水泥廠異步繞線電機(jī)轉(zhuǎn)子回路電纜的選擇

張克帥

成都建筑材料工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610051

水泥廠異步繞線電機(jī)轉(zhuǎn)子回路電纜的選擇

張克帥

成都建筑材料工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610051

通過(guò)異步繞線電機(jī)的空載試驗(yàn)、堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算得出電機(jī)等值電路中定子、轉(zhuǎn)子及勵(lì)磁回路的阻抗，然后根據(jù)等值電路，分析不同的轉(zhuǎn)差率S下繞線電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組電流的變化規(guī)律，給轉(zhuǎn)子回路電纜的選擇、轉(zhuǎn)子的額定電流給出了明確的答案。

繞線電機(jī) 工作原理 空載試驗(yàn) 堵轉(zhuǎn)試驗(yàn) 等值電路 轉(zhuǎn)子電流 電流折算

0 引言

水泥廠許多大型設(shè)備，如水泥磨、輥壓機(jī)等設(shè)備的拖動(dòng)均采用繞線電機(jī)，而繞線電機(jī)一般采用液體電阻柜作為啟動(dòng)裝置，電機(jī)轉(zhuǎn)子至水電阻的電纜選擇是否合適，直接影響設(shè)備的安全、可靠、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行。對(duì)于繞線電機(jī)轉(zhuǎn)子回路電纜的選擇，觀點(diǎn)不一，有的認(rèn)為應(yīng)該按轉(zhuǎn)子額定電流的1/3選擇，有的認(rèn)為應(yīng)該按轉(zhuǎn)子額定電流的1/2選擇，有的認(rèn)為應(yīng)該按轉(zhuǎn)子額定電流選擇。本文結(jié)合繞線電機(jī)的工作原理、等值電路、空載、堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)參數(shù)等對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路電纜的選擇作詳細(xì)定量的分析，供讀者參考。

1 電機(jī)工作原理

三相交流異步電動(dòng)機(jī)一般由定子和轉(zhuǎn)子組成，如圖1所示。定子由鐵芯、定子繞組、機(jī)座組成。轉(zhuǎn)子由鐵芯、轉(zhuǎn)子繞組組成。我們知道，三相異步電動(dòng)機(jī)的定子繞組在定子鐵芯上是三相對(duì)稱(chēng)分布的，三相繞組互差120度角，當(dāng)三相定子繞組接入三相正弦交流電源時(shí)，定子繞組就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。閉合的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體將切割旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁力線而產(chǎn)生感應(yīng)電流，電流又與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁力偶，電磁力偶驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子沿旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向旋轉(zhuǎn)。如圖1所示，轉(zhuǎn)子回路切割旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，按右手定則，產(chǎn)生的電流方向見(jiàn)圖1。轉(zhuǎn)子電流導(dǎo)體按左手定則，產(chǎn)生圖1所示方向的力偶，使轉(zhuǎn)子在電磁力偶的作用下旋轉(zhuǎn)。

2 三相異步電機(jī)的電路模型分析

2.1 定子電路分析

感應(yīng)電機(jī)的電路模型如圖2所示，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度沿電機(jī)的氣隙近似按正弦規(guī)律分布，因此，通過(guò)定子繞組的磁通Φ也是隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化的，設(shè)Φ=Φm·sinω1t ，則定子每相繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：

圖1 電機(jī)的工作原理

圖2 電機(jī)的電路模型

代入得e=－N·ω·Φm·cosωt

ω=2πf

e=－N·2πf·Φm·cosωt =－Em·cosωt

=2πNfΦm/

其有效值為：

E=Em/=4.44NfΦm

按基爾荷夫電壓定理：

)

·X+(－

·R+j

=

2.2 轉(zhuǎn)子電路分析

如圖2所示，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在轉(zhuǎn)子每相繞組中感應(yīng)出的電動(dòng)勢(shì)為：其有效值為：E2=4.44N2f2Φm

按基爾荷夫電壓定理：

2=2·R2+j2·X2

其中f2為轉(zhuǎn)子側(cè)電壓或電流的頻率，

X2=ω2·L2=2πf2L2=2πsfL2=sX20

而X20=2πfL2（電機(jī)啟動(dòng)瞬間，轉(zhuǎn)子感抗最大為X20）。

由上式可知，異步電機(jī)啟動(dòng)瞬間n=0，則S= ；異步電機(jī)空載時(shí)n≈n0，則s≈0 ；異步電動(dòng)機(jī)額定運(yùn)行時(shí)s= .5%～6% ，則電機(jī)轉(zhuǎn)子頻率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，電機(jī)啟動(dòng)瞬間，s= ，轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)最大，記為E20，即為轉(zhuǎn)子的額定電壓：

E20=4.44N2·f·Φm

那么E2=s·E20。

電機(jī)轉(zhuǎn)子電流有效值：

3 三相異步電機(jī)的等值電路

為便于實(shí)際計(jì)算，將轉(zhuǎn)子電路與定子電路作直接電的連接，必須將轉(zhuǎn)子回路作等值的折算，過(guò)程如下：

轉(zhuǎn)子靜止不動(dòng)時(shí)，S= ，f2=f。思路：將實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子電路折算為靜止不動(dòng)的轉(zhuǎn)子電路，實(shí)際運(yùn)行的轉(zhuǎn)子電流：

分子分母除以s，得：

等效整理后得：

頻率折算后，還不能把定子、轉(zhuǎn)子電路連接起來(lái)，因?yàn)?個(gè)電路的電動(dòng)勢(shì)不相等。參見(jiàn)變壓器等效原理，人為地用一個(gè)相數(shù)m1、匝數(shù)N1、繞組系數(shù)kω1和定子繞組一樣的繞組代替相數(shù)為m2、匝數(shù)為N2以及繞組系數(shù)kω2，且經(jīng)過(guò)頻率折算的轉(zhuǎn)子繞組。轉(zhuǎn)子回路的折算值加“′”表示。

電流折算：代表的物理意義不同。等效負(fù)載

其中 稱(chēng)電流比；

電壓折算：

阻抗折算：

其中

稱(chēng)電壓比；

根據(jù)折算前后參數(shù)的關(guān)系，可作出折算后的T形等效電路，如圖3所示。注意：折算只改變相關(guān)的值大小，而不改變其相位的大小。

圖3 電機(jī)等值電路

4 繞線電機(jī)試驗(yàn)參數(shù)及等值電路中阻抗計(jì)算結(jié)果

下面結(jié)合某水泥廠的水泥磨主電機(jī)的銘牌參數(shù)及電機(jī)出廠前的試驗(yàn)數(shù)據(jù)作一定量分析。電機(jī)的銘牌參數(shù)見(jiàn)表1。

（1）由空載試驗(yàn)數(shù)據(jù)求勵(lì)磁回路參數(shù) ，見(jiàn)表2。

試驗(yàn)后定子繞組線電阻為：

R1=0.100 3 Ω

表2中定子銅耗：

表 電動(dòng)機(jī)的額定參數(shù)

表2 三相異步電動(dòng)機(jī)空載實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

R0.cau1=1.5I02·R1

風(fēng)摩耗與鐵耗之和：

0=P0-P0.cau1

根據(jù)表3數(shù)據(jù)作電機(jī)的空載特性曲線如圖4，由曲線0=f(U0/Un)2分離得pfm=17.145 kW，由曲線

0=f(U0/Un)，I0=f(U0/Un) 分離的額定電壓U0=6 300 V 時(shí)的鐵耗：

PFe=35.97 kW

空載電流：

I0=169.62 A，P0=57.45 kW

空載阻抗：

勵(lì)磁電阻：

空載電阻：

R0=R1+Rm=0.058 0+0.416 7=0.474 7Ω

空載電抗：

P0—電動(dòng)機(jī)空載時(shí)的相電壓、相電流、三相空載功率（Y法）。

圖4 電機(jī)的空載特性曲線

（2）由堵轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)求短路參數(shù)，見(jiàn)表3。

根據(jù)表3數(shù)據(jù)作電機(jī)的堵轉(zhuǎn)特性曲線如圖5，由曲線分離的額定電流Ik=444.5A時(shí)的堵轉(zhuǎn)功率pk=141.39 kW，堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)電壓Uk=1 024.7 V。

5 試驗(yàn)結(jié)果分析

現(xiàn)得出了電機(jī)等值電路參數(shù)的具體數(shù)值，下面分析一下電機(jī)在啟動(dòng)、空載及額定工況時(shí)的轉(zhuǎn)子電流的變化情況，如圖6所示。為簡(jiǎn)化計(jì)算，忽略勵(lì)磁回路的阻抗Zm圖中虛線部分。

計(jì)算結(jié)果列入表5。

到了這一步，就通過(guò)電機(jī)的等值電路，計(jì)算出折算后的異步繞線電機(jī)轉(zhuǎn)子回路的電流。有人可能會(huì)問(wèn)，電機(jī)轉(zhuǎn)子回路的實(shí)際電流到底是多少呢？經(jīng)過(guò)多方查閱資料，終于找到了答案，現(xiàn)敘述如下：

代入數(shù)值，得

可認(rèn)為時(shí)的相電壓、相電流、三相短路功率（Y接法）。

表3 三相異步電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)異步繞線電機(jī)的空載、堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果，電機(jī)等值電路中定子、轉(zhuǎn)子、勵(lì)磁回路的阻抗計(jì)算結(jié)果如表4，對(duì)大、中型異步電機(jī)，為簡(jiǎn)化計(jì)算，電壓折算比：

電流折算比：

其中m1是定子繞組的相數(shù)，一般情況m1=3；m2是轉(zhuǎn)子繞組的相數(shù)，只有繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組是三相，鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組一般不是三相，而是m2相。

所以對(duì)于繞線式異步電機(jī)有：

代入數(shù)值，額定工況下

I1=I2′=444.5 A，轉(zhuǎn)子電流I2=I2′·ki=444.5× 1.86=826.8 A（由于忽略了電機(jī)的勵(lì)磁電流，轉(zhuǎn)子電流的計(jì)算值偏大）。

圖5 電機(jī)的堵轉(zhuǎn)特性曲線

表4 計(jì)算結(jié)果

圖6 轉(zhuǎn)子電流的變化情況

電機(jī)的空載、堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)，計(jì)算出了電機(jī)等值電路的參數(shù)，通過(guò)分析和比較，可以得出下列結(jié)論：

（1）繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子額定電流是電機(jī)在額定工況下的實(shí)際工作電流，不是電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的啟動(dòng)電流；

表5 計(jì)算結(jié)果

（2） 繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電流變化規(guī)律是：電機(jī)啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子電流最大，約為轉(zhuǎn)子額定電流的4～7倍；電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)，s≈0，轉(zhuǎn)子電流幾乎為零，轉(zhuǎn)子回路相當(dāng)于開(kāi)路；電機(jī)額定負(fù)載時(shí)，s≈0.015～0.060，轉(zhuǎn)差率s越大（電機(jī)轉(zhuǎn)速越低），轉(zhuǎn)子電流也越大。

（3） 工程實(shí)踐時(shí)可以用定子側(cè)的電流I1來(lái)估算轉(zhuǎn)子側(cè)電流I2=I1·ki，ki為電機(jī)的額定相電壓與轉(zhuǎn)子開(kāi)路相電壓之比（注意電機(jī)的繞組接法）。

（4） 由于繞線式異步電動(dòng)機(jī)在額定工況下轉(zhuǎn)子電流約為轉(zhuǎn)子的額定電流，所以轉(zhuǎn)子電纜的截面大小須按電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)的額定電流來(lái)選擇，不能按轉(zhuǎn)子的額定電流的1/3或1/2進(jìn)行選擇。

總之，大型繞線電機(jī)作為水泥廠磨機(jī)、輥壓機(jī)、風(fēng)機(jī)等核心工藝設(shè)備的驅(qū)動(dòng)設(shè)備，準(zhǔn)確無(wú)誤地掌握電機(jī)的啟動(dòng)、空載、額定工況下電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子回路的電壓、電流、頻率、轉(zhuǎn)差率、功率因數(shù)等參數(shù)的變化規(guī)律，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子電纜的選擇、電機(jī)設(shè)備故障分析及維護(hù)有著非常重要的實(shí)際意義。

[1] 李發(fā)海,王巖. 電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)[M] . 北京: 清華大學(xué)出版社, 2010.

[2] GB/T1032-2005, 三相異步電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)方法[S].

2015-03-20）

TQ 72.8;TM3

B

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

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