【文章內(nèi)容簡介】 ，可以推得另一關系式如下: （317）上式說明電磁轉(zhuǎn)矩與定子電壓的平方成正比，電壓的變化將引起電磁轉(zhuǎn)矩的變化。對式(310)，應用函數(shù)取極值的必要條件，當時，最大電磁轉(zhuǎn)矩為: (318) ～，進一步推導可以知道任意轉(zhuǎn)差率時的轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩之比為: (319) 最大電磁轉(zhuǎn)矩對電動機來說具有重要意義。當電動機運行時，若負載短時突然增大，隨后又恢復正常，則只要總的制動轉(zhuǎn)矩不大于最大電磁轉(zhuǎn)矩，電動機仍能穩(wěn)定運行，但若大于最大電磁轉(zhuǎn)矩，則電動機將停轉(zhuǎn)下來。由此可見，最大電磁轉(zhuǎn)矩愈大，電動機的短時過載能力愈強，因此把電動機的最大電磁轉(zhuǎn)矩與額定 電磁轉(zhuǎn)矩之比稱為電動機的過載能力，用過載系數(shù)表示，即 (322)如圖34所示的異步電動機曲線中，為負載阻力矩。從圖中可以看到，電動機可以工作在1或2的狀態(tài)，從平衡的角度容易知道，1為穩(wěn)定平衡點，2為非穩(wěn)定平衡點。即當負載阻力矩為轉(zhuǎn)差率為時為穩(wěn)定運行狀態(tài)，當負載阻力矩為轉(zhuǎn)差率為時為非穩(wěn)定運行狀態(tài)，為穩(wěn)定運行和不穩(wěn)定運行兩種狀態(tài)的臨界點。因此，超過點，電動機就進入不穩(wěn)定運行狀態(tài)，故最大轉(zhuǎn)矩也稱為停運轉(zhuǎn)矩。120圖34 異步電動機曲線 從以上有關公式可以得出下面的近似結(jié)論：滿載時，當外加電壓降低X倍時，為保證輸出轉(zhuǎn)矩不變，轉(zhuǎn)差率必須隨之增加X的平方倍。此時，電動機的轉(zhuǎn)速將下降。而同時，轉(zhuǎn)子電流也必須增加X倍以保證輸出轉(zhuǎn)矩的不變。另一方面，外加電壓不能下降太多，因為，電壓的變化將引起最大轉(zhuǎn)矩的變化，當最大轉(zhuǎn)矩下降為低于負載額定轉(zhuǎn)矩時，電動機將停止轉(zhuǎn)動。因此，電動機調(diào)壓控制的約束條件為最低電壓時電動機的最大電動轉(zhuǎn)矩不低于負載額定轉(zhuǎn)矩。空載時，負載阻力矩幾乎為零，同時，轉(zhuǎn)子繞組的電流非常小，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速接近于同步轉(zhuǎn)速，此時，調(diào)壓控制的約束條件將為轉(zhuǎn)差率的增加不能使電動機停運。從圖34的曲線可以看到，當負載阻力矩接近零時，其轉(zhuǎn)差率接近于零，而此時的轉(zhuǎn)差率與最大轉(zhuǎn)矩對應的轉(zhuǎn)差率則相距較遠，調(diào)壓范圍較大。 運行條件變化對電動機性能的影響電動機運行條件的變化，主要是指電源(電壓、頻率)和負載(負載的大小)的變化。電動機在額定工況附近運行時具有最好的經(jīng)濟性，但在實際運行中，電動機不可能始終保持額定條件運行，因為負載總是不斷變化的，運行條件也會經(jīng)常發(fā)生變化，從而影響到電動機的效率。當電壓、頻率在額定值時，隨著負載的減小，電動機的輸入功率、電磁轉(zhuǎn)矩也會隨之降低，而且對于任何類型的負載，電動機都能保持穩(wěn)定運行。但是電動機的效率不會因此而保持不變，相反，會隨著負載的減小而降低，而且在負載減小到一定程度后，效率會有大幅度的下降。這就是說，電動機輸入功率的絕對值看起來雖然降低了，但是相對損耗卻提高了，使電動機處于一種不經(jīng)濟的運行狀態(tài)，造成了電能損失，這當然是不希望的。這就需要采取一些措施，希望在負載變化的同時，電動機的輸入功率和各種損耗都能隨負載的減小而盡可能地成比例降低，同時，保持電動機繼續(xù)穩(wěn)定運行。也就是說，這個措施應使電動機在負載變化的整個過程中，能滿足兩個條件:一是電動機的機械特性始終能滿足工作機械的負載特性要求，使系統(tǒng)保持穩(wěn)定運行，二是電動機的效率在整個負載變化過程中始終處于最佳狀態(tài)，保持電動機運行的經(jīng)濟性。 在電動機的節(jié)能技術中，主要是采用隨負載變化的同時改變電動機的定子端電壓、定子頻率或定、轉(zhuǎn)子間的轉(zhuǎn)差等方法來達到既降低能耗又滿足上述條件的目的。但是這樣一來，也就完全改變了電動機的運行條件，使得電動機長期偏離額定值運行。而偏離額定值，會引起電動機負載特性的基本參數(shù):電勢、磁通、磁化電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)差、轉(zhuǎn)速、定、轉(zhuǎn)子的電流及相位等一系列的變化，而且這些變化對不同性質(zhì)的負載具有不同的影響。下面將對這些影響進行一些具體的分析，以便根據(jù)不同的條件采取合理的節(jié)能措施。本節(jié)將著重分析運行條件的變化對電動機性能的影響，說明如何改變運行條件，使得電動機節(jié)能和允許改變條件的程度。以及根據(jù)上述相應的改變確定電動機的發(fā)熱、損耗、有功功率、無功功率、功率因數(shù)和轉(zhuǎn)矩等的情況，以便衡量所采用的改變運行條件的節(jié)能措施是否經(jīng)濟合理、對不同性質(zhì)的負載的效果及應用范圍。 負載變化對損耗、效率、功率因數(shù)和轉(zhuǎn)矩的影響 在額定電壓和額定頻率時，電動機負載的變化會引起電動機的轉(zhuǎn)差率、定子電流、轉(zhuǎn)子電流和轉(zhuǎn)矩相應的變化，這一變化必然又會引起電動機損耗、效率和功率因數(shù)的變化，而勵磁電流實際上可認為與負載無關。電動機在額定負載時的總損耗為: （320） 其中： 電動機的固定損耗 額定工況下定子和轉(zhuǎn)子的銅耗、 額定工況下電動機的可變損耗 空載時定子銅耗 定子銅耗中的可變部分 （321）式中，即為負載率。同樣： (322)所以可變損耗可以寫為: (323) 即可變損耗與負載率的平方成正比。 負載率對效率的影響及計算 電動機的效率一般是隨額定容量的增大而提高，相同容量電動機的效率則隨額定轉(zhuǎn)速的降低而降低。當容量和轉(zhuǎn)速不變時，電動機的效率將隨負載率的變化而變化?？梢詮娜我庳撦d率下電動機的總損耗公式中直接推算出效率和負載率的關系式： (324) 負載率對功率因數(shù)的影響 功率因數(shù)是電動機的另一個性能指標。從異步電動機的等效電路圖可知:對于電源來說，異步電動機相當于一個電阻和電感互相串并聯(lián)的電路，功率因數(shù)總是小于1的。為了建立磁場，電動機需要從電源吸取很大的無功電流，在正常條件下，勵磁電流是不隨負載變化的，而轉(zhuǎn)子電流卻隨負載的增減而增減。當負載變小時，轉(zhuǎn)子電流就會相應減小，于是定子電流與電源電壓間的相角就變大，功率因數(shù)就降低。在空載時，定子電流，相角最大，功率因數(shù)最低。當負載增大時，定子電流中的有功分量增大，從而使功率因數(shù)很快上升，當接近額定負載時，最大。如果繼續(xù)增加負載，由于此導致功率因數(shù)又下降。所以電動機的功率因數(shù)的高低還與空載電流和額定電流之比有關。知道了電動機的總損耗和效率后，就可以確定任意負載下的功率因數(shù)和無功功率的變化情況，其關系式為 (325) 其中，為定子電流，為額定線電壓。 負載率與電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)差率的關系電動機在轉(zhuǎn)子中感應的電流與旋轉(zhuǎn)磁場相互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，使電機旋轉(zhuǎn)，并拖動機械設備一起轉(zhuǎn)動，其工作過程是：在正常方式下，當電動機起動時，電動機的起動轉(zhuǎn)矩首先必須大于負載的機械阻轉(zhuǎn)矩，電動機才能順利起動。由于大于，有了一定的剩余轉(zhuǎn)矩，電動機就能不斷加速至額定轉(zhuǎn)速，為了避免起動時間過長，導致起動電流過大使繞組發(fā)熱，要求電動機有足夠大的起動轉(zhuǎn)矩，以縮短起動時間，減少發(fā)熱。當電動機達到額定轉(zhuǎn)速時，電動機的電磁轉(zhuǎn)矩與負載的機械阻轉(zhuǎn)矩相平衡，即，系統(tǒng)進入穩(wěn)定運行狀態(tài)。如果此時負載增大，即，電動機的平衡被破壞，使得轉(zhuǎn)差率S增大，就會引起轉(zhuǎn)子電流增大，接著電磁轉(zhuǎn)矩也跟著增大，直至與負載轉(zhuǎn)矩達到新的平衡。如果負載轉(zhuǎn)矩再繼續(xù)增大，且超過電動機的最大轉(zhuǎn)矩，電動機就會因不能承載而不斷減速，直至停轉(zhuǎn)，或者由于轉(zhuǎn)子電流增大到超過允許值，使轉(zhuǎn)子繞組發(fā)熱而燒壞。如果負載在小于額定值的范圍內(nèi)變化，且轉(zhuǎn)速為額定值時，電動機總能保持穩(wěn)定運行。根據(jù)推導，電動機的電磁轉(zhuǎn)矩與負載率的關系可寫為： （326）式中，為電動機的最大轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩之比。為任意負載時電動機的最大轉(zhuǎn)矩與負載轉(zhuǎn)矩之比，稱為任意負載時的最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)，當負載為額定值時； 為任意負載時阻轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩之比，稱為電動機的轉(zhuǎn)矩率。當轉(zhuǎn)速接近額定轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)速變化很小時，轉(zhuǎn)矩率在數(shù)值上等于負載率?？梢?，電動機在負載變化時的實際承載能力與負載率成反比，負載越小，承載能力越大，系統(tǒng)越能穩(wěn)定運行；負載變大，承載能力就降低，如果，承載能力就小于額定承載能力，電動機運行的穩(wěn)定性將降低。 同理，可求得在額定轉(zhuǎn)差率附近轉(zhuǎn)差率與負載率得關系為: (327) 即轉(zhuǎn)差率與負載率成正比，當負載小于額定值變化時，轉(zhuǎn)差率在0～之間變化 當負載變化時，是否允許電壓同時降低，允許降低電壓的范圍以及降低電壓運行對電動機的影響。 電壓變化對電磁轉(zhuǎn)矩的影響 異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩與電源電壓、頻率、極對數(shù)，及轉(zhuǎn)差有關，當結(jié)構(gòu)參數(shù)和頻率一定時，電動機的電磁轉(zhuǎn)矩與電壓的平方成正比。當電壓降低時，轉(zhuǎn)矩將以平方倍下降。由上述分析可知，正常情況下電動機的電磁轉(zhuǎn)矩是隨時隨地與負載轉(zhuǎn)矩相平衡的，只要負載不超過額定值，電動機總能保持穩(wěn)定運行。但如果在負載變化的同時，也改變電源電壓，電動機是否能繼續(xù)保持穩(wěn)定運行呢?下面將對兩類不同性質(zhì)的負載進行分析： （１）恒轉(zhuǎn)矩負載 如切削車床、傳送運輸機械和本文緒論中提到過的游梁式抽油機中的起重電動機等，其阻轉(zhuǎn)矩為常數(shù)。這類負載一般有重載運行方式和輕載運行方式，對于這類負載中的運行電動機，當其輕載運行時，即使供電電壓變化較大，轉(zhuǎn)速變化仍然是很小的，電動機總能保持穩(wěn)定運行。而在重載時，如果電壓降低，轉(zhuǎn)速就會很快下降，使電動機失去穩(wěn)定，直至停轉(zhuǎn)，降低電壓節(jié)能的措施是否可行，、電壓、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)子電流和轉(zhuǎn)差率之間的關系，列出以下關系式： 　　　　　　 （328） 由上式可知，電動機可承受的負載轉(zhuǎn)矩不僅與電壓的平方成正比，與負載率成反比，而且還與電動機本身的承載能力有關。，任意負載時，電動機能穩(wěn)定運行的必要條件是使，即。因此當負載率一定時，如越大，電壓允許調(diào)節(jié)的范圍也就越大，式中，為調(diào)壓系數(shù)。 由上式還可知，轉(zhuǎn)子電流與調(diào)壓系數(shù)成反比，與負載率成正比:轉(zhuǎn)差率則與電壓的平方成反比，與負載率成正比變化。利用式(328)可以方便地分析出不同性質(zhì)的負載在不同運行方式下受電壓變化的影響。 利用式(328)進行分析時，應注意到:轉(zhuǎn)差率與調(diào)壓系數(shù)的平方成反比變化，但轉(zhuǎn)速的平方成正比，負載阻轉(zhuǎn)矩只受運行方式(重載和輕載)、負載性質(zhì)(恒轉(zhuǎn)矩或變轉(zhuǎn)矩)的影響，兩者不能混淆。另外，對恒轉(zhuǎn)矩負載，轉(zhuǎn)差率只允許在0～的范圍內(nèi)變動才穩(wěn)定，在此范圍內(nèi)改變電壓時，轉(zhuǎn)速的變化是很小的，一般電壓降低10%，轉(zhuǎn)速只降低1%左右。 綜上所述，恒轉(zhuǎn)矩負載在重載方式下運行時，不允許電壓有較大變化，通常規(guī)定電壓的變化范圍為，而其在輕載方式下運行時，允許電壓有較大的變化，變化范圍視負載的情況而定。 （2）變轉(zhuǎn)矩負載 當電壓降低時，轉(zhuǎn)差S升高，轉(zhuǎn)速將隨之有一定程度的降低，同時阻轉(zhuǎn)矩也跟著降低，～的線性工作段可以穩(wěn)定工作，而且在TS曲線的下降段也能穩(wěn)定工作。所以對于變轉(zhuǎn)矩負載，不僅調(diào)壓范圍大，而且由于阻轉(zhuǎn)矩的下降，使得轉(zhuǎn)子電流也跟著下降，這就不會出現(xiàn)象恒轉(zhuǎn)矩負載那樣轉(zhuǎn)子過熱的問題，也不會出現(xiàn)不穩(wěn)定的問題，顯然在這種場合采取調(diào)壓方法是可行的，節(jié)能效果也比恒轉(zhuǎn)矩負載好得多。 隨負載變化允許調(diào)壓的范圍 由上分析可見，隨負載變化調(diào)壓只適用于變轉(zhuǎn)矩負載和恒轉(zhuǎn)矩負載的輕載狀況。同時，調(diào)節(jié)電壓應遵循兩個約束條件: （1）在一定負載下降低電壓運行時，必須使電動機繼續(xù)保持最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)。 （2）轉(zhuǎn)子電流不應超過額定值。順便指出，對恒轉(zhuǎn)矩負載的輕載狀況，調(diào)壓僅僅在于提高電動機的功率因數(shù)，節(jié)約電動機本身的有功功率和無功功率損失，而對于變轉(zhuǎn)矩負載來說，除了可以節(jié)約這部分損失外，還可以減少輸出功率，節(jié)能效果更為顯著，應用也更有意義。電壓變化對電動機功率、效率和功率因數(shù)的影響前面從不使電動機失去穩(wěn)定和不使轉(zhuǎn)子發(fā)熱的角度，也就是從安全的角度出發(fā)，分析了負載變化時，允許調(diào)壓的范圍。下面討論降低電壓能否給電動機的經(jīng)濟運行帶來好處。 由前面的分析可知： （329） （330） （331）可見，影響電動機輸入功率、效率和功率因數(shù)的主要原因是電動機的輸出功率和電動機本身的損耗，那么電壓的變化對這三者有什么影響呢?簡析如下:（1）電壓變化對輸出功率的影響由前分析可知，對于恒轉(zhuǎn)矩負載，無論是在重載還是在輕載狀況下，電動機的輸出功率常數(shù)，基本不變。而對于變轉(zhuǎn)矩負載，情況就大不一樣了。由于電動機在低速時也能保持穩(wěn)定運行，因此，允許的電壓、轉(zhuǎn)差率和相應的轉(zhuǎn)速的變化范圍較大，而變轉(zhuǎn)矩負載的阻轉(zhuǎn)矩是隨著轉(zhuǎn)速的增減而增減的，例如機泵類的負載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比關系。因此，變轉(zhuǎn)矩負載的輸出功率將隨電壓的降低而降低。降低的程度，隨電動機性能的不同而不同。（2）電壓變化對電動機的損耗影響 電動機的損耗，: (332) 電壓變化對各項損耗的影響如下: 1）機械損耗 機械損耗與轉(zhuǎn)速成正比，由于電壓變化所引起的轉(zhuǎn)速變化不大，因此可認為 常數(shù) (333) 2）附加損耗 附加損耗與電流的平方成正比，與電壓的平方成反比 (334)3）定子鐵耗當電壓接近額定值時，電動機的磁路趨于飽和:當電壓低于額定值時，鐵耗近似地與外加電壓的平方成正比，即 （335）4）轉(zhuǎn)子銅耗轉(zhuǎn)子銅耗的大小主要取決于轉(zhuǎn)子電流的大小，而轉(zhuǎn)子電流的大小又取決于電壓和負載的大小，如式(331)所示。當電壓變化時，由于主磁通與電壓成正比變化，所以轉(zhuǎn)子電流的大小與電壓成反比變化，因此轉(zhuǎn)子銅耗與電壓的平方成反比變化，可表示為： (336)因此，降低電壓總會引起轉(zhuǎn)子電