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上海水泵集团技术之电动机特性

设计电动机应保证使之在特定的线电压,线频率,以及环境温度条件下发出额定马力,额定转矩和额定转速。在满足以上全部条件的同时,电动机还要能够在特定的效率和功率因数下运行。一个电动机的正常运行条件都已写在铭牌上:功率、速度、环境温度、频率等。如果电动机的实际运行工况偏离电动机铭牌上的额定值,则电动机的性能将发生变化。

电压对交流电动机规定,在额定频率下,电压变化为铭牌额定电压的±10%,也能进行良好的运转。要求电动机在额定电压范围内,能满足泵所要求的额定功率和转速,并且绝缘也处于安全温度之下。电动机的转矩的变化直接与所采用的线电压除以铭牌电压的平方有关。这对电动机的峰值转矩所造成的影响和引起的速度转矩曲线的变化,如图2所示。

电压变化在±10%以内,电动机仍然可以把泵起动起来并且使之连续安全运行但是,当电压的变化超出±10%范围,电动机就不可能连续运行。即使是电压出现瞬时变化超过±10%的情况,泵与电动机的运行也是不可能良好的。

例如,泵采用NEMA规定的B型电动机(参看图2)来驱动,在额定电压下将产生200%的失步转矩。如果线电压下降至铭牌额定电压的70%,则电动机只能发出最大转矩的49%。这时,电动机的失步转矩就变成0.49×200%的额定转矩,或者说98%的额定转矩。于是电动机能否维持泵的负载,电动机会不会失速,停车,或者过载就成问题了。

同样道理,如果出现线电压过低的情况,则电动机就不可能把泵起动起来。在前面讨论过的一个例子中,我们知道,在额定电压下泵由不转状态起动,同样的一台电动机将输出150%的额定转矩。如果线电压又是降至铭牌电压的70%,则电动机将输出0.49×150%的额定转矩,或者说只有73%的额定转矩。这对某些类型的泵,例如往复式定量泵的起动就会成问题。可以想像,起动离心泵将不会成问题,因为离心泵的转速转矩特性曲线存在着平方关系规律。如果电动机的电压一直低于70%,则离心泵就达不到正常的运行转速。但是,交流换向绕组电动机不遵循这种规律,电压波动±6%是允许的。

电动机电压变化偏离铭牌额定值,也会影响电动机的转速,功率因数和效率,因为这些参数取决于额定电压和额定负载。超压10%,异步电动机的运行转速将比铭牌额定转速快若干转,反之降压10%,转速将比铭牌值慢若干转。但是,同步电动机在电压变化超过±10%时,也不会引起转速的变化。

直流电动机在超越铭牌额定电压10%范围后,仍然可以运转。不过应当承认,不同型号的直流电动机,在超出此电压范围后,具有不同的转速转矩特性曲线。为要满足泵运行的各种特性要求,这一点应加以考虑。

频率在额定负载和额定电压下,电源频率变化在铭牌额走值的±5%以内,交流电动机的运行仍然是良好的,因而可以用改变电源频率的办法实现电动机调速。同步电动机的转速变化正比于电源频率,而异步电动机的转速变化也近似于同样的比例。

当一台交流电动机在电压与频率都在变化的情况下运行,则电压与频率的综合变化不宜超过铭牌额定值的±10%。出现的频率波动,不宜超过铭牌额定值的±5%。

偏离电动机铭牌频率的波动,将引起电动机功率因数与效率的改变,功率因数和效率将和由额定频率所确定的数值不同。

转速与转速变化范围  同步电动机和异步电动机都希望基本上能在一个特定的转速下运转。采用变频电源,同步电动机或异步电动机均可以获得可调转速的特性,但是这种设计适用于某些特殊的应用场合。

调速可以采用调速装置来实现。这种调速装置是很有效的并且总是配有直流电动机。大型电动机要求调速时,通常采用带有滑差控制器的线绕转子式电动机。调速驱动的其它形式可采用涡流联轴器和某种形式的等速电动机,后者常常为鼠笼式异步电动机。上述驱动方式的最大调速范围,大致上是10:1。

泵要求不连续调速时,可采用多速运转的专用电动机来驱动。这类电动机可能选用鼠笼式异步电动机的变型产品,绕组抽头经过重新接线的鼠笼式电动机,就能得到多级调速范围。某些应用场合,要求调速的范围不一定均匀的成比例,往往要用一个双绕组鼠笼式异步电动机。然而,大功率电动机如果不要求连续调速时,可以采用带有极磁调幅的单绕组的设计。这种设计以电动机磁通频率调制这一概念为依据。

起动  一台电动机必须能够在额定马力和额定转速下加速和驱动一台泵;现就一个典型的泵和电动机机组的起动过程来加以分析。这个机组包括一台六极鼠笼式异步电动机和由它驱动的一台离心泵。电动机的额定功率为10马力,具有NEMA B类电动机的转矩特性。图13所示为这个机组的特性曲线,泵带有负载,电动机在铭牌频率和铭牌电压下运行。可见,在任何转速下电动机所输出的转矩,总是大于相应转速下泵所要求的转矩。富裕的转矩在任何转速下均用于加速整个电动机和泵的回转部件的质量(WK2)。泵的加速时间等于:

鉴于电动机与泵之间存在的上述转矩差在整个起动加速过程范围内是不均匀的,所以对曲线进行分析时可以假定速度变化是不连续的,而转矩则取整个加速过程中的平均值。对每一段不连续的速度变化算出一个时间间隔,然后把全部分段时间数值叠加起来,则得到整个加速过程所需的时间。

增加泵的WK2值,泵和电动机的运转速度或在任何转速下泵所要求的转矩,都会导致起动加速过程所需时间的延长。而这种时间的延长,对电动机可能是不允许的。在给定的时间内,每一种电动机都有一定的在低速并超过转矩额定值的工况下运行的能力。但是,超越规定的时间,则对绕组或转子,或者对二者均会造成损坏。

分析了应用条件并发现起动时间过长时,应由以下诸项着手考虑解决:

1.     在起动加速期间,泵不带负载

2.     减少回转部件的WK2

3.     采用具有加速大WK2值能力的电动机

大型泵起动时,可以看到线电压下降的现象,这是由于起动电流很大的缘故。这时电动机的转矩也要下降,因为转矩与电压降呈平方关系。在起动加速过程中,在任何转速下,只要电动机发出的转矩比被驱动的泵所需要的转矩大,将无碍电动机对泵的起动加速能力。当然,由于降压引起电动机输出的转矩减小,会促使电动机起动加速的时间延长。

一旦知道了同步电动机的起动转速转矩特性曲线,则对同步电动机也可以作类似的分析。可以看到,在达到同步转速之前,同步电动机是按鼠笼式异步电动机特性来运转的。这时,同步电动机必须有一个附加的,使电动机趋向同步的转矩,这种能力往往称之为“牵入转矩”。附加转矩将电动机从亚同步状态加速到同步转速。如果电动机不能输出同步转矩,电动机就要失步,并通常由控制程序发出停车信号。用同步电动机驱动泵时,在起动加速过程中,不使泵带有负载,以便缩短起动加速过程,减少电动机所需要的同步转矩,这是一种经济合理的措施。

要时刻注意泵由静止状态起动时,起步转矩的大小,这对于定量泵而言尤为重要,因为在整个起动加速过程中,泵始终在恒定的转矩下运行。

使用系数  电动机所采用的使用系数范围规定为1.0到1.5。使用系数意味着一台电动机在运行时具有的内在热容量,它可以用铭牌所标出的功率乘以铭牌上所标出的使用系数求出。然而,应该注意的是,当电动机在满足使用系数要求的功率条件下运行时,电动机将在所谓“安全温度”下运行。这意味着,电动机可以在总的温度高于在同样功率,使用系数为1.0的电动机。一台电动机的额定使用系数表明了,在偶然超载的情况下,由电动机可提供比铭牌正常功率容量还要大的功率容量。此外,转速转矩特性曲线是针对名义的额定功率而言,而不是对应于使用系数下的功率。

效率  设计电动机时,其运行效率用额定电压,频率和功率的百分比来表示,效率用下式求得:

效率%  =

轴输出功率×100

输入电功率

由于制造上的公差和材料性能上的差异,对于同一型号电动机的设计效率,在大批量生产中会稍微不同。为此原因,厂家铭牌保证的效率通常低于实际工作效率。当电动机降低功率运行时,效率有减低的趋势。

还有另外一些因素会影响电动机的效率,诸如电动机处于额定功率下运转,外加电压升高时,则效率稍微有些提高,但外加电压降低后,则电动机的效率就显著减低。此外,增加频率会使电动机的效率稍稍增大,而降低频率却会使效率稍有减小。

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