大马拉小车的节能问题

大马拉小车的节能问题1大马拉小车的基本分析当负载所需的功率远小于电动机的额定功率，或者负载折算到电动机轴上的转矩远小于电动机的额定转矩时，通常称之为大马拉小车。1.1大马拉小车时的反电动势电动机定子侧的电动势平衡方程Ul=-E1+l!r[+jl|XJ⑴式中:叫为定子每相绕组的相电尾」；E.为定子每相绕组的反电动势、V；L为定子的相电L为定子符相绕组的电阻,X；为定子每相绕组的漏磁电抗、Q;j为复数算符』式〔D可以改写为■E户UHEIX(2)当负载电流为额定电流时，反电动势的大小计算如下■E]『U[pj-hr；ri~jli>X|式中的EIN.UIMJ[N均为额定值」而轻负载时,反电动势的计算式是_E]x-ULN-l]Xr]-jhxX]式中的EgL均为轻负载时数值-因为任轻负载时,每相统蛆所得到的电JE仍等于额定电压U晚而定子的相电流则远小于额定电流故电动机在轻载运行时，每相绕组的反电动势E辰必然大于额定值_1.2大马拉小车时的磁通定子绕组反电动势的有效值由下式决定EI=444KIt(3：式中己K『、KF为绕组的电势系数；L为定于电流的频率，由；N为定子每相绕组的匝数$皿为每对磁极下的主O部b式(3)又町改写为皿=拿料(4)式中:以：为系数的倒数4可批，电动机在轻载运行时,主磁通皿也大于额定值〉1.3大马拉小车时的励磁电流电动机磁搭内的磁通和定子统组的&ij磁电流之间，符合磁化曲线的规律,如图1中的曲线①。图1(a)是额定状态下的情形，磁路匚作在磁化曲线的线性段,蜓为额定值电"山磁电流较小加曲线②所，瓦J)额定磁通(h)磁通较大£c«路饱和国1励磁电流与磁萄当磁通增大公也七，励磁电流的振幅值将增大.如图1(h)中的曲绣③所小「如磁通弥增加至吼T磁路将©向也和，即不但励磁电流的振帼值进一步增大，民其波形有可能发生畸变，如图1%)中的曲线④所亦。1.4大马拉小车存在的问题1.4.1功率因数变差电动机的电流平衡方程是式中：1；为转子电流的折算值，七1“为励磁电流,A：

图2所示，是粗略的电流矢量图。图2(a)是额定状态时的情形。轻载时，转子的折算电流小了，而励磁电流大了。结果，合成为定子电流后，差角增大了，而功率因数则变小了，如图2(b)所示。1.4.2效率降低和电压的相位效率降低。磁通的增加，将增大铁心的磁滞损失和涡流损失，使损耗功率的相对值增大，和电压的相位效率降低。3)额定族态(bm裁我志图E异步电劫祝的电流失蚩图1.5大马拉小车的界定有关资料表明，异步电动机的最高效率发生在负荷率为0.7〜0.85的时候，其效率曲线如图3所示，图中的横坐标是电动机的负荷率，其计算式为僦式中泪为电动机的由荷率；孩为电动机实际囹亍时的转矩,Wm;%为电动机的额定转矩、N•叭图3异步电动机的敛率曲媛当负荷率＜0.6时,随着负荷率的减小，效率将急剧下降『因此，界定拖动系统处于大马拉小车状态的标志是＜（）.6a2变频器的节能技巧由以上分析，大马拉小车的结果，首先反映在反电动势增大。显然，如果适当减小电源电压，反电动势就可以随之减小。由式（4），磁通就可以恢复到接近于额定值。因此，大马拉小车节能的基本途径，便是适当降低电压。而在应用变频器的场合，节能的方法更是灵活多样。2.1工作频率为50Hz时的节能方法图4（a）所示，是大马拉小车的典型例子：当运行频率为50Hz时，电动机的额定容量是110kW，而负载实际所需功率只有70kW。3大鸟拉小车(b)^本频率的预置S4额频运钎的始理方法针对这种情况，降低电压的方法是加大基本频率。如图4(b)所示，如把基本频率加大为60Hz，060Hz对应于额定电压380V，而在50Hz时得到的电压只有317V。假设，基本频率的修正系数为y，则有1脚顼EIA⑺式中:顷为增大后的基本频率出珥h为额定情况下的基本频率，由；y为修TE系数-由于异步电动机的转矩与电压的二次方成正比，所以，修正系数了的大小大致可选择为式中:P"为电动机的额定功率,XV；R为负栽功率,kwo2.2低频运行时的节能方法二次方负载在低速运行时，极易出现大马拉小车的状态。如图5所示，曲线①是负载的机械特性，曲线②是电动机的自然机械特性，额定转矩为TMN。在全速运行时，负载转矩等于TLN，与电动机的额定转矩十分接近。曲线③是电动机在低频运行时的机械特性，有效转矩为TEA，而负载转矩为TLD，比电动机的有效转矩小得多，所以电动机处于大马拉小车的状态。针对上述现象，节能的基本方法如下所述。心）降低电压的就果（时低成U/f比图5低减.压频比的节能原坦2.2.1预置低励磁U/f比各种变频器都设置了低励磁U/f比功能。即在低频运行时，减小U/f比，使U/f线如图5（b）中的曲线④（曲线④为基本U/f线）所示，曲线④通常称为低励磁U/f线。由图知，当频率为fA时，电压从UA下降为UA，。这时，电动机的磁通比额定磁通还要小，从而降低了有效转矩，使之更接近于负载转矩。降低电压后的机械特性如图5（a）中的曲线③所示，电动机的有效转矩减小为TEA，，和负载转矩TLD之间的差距减小了，从而缓解了“大马拉小车”的问题。2.2.2自动搜索最佳工作点变频器可以任意预置U/f比的特点，相当于在某一频率下，可以任意改变其工作电压。在任意改变其工作电压时，电流的变化规律就是电动机的电流-电压曲线，如图6所示。当电压偏低时，虽然磁通减小，但是励磁电流却变化不大；另一方面，因为电动机电磁转矩的大小取决于转子电流和磁通的乘积，即m!/.m!/.心iK"mmu-ih（成负栽不变时（h）负栽改变时图&异步电动加的电流-电压曲税式中工为电磁转矩心为电动机的转矩系数；m迎?为电动机转子侧的功率因数」式（9）表明，在负载转矩不变的情况下.磁通的减小将导致转子电流I：增大，从而定子电流也增大，如图6（a）中的A，点反之，当电压偏高时，一方面，由于磁通的增大，转子电流略有减小；另一方面，电动机的磁路趋向饱和，结果是励磁电流大幅度增加，在合成为定子电流时，也使定子电流增加，如图6（a）中的入〃点所示。综合上述，得到完整的电流-电压曲线如图6（a）所示。图中的A点称为最佳工作点。当负载增大时，电动机的电流和所需电压都将增大，最佳工作点向右上方移动，电流电压曲线也将随之移动，如图6（b）中的曲线②和曲线③所示。相应的最佳工作点如B点和C点所示。某些变频器具有自动搜索最佳工作点的功能，可以在任何状态下，使运行电流为最小值，从而得到比较理想的节能效果。3隐形的大马拉小车现象3.1上限频率太低有的用户主要利用变频器来降速，上限频率往往预置得很低。这实际上也是一种大马拉小车。因为当上限频率低于基本频率时，电动机的有效输出功率是要减小的。图7所示，是一个上限频率只有30Hz的实例。电动机的额定容量为75kW，但当运行在30Hz时，其有效功率为揣=75x.三=45M事实上，负载所需功率只有电5心因此用一台75kW的电动机拖动4L5顷的负载,岂非大马拉小车？如果把传动比从X=4加大为A=6.5,则上限.顾率可提高到483Hz.而电动机只需45kW即可口3.2机械调速带恒转矩负载机械调速大多采用齿轮箱，也有机械的无级调速器。由于驱动电动机的功率是恒定的，根据能量守恒的原理，调速器输出轴的功率也是恒定的。所以，机械调速器输出轴的机械特性具有恒功率特点，即高速时转矩小、低速时转矩大，如图8（b）中的曲线②听示。如果用机械调速器来拖动恒转矩负载，负载的机械特性如图8（b）中的曲线①听示。

(a)上.彼频率较低外1也ih＞增大上限技率-±率与电动机容量十分明显的是，为了在最高转速时也能带动负载，电动机的额定转矩必须大于负载转矩。而在额定转速以下运行时，电动机将始终处于大马拉小车的状态，如图8(b)所示。4恒功率负载的拖动系统4.1卷绕机械以某卷绕机为例：4.1.1负载侧的计算最高转速时的负载功率Tl-L：=1。Nni]n；'-lljg'=960r/nitnp=L,」见心’_|()x96()rl~9550~9550最低转速时的负载功率T|1=Te^'=6()M~mnJ=1"1顼」=J53r/minp=耳林’.W):<I53=L~955D~9550就是说，在卷绕的全过程中，负载的功率是恒定的，都约等于1kW，如图9(c)所示。4.1.2电动机侧的计算电动机的额定转矩必须能够带动卷径最大时的负载转矩，故有TmnMTi^=60N■m电动机的额定转速必须满足负载的最高转速，故有n册m井|皿'=96()]7min电动机的容虹应满足D>"^L.rnM兀*一―9550所以选椰=75kW可见，所选电动机的容虽比负载实哧所需功率增大了7.5倍.在绝大部分时间内，电动机始终处于大马拉小车的状态°这是因为，电动机既要满足负载的最大转矩.乂要满足负载的最高转速,故所需容量为「’n，DA而负载实由所需功率为l955()两者之比为PrINn.mnx4百-电厂E."顷n式中气为位载的调速范嘛可见，变频调速系统的容凰比负载实际所需功率大了礼倍,是很浪费的，r：irts'：Hijmux(E2)4.1.3解决大马拉小车的途径考虑到电动机在时的有效转矩¥茂也，L有•恒功率牛官.所以亥尽・利.用电动机的m功率区来带动恒功率负载做两者的特性比较地吻合_当x二总时，因为电动机的绿商转速比原来增大了一倍测传动比尸也必增大，借.为人'=6-rajou)画出了传动比增大后的机械特性伽统-其计算结果如下。因为P=2A,所以负载转矩的折算值减小了-半,UI；M=30Mm虽然电动机的最高转速增大了，但额建转速未p..I顼世-胸M)x96D_玉■,w虹9550"955。取=3.7kW可见，所需电动机的容量减小了一半。如果最高频率达到额定频率的3倍，则可进一步将电动机的容量减小为2.2kW，如图10(b)所示。电动机如果长时间在过高频率下工作，会引起轴承磨损及动平衡等方面的问题，一般不推荐在2倍频率以上运行。但卷绕机械在最高频率下运行的时间极短，随着半径的迅速增大，卷辊的转速将迅速下降。所以，上述方案是可行的。4.2金属切削机床大部分金属切削机床都属于恒转矩和恒功率混合的负载，其要点如下。4.2.1机械特性以普通车床为例，负载的阻转矩如图11中虚线框内所示，等于切削力和工件半径的乘积

TL=Fr〔13)式中:F为切削力-N；r为i.件的半径,m■:图］1车盛的外彤与阻转拒在切削深度和进刀速度不变的情况下，切削力F主要与切削的线速度成正比。因此，工件的转速越高，负载的阻转矩也越大。但实际上，由于受到刀具和机床床身强度的限制，要求在大部分调速范围内，切削功率保持恒定。因此，其机械特性具有恒功率的性质。但在低速段，则因为切削力F要受到限制，故其机械特性具有恒转矩的特点。所以，金属切削机床的机械特性属于恒转矩和恒功率相混合的特性，如图12所示。(!)机械翳性(b)功率井钊主阁1口机庙的机诚我挂4.2.2计算转速恒转矩区和恒功率区的分界转速，称为计算转速，用nD表示。关于计算转速nD大小的规定因机床的种类而不同，如在老系列车床中，一般规定：从最低速起，以全部转速挡数的1/3的最高速作为计算转速。例如，CA6140型普通车床主轴的转速共分24挡：n1、n2、n3、……n24，则第八挡转速(n8)为计算转速。但随着刀具强度和切削技术的提高，计算转速已经大为提高。近年来，在一些新系列车床中，已逐渐提高为以最高转速的（1/4〜1/2）作为计算转速叶些今（14）2~4由于迄今为止，大部分金属切削机床都采用齿轮调速,版说明书中一般不提及计算转速.在龙门刨床中，由于较早采用电动机讷速;,故说明书中常有沔确虹定例如,A系列龙门刨床规定,计算（分界）刨削速度为VD=25最高刨削速度为Vin）■即刨削速度鸣W25nn/tninB寸为恒转矩调速^>25rn/rnin时为恒功率调速「4.2.3调速特点与减容方法金属切削机床的转速调节，通常是在停机情况下进行的，在切削过程中，一般不进行转速调节。这是一个很重要的特点，应该充分利用。根据金属切削机床停机调速的特点，传动比可以考虑分成两挡或多挡，使变频调速后的有效转矩线尽量逼近负载的机械特性曲线。以某车床为例，如图13所示，为了便于观察，各轴上的转矩和转速都折算到负载轴上。图13中，曲