淺談電機、液力偶合器、風機運行特性三者間最佳效能平衡*

王和弟

(蘇鋼集團蘇信特鋼有限公司， 江蘇 蘇州　215151)

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淺談電機、液力偶合器、風機運行特性三者間最佳效能平衡*

王和弟

(蘇鋼集團蘇信特鋼有限公司， 江蘇 蘇州215151)

淺談三相異步電機工作原理，調速方法；液力偶合器工作原理；電機帶風機負載運行特性；電機功率補償，電機轉矩的計算；實際操作時電機電流波動因素分析；液偶執行器與風機電動執行器調節對風機轉速、電機電流的影響。

三相異步電動機； 液力偶合器； 風機； 執行器； 電流； 轉速

1　三相異步電動機原理

三相異步電動機要旋轉起來的先決條件是具有一個旋轉磁場，三相異步電動機的定子繞組就是用來產生旋轉磁場的。但相電源相與相之間的電壓在相位上相差120°，三相異步電動機定子中的3個繞組在空間方位上也互差120°，這樣，當在定子繞組中通入三相電源時，定子繞組就會產生一個旋轉磁場。電流每變化一個周期，旋轉磁場在空間旋轉一周，即旋轉磁場的旋轉速度與電流的變化是同步的。旋轉磁場的轉速為：n=60f/p，式中f為電源頻率、p為磁場的磁極對數。根據此式知道，電動機的轉速與磁極數和使用電源的頻率有關。

單相交流電動機只有一個繞組，轉子是鼠籠式的。當單相正弦電流通過定子繞組時，電動機就會產生1個交變磁場，這個磁場的強弱和方向隨時間作正弦規律變化，但在空間方位上是固定的，所以又稱這個磁場是交變脈動磁場。這個交變脈動磁場可分解為2個以相同轉速、旋轉方向互為相反的旋轉磁場，當轉子靜止時，這2個旋轉磁場在轉子中產生2個大小相等、方向相反的轉矩，使得合成轉矩為零，所以電動機無法旋轉。當用外力使電動機向某一方向旋轉時(如順時針方向旋轉)，這時轉子與順時針旋轉方向的旋轉磁場間的切割磁力線運動變小；轉子與逆時針旋轉方向的旋轉磁場間的切割磁力線運動變大。這樣平衡就打破了，轉子所產生的總的電磁轉矩將不再是零，轉子將順著推動方向旋轉起來。

2　三相異步電動機調速方法簡介

經過分析7種調速方法，并根據蘇鋼集團蘇信特鋼公司設備的需要，選擇第一種調速方法。

三相異步電動機轉速公式為

n=60f/p(1-s)

從上式可見，改變供電頻率f、電動機的極對數p及轉差率s均可達到改變轉速的目的。從調速的本質來看，不同的調速方式無非是改變交流電動機的同步轉速或不改變同步轉速兩種。

在生產機械中廣泛使用不改變同步轉速的調速方法有繞線式電動機的轉子串電阻調速、斬波調速、串級調速以及應用電磁轉差離合器、液力偶合器、油膜離合器等調速。改變同步轉速的有改變定子極對數的多速電動機，改變定子電壓、頻率的變頻調速有能無換向電動機調速等。

從調速時的能耗觀點來看，有高效調速方法與低效調速方法兩種：高效調速是指時轉差率不變，因此無轉差損耗，如多速電動機、變頻調速以及能將轉差損耗回收的調速方法(如串級調速等)。有轉差損耗的調速方法屬低效調速，如轉子串電阻調速方法，能量就損耗在轉子回路中；電磁離合器的調速方法，能量損耗在離合器線圈中；液力偶合器調速，能量損耗在液力偶合器的油中。一般來說轉差損耗隨調速范圍擴大而增加，如果調速范圍不大，能量損耗是很小的。

2.1液力偶合器調速方法

液力偶合器是一種液力傳動裝置，一般由泵輪和渦輪組成，它們統稱工作輪，放在密封殼體中。殼中充入一定量的工作液體，當泵輪在原動機帶動下旋轉時，處于其中的液體受葉片推動而旋轉，在離心力作用下沿著泵輪外環進入渦輪時，就在同一轉向上給渦輪葉片以推力，使其帶動生產機械運轉。液力偶合器的動力轉輸能力與殼內相對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速，作到無級調速。其特點為： 功率適應范圍大，可滿足從幾十千瓦至數千千瓦不同功率的需要； 結構簡單，工作可靠，使用及維修方便，且造價低；尺寸小，能容大；控制調節方便，容易實現自動控制。蘇鋼集團蘇信特鋼有限公司是葉輪風機的調速，所以選擇此種調速方法。

2.2變極對數調速方法

這種調速方法是用改變定子繞組的接線方式來改變籠型電動機定子極對數達到調速目的，特點如下：具有較硬的機械特性，穩定性良好；無轉差損耗，效率高；接線簡單、控制方便、價格低； 有級調速，級差較大，不能獲得平滑調速；可以與調壓調速、電磁轉差離合器配合使用，獲得較高效率的平滑調速特性。本方法適用于不需要無級調速的生產機械，如金屬切削機床、升降機、起重設備、風機、水泵等。

2.3變頻調速方法

變頻調速是改變電動機定子電源的頻率，從而改變其同步轉速的調速方法。變頻調速系統主要設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，目前國內大都使用交流-直流-交流變頻器。其特點：效率高，調速過程中沒有附加損耗； 應用范圍廣，可用于籠型異步電動機；調速范圍大，特性硬，精度高；技術復雜，造價高，維護檢修困難。本方法適用于要求精度高、調速性能較好場合。

2.4串級調速方法

串級調速是指繞線式電動機轉子回路中串入可調節的附加電勢來改變電動機的轉差，達到調速的目的。大部分轉差功率被串入的附加電勢所吸收，再利用產生附加的裝置，把吸收的轉差功率返回電網或轉換能量加以利用。根據轉差功率吸收利用方式，串級調速可分為電機串級調速、機械串級調速及晶閘管串級調速形式，多采用晶閘管串級調速。

其特點為：可將調速過程中的轉差損耗回饋到電網或生產機械上，效率較高；裝置容量與調速范圍成正比，投資省，適用于調速范圍在額定轉速70%～90%的生產機械上；調速裝置故障時可以切換至全速運行，避免停產；晶閘管串級調速功率因數偏低，諧波影響較大。本方法適合于風機、水泵及軋鋼機、礦井提升機、擠壓機上使用。

2.5繞線式電動機轉子串電阻調速方法

繞線式異步電動機轉子串入附加電阻，使電動機的轉差率加大，電動機在較低的轉速下運行。串入的電阻越大，電動機的轉速越低。此方法設備簡單，控制方便，但轉差功率以發熱的形式消耗在電阻上。屬有級調速，機械特性較軟。

2.6定子調壓調速方法

當改變電動機的定子電壓時，可以得到一組不同的機械特性曲線，從而獲得不同轉速。由于電動機的轉矩與電壓平方成正比，因此最大轉矩下降很多，其調速范圍較小，使一般籠型電動機難以應用。為了擴大調速范圍，調壓調速應采用轉子電阻值大的籠型電動機，如專供調壓調速用的力矩電動機，或者在繞線式電動機上串聯頻敏電阻。為了擴大穩定運行范圍，當調速在2∶1以上的場合應采用反饋控制以達到自動調節轉速目的。

調壓調速的主要裝置是一個能提供電壓變化的電源，目前常用的調壓方式有串聯飽和電抗器、自耦變壓器以及晶閘管調壓等幾種。晶閘管調壓方式為最佳。調壓調速線路簡單，易實現自動控制；調壓過程中轉差功率以發熱形式消耗在轉子電阻中，效率較低。調壓調速一般適用于100 kW以下的生產機械。

2.7電磁調速電動機調速方法

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

電磁轉差離合器由電樞、磁極和勵磁繞組三部分組成。電樞和后者沒有機械聯系，都能自由轉動。電樞與電動機轉子同軸聯接稱主動部分，由電動機帶動；磁極用聯軸節與負載軸對接稱從動部分。當電樞與磁極均為靜止時，如勵磁繞組通以直流，則沿氣隙圓周表面將形成若干對N,S極性交替的磁極，其磁通經過電樞。當電樞隨拖動電動機旋轉時，由于電樞與磁極間相對運動，因而使電樞感應產生渦流，此渦流與磁通相互作用產生轉矩，帶動有磁極的轉子按同一方向旋轉，但其轉速恒定低于電樞的轉速N1，這是一種轉差調速方式，變動轉差離合器的直流勵磁電流，便可改變離合器的輸出轉矩和轉速。

電磁調速電動機的調速特點：裝置結構及控制線路簡單、運行可靠、維修方便；調速平滑、無級調速；對電網無諧影響；速度損失大、效率低。 本方法適用于中、小功率，要求平滑動、短時低速運行的生產機械。

3　液力偶合器工作原理

以液體為工作介質的一種非剛性聯軸器，又稱液力聯軸器。液力偶合器的泵輪和渦輪組成一個可使液體循環流動的密閉工作腔，泵輪裝在輸入軸上，渦輪裝在輸出軸上。動力機(內燃機、電動機等)帶動輸入軸旋轉時，液體被離心式泵輪甩出。這種高速液體進入渦輪后即推動渦輪旋轉，將從泵輪獲得的能量傳遞給輸出軸。最后液體返回泵輪，形成周而復始的流動。液力偶合器靠液體與泵輪、渦輪的葉片相互作用產生動量矩的變化來傳遞扭矩。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系，工作構件間不存在剛性聯接。液力偶合器的特點是：能消除沖擊和振動；輸出轉速低于輸入轉速，兩軸的轉速差隨載荷的增大而增加；過載保護性能和起動性能好，載荷過大而停轉時輸入軸仍可轉動，不致造成動力機的損壞；當載荷減小時，輸出軸轉速增加直到接近于輸入軸的轉速，使傳遞扭矩趨于零。液力偶合器的傳動效率等于輸出軸轉速與輸入軸轉速之比。一般液力偶合器正常工況的轉速比在0.95以上時可獲得較高的效率。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。如將液力偶合器的油放空，偶合器就處于脫開狀態，能起離合器的作用。

4　電機轉矩與功率補償

4.1三相異步電動機的轉矩公式

三相異步電動機的轉矩公式為：

(1)

(2)

式中C為常數，與電機本身的特性有關；U1為輸入電壓；R2為轉子電阻；X20為轉子漏感抗；s為轉差率

可以知道M∝U12轉矩與電源電壓的平方成正比，設正常輸入電壓時負載轉矩為M2，電壓下降使電磁轉矩M下降很多；由于M2不變，所以M小于M2平衡關系受到破壞，導致電動機轉速的下降，轉差率s上升；它又引起轉子電壓平衡方程式的變化，使轉子電流I2上升。也就是定子電流I1隨之增加(由變壓器關系可以知道)；同時I2增加也使電動機軸上送出的轉矩M又回升，直到與M2相等為止。這時電動機轉速又趨于新的穩定值。

T=9550P/n

(3)

式中P為額定功率(kW) ；n為轉速(r/min)；T為轉矩(N·m) 。

(4)

式中M為電動機轉矩(N·m)；P為電動機輸出功率(W)；n為電動機轉速(r/s)。

P=1.732UIcosφ·η

(5)

式中P為電動機功率(W)；U為電動機電壓(V)；I為電動機電流(A)；cosφ為功率因數；η為電動機效率。

4.2電機功率補償

電機功率補償為

式中Qc為無功補償，kVar。

補償前：cosφ1=a，φ1=c，tanφ1=e;

補償后：cosφ2=b，φ2=d，tanφ2=f。

圖1　功率金三角

4.3液偶執行器、風機電動執行器調節對電機電流、風機轉速影響

分析表1所示的幾組數據，偶合器開度大小引起電機電流的波動，風機開度制約偶合器開度，同時對除塵效果起主導作用。

表1　主要設備實際運行數據

5　結束語

電機所帶負載是風機，風機的運行特性狀況決定除塵效果的好壞。本套設備采用液力偶合器調速，在現場操作的基礎上，積累了一定的實踐經驗，在電機電流、液偶執行器、風機電動執行器上著手優化改進，既節省了電耗，又讓除塵效果達到最佳狀態；在節能的同時，又達到環保要求，實現雙贏。

2015-10-15

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