机械特性与电机稳定运行相关性分析

在电源电压U1、频率f1和转子电阻R2不变的条件下,电动机转速n与电磁转矩T之间的函数关系称为机械特性,即n=f(T)。根据n=n0(1-s),可以把T=f(s)曲线转换成n=f(T)曲线,如图6-20所示。

研究机械特性的目的是为了分析异步电动机的外部特性,尤其特性曲线上3个特殊工作点所对应的转矩。

1.额定转矩TN

额定转矩是电动机在额定负载时的转矩。在n=f(T)曲线上,与额定转速nN(s=sN)所对应的转矩是额定转矩TN。若电动机的额定转矩TN单位是N·m,额定功率PN的单位kW,额定转速nN的单位r/min,有下式可求得TN

图6-20　机械特性曲线

例如Y160L—4型异步电动机的铭牌上标出PN=15kW,nN=1460r/min,则额定转矩为

图6-20中n=f(T)曲线上的A点是额定转矩TN和额定转速nN的对应点,称之为额定工作点。异步电动机运行在额定工作点及其附近时,其效率和功率因数都比较高。

2.最大转矩Tmax

从n=f(T)曲线上看,转矩有个最大值称为最大转矩或临界转矩。与最大转矩对应的转速称为临界转速ncr。最大转矩反映了异步电动机的短时过载能力,它与额定转矩的比值称为过载系数或过载能力,用λ来表示,即

一般电动机的λ=1.8～2.5。特殊用途电动机的λ值可到3或更大。

异步电动机不允许长期过载运行,否则将过热而烧毁。但只要负载转矩不大于最大转矩Tmax,并且电动机的发热不超过允许温升,短时间内过载运行是允许的。在电动机的选择计算中,如果是根据生产机械的转矩负荷曲线确定电动机容量时,则必须验算其转矩过载能力。

3.启动转矩Tst

电动机与电源接通的瞬间,即n=0(或s=1)时,电动机产生的转矩为启动转矩Tst,将s=1代入式(6-15),得(www.xing528.com)

式(6-20)表明,Tst与和R2有关。当电源电压U1降低时,启动转矩随之减小(图6-21);当转子电阻适当增大时,启动转矩可增大(图6-22)。

启动转矩的大小反映了电动机的启动性能。Tst大,电动机启动能力强;Tst小,电动机启动能力差。通常用启动转矩与额定转矩的比值表示异步电动机的启动能力,即

图6-21　对应不同U1的n=f(T)曲线(R2=常数)

图6-22　对应不同转子电阻的n=f(T)曲线(U1=常数)

一般笼型电动机的启动能力较差,约为0.8～2,所以有时需在轻载或空载下才能启动。

4.机械特性分析

电动机为能够拖动负载机械完成生产工艺要求,必须有稳定的工作点,只有建立了稳定工作点,才能在受到干扰后,自动适应并在外界干扰消除后自动回到原工作点。这就要求电动机的机械特性要与生产机械的机械特性相适应,以使电力拖动系统稳定运行。

图6-23　稳定运行分析

如异步电动机拖动一个恒转矩负载,其机械特性曲线如图6-23所示的曲线①,在曲线①与电动机的n=f(T)曲线相交的A点上,TN=TL,电动机可在额定转速nN下稳定运行,我们称A点为稳定运行点。由于某种原因(电源或负载方面)使拖动系统的运行转速发生变化,如果转速n升高,则电动机的转矩T便随之减小,到A1点,此时T=T1＜TL,迫使n下降;若n降低,则T增大,到A2点,此时T=T2＞TL,电动机加速,n上升。不难看出,无论系统运行转速变高或变低,电动机都有恢复到A点运行的趋势(n→nN或T→TN=TL),使系统稳定运行。

如果被拖动的生产机械的机械特性为图6-23中的曲线②,电动机工作在B点,情况就完全不同了,系统将不能稳定运行。但异步电动机拖动鼓风机负载(机械特性如图6-23所示的曲线③)时,也工作在B点,却能获得稳定运行。这两种情况,请读者自行分析。

在一定范围内,当外部条件变化时,异步电动机本身具有自动调整作用,以适应外部条件,体现其自动适应能力。异步电动机拖动恒转矩负载,在异步电动机n=f(T)曲线的n0＞n＞ncr(s=scr时,与Tmax对应的临界转速)区段,拖动恒转矩负载,可获得稳定运行。