電動機輸入電壓運行分析

韓宏飛

（1.華北電力大學，北京102206；2.陜西榆林供電局，陜西 榆林 719000）

電動機輸入電壓運行分析

韓宏飛1，2

（1.華北電力大學，北京102206；2.陜西榆林供電局，陜西 榆林 719000）

電力系統(tǒng)對用戶電壓合格范圍的規(guī)定是：6～10kV為±7%；380V為+10%、-20%。那么，對于用戶而言，究竟在什么范圍內(nèi)電動機運行較經(jīng)濟，這是一個值得探討的問題。

1 電動機損耗計算

一般認為電壓高一些較好，因此多數(shù)用戶將自己的母線電壓調(diào)到1.0～1.1倍的額定電壓（Ue），以為這樣最好用，也較放心。那么這樣做的結(jié)果，是對電動機的運行是有利？還是比較經(jīng)濟？我們通過試驗來回答這個問題。

1.1 電動機鐵損計算分析

筆者曾對一臺JR114-4繞線型轉(zhuǎn)子異步電動機進行調(diào)壓試驗。試驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 電動機空載調(diào)壓試驗表Tab.1 Motor no-load voltage regulation testing table kW

目前各生產(chǎn)廠家的電動機，其合格電壓范圍均在額定電壓范圍內(nèi)。若超過額定電壓損耗就迅速增加，特別是空載損耗增加得更為迅速。

一般認為，定子鐵損PFe與電壓的平方成正比

然而，試驗數(shù)據(jù)就不完全符合式（1）的情況。特別是當電壓超過額定值時，運行中的異步電動機鐵損就大幅度增加。

圖1為JR114-4電動機的運行曲線，當電壓從1.1倍額定電壓值降至0.95倍額定電壓值時其鐵損值為

圖1 JR114-4電動機空載曲線圖Fig.1 JR114-4Motor no-load curve

按式（1）計算，則為

顯然，按式（1）所得數(shù)值偏小，但按照4次方關系計算，則為

這一數(shù)值與實際試驗數(shù)據(jù)相似，說明鐵損差值與電壓的4次方之差成正比關系（近似）。

圖2為YK3200-2/118高速電動機的運行曲線。由該曲線得出，當電壓由1.1倍額定電壓值降為0.95倍額定電壓值時，其鐵損差值為

若按式（1）計算，則為

此值顯然偏小。若按3次方計算，則為

圖2 YK3200-2/1180電動機空載曲線圖Fig.2 YK3200-2/1180Motor no-load curve

這一計算值小于實際數(shù)值，但大于電壓平方之差與額定電壓鐵損乘積。由此可見鐵損差值與電壓已超過平方關系。根據(jù)實驗和有關資料介紹，電動機鐵損的大小與電壓的0.25～4次方成正比。同時可以看出，要想確定ΔPFe值，應該從實驗中得出。

1.2 電動機銅耗計算

電動機的端電壓降低后，在一定的負荷下其定子銅耗應當增加，定子銅耗決定于定子電流的平方，其損耗差值按式（2）確定

式中，PCuH為額定電流下的定子銅耗；I1、I2為偏離額定值的定子電流。

當負載一定時，按照一般規(guī)律，隨著電壓的降低，電動機的電流將增大，因此銅耗也增加。然而事實并非如此，經(jīng)過反復試驗得知，隨著電壓的降低，定子電流增加的速度逐漸減慢。當電壓降到一定數(shù)值時，定子電流變化非常微小。這種現(xiàn)象對于不同的電動機表現(xiàn)不同。其共同特點是，有一個特定電壓和臨界負載功率。在此負載功率點，電壓不同，而電流相等。臨界負載功率有大有小，有的電動機臨界負載功率就是額定功率。即在額定負載功率點，電壓降低，而電流不變。有的電動機在臨界功率點，隨著電壓降低，定子電流反而減小。因而，電動機銅耗差值ΔPCu在電壓降低時，可以是正值，也可以是負值或等于0。

1.3 轉(zhuǎn)差率損耗計算

電動機取決于機械特性的損耗為轉(zhuǎn)差率的損耗，這種損耗產(chǎn)生于轉(zhuǎn)子之中。由于轉(zhuǎn)子的銅耗正比于電動機的額定軸功率與轉(zhuǎn)差率，因此損耗為：

式中，PH為電動機的額定功率；β為電動機的負載率；S1、S2為電動機在不同負載情況下的轉(zhuǎn)差率。

當電壓降低時，一般S1＜S2，故ΔPP值常為負值。這是由于當電壓降低時，電動機的頻率必然有所降低，這樣將會影響到具有確定特性的機械工作。

1.4 短路附加損耗計算

電動機的短路附加損耗，一般按0.5%額定功率選取。當負載不同于額定值時，它正比于定子電流的平方，即

ΔPf數(shù)值在電壓降低的情況下，與ΔPCu的性質(zhì)一樣，可以是正的，也可以是負的或0。

1.5 無功損耗計算

當電動機的輸入電壓降低時，其所消耗的無功功率Q也將減小。一般無功功率的經(jīng)濟當量KQ在0.002～0.008kW/（kV·A），則無功損耗差為

由于電壓降低時，一般Q1＜Q2，故ΔPQ將是正的。

2 電動機損耗計算公式

在上節(jié)討論的基礎上，可以總結(jié)出，在電壓降低的情況下，各種損耗差值可以用式（6）表示式（6）中第3項，對于具有恒定阻力短機械的電動機而言取正號，對具有風機型阻力短的取負號。

由式（6）可以看出，當電壓降低時，電動機的定子電流有可能是減小的。若式（6）中的各項均為正值，則PZ值越大。這時，由于電壓降低而得到的經(jīng)濟效益也就越大。

由于降低電壓所得到的相對經(jīng)濟效率可以表示為：

式中，η為電動機效率。

3 電動機運行經(jīng)濟分析

現(xiàn)在以JR114-4電動機、YK3200-2/1180水泵電動機為例，用以上公式進行計算，試驗電動機的經(jīng)濟運行效果。

3.1 JR114-4電動機

PH=115kW；η=91%；工作負載0.75PH；當電動機從1.1Ue變到0.95Ue時，電動機電流從0.69IH～0.74IH；無功功率減小19kV·A；轉(zhuǎn)差率從0.00284增加到0.00385；KQ=0.006kW/（kV·A）；額定銅耗PCuH=0.71kW。該電動機為風機動力。

從圖1中找到ΔPFe=0.73kW，則

若每kW·h以0.4元計算，該機組每年運行7500h，則年節(jié)約電費為0.83×0.4×7500=2490（元）。

3.2 YK3200-2/1180水泵電動機

PH=3200kW；η=95%；工作負載0.72PH；當電動機從1.1Ue變到0.95Ue時，電動機電流從0.672IH增加到0.739IH；無功功率減小311kV·A；轉(zhuǎn)差率從0.00283增加到0.00381；KQ=0.006kW/（kV·A）；額定銅耗PCuH=17.56kW。

從圖2中找到ΔPFe=16.8kW，則

年節(jié)約電費約為17.75×0.4×7500=53250（元）。

通過對各類電動機進行試驗，各種電動機在允許降低電壓的情況下，損耗均有所降低，電動機在0.95Ue運行情況下，損耗降低幅度相對較大。特別是鼓風機、水泵類，降損更顯著。通常，對鼓風機的ΔPZ降低4%，則δη便可增加3.5倍。

4 結(jié)論

用戶可以在輸入電壓允許變化的范圍內(nèi)，合理調(diào)整電動機的輸入電壓，可以降低電動機損耗，提高電動機運行效率。從電動機的運行數(shù)據(jù)看出，電動機在0.95Ue下運行最經(jīng)濟。

除電動機輸入電壓外，影響電動機運行的外部因素還有系統(tǒng)電網(wǎng)電源的頻率、諧波含量等，但電動機輸入電壓的大小是影響電動機運行的基礎因素。各廠礦、農(nóng)村在各級電壓運行的電動機，其輸入電壓最合理是在0.95～1.0Ue范圍內(nèi)。對于降低起動的電動機，在選定起動電壓時，應考慮電源電壓降低的幅度，以防電動機因電壓較低而起動困難。

[1]趙家禮.低壓三相異步電動機修理[M].北京：機械工業(yè)出版社,2010.

[2]周立，張龍.電機與拖動基礎[M].北京：中國鐵道出版社，2006.

[3]才家剛.電機使用與維修技術問答[M].北京：化學工業(yè)出版社,2009.

[4]李圣年.潛水電泵與泵用電動機修理[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.

[5]程浩忠，吳浩.電力系統(tǒng)無功與電壓穩(wěn)定性[M].北京：中國電力出版社，2004.

[6]齊任民，楚富洲.電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定與控制實用技術手冊[M].北京：中國電力出版社，2004.

Operation Analysis of Motor Input Voltage

HAN Hong-fei1,2
（1.NorthChineElectricUniversity，Beijing102206,China；2.ShaanxiYulinPowerSupplyBureau，Yulin719000，ShaanxiProvince,China）

In this paper,test results of the input of the motor voltage regulator are analyzed to find out the law of motor operation with changes of the voltage input and the law of loss changes,and to obtain the energy-saving formula and determine the voltage range for the economical operation of motors and other precautions for the operation.Through repeated tests and quantitative analyses of the loss differences,it is concluded that the most efficient operation with the minimum loss should be that the motor operates at 0.95times of the rated voltage.

motor;input voltage;no-load;economics

通過對電動機進行輸入電壓調(diào)節(jié)試驗分析，尋找電動機隨著輸入電壓的變化，其損耗變化的規(guī)律，得出節(jié)電計算公式，確定電動機經(jīng)濟運行的電壓范圍及注意事項。經(jīng)過反復試驗與損耗差值定量分析，得出一般電動機在0.95倍額定電壓下運行最經(jīng)濟，損耗最小。

電動機；輸入電壓；空載；經(jīng)濟性

1674-3814（2011）12-0081-03

TM 343

A

2011-02-05。

韓宏飛（1973—），男，華北電力大學在職碩士研究生，高級工程師，從事規(guī)劃基建部工作。

（編輯 董小兵）