淺談電機(jī)、液力偶合器、風(fēng)機(jī)運(yùn)行特性三者間最佳效能平衡*

王和弟

(蘇鋼集團(tuán)蘇信特鋼有限公司， 江蘇 蘇州　215151)

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淺談電機(jī)、液力偶合器、風(fēng)機(jī)運(yùn)行特性三者間最佳效能平衡*

王和弟

(蘇鋼集團(tuán)蘇信特鋼有限公司， 江蘇 蘇州215151)

淺談三相異步電機(jī)工作原理，調(diào)速方法；液力偶合器工作原理；電機(jī)帶風(fēng)機(jī)負(fù)載運(yùn)行特性；電機(jī)功率補(bǔ)償，電機(jī)轉(zhuǎn)矩的計(jì)算；實(shí)際操作時(shí)電機(jī)電流波動(dòng)因素分析；液偶執(zhí)行器與風(fēng)機(jī)電動(dòng)執(zhí)行器調(diào)節(jié)對(duì)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)電流的影響。

三相異步電動(dòng)機(jī)； 液力偶合器； 風(fēng)機(jī)； 執(zhí)行器； 電流； 轉(zhuǎn)速

1　三相異步電動(dòng)機(jī)原理

三相異步電動(dòng)機(jī)要旋轉(zhuǎn)起來(lái)的先決條件是具有一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，三相異步電動(dòng)機(jī)的定子繞組就是用來(lái)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的。但相電源相與相之間的電壓在相位上相差120°，三相異步電動(dòng)機(jī)定子中的3個(gè)繞組在空間方位上也互差120°，這樣，當(dāng)在定子繞組中通入三相電源時(shí)，定子繞組就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。電流每變化一個(gè)周期，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在空間旋轉(zhuǎn)一周，即旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度與電流的變化是同步的。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速為：n=60f/p，式中f為電源頻率、p為磁場(chǎng)的磁極對(duì)數(shù)。根據(jù)此式知道，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與磁極數(shù)和使用電源的頻率有關(guān)。

單相交流電動(dòng)機(jī)只有一個(gè)繞組，轉(zhuǎn)子是鼠籠式的。當(dāng)單相正弦電流通過定子繞組時(shí)，電動(dòng)機(jī)就會(huì)產(chǎn)生1個(gè)交變磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)的強(qiáng)弱和方向隨時(shí)間作正弦規(guī)律變化，但在空間方位上是固定的，所以又稱這個(gè)磁場(chǎng)是交變脈動(dòng)磁場(chǎng)。這個(gè)交變脈動(dòng)磁場(chǎng)可分解為2個(gè)以相同轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)方向互為相反的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，當(dāng)轉(zhuǎn)子靜止時(shí)，這2個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生2個(gè)大小相等、方向相反的轉(zhuǎn)矩，使得合成轉(zhuǎn)矩為零，所以電動(dòng)機(jī)無(wú)法旋轉(zhuǎn)。當(dāng)用外力使電動(dòng)機(jī)向某一方向旋轉(zhuǎn)時(shí)(如順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn))，這時(shí)轉(zhuǎn)子與順時(shí)針旋轉(zhuǎn)方向的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)間的切割磁力線運(yùn)動(dòng)變?。晦D(zhuǎn)子與逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)方向的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)間的切割磁力線運(yùn)動(dòng)變大。這樣平衡就打破了，轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的總的電磁轉(zhuǎn)矩將不再是零，轉(zhuǎn)子將順著推動(dòng)方向旋轉(zhuǎn)起來(lái)。

2　三相異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法簡(jiǎn)介

經(jīng)過分析7種調(diào)速方法，并根據(jù)蘇鋼集團(tuán)蘇信特鋼公司設(shè)備的需要，選擇第一種調(diào)速方法。

三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速公式為

n=60f/p(1-s)

從上式可見，改變供電頻率f、電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)p及轉(zhuǎn)差率s均可達(dá)到改變轉(zhuǎn)速的目的。從調(diào)速的本質(zhì)來(lái)看，不同的調(diào)速方式無(wú)非是改變交流電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速或不改變同步轉(zhuǎn)速兩種。

在生產(chǎn)機(jī)械中廣泛使用不改變同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法有繞線式電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、斬波調(diào)速、串級(jí)調(diào)速以及應(yīng)用電磁轉(zhuǎn)差離合器、液力偶合器、油膜離合器等調(diào)速。改變同步轉(zhuǎn)速的有改變定子極對(duì)數(shù)的多速電動(dòng)機(jī)，改變定子電壓、頻率的變頻調(diào)速有能無(wú)換向電動(dòng)機(jī)調(diào)速等。

從調(diào)速時(shí)的能耗觀點(diǎn)來(lái)看，有高效調(diào)速方法與低效調(diào)速方法兩種：高效調(diào)速是指時(shí)轉(zhuǎn)差率不變，因此無(wú)轉(zhuǎn)差損耗，如多速電動(dòng)機(jī)、變頻調(diào)速以及能將轉(zhuǎn)差損耗回收的調(diào)速方法(如串級(jí)調(diào)速等)。有轉(zhuǎn)差損耗的調(diào)速方法屬低效調(diào)速，如轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方法，能量就損耗在轉(zhuǎn)子回路中；電磁離合器的調(diào)速方法，能量損耗在離合器線圈中；液力偶合器調(diào)速，能量損耗在液力偶合器的油中。一般來(lái)說轉(zhuǎn)差損耗隨調(diào)速范圍擴(kuò)大而增加，如果調(diào)速范圍不大，能量損耗是很小的。

2.1液力偶合器調(diào)速方法

液力偶合器是一種液力傳動(dòng)裝置，一般由泵輪和渦輪組成，它們統(tǒng)稱工作輪，放在密封殼體中。殼中充入一定量的工作液體，當(dāng)泵輪在原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)時(shí)，處于其中的液體受葉片推動(dòng)而旋轉(zhuǎn)，在離心力作用下沿著泵輪外環(huán)進(jìn)入渦輪時(shí)，就在同一轉(zhuǎn)向上給渦輪葉片以推力，使其帶動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)。液力偶合器的動(dòng)力轉(zhuǎn)輸能力與殼內(nèi)相對(duì)充液量的大小是一致的。在工作過程中，改變充液率就可以改變偶合器的渦輪轉(zhuǎn)速，作到無(wú)級(jí)調(diào)速。其特點(diǎn)為： 功率適應(yīng)范圍大，可滿足從幾十千瓦至數(shù)千千瓦不同功率的需要； 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，使用及維修方便，且造價(jià)低；尺寸小，能容大；控制調(diào)節(jié)方便，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。蘇鋼集團(tuán)蘇信特鋼有限公司是葉輪風(fēng)機(jī)的調(diào)速，所以選擇此種調(diào)速方法。

2.2變極對(duì)數(shù)調(diào)速方法

這種調(diào)速方法是用改變定子繞組的接線方式來(lái)改變籠型電動(dòng)機(jī)定子極對(duì)數(shù)達(dá)到調(diào)速目的，特點(diǎn)如下：具有較硬的機(jī)械特性，穩(wěn)定性良好；無(wú)轉(zhuǎn)差損耗，效率高；接線簡(jiǎn)單、控制方便、價(jià)格低； 有級(jí)調(diào)速，級(jí)差較大，不能獲得平滑調(diào)速；可以與調(diào)壓調(diào)速、電磁轉(zhuǎn)差離合器配合使用，獲得較高效率的平滑調(diào)速特性。本方法適用于不需要無(wú)級(jí)調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械，如金屬切削機(jī)床、升降機(jī)、起重設(shè)備、風(fēng)機(jī)、水泵等。

2.3變頻調(diào)速方法

變頻調(diào)速是改變電動(dòng)機(jī)定子電源的頻率，從而改變其同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法。變頻調(diào)速系統(tǒng)主要設(shè)備是提供變頻電源的變頻器，變頻器可分成交流-直流-交流變頻器和交流-交流變頻器兩大類，目前國(guó)內(nèi)大都使用交流-直流-交流變頻器。其特點(diǎn)：效率高，調(diào)速過程中沒有附加損耗； 應(yīng)用范圍廣，可用于籠型異步電動(dòng)機(jī)；調(diào)速范圍大，特性硬，精度高；技術(shù)復(fù)雜，造價(jià)高，維護(hù)檢修困難。本方法適用于要求精度高、調(diào)速性能較好場(chǎng)合。

2.4串級(jí)調(diào)速方法

串級(jí)調(diào)速是指繞線式電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路中串入可調(diào)節(jié)的附加電勢(shì)來(lái)改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差，達(dá)到調(diào)速的目的。大部分轉(zhuǎn)差功率被串入的附加電勢(shì)所吸收，再利用產(chǎn)生附加的裝置，把吸收的轉(zhuǎn)差功率返回電網(wǎng)或轉(zhuǎn)換能量加以利用。根據(jù)轉(zhuǎn)差功率吸收利用方式，串級(jí)調(diào)速可分為電機(jī)串級(jí)調(diào)速、機(jī)械串級(jí)調(diào)速及晶閘管串級(jí)調(diào)速形式，多采用晶閘管串級(jí)調(diào)速。

其特點(diǎn)為：可將調(diào)速過程中的轉(zhuǎn)差損耗回饋到電網(wǎng)或生產(chǎn)機(jī)械上，效率較高；裝置容量與調(diào)速范圍成正比，投資省，適用于調(diào)速范圍在額定轉(zhuǎn)速70%～90%的生產(chǎn)機(jī)械上；調(diào)速裝置故障時(shí)可以切換至全速運(yùn)行，避免停產(chǎn)；晶閘管串級(jí)調(diào)速功率因數(shù)偏低，諧波影響較大。本方法適合于風(fēng)機(jī)、水泵及軋鋼機(jī)、礦井提升機(jī)、擠壓機(jī)上使用。

2.5繞線式電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方法

繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串入附加電阻，使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率加大，電動(dòng)機(jī)在較低的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。串入的電阻越大，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速越低。此方法設(shè)備簡(jiǎn)單，控制方便，但轉(zhuǎn)差功率以發(fā)熱的形式消耗在電阻上。屬有級(jí)調(diào)速，機(jī)械特性較軟。

2.6定子調(diào)壓調(diào)速方法

當(dāng)改變電動(dòng)機(jī)的定子電壓時(shí)，可以得到一組不同的機(jī)械特性曲線，從而獲得不同轉(zhuǎn)速。由于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩與電壓平方成正比，因此最大轉(zhuǎn)矩下降很多，其調(diào)速范圍較小，使一般籠型電動(dòng)機(jī)難以應(yīng)用。為了擴(kuò)大調(diào)速范圍，調(diào)壓調(diào)速應(yīng)采用轉(zhuǎn)子電阻值大的籠型電動(dòng)機(jī)，如專供調(diào)壓調(diào)速用的力矩電動(dòng)機(jī)，或者在繞線式電動(dòng)機(jī)上串聯(lián)頻敏電阻。為了擴(kuò)大穩(wěn)定運(yùn)行范圍，當(dāng)調(diào)速在2∶1以上的場(chǎng)合應(yīng)采用反饋控制以達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速目的。

調(diào)壓調(diào)速的主要裝置是一個(gè)能提供電壓變化的電源，目前常用的調(diào)壓方式有串聯(lián)飽和電抗器、自耦變壓器以及晶閘管調(diào)壓等幾種。晶閘管調(diào)壓方式為最佳。調(diào)壓調(diào)速線路簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制；調(diào)壓過程中轉(zhuǎn)差功率以發(fā)熱形式消耗在轉(zhuǎn)子電阻中，效率較低。調(diào)壓調(diào)速一般適用于100 kW以下的生產(chǎn)機(jī)械。

2.7電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法

電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)由籠型電動(dòng)機(jī)、電磁轉(zhuǎn)差離合器和直流勵(lì)磁電源(控制器)三部分組成。直流勵(lì)磁電源功率較小，通常由單相半波或全波晶閘管整流器組成，改變晶閘管的導(dǎo)通角，可以改變勵(lì)磁電流的大小。

電磁轉(zhuǎn)差離合器由電樞、磁極和勵(lì)磁繞組三部分組成。電樞和后者沒有機(jī)械聯(lián)系，都能自由轉(zhuǎn)動(dòng)。電樞與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子同軸聯(lián)接稱主動(dòng)部分，由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)；磁極用聯(lián)軸節(jié)與負(fù)載軸對(duì)接稱從動(dòng)部分。當(dāng)電樞與磁極均為靜止時(shí)，如勵(lì)磁繞組通以直流，則沿氣隙圓周表面將形成若干對(duì)N,S極性交替的磁極，其磁通經(jīng)過電樞。當(dāng)電樞隨拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于電樞與磁極間相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因而使電樞感應(yīng)產(chǎn)生渦流，此渦流與磁通相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，帶動(dòng)有磁極的轉(zhuǎn)子按同一方向旋轉(zhuǎn)，但其轉(zhuǎn)速恒定低于電樞的轉(zhuǎn)速N1，這是一種轉(zhuǎn)差調(diào)速方式，變動(dòng)轉(zhuǎn)差離合器的直流勵(lì)磁電流，便可改變離合器的輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。

電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)的調(diào)速特點(diǎn)：裝置結(jié)構(gòu)及控制線路簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維修方便；調(diào)速平滑、無(wú)級(jí)調(diào)速；對(duì)電網(wǎng)無(wú)諧影響；速度損失大、效率低。 本方法適用于中、小功率，要求平滑動(dòng)、短時(shí)低速運(yùn)行的生產(chǎn)機(jī)械。

3　液力偶合器工作原理

以液體為工作介質(zhì)的一種非剛性聯(lián)軸器，又稱液力聯(lián)軸器。液力偶合器的泵輪和渦輪組成一個(gè)可使液體循環(huán)流動(dòng)的密閉工作腔，泵輪裝在輸入軸上，渦輪裝在輸出軸上。動(dòng)力機(jī)(內(nèi)燃機(jī)、電動(dòng)機(jī)等)帶動(dòng)輸入軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，液體被離心式泵輪甩出。這種高速液體進(jìn)入渦輪后即推動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)，將從泵輪獲得的能量傳遞給輸出軸。最后液體返回泵輪，形成周而復(fù)始的流動(dòng)。液力偶合器靠液體與泵輪、渦輪的葉片相互作用產(chǎn)生動(dòng)量矩的變化來(lái)傳遞扭矩。它的輸出扭矩等于輸入扭矩減去摩擦力矩，所以它的輸出扭矩恒定小于輸入扭矩。液力偶合器輸入軸與輸出軸間靠液體聯(lián)系，工作構(gòu)件間不存在剛性聯(lián)接。液力偶合器的特點(diǎn)是：能消除沖擊和振動(dòng)；輸出轉(zhuǎn)速低于輸入轉(zhuǎn)速，兩軸的轉(zhuǎn)速差隨載荷的增大而增加；過載保護(hù)性能和起動(dòng)性能好，載荷過大而停轉(zhuǎn)時(shí)輸入軸仍可轉(zhuǎn)動(dòng)，不致造成動(dòng)力機(jī)的損壞；當(dāng)載荷減小時(shí)，輸出軸轉(zhuǎn)速增加直到接近于輸入軸的轉(zhuǎn)速，使傳遞扭矩趨于零。液力偶合器的傳動(dòng)效率等于輸出軸轉(zhuǎn)速與輸入軸轉(zhuǎn)速之比。一般液力偶合器正常工況的轉(zhuǎn)速比在0.95以上時(shí)可獲得較高的效率。液力偶合器的特性因工作腔與泵輪、渦輪的形狀不同而有差異。它一般靠殼體自然散熱，不需要外部冷卻的供油系統(tǒng)。如將液力偶合器的油放空，偶合器就處于脫開狀態(tài)，能起離合器的作用。

4　電機(jī)轉(zhuǎn)矩與功率補(bǔ)償

4.1三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩公式

三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩公式為：

(1)

(2)

式中C為常數(shù)，與電機(jī)本身的特性有關(guān)；U1為輸入電壓；R2為轉(zhuǎn)子電阻；X20為轉(zhuǎn)子漏感抗；s為轉(zhuǎn)差率

可以知道M∝U12轉(zhuǎn)矩與電源電壓的平方成正比，設(shè)正常輸入電壓時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為M2，電壓下降使電磁轉(zhuǎn)矩M下降很多；由于M2不變，所以M小于M2平衡關(guān)系受到破壞，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的下降，轉(zhuǎn)差率s上升；它又引起轉(zhuǎn)子電壓平衡方程式的變化，使轉(zhuǎn)子電流I2上升。也就是定子電流I1隨之增加(由變壓器關(guān)系可以知道)；同時(shí)I2增加也使電動(dòng)機(jī)軸上送出的轉(zhuǎn)矩M又回升，直到與M2相等為止。這時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速又趨于新的穩(wěn)定值。

T=9550P/n

(3)

式中P為額定功率(kW) ；n為轉(zhuǎn)速(r/min)；T為轉(zhuǎn)矩(N·m) 。

(4)

式中M為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩(N·m)；P為電動(dòng)機(jī)輸出功率(W)；n為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(r/s)。

P=1.732UIcosφ·η

(5)

式中P為電動(dòng)機(jī)功率(W)；U為電動(dòng)機(jī)電壓(V)；I為電動(dòng)機(jī)電流(A)；cosφ為功率因數(shù)；η為電動(dòng)機(jī)效率。

4.2電機(jī)功率補(bǔ)償

電機(jī)功率補(bǔ)償為

式中Qc為無(wú)功補(bǔ)償，kVar。

補(bǔ)償前：cosφ1=a，φ1=c，tanφ1=e;

補(bǔ)償后：cosφ2=b，φ2=d，tanφ2=f。

圖1　功率金三角

4.3液偶執(zhí)行器、風(fēng)機(jī)電動(dòng)執(zhí)行器調(diào)節(jié)對(duì)電機(jī)電流、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速影響

分析表1所示的幾組數(shù)據(jù)，偶合器開度大小引起電機(jī)電流的波動(dòng)，風(fēng)機(jī)開度制約偶合器開度，同時(shí)對(duì)除塵效果起主導(dǎo)作用。

表1　主要設(shè)備實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)

5　結(jié)束語(yǔ)

電機(jī)所帶負(fù)載是風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)的運(yùn)行特性狀況決定除塵效果的好壞。本套設(shè)備采用液力偶合器調(diào)速，在現(xiàn)場(chǎng)操作的基礎(chǔ)上，積累了一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在電機(jī)電流、液偶執(zhí)行器、風(fēng)機(jī)電動(dòng)執(zhí)行器上著手優(yōu)化改進(jìn)，既節(jié)省了電耗，又讓除塵效果達(dá)到最佳狀態(tài)；在節(jié)能的同時(shí)，又達(dá)到環(huán)保要求，實(shí)現(xiàn)雙贏。

2015-10-15

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