風(fēng)機(jī)變極調(diào)速主回路選用分析

尤士剛

(華通設(shè)計(jì)顧問工程有限公司，北京 100034)

0 引言

在設(shè)計(jì)實(shí)踐中，通風(fēng)專業(yè)經(jīng)常會(huì)采用“雙速風(fēng)機(jī)”的作法，如在平時(shí)用于排風(fēng)而在消防時(shí)用于排煙的兩用風(fēng)機(jī)，就是采用“雙速”的作法來(lái)實(shí)現(xiàn)兩種工況下的設(shè)計(jì)目標(biāo)(風(fēng)量、風(fēng)壓)。但雙速風(fēng)機(jī)的主回路應(yīng)采用何種接法應(yīng)做認(rèn)真評(píng)估。

哪種主回路接法適合于風(fēng)機(jī)變極調(diào)速？?jī)煞N工況下的功率比與接法是否有對(duì)應(yīng)關(guān)系？此類問題一直未引起應(yīng)有的重視，也沒有相關(guān)的論文對(duì)此進(jìn)行論述。

本文依據(jù)機(jī)座號(hào)與轉(zhuǎn)速及功率的對(duì)應(yīng)關(guān)系給出接線形式的選擇方法，同時(shí)依據(jù)電機(jī)學(xué)的基本原理，通過(guò)對(duì)交流異步電動(dòng)機(jī)的特性分析及風(fēng)機(jī)負(fù)載特性分析，總結(jié)歸納出常用風(fēng)機(jī)變極調(diào)速接線形式的特點(diǎn)及應(yīng)用指引(如根據(jù)功率比確定接線形式)，推論出適合于雙速風(fēng)機(jī)的接線形式。

1 通過(guò)“功率比”確定主接線

1.1 主接線

交流異步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)制造時(shí)可通過(guò)對(duì)三相定子繞組的不同布放處理、設(shè)置繞組的引出線端頭數(shù)量等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的同步轉(zhuǎn)速，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)“變極調(diào)速”的目的。繞組接法有多種，如用于雙速的△/YY、Y/YY、Y/Y接法，用于多速的Y/△/YY、△/Y/YY、△/△/YY/YY、Y/Y/YY接法等。

1.2 機(jī)座號(hào)與轉(zhuǎn)速及功率的對(duì)應(yīng)關(guān)系

對(duì)電動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)條件，機(jī)械行業(yè)內(nèi)有明確的標(biāo)準(zhǔn)，如《YD系列(IP44)變極多速三相異步電動(dòng)機(jī)技術(shù)條件(機(jī)座號(hào)80～280)》JB/T 7127-2010、《YDT系列(IP44)JB/T 8681-2013變極多速三相異步電動(dòng)機(jī)技術(shù)條件(機(jī)座號(hào)80～315)》。

表1為筆者整理的常用接法下的機(jī)座號(hào)與轉(zhuǎn)速及功率的對(duì)應(yīng)關(guān)系。設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)表1中的功率值查出接線方法，如功率比為2.7/12的電動(dòng)機(jī)，主回路為Y/YY接線；功率比為6.5/13的電動(dòng)機(jī)，主回路為Y/Y接線。

2 與風(fēng)機(jī)調(diào)速有關(guān)的幾個(gè)基本概念

在電機(jī)學(xué)領(lǐng)域，電機(jī)劃分為直流電機(jī)、交流電機(jī)(包括同步電機(jī)與感應(yīng)電機(jī)，變壓器可視為具有整距繞組的感應(yīng)電機(jī))。在民用建筑領(lǐng)域，風(fēng)機(jī)、泵類應(yīng)用最為廣泛，均屬感應(yīng)電機(jī)(亦稱為交流異步電動(dòng)機(jī))的范疇。本節(jié)介紹與異步電機(jī)相關(guān)的幾個(gè)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。

常用機(jī)座號(hào)與轉(zhuǎn)速及功率的對(duì)應(yīng)關(guān)系 表1

2.1 變極調(diào)速

電機(jī)的空間角度可以用“電角度”θae表達(dá)，θae=(poles/2)θa，其中poles為定子繞組形成的磁極數(shù)，θa為空間角度。電機(jī)轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度ωm與同步角速度ωs的物理關(guān)系如公式(1)～(2)所示：

ωm=(1-s)ωs

(1)

(2)

式中，s為轉(zhuǎn)差率，ωe為電角速度(我國(guó)f=50，ωe=2πf=100π)。

由式(1)～(2)可知，改變磁極數(shù)即可改變同步角速度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)調(diào)速。此種調(diào)速方法即為“變極調(diào)速”。變極調(diào)速的具體實(shí)現(xiàn)方法主要有兩個(gè)：一是在定子繞組槽內(nèi)嵌裝一套繞組，可將一套繞組中部分線圈按一定規(guī)律反接以改變其電流方向，進(jìn)而改變磁極數(shù)；二是在定子繞組槽內(nèi)嵌裝兩套獨(dú)立繞組，兩套繞組的磁極數(shù)不同。

不同的繞組布放方法及引出線位置可實(shí)現(xiàn)不同比例的變極：倍極比變極(如表1中的4/2、8/4)、非倍極比變極(如表1中的6/4、8/6)。通過(guò)繞組的串聯(lián)/并聯(lián)、正接/反接、△接/Y接的組合，可實(shí)現(xiàn)多種極數(shù)比。圖1為4/2變極的原理示意圖(繞組展開圖)。

圖1 變極調(diào)速原理示意圖

由圖1可以看出，改變a’、-a’的電流方向，磁極數(shù)由4變?yōu)?。

2.2 異步電動(dòng)機(jī)的特性

電機(jī)回路經(jīng)頻率折算和轉(zhuǎn)子繞組折算后，可獲得T形等效電路，應(yīng)用戴維南定理，可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為圖2所示的等效電路。

圖2 電機(jī)等效電路圖

根據(jù)等效電路，可得功率和轉(zhuǎn)矩的計(jì)算公式如式(3)～式(5)所示：

(3)

Pem=ωsTem

(4)

Pmech=ωmTmech

(5)

式中，Pem為電磁功率，Pmech為機(jī)械功率，可以看出，在正常運(yùn)行區(qū)段，機(jī)械轉(zhuǎn)矩與磁極數(shù)成正比，與繞組上的電壓的平方成正比，與繞組的電阻也有關(guān)系。圖3所示為電機(jī)功率和轉(zhuǎn)矩的關(guān)系曲線。需要注意的是，圖3中設(shè)定fl為滿載狀態(tài)。

圖3 電動(dòng)機(jī)區(qū)域的T(s)和P(s)曲線

2.3 交流異步電動(dòng)機(jī)的拖動(dòng)

拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程如式(6)所示：

(6)

不同的負(fù)載呈現(xiàn)不同的特性，對(duì)于風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載，其負(fù)載轉(zhuǎn)矩為轉(zhuǎn)速n的函數(shù)，二者之間的關(guān)系如公式(7)所示：

TL=f(n)=TL0+k×n2

(7)

式中，TL0為初始轉(zhuǎn)矩(對(duì)風(fēng)機(jī)而言，一般為0.23倍額定轉(zhuǎn)矩)。

電機(jī)的選取要遵循電磁轉(zhuǎn)矩Tem與負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL匹配的原則，電機(jī)過(guò)大會(huì)出現(xiàn)大馬拉小車的現(xiàn)象，電機(jī)過(guò)小則無(wú)法滿足設(shè)計(jì)工況。需要注意的是，電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tstart應(yīng)大于初始負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL0，否則無(wú)法正常啟動(dòng)。

3 常用變極調(diào)速的主接線及特點(diǎn)分析

綜合上文，對(duì)常用的接線方式進(jìn)行有針對(duì)性分析。△/YY、Y/YY接線較為常用，且二者主回路相同，容易混淆，故本文主要對(duì)這兩種接法進(jìn)行技術(shù)分析，對(duì)Y/Y接線進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明。為了便于比較，△/YY、Y/YY接線均以4/2極數(shù)比進(jìn)行模擬分析。

3.1 △/YY接線

△/YY的主回路見圖4所示，△/YY繞組端子接線圖見圖5。

圖4 △/YY、Y/YY接線主回路

圖5 △/YY繞組端子接線圖

需要特別注意的是，對(duì)于倍極比變極，為了使變極后電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向不變，在繞組改接時(shí)，應(yīng)把接到電動(dòng)機(jī)端頭電源的次序進(jìn)行相應(yīng)改變，圖5中端子接線圖即體現(xiàn)了此要求。其深層原因是電角度導(dǎo)致的，θae=(poles/2)θa，即電角度與極數(shù)成正比，以4/2極數(shù)比為例，若L1相的電角度為0，則2極時(shí)L2相、L3相的電角度分為120°、240°，4極時(shí)L2相、L3相的電角度分為240°、480°(等效于120°)，因而導(dǎo)致磁動(dòng)勢(shì)的旋轉(zhuǎn)方向與2極時(shí)相反，若電動(dòng)機(jī)端頭電源的次序不變會(huì)導(dǎo)致兩種接線下的轉(zhuǎn)向不同。△/YY接線的繞組接線關(guān)系見圖6所示。

圖6 △/YY繞組接線關(guān)系圖

下面對(duì)比△接線、YY接線時(shí)的轉(zhuǎn)矩與功率。由式(3)可以看出，機(jī)械轉(zhuǎn)矩與磁極數(shù)成正比，與繞組上的電壓的平方成正比。磁動(dòng)勢(shì)是由各段繞組建立的磁動(dòng)勢(shì)疊加而來(lái)的，因而分析一段繞組上的電壓即可得到預(yù)期的結(jié)果：根據(jù)公式(8)～(9)可得式(10)，依據(jù)式(10)及式(5)可得式(11)。

(8)

poles△=4，polesYY=2

(9)

(10)

Pmech.△/Pmech.YY= 3/4

(11)

式中，下標(biāo)“c”指圖中的一段繞組。

將式(11)與表1中相應(yīng)數(shù)據(jù)對(duì)比，可證明上述分析與推導(dǎo)的正確性。需要說(shuō)明的是，表1中所列功率為輸出功率，與機(jī)械功率之間差附加損耗及機(jī)械損耗，因而與式(11)為近似比例關(guān)系。

3.2 Y/YY接線

Y/YY接線的主回路與△/YY接線相同，見圖4所示。對(duì)于倍極比變極，在繞組改接時(shí)，也應(yīng)把接到電動(dòng)機(jī)端頭電源的次序進(jìn)行相應(yīng)改變。Y/YY接線的繞組接線關(guān)系見圖7所示。

圖7 Y/YY繞組接線關(guān)系圖

類似于△/YY接線的分析方法，可分析出Y/YY接線的轉(zhuǎn)矩與功率關(guān)系，見式(12)～(15)。

Uc.Y=1/2U0,Uc.YY=U0

(12)

poles△=4,polesYY=2

(13)

Tmech.△/Tmech.YY= 1/2

(14)

Pmech.△/Pmech.YY= 1/4

(15)

同樣，將式(15)與表1中相應(yīng)數(shù)據(jù)對(duì)比，可證明上述分析與推導(dǎo)的正確性。

3.3 Y/Y接線

Y/Y接線為2套獨(dú)立繞組，繞組布放方法不同，磁極數(shù)不同；繞組自身的參數(shù)(電阻)不同，也會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生影響。由表1中可知，工程實(shí)踐中，Y/Y一般被設(shè)計(jì)為功率比1/3(轉(zhuǎn)速比1 000/1 500)、功率比1/2(轉(zhuǎn)速比750/1 000)。Y/Y接線的主回路見圖8所示。

圖8 Y/Y接線主回路

4 接線方式與風(fēng)機(jī)負(fù)載間的匹配性分析

由前述分析可知，△/YY、Y/YY具有相同的主回路，但兩種接線下具有不同的機(jī)械特性。采用△/YY接線用于風(fēng)機(jī)的變極調(diào)速，需按高速運(yùn)行工況設(shè)計(jì)選擇風(fēng)機(jī)，使機(jī)械轉(zhuǎn)矩大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩(圖9中實(shí)線)。但在低速狀態(tài)下平衡點(diǎn)可見，電機(jī)性能嚴(yán)重浪費(fèi)。而Y/YY接線與風(fēng)機(jī)負(fù)載具有很好的匹配性。

圖9 △/YY接線T(n)曲線及負(fù)載TL(n)曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

同為變極調(diào)速，但不同接線、不同的極數(shù)比均會(huì)導(dǎo)致不同的轉(zhuǎn)矩比和功率比。綜合對(duì)比表見表2。

△/YY接線不適合于風(fēng)機(jī)類負(fù)載，更適合于恒功率負(fù)載；Y/YY接線、Y/Y接線均適合于風(fēng)機(jī)類負(fù)載的變極調(diào)速。

繞組接線方式綜合對(duì)比表 表2