力矩的求法

屏蔽電動機的機械時間常數(shù)是極為重要的參數(shù)，它可以全面標示出電動機機組的特性，并決定著屏蔽電動機在惰行和啟動時的性能。屏蔽電動機的機械時間常數(shù)計算公式見公式(3)

式中，Ta—機械時間常數(shù);PN—電動機額定功率(kW);GD2—電動機轉(zhuǎn)動慣量(kgm2);n0—電動機空載轉(zhuǎn)速(r/min)。

從式(3)可見，為了求取屏蔽電動機機組的機械時間常數(shù)，必須知道電動機的額定轉(zhuǎn)數(shù)和額定功率，以及電動機和機械負載的轉(zhuǎn)動慣量，當求總的轉(zhuǎn)動慣量時，應(yīng)當注意到，當機械負載的額定轉(zhuǎn)數(shù)不同于屏蔽電動機的額定轉(zhuǎn)數(shù)時，機械負載的轉(zhuǎn)動慣量應(yīng)當按式(4)換算為屏蔽電動機額定轉(zhuǎn)數(shù)下的轉(zhuǎn)動慣量。

機械時間常數(shù)可以按惰行曲線用試驗方法獲得，在切斷瞬間，即t=0 當時，在圖1 中，引至惰行曲線的切線截切于橫軸(時間軸)的截段，等于當時間t=0 時機械時間常數(shù)對標幺值過剩力矩之比。假如電動機在切斷前以額定負載運行，那么被切線在時間軸上所切割的線段等于機械時間常數(shù)。用這種方法同時也可決定阻力力矩的特性。

4 起動時電流有效值求法

在選擇屏蔽電動機時，可以大致求出屏蔽電動機起動過程中的電流有效值，對于鼠籠型屏蔽電動機來說，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。屏蔽電動機具有不大的起動轉(zhuǎn)矩，用以驅(qū)動起始力矩不大的機械，特別是用于風機、水泵等類機械。在圖3 中，畫出兩個臨界轉(zhuǎn)差值為0.1 和0.15 的屏蔽電動機的起動電流對滑差的關(guān)系曲線。在圖4 中畫出對于具有離心泵式阻力力矩的機械開動曲線，在作曲線時，取最大力矩對額定力矩之比等于2。

圖3 起動電流對轉(zhuǎn)差率的關(guān)系曲線

圖4 起動電流對時間的關(guān)系曲線和逸轉(zhuǎn)曲線

當已知起動電流對滑差的關(guān)系以及起動滑差對時間的關(guān)系曲線，可以很容易的求得起動電流對時間的關(guān)系。從圖4 中可見，對于具有臨界轉(zhuǎn)差率sm=0.15 的屏蔽電動機，起動時間內(nèi)的有效電流值等于0.925IK(IK—電機額定堵轉(zhuǎn)電流，不計入直流分量)，而對于具有sn=0.1 的屏蔽電動機，則為0.935Ik。故對于屏蔽電動機來說，在起動時間內(nèi)的有效電流的平均值可以取為0.93Ik。

5 結(jié)語

屏蔽電動機驅(qū)動的負載為離心式機械負載，而所有離心式機械具有與轉(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，將永遠小于電動機靜止時的機械起始力矩，而由試驗方法求得的屏蔽電動機的相關(guān)特性與理論特性會有些區(qū)別，但對于極大多數(shù)的離心式機械，此種差別是不大的，有利于計算屏蔽電動機機組機械時間常數(shù)和阻力矩、屏蔽電動機惰行時間和起動時電流有效值，并將計算結(jié)果加以應(yīng)用，為合理的選擇屏蔽電動機提供了可靠的幫助。