上海水泵集團技術之電動機的特性

電動機的特性  設計電動機應保證使之在特定的線電壓，線頻率，以及環境溫度條件下發出額定馬力，額定轉矩和額定轉速。在滿足以上全部條件的同時，電動機還要能夠在特定的效率和功率因數下運行。一個電動機的正常運行條件都已寫在銘牌上：功率、速度、環境溫度、頻率等。如果電動機的實際運行工況偏離電動機銘牌上的額定值，則電動機的性能將發生變化。

電壓  對交流電動機規定，在額定頻率下，電壓變化為銘牌額定電壓的±10%，也能進行良好的運轉。要求電動機在額定電壓范圍內，能滿足泵所要求的額定功率和轉速，并且絕緣也處于安全溫度之下。電動機的轉矩的變化直接與所采用的線電壓除以銘牌電壓的平方有關。這對電動機的峰值轉矩所造成的影響和引起的速度轉矩曲線的變化。電壓變化在±10%以內，電動機仍然可以把泵起動起來并且使之連續安全運行。但是，當電壓的變化超出±10%范圍，電動機就不可能連續運行。即使是電壓出現瞬時變化超過±10%的情況，泵與電動機的運行也是不可能良好的。

例如，泵采用NEMA規定的B型電動機來驅動,在額定電壓下將產生 200%的失步轉矩。如果線電壓下降至銘牌額定電壓的70%，則電動機只能發出最大轉矩的49%。這時，電動機的失步轉矩就變成0.49x200%的額定轉矩，或者說 98%的額定轉矩。于是電動機能否維持泵的負載，電動機會不會失速，停車，或者過載就成問題了。

同樣道理，如果出現線電壓過低的情況，則電動機就不可能把泵起動起來。在前面討論過的一個例子中，我們知道，在額定電壓下泵由不轉狀態起動，同樣的一臺電動機將輸出150%的額定轉矩。如果線電壓又是降至銘牌電壓的70%，則電動機將輸出0.49x150%的額定轉矩，或者說只有 73%的額定轉矩。這對某些類型的泵，例如往復式定量泵的起動就會成問題�？梢韵胂�，起動離心泵將不會成問題，因為離心泵的轉速轉矩特性曲線存在著平方關系規律。如果電動機的電壓一直低于70%，則離心泵就達不到正常的運行轉速。但是，交流換向繞組電動機不遵循這種規律，電壓波動±6%是允許的。

電動機電壓變化偏離銘牌額定值，也會影響電動機的轉速，功率因數和效率，因為這些參數取決于額定電壓和額定負載。超壓10%，異步電動機的運行轉速將比銘牌額定轉速快若干轉，反之降壓10%，轉速將比銘牌值慢若干轉。但是，同步電動機在電壓變化超過±10%時，也不會引起轉速的變化。

直流電動機在超越銘牌額定電壓±10%范圍內，仍然可以運轉。不過應當承認，不同型號的直流電動機，在超出此電壓范圍后，具有不同的轉速轉矩特性曲線。為滿足泵運行的各種特性要求，這一點應加以考慮。

頻率  在額定負載和額定電壓下，電源頻率變化在銘牌額定值的±5%以內，交流電動機的運行仍然是良好的，因而可以用改變電源頻率的辦法實現電動機調速。同步電動機的轉速變化正比于電源頻率，而異步電動機的轉速變化也近似于同樣的比例。

當一臺交流電動機在電壓與頻率都在變化的情況下運行，則電壓與頻率的綜合變化不宜超過銘牌額定值的±10%。出現的頻率波動，不宜超過銘牌額定值的±5%。

偏離電動機銘牌頻率的波動，將引起電動機功率因數與效率的改變，功率因數和效率將和由額定頻率所確定的數值不同。

轉速與轉速變化范圍  同步電動機和異步電動機都希望基本上能在一個特定的轉速下運轉。采用變頻電源，同步電動機或異步電動機均可以獲得可調轉速的特性，但是這種設計適用于某些特殊的應用場合。

調速可以采用調速裝置來實現。這種調速裝置是很有效的并且總是配有直流電動機。大型電動機要求調速時，通常采用帶有滑差控制器的線繞轉子式電動機。調速驅動的其它形式可采用渦流聯軸器和某種形式的等速電動機，后者常常為鼠籠式異步電動機。上述驅動方式的最大調速范圍，大致上是10:1。

泵要求不連續調速時，可采用多速運轉的專用電動機來驅動。這類電動機可能選用鼠籠式異步電動機的變型產品，繞組抽頭經過重新接線的鼠籠式電動機，就能得到多級調速范圍。某些應用場合，要求調速的范圍不一定均勻的成比例，往往要用一個雙繞組鼠籠式異步電動機。然而，大功率電動機如果不要求連續調速時，可以采用帶有極磁調幅的單繞組的設計。這種設計以電動機磁通頻率調制這一概念為依據。

起動  一臺電動機必須能夠在額定馬力和額定轉速下加速和驅動一臺泵；現就一個典型的泵和電動機機組的起動過程來加以分析。這個機組包括一臺六極鼠籠式異步電動機和由它驅動的一臺離心泵。電動機的額定功率為10馬力，具有NEMA B類電動機的轉矩特性。這個機組的特性曲線，泵帶有負載，電動機在銘牌頻率和銘牌電壓下運行�？梢�，在任何轉速下

電動機所輸出的轉矩，總是大于相應轉速下泵所要求的轉矩。富裕的轉矩在任何轉速下均用于加速整個電動機和泵的回轉部件的質量(WK²)。

    鑒于電動機與泵之間存在的上述轉矩差在整個起動加速過程范圍內是不均勻的，所以對曲線進行分析時可以假定速度變化是不連續的，而轉矩則取整個加速過程中的平均值。對每一段不連續的速度變化算出一個時間間隔，然后把全部分段時間數值疊加起來，則得到整個加速過程所需的時間(同樣可以參看本書第二章第二節和第五章第一節)。

增加泵的WK²值，泵和電動機的運轉速度或在任何轉速下泵所要求的轉矩，都會導致起動加速過程所需時間的延長。而這種時間的延長，對電動機可能是不允許的。在給定的時間內，每一種電動機都有一定的在低速并超過轉矩額定值的工況下運行的能力。但是，超越規定的時間，則對繞組或轉子，或者對二者均會造成損壞。

分析了應用條件并發現起動時間過長時，應由以下諸項著手考慮解決：

1.在起動加速期間，泵不帶負載

2.減少回轉部件的WK²值

3.采用具有加速大WK²值能力的電動機

大型泵起動時，可以看到線電壓下降的現象，這是由于起動電流很大的緣故。這時電動機的轉矩也要下降，因為轉矩與電壓降呈平方關系。在起動加速過程中，在任何轉速下，只要電動機發出的轉矩比被驅動的泵所需要的轉矩大，將無礙電動機對泵的起動加速能力。當然，由于降壓引起電動機輸出的轉矩減小，會促使電動機起動加速的時間延長。

一旦知道了同步電動機的起動轉速轉矩特性曲線，則對同步電動機也可以作類似的分析�？梢钥吹�，在達到同步轉速之前，同步電動機是按鼠籠式異步電動機特性來運轉的。這時，同步電動機必須有一個附加的，使電動機趨向同步的轉矩，這種能力往往稱之為“牽入轉矩”。附加轉矩將電動機從亞同步狀態加速到同步轉速。如果電動機不能輸出同步轉矩，電動機就要失步，并通常由控制程序發出停車信號。用同步電動機驅動泵時，在起動加速過程中，不使泵帶有負載，以便縮短起動加速過程，減少電動機所需要的同步轉矩，這是一種經濟合理的措施。

要時刻注意泵由靜止狀態起動時，起步轉矩的大小，這對于定量泵而言尤為重要，因為在整個起動加速過程中，泵始終在恒定的轉矩下運行。

使用系數  電動機所采用的使用系數范圍規定為1.0到1.5。使用系數意味著一臺電動機在運行時具有的內在熱容量，它可以用銘牌所標出的功率乘以銘牌上所標出的使用系數求出。然而，應該注意的是，當電動機在滿足使用系數要求的功率條件下運行時,電動機將在所謂“安全溫度”下運行。這意味著,電動機可以在總的溫度高于在同樣功率，使用系數為1.0的電動機的設計溫度下運行。因此，在連續運行的功率要求大于正常功率的場合,通常不希望選用使用系數大于1.0的電動機。一臺電動機的額定使用系數表明了，在偶然超載的情況下，由電動機可提供比銘牌正常功率容量還要大的功率容量。此外，轉速轉矩特性曲線是針對名義的額定功率而言，而不是對應于使用系數下的功率。

效率  設計電動機時，其運行效率用額定電壓，頻率和功率的百分比來表示。

由于制造上的公差和材料性能上的差異，對于同一型號電動機的設計效率，在大批量生產中會稍微不同。為此原因，廠家銘牌保證的效率通常低于實際工作效率。當電動機降低功率運行時，效率有減低的趨勢。

還有另外一些因素會影響電動機的效率，諸如電動機處于額定功率下運轉，外加電壓升高時，則效率稍微有些提高，但外加電壓降低后，則電動機的效率就顯著減低。此外，增加頻率會使電動機的效率稍稍增大，而降低頻率卻會使效率稍有減小。

功率因數  電動機的功率因數用下式表示：

PF=100cosφ

式中φ為電動機引線終端電壓與電流之間的向量夾角(超前角或滯后角)。

作為基本依據，電動機運轉的功率因數是與電動機的設計有關的。功率因數由額定電壓，額定頻率和額定輸出功率確定。

就異步電動機而言，功率因數不可能超前100%。有以下許多因素能影響異步電動機的功率因數：

條件                         對功率因數的影響

外加電壓升高                 降低

外加電壓降低                 提高

負載增加                     提高

負載減少                     降低

電源頻率增加                 稍微有所提高

電源頻率減少                 稍微有所提高

就同步電動機而言，通常使用兩種電動機：功率因數超前百分之百(功率因數等于1)和80%的電動機。在額定電壓和額定頻率下運行的同步電動機，由于繞組勵磁和功率輸出的關系，功率因數是固定不變的。在給定的功率輸出下運行時，在一定范圍內調整繞組勵磁，可以調整功率因數。增加繞組勵磁，會使電動機的運轉處于更加超前的功率因數狀態，反之，減少繞組勵磁，將使電動機的功率因數滯后。

繞組勵磁保持不變的同步電動機，改變其功率輸出，運行中會引起功率因數的變化，減少功率輸出將導致功率因數更加超前，反之，增加功率輸出，電動機在運行中會使功率因數滯后。因此，要想使電動機在額定的功率因數下運行，同時又不斷地改變其輸出功率，則必須調整繞組勵磁。但是，這一點通常是做不到的，因為同步電動機往往被用來改善電網的功率因數，而且較超前的功率因數被用來適應功率因數的改善。當一臺同步電動機處于超載狀態，即在較大的滯后功率因數下運行，通常不宜去增加勵磁使之超過其額定值，因為這將會導致電動機過熱。在此情況下，大一些的滯后功率因數是絕對可取的。