大馬拉小車的節(jié)能問題

0 引言

時至今日，知道變頻調(diào)速的人已經(jīng)相當(dāng)?shù)钠毡榱恕４蠖鄶?shù)人一提起變頻調(diào)速，總是能和節(jié)能掛起鉤來。近年來，盡管我國在能源開發(fā)方面進(jìn)展迅速，但還是跟不上需求的增長，節(jié)能問題始終處于相當(dāng)突出的位置。

變頻調(diào)速之所以節(jié)能，主要在于把全速運(yùn)行中浪費(fèi)的電能節(jié)約了下來。尤其是閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，如恒壓供水系統(tǒng)等，實現(xiàn)了按需拖動，幾乎完全消除了拖動系統(tǒng)在運(yùn)行過程中的浪費(fèi)。這是從大的方面實現(xiàn)了節(jié)能，但并不等于節(jié)能潛力已經(jīng)挖掘干凈了。事實上，在許多場合，還存在著大馬拉小車的現(xiàn)象，在這一方面，還大有潛力。本文專就大馬拉小車的節(jié)能技巧問題作一探討。

1 大馬拉小車的基本分析

當(dāng)負(fù)載所需的功率遠(yuǎn)小于電動機(jī)的額定功率，或者負(fù)載折算到電動機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩遠(yuǎn)小于電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩時，通常稱之為大馬拉小車。

1.1 大馬拉小車時的反電動勢

電動機(jī)定子側(cè)的電動勢平衡方程

1.2 大馬拉小車時的磁通

1.3 大馬拉小車時的勵磁電流

1.4 大馬拉小車存在的問題

1.4.1 功率因數(shù)變差

電動機(jī)的電流平衡方程是

圖2所示，是粗略的電流矢量圖。圖2(a)是額定狀態(tài)時的情形。

輕載時，轉(zhuǎn)子的折算電流小了，而勵磁電流大了。結(jié)果，合成為定子電流后，和電壓的相位差角增大了，而功率因數(shù)則變小了，如圖2(b)所示。

1.4.2 效率降低

磁通的增加，將增大鐵心的磁滯損失和渦流損失，使損耗功率的相對值增大，效率降低。

1.5 大馬拉小車的界定

有關(guān)資料表明，異步電動機(jī)的最高效率發(fā)生在負(fù)荷率為0.7～0.85 的時候，其效率曲線如圖3 所示，圖中的橫坐標(biāo)是電動機(jī)的負(fù)荷率，其計算式為

2 變頻器的節(jié)能技巧

由以上分析，大馬拉小車的結(jié)果，首先反映在反電動勢增大。顯然，如果適當(dāng)減小電源電壓，反電動勢就可以隨之減小。由式(4)，磁通就可以恢復(fù)到接

近于額定值。

因此，大馬拉小車節(jié)能的基本途徑，便是適當(dāng)降低電壓。而在應(yīng)用變頻器的場合，節(jié)能的方法更是靈活多樣。

2.1 工作頻率為50 Hz時的節(jié)能方法

圖4(a)所示，是大馬拉小車的典型例子：當(dāng)運(yùn)行頻率為50 Hz時，電動機(jī)的額定容量是110 kW，而負(fù)載實際所需功率只有70 kW。

針對這種情況，降低電壓的方法是加大基本頻率。如圖4(b)所示，如把基本頻率加大為60 Hz，則60 Hz對應(yīng)于額定電壓380 V，而在50 Hz 時得到的電壓只有317 V。

2.2 低頻運(yùn)行時的節(jié)能方法

二次方負(fù)載在低速運(yùn)行時，極易出現(xiàn)大馬拉小車的狀態(tài)。如圖5 所示，曲線①是負(fù)載的機(jī)械特性，曲線②是電動機(jī)的自然機(jī)械特性，額定轉(zhuǎn)矩為TMN。在全速運(yùn)行時，負(fù)載轉(zhuǎn)矩等于TLN，與電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩十分接近。曲線③是電動機(jī)在低頻運(yùn)行時的機(jī)械特性，有效轉(zhuǎn)矩為TEA，而負(fù)載轉(zhuǎn)矩為TLD，比電動機(jī)的有效轉(zhuǎn)矩小得多，所以電動機(jī)處于大馬拉小車的狀態(tài)。

針對上述現(xiàn)象，節(jié)能的基本方法如下所述。

2.2.1 預(yù)置低勵磁U/f比

各種變頻器都設(shè)置了低勵磁U/f比功能。即在低頻運(yùn)行時，減小U/f比，使U/f線如圖5(b)中的曲線④′(曲線④為基本U/f線)所示，曲線④′通常稱為低勵磁U/f線。由圖知，當(dāng)頻率為fA時，電壓從UA下降為UA′。這時，電動機(jī)的磁通比額定磁通還要小，從而降低了有效轉(zhuǎn)矩，使之更接近于負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

降低電壓后的機(jī)械特性如圖5 (a)中的曲線③′所示，電動機(jī)的有效轉(zhuǎn)矩減小為TEA′，和負(fù)載轉(zhuǎn)矩TLD之間的差距減小了，從而緩解了“大馬拉小車”的問題。

2.2.2 自動搜索最佳工作點(diǎn)

變頻器可以任意預(yù)置U/f比的特點(diǎn)，相當(dāng)于在某一頻率下，可以任意改變其工作電壓。在任意改變其工作電壓時，電流的變化規(guī)律就是電動機(jī)的電流-電壓曲線，如圖6 所示。

當(dāng)電壓偏低時，雖然磁通減小，但是勵磁電流卻變化不大;

另一方面，因為電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的大小取決于轉(zhuǎn)子電流和磁通的乘積，即

反之，當(dāng)電壓偏高時，一方面，由于磁通的增大，轉(zhuǎn)子電流略有減小;另一方面，電動機(jī)的磁路趨向飽和，結(jié)果是勵磁電流大幅度增加，在合成為定子電流

時，也使定子電流增加，如圖6(a)中的A″點(diǎn)所示。

綜合上述，得到完整的電流- 電壓曲線如圖6(a)所示。圖中的A 點(diǎn)稱為最佳工作點(diǎn)。

當(dāng)負(fù)載增大時，電動機(jī)的電流和所需電壓都將增大，最佳工作點(diǎn)向右上方移動，電流- 電壓曲線也將隨之移動，如圖6(b)中的曲線②和曲線③所示。相應(yīng)的最佳工作點(diǎn)如B 點(diǎn)和C 點(diǎn)所示。

某些變頻器具有自動搜索最佳工作點(diǎn)的功能，可以在任何狀態(tài)下，使運(yùn)行電流為最小值，從而得到比較理想的節(jié)能效果。

3 隱形的大馬拉小車現(xiàn)象

3.1 上限頻率太低

有的用戶主要利用變頻器來降速，上限頻率往往預(yù)置得很低。這實際上也是一種大馬拉小車。

因為當(dāng)上限頻率低于基本頻率時，電動機(jī)的有效輸出功率是要減小的。

圖7所示，是一個上限頻率只有30 Hz 的實例。

電動機(jī)的額定容量為75 kW，但當(dāng)運(yùn)行在30 Hz時，其有效功率為

3.2 機(jī)械調(diào)速帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載

機(jī)械調(diào)速大多采用齒輪箱，也有機(jī)械的無級調(diào)速器。由于驅(qū)動電動機(jī)的功率是恒定的，根據(jù)能量守恒的原理，調(diào)速器輸出軸的功率也是恒定的。所以，機(jī)械調(diào)速器輸出軸的機(jī)械特性具有恒功率特點(diǎn)，即高速時轉(zhuǎn)矩小、低速時轉(zhuǎn)矩大，如圖8(b)中的曲線②所示。

如果用機(jī)械調(diào)速器來拖動恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，負(fù)載的機(jī)械特性如圖8(b)中的曲線①所示。[!--empirenews.page--]

十分明顯的是，為了在最高轉(zhuǎn)速時也能帶動負(fù)載，電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩必須大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩。而在額定轉(zhuǎn)速以下運(yùn)行時，電動機(jī)將始終處于大馬拉小車的狀態(tài)，如圖8(b)所示。

4 恒功率負(fù)載的拖動系統(tǒng)

4.1 卷繞機(jī)械

以某卷繞機(jī)為例：

4.1.1 負(fù)載側(cè)的計算

就是說，在卷繞的全過程中，負(fù)載的功率是恒定的，都約等于1 kW，如圖9(c)所示。

4.1.2 電動機(jī)側(cè)的計算

電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩必須能夠帶動卷徑最大時的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，故有

電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速必須滿足負(fù)載的最高轉(zhuǎn)速，故有

4.1.3 解決大馬拉小車的途徑

可見，所需電動機(jī)的容量減小了一半。

如果最高頻率達(dá)到額定頻率的3 倍，則可進(jìn)一步將電動機(jī)的容量減小為2.2 kW，如圖10(b)所示。

電動機(jī)如果長時間在過高頻率下工作，會引起軸承磨損及動平衡等方面的問題，一般不推薦在2倍頻率以上運(yùn)行。但卷繞機(jī)械在最高頻率下運(yùn)行的時間極短，隨著半徑的迅速增大，卷輥的轉(zhuǎn)速將迅速下降。所以，上述方案是可行的。

4.2 金屬切削機(jī)床

大部分金屬切削機(jī)床都屬于恒轉(zhuǎn)矩和恒功率混合的負(fù)載，其要點(diǎn)如下。

4.2.1 機(jī)械特性

以普通車床為例，負(fù)載的阻轉(zhuǎn)矩如圖11 中虛線框內(nèi)所示，等于切削力和工件半徑的乘積

在切削深度和進(jìn)刀速度不變的情況下，切削力F主要與切削的線速度成正比。因此，工件的轉(zhuǎn)速越高，負(fù)載的阻轉(zhuǎn)矩也越大。

但實際上，由于受到刀具和機(jī)床床身強(qiáng)度的限制，要求在大部分調(diào)速范圍內(nèi)，切削功率保持恒定。

因此，其機(jī)械特性具有恒功率的性質(zhì)。

但在低速段，則因為切削力F要受到限制，故其機(jī)械特性具有恒轉(zhuǎn)矩的特點(diǎn)。所以，金屬切削機(jī)床的機(jī)械特性屬于恒轉(zhuǎn)矩和恒功率相混合的特性，如圖12所示。

4.2.2 計算轉(zhuǎn)速

恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和恒功率區(qū)的分界轉(zhuǎn)速，稱為計算轉(zhuǎn)速，用nD表示。

關(guān)于計算轉(zhuǎn)速nD大小的規(guī)定因機(jī)床的種類而不同，如在老系列車床中，一般規(guī)定：從最低速起，以全部轉(zhuǎn)速擋數(shù)的1/3的最高速作為計算轉(zhuǎn)速。例如，CA6140型普通車床主軸的轉(zhuǎn)速共分24擋：n1、n2、n3、……n24，則第八擋轉(zhuǎn)速(n8)為計算轉(zhuǎn)速。

但隨著刀具強(qiáng)度和切削技術(shù)的提高，計算轉(zhuǎn)速已經(jīng)大為提高。近年來，在一些新系列車床中，已逐漸提高為以最高轉(zhuǎn)速的(1/4～1/2)作為計算轉(zhuǎn)速

4.2.3 調(diào)速特點(diǎn)與減容方法

金屬切削機(jī)床的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，通常是在停機(jī)情況下進(jìn)行的，在切削過程中，一般不進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。這是一個很重要的特點(diǎn)，應(yīng)該充分利用。

根據(jù)金屬切削機(jī)床停機(jī)調(diào)速的特點(diǎn)，傳動比可以考慮分成兩擋或多擋，使變頻調(diào)速后的有效轉(zhuǎn)矩線盡量逼近負(fù)載的機(jī)械特性曲線。以某車床為例，如圖13 所示，為了便于觀察，各軸上的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速都折算到負(fù)載軸上。圖13 中，曲線①是車床的機(jī)械特性;曲線②是低速段變頻調(diào)速后的有效轉(zhuǎn)矩線;曲線③是高速段變頻調(diào)速后的有效轉(zhuǎn)矩線。由圖可知，電動機(jī)的有效轉(zhuǎn)矩線與負(fù)載的機(jī)械特性曲線十分接近。這樣做的目的，是可以使拖動系統(tǒng)的容量盡量地接近負(fù)載實際所需的容量.

5 結(jié)語

由于歷史的原因，工業(yè)設(shè)備中的電動機(jī)所驅(qū)動的負(fù)載的功率，常常遠(yuǎn)小于電動機(jī)本身的功率，這種大馬拉小車的現(xiàn)象，浪費(fèi)了設(shè)備資源，也浪費(fèi)了寶貴的電力。本文分析了這種不匹配現(xiàn)象的本質(zhì)，針對不同的負(fù)載特性，提出了不同的解決方法，值得從事設(shè)備的節(jié)能技術(shù)改造以及制定新設(shè)備的設(shè)計方案的技術(shù)人員考慮。