异步电动机软启动及节能运行控制研究

本科毕业设计说明书（论文）第76页共76页1引言目前在工矿企业中使用着大量的交流异步电动机(包括380V／660V低压电动机和3KV／6KV中压电动机)，有相当多的三相异步电动机及其拖动系统还处于非经济运行的状态，白白地浪费了大量的电能。究其原因，大致是由以下几种情况造成的：①由于大部分电机采用直接起动方式，除了可能对电网及拖动系统造成冲击和引发事故之外，超出正常8～10倍的起动电流会造成巨大的能量损耗；②在进行电动机容量选配时，往往片面追求大的安全余量，且层层加码，结果使电动机容量过大，造成“大马拉小车”的现象，导致电动机偏离最佳工况点，运行效率和功率因数降低；③从电动机所拖动的生产机械自身的运行经济性考虑，往往要求电力拖动系统具有变压、变速调节能力，若用定速定压拖动，势必造成大量的额外电能损失。电动机的非经济运行情况，早已引起国家有关部门的重视，并分别于1990年和1995年制定和修定了强制性的国家标准：《三相异步电动机经济运行》(GB12497-1995)。国家希望依此来规范三相异步电动机的经济运行，国标的发布对低压电动机的经济运行起了很大的促进作用，但对中压电动机则收效甚微。其原因是：(1)中压电动机一般容量较大，一旦发生故障，其影响也大，因此对节电措施可靠性的要求就更高；(2)中压电动机节电措施受电力电子功率器件耐压水平的限制，节电产品的开发在技术上难度更大一些。到目前为止，国内尚无成型的中压电动机软起动和节电运行的产品面市。我国“十五”期间节能计划中关于“电动机系统节能计划”指出：电动机是量大面广的高耗能设备，我国电动机的总装机容量已达4亿kW，年耗电量达6000亿kWh，约占工业耗电量的80%。我国各类在役电机中，80%以上为0.55～200kW以下的中小型异步电动机，其中相当于世界近代技术水平的JO2系列的电动机约占70%，相当于70年代末水平的Y系列电动机不足30%，具有80年代水平的YX系列高效电动机所占的比例则更是微乎其微。我国在役电机拖动系统的总体装备水平仅相当于发达国家50年代的水平，我国目前制造的电机中仅有5%是高效节能电机，但几乎全部用于出口。据有关专家估算，由于设计、制造等各种原因，我国电机拖动系统的能源利用效率约比国外低20%左右，总的节能潜力约为1000亿kWh，相当于20个装机容量为1000MW级的大型火力发电厂的年发电总量。改造和更新的费用需要500亿元人民币。可见，如何促进三相异步电动机经济运行，是节约能源的一项重要研究课题。2三相异步电动机经济运行的指标三相异步电动机（以下简称电机）是各厂矿企业广泛应用的产品，泵类、风机、压缩机、各种机床、冶金矿山机械和起重运输机械等的配套。根据国家技术监督局统计，我国中小型电动机耗电占全国总发电量的40%～50%，其中70年代以前生产的Ｊ系列三相异步电动机占总装机容量的85%左右，而80年代生产的Y型节能型三相异步电动机只占总装机容量的15%左右。因此，如何促进三相异步电动机经济运行，提高在线电机的能源利用率，是节约能源的一项重要研究课题。三相异步电动机的经济运行，是指电机在满足被拖动机械的运行要求时，以节能和提高综合经济效益为原则，合理选择电机的类型、运行方式及功率匹配，使电动机在效率高、损耗低、经济效益好的状态下进行。根据国家技术监督局和国家电力部批准的GB-12497和DB-5102Ｋ22的规定，判断三相异步电动机是否为经济运行，主要依据以下2个指标。2.1电机负荷率电机负荷率为电动机实际输出功率与电动机额定功率之比，即：β=×100%(1)式中，P2为电动机实际输出功率；PN为电动机额定功率。根据规定：当β≥40%，表明电机是处于经济运行状态；当β<40%，为非经济运行状态。2.2电机运行效率电机运行效率为电动机实际输出功率与电动机输入功率之比，即：η=×100%(2)式中，P1为电动机输入功率。设电机在实际负载时电机的总损耗为P，则：P1=P2+ΔP(3)将式(3)代入式(2)得：η=1-(4)根据规定：当η≥0.9ηN时，电机处于经济运行状态，ηN为电机额定效率；当η<0.9ηN时，电机处于非经济运行状态。图2.1电动机运行状态判定图2.3电动机非经济运行的原因分析分析各类设备中的电机处于非经济运行状态的原因，主要有以下几个方面。旧式的Ｊ系列电机空载损耗大，使运行效率降低空载损耗：P0=PFe+Pm+Pcuo+Ps(5)式中，PFe为铁耗；Pm为机械损耗；Pcuo为空载定子铜耗；Ps为附加损耗。对于旧式电机，由于它的结构所致PFe，Pm,，Pcuo和Ps这4个损耗都比Y系列新型节能电机高，因此造成空载损耗大。当电机所带负载不变时，即电机输出功率P2不变时，电动机的空载损耗越大，则电动机所需的输入功率P1越大，据式(2)，则电动机效率越低，经济性越差。(2)设备陈旧，造成电机运行效率低。电机是否经济运行，虽然表现在电机，但实际上是电网设备，电机负载整个系统所决定。因此，设备作为电机的负载，运行状况也是重要原因之一。当设备本身的运行状况不良时，会使电机实际用于生产的能力减弱。电机的输出功率转换为机械能由2部分组成：P2=K1Ec+K2Ef(6)式中，Ec为设备运行机械耗能；Ef为设备生产耗能；K1，K2为转换系数。对于陈旧的机械设备，由于设备的机械设计性能较差，加之使用多年机械性能变差，使设备运行的机械耗能Ec加大，因此，造成损耗增大，生产能力减弱。(3)设备选用不当，造成电机运行负荷率低。根据式(6)，当负荷减小时，使设备的耗能Ef减少，输出功率P2下降，从而使电机的负荷率降低。如选用大容量电动机拖动小负载，使设备未能发挥其应有的能力，是造成电机处于非经济运行的重要原因之一。(4)电机的电源电压过高，也将造成能耗增大，效率降低。对电机工作而言，电源电压变化在95%～105%的范围仍在正常工作，但电压过高对节能是不利的。根据式(2)和电机运行时的功率因数，即：cos=P1/3U1·I1(7)式中，U1为电机的相电压；I1为电机的相电流。当电源电压的增高超过规定范围时，使电机的功率因数和效率均下降。因此造成无功损耗的增大，使能耗损失增加。2.4促进三相异步电动机经济运行的措施2.4.1减少电动机损耗(1)用Y系列新型节能型电动机逐步取代旧式J系列电机，提高电机自身性能，降低电能损耗。(2)采用磁性槽泥技术对旧式电机进行技术改造，此方法可降低高次谐波对电机产生损耗，改善电机的节能性能。(3)应用电机调速运行方式，可降低变负载或者轻负载设备电机的电能损耗，使运行效率得以提高。此方法是根据电机运行负载的变化，调节电机的转速，使其输出功率能匹配负载的变化，从而使电机始终处于经济运行状态。现以煤矿中使用的风机为例，风机的轴功率与转速的立方成正比，若煤矿生产需要的风量减少时，用降低电动机转速的方法就可实现，同时消耗的轴功率会显著地减少。如图2.2绘出风机在不同转速下的典型输出特性H(n1)，H(n2)，图中曲线R1、R2分别表示由输送气体通路所决定的管路特征曲线。当风机转速为n1,管路阻力为R1时，输送的流量Q1由点I决定，此时风机输出压力为HI，所需轴功率NI=Q1HI/η(η为风机效率)。图2.2风机调速节能原理若所需流量为Q2，在管路阻力不变的情况下，实际需要的压力为HIII，比HI下降。但如果此时的风机转速没有改变，那么风机的输出压力不但不能从HI降到HIII，反而要增加到HII，这个压头差值通常就是通过调节风门，从而增加管路阻力，使管路特性由R1变为R2来实现。此时风门上的损耗Ns用公式来表示为：Ns=Q2(HI-HIII)/η=Q2Hs/η(8)但如果此时不采用调节风门的办法而是将风机的转速调低到n2，使风机的输出特性变成H(n2)，那么显而易见，随着风机输出风量的减少，在输送同样流量Q2的情况下，原来损耗在风门上的功率Ns就完全可以避免了，这样既满足了生产的需要，又达到了节能的目的。(4)采用电机无功功率就地补偿，降低线路损耗。因为，电动机是电感性负载，它在运行时，须从供电线路中吸取无功功率，用于建立旋转磁场，而无功电流在线路中的流动会造成线路损耗。另外，无功电流与功率因数成反比，因此对电机进行就地无功功率补偿，则可提高其功率因数，减小无功电流，从而使线路损耗降低。2.4.2降低设备的能耗设备作为电机的负载，它包括设备自身的能耗和用于生产的机械能耗2部分。对于那些陈旧的设备，以及即将报废的设备，其机械性能变差，使自身能耗增大。因此，必须逐步对此类设备进行更新改造，才能降低设备自身的能耗。我国企业中还有相当数量的40～50年代的老设备，这些设备普遍存在自身能耗高、效率低等问题，对其进行更新改造，可取得显著的节能效益。2.4.3提高设备的负荷率电机是根据设备的使用能力而配置的，要使电机处于经济运行，就必须充分发挥设备的能力。从运行效率η与负荷率β的关系曲线(见图2.3)可知：图2.3η与β的关系只有当β≥40时，才能符合经济运行的标准η≥0.9ηN，因此，通过合理的组织生产，尽可能提高设备负荷率，是使电机处于经济运行的重要措施。2.5测试条件、仪表及参数2.5.1测试条件通过三相异步电机运行参数的测试和技术指标的计算，在划分运行状态之前，必须满足以下条件：(1)电源电压与额定电压的偏差不超过6%和-10%即要求：6%100%-10%式中U—三相平均电压（V）；Un—额定电压（V）。对额定电压为380V的三相异步电动机，要求三相平均电压U的范围应在：402.8VU342V(2)三相电压不平衡不超过1%即：100%1.5%式中Umax—最大电压(V)，Umin—最小电压(V)。在平均电压U满足：402.8VU342V的同时，还必须满足下式要求：Umax-Umin1.5%U(3)电源频率偏差不超过额定频率的士1%。我国供电的频率为50Hz，所以要求电源频率f应在：49.5Hzf50.5Hz的范围内。(4)电压波形畸变率r不超过5%即：100%5%式中r—波形畸变率，—除基波外的各次谐波电压有效值的平方和(V2)，Uf—基波电压有效值(V)。(5)被测电机与所拖动的机械设备完整，生产运行正常，使电机处于正常运行工况。2.5.2测试仪表及精度(1)电流表，精度1.0级，(2)电压表，精度1.0级，(3)功率因数表，精度1.5级，(4)频率表，精度1.0级。2.5.3测试参数需要测试的参数包括:(1)输入电压U1，U2，U3(2)输入电流I1，I2，I3(3)功率因数cos(4)电源频率f2.5.4技术指标的计算(1)负载率的计算负载率由下式计算得出：=100%(9)式中I—平均输入电流，I=(I1+I2+I3)3，(A)，Io—空载电流(A)，由电机技术数据手册查得，In—额定电流(A)，由电机铭牌查得。(2)输入功率的计算输入功率P1由下式计算求得：P1=UIcos10-3（KW）(10)式中U—平均输入电压（V），U=（U1+U2+U3）3；I—平均输入电流（A）；cos—测得的电机功率因数。(3)输出功率的计算输出功率P2由下式计算得出：P2=Pn（KW）(11)式中—负载率，由(9)式求得，Pn—电机的额定功率(kW)。(4)有功损耗的计算有功损耗由不变损耗和可变耗损两部分组成，可由下式计算得出：=P1-P2=P0+2()(12)式中P0—空载损耗(kW)，由电机技术数据手册查得；—负载率，由(9)式求得；—额定负载时的有功损耗(kW)。=()Pn，和Pn分别为额定效率和额定功率，从手册中查得。(5)无功功率的计算无功功率Q也由两部分组成，即：Q=2（Qn-Q0）(13)式中Q0—空载无功功率（kvar），通过Q0=Qn—额定负载时的额定功率（kvar），由Qn=tg(arccosn)求得，其中cosn为额定功率因数，从手册中查出。(6)综合功率损耗的计算综合功率损耗由有功损耗和无功损耗两部分组成，即：=+KQQ=P0+2(P0)+KQ[Q0+2(Qn+Q0)](14)式中KQ—无功经济当量(kw/kvar)，对电网已采取无功功率补偿的，可取0.02~0.04。Q0—空载无功功率(kvar)，由手册中查出。(7)综合效率的计算电机的综合效率为：=100%(15)(8)额定综合效率的计算在(15)式中，当=1时，即为额定综合效率：=%(16)式中—额定负载时的综合功率损耗，把=1代入(14)式，即可求得。(9)允许综合效率的计算在我国实际电机的生产中，电机额定负载时实际的效率和功率因数有可能会低于规定的额定值，但仍在一定的允许范围内。国家规定了效率和功率因数的允许容差。效率的容差为：当Pn50kW时，△=-0.15（1-）当Pn>50kW时，△=-0.10（1-）功率因数的容差为：cos=-（1-cosn）/6；最小-0.02，最大-0.07。考虑到容差的允许值，额定负载时允许效率和额定负载时允许功率因数cos由下式确定：=+(17)cos=cos+cos(18)由此便可确定电机的允许综合效率,其计算公式为：=(19)对有些电机，即使考虑了效率和功率因数的容差，由式(19)所确定的值与额定综合效率值相差很小，所以GB12497—95的标准中规定，若允许综合效率的容差小于0.02时，则将它扩大到0.02。即：当-<0.02时，取=-0.02(20)(10)采用专用测试仪DJYC-92电机经济运行测试仪是用于贯彻GB12497国家标准的专用检测仪，它为智能化检测仪表，能自动完成电机在线运行状况的检测，可显示全部检测数据和该电机的主要设计参数，并且可以打印出检测结果根据所检测设备的不同情况，其检测的接线方式可用二瓦特计或三瓦特计。采用电机经济运行测试仪对电机的运行状况进行检测，使检测参数全面迅速，而且准确。2.6三相异步电机的节电技术改造方案对非经济运行的电机所采取的节电技术措施很多，应对其改造方案进行技术经济分析与价值分析，在满足工艺条件的情况下，选择经济可靠的节电技术改造方案，以获得最高的经济效益。三相异步电机的节电技术改造方案主要有以下几种：(1)在更新旧电机时，应合理选择电机功率，避免“大马拉小车”现象，并选用新型节能电机，提高电机的运行效率。(2)更换节能风扇和风罩，降低电机的风摩擦损耗。(3)采用磁性槽楔和槽泥改造老电机，可提高电机效率0.5%～2%(4)无功就地补偿，可降低无功损耗，提高系统电能利用率。(5)调压节电，对空载时间长且负载率小于30%的电机，宜采用调压节电。(6)调速节电，是电机节电的有效措施，调速的方法主要有以下几种：①变频调速，②定子调压调速，③液力偶合器调速，④电磁离合器调速，⑤变极调速，⑥绕线转子电机串级调速，⑦绕线转子电机串电阻调速。应根据生产、工艺、资金等情况，合理选用节电的方法。2.7总结三相异步电动机经济运行，对工矿企业节能降耗,提高效益有积极意义。可通过选用Y系列新型节能型电机，逐步淘汰旧式J系列电机；对旧式J系列电机进行技术改造，采用电机调速运行方式，应用电动机无功就地补偿技术降低电机负载能耗及提高设备负荷率等措施，来促进三相异步电动机经济运行。3电动机最低损耗节电控制3.1电动机损耗3.1.1铁损耗PFe在铁芯中产生的损耗，包括磁滞损耗及涡流损耗。现代生产的电动机其磁通密度较高，故可认为铁损耗与磁通密度的平方B成正比。即PFe=KfB2(21)式中K为常数，f为频率。每极磁通密度：B=(22)式中U为电压，P为极对数，W1为定子每相绕组匝数，K1为绕组系数，D为定子直径，L为定子长度。由式(21)和(22)可知PFe∝即铁损耗与运行电压平方成正比。令额定电压Ue下的铁损耗为PFee，则在运行电压U下PFe=PFee（）2(23)3.1.2定子铜损耗PCu1根据异步电动机的等值电路，求得定子铜损耗为PCu1=3I12≈3II(24)式中I1为定子电流，I为换算到定子的转子电流，其值为I=(25)当S≈0时I=所以转差率S=已知电动机的机械功率为：=式中S为转差率，和分别为定子电阻和漏电抗，和分别为换算到定子的转子电阻和漏电抗。通常，电动机接近同步转速运行，S≈0，且机械功率Pm近似等于负荷功率PD，于是PD=Pm=3=3故得(26)将式(26)代入式(24)，可得定子铜损耗为(27)若电动机在额定电压Ue及额定负荷Pe下运行，其额定定子铜耗为=(28)则在电压U下的定子铜损耗==(29)式中负荷为P时的负荷率。3.1.3转子铜损耗Pcu2(或转子铝损耗PAL)转子电流通过转子导条时，会产生铜损耗，可按前述计算定子铜损耗一样的方法，求出转子铜损耗Pcu2==3=(30)当电压及负荷均为额定情况下，额定转子铜损耗为=(31)由式(30)和式(31)，可求得在电压为U时的转子铜损耗==(32)3.1.4杂散损耗杂散损耗包括漏磁场在定子端部金属构件中的涡流损耗，以及气隙中的谐波磁场在定、转子铁芯和导体中所产生的损耗。由于这些损耗也是由负荷电流引起的，故仍与负荷率的平方成正比，并与电压平方成反比。=(33)式中为额定杂散损耗。3.1.5风摩损耗Pf电动机运行中，尚有通风损耗和轴承摩擦损耗，这部分损耗较小，而且可视为常数。3.2电动机的最小损耗节电控制原理电动机运行中的总耗损ΣP为上述各种损耗之和。ΣP=PFe+Pcu1+Pcu2+Pz+Pf=PFee+(++)+(34)式(34)表明，电动机的总损耗是随负荷率和运行电压而变化的。负荷变化时，可改变电动机的运行电压U，使其总损耗为最小，故取=0，便可求得最小损耗时的经济运行电压。=(35)如果电动机运行中，当负荷改变时，按式(35)求出总损耗为最小的电压Uj，自动适时调节电动机的端电压等于Uj，那么电动机即处于最经济状态下运行，从而得到节电的目的。3.3降低损耗提高效率的途径由于电机的损耗分布随功率大小和极数不同而变化，因此为降低损耗，应着重对不同功率和极数时的主要损耗分量采取措施，现将降低损耗的一些途径简述如下。3.3.1增加有效材料，降低绕组损耗和铁耗根据电机相似原理可知，当电磁负荷不变，并且不考虑机械损耗时，电机的损耗约与电机线性尺寸的3次方成比例，而电机的输入功率约与线性尺寸的4次方成比例，由此可近似得出效率与有效材料用量的关系，如下式所示式中a——电机的尺寸比例系数，——原始电机的效率从该式可见，损耗与有效材料尺寸的线性增长成反比。图3.1为此关系所对应的曲线，图中虚线为芬兰拉普兰特工业大学(LUT)对一4kW异步电动机所作的验证。由图可见，在效率较低时，如在小功率电机中，增加材料，效率提高较大，而在效率已较高的大功率电机中，效率提高较小。图3.1效率与有效材料尺寸的关系从图3.1可见，由于渐近线的特点，当效率→100%时，a→∞，因此当效率达到较高数值，再单纯通过材料的增加来提高效率，并不一定经济合理，应通过技术经济指标的综合评价来确定。3.3.2采用较好的磁性材料和工艺措施以降低铁耗铁心材料的磁性能(导磁率和单位铁损)对电机的效率和其他性能影响较大，同时铁心材料费用又是构成电机成本的主要部份，因此选用合适的磁性材料是设计和制造高效率电机的关键。图3.2表示了1.5KW、15KW、150KW三台4极电机的空载电流与满载电流的比值。从中可见，在1.5KW电机中空载电流(主要是磁化电流)在满载电流中占了相当大的比重达70%左右。因此在小功率电机中采用较高导磁率的电工钢片将可使定子铜耗显著下降，但在较大功率电机中由于空载电流所占比例已较小，材料导磁率提高的效果将不明显。在较大功率电机中，铁耗在总损耗中已占到相当大的比重，因此降低铁心材料的单位损耗值将有助于电机铁耗的下降。由于电机设计和制造的原因，电机铁耗大大超过按钢厂提供的单位铁损值所计算的数值，所以一般在设计时将单位铁损值增加1.5～2倍来考虑铁耗的增加。铁耗增加的原因主要是由于钢厂的单位铁损值是按Epstein方圈法对条料试品进行测试，但在材料经过冲剪叠压后，受到很大的应力使损耗增加，此外由于齿槽的存在引起气隙齿谐波磁场在铁心表面引起空载高频损耗，这些都将导致电机制成后铁耗显著地增加，因此除了选择较低单位铁损的磁性材料外，尚须控制叠压压力和采取必要的工艺措施以降低铁耗。图3.2空载电流与额定电流的比值3.3.3缩小风扇降低通风损耗对于较大功率的2、4极电机,风摩耗占有相当大的比例，如90KＷ2极电机风摩耗可达总损耗的30%左右。风摩耗主要由风扇消耗的功率所构成。由于高效率电机的热耗一般较低，因此冷却用风量可减少，从而通风功率也可减少。通风功率约与风扇直径的4～5次方成比例，因此在温升许可的情况下，缩小风扇尺寸可有效地降低风摩耗。此外通风结构的合理设计，对提高通风效率降低风摩耗也是重要的。试验表明，高效率电机大功率2极部分风摩耗较普通电机下降30%左右。由于通风损耗下降幅度较大，而且不需增加多少费用，因此改变风扇设计往往是这部份高效电机所采取的主要措施之一。3.3.4通过设计和工艺措施降低杂散损耗异步电机的杂散损耗主要是由磁场高次谐波在定转子铁心和绕组中所产生的高频损耗。为降低负载杂耗可通过采用Y/Δ串接的正弦绕组或其他低谐波绕组来降低各次相带谐波的幅值，从而降低杂耗。试验表明，采用正弦绕组杂耗平均可下降30%以上。此外可采用较多的定、转子槽数以降低齿谐波幅值，从而使这部分谐波引起的杂耗下降。在工艺上可通过转子槽绝缘处理工艺来降低转子中的高频横向电流损耗，也可通过冲出气隙工艺来改变表面高频损耗。3.3.5改进压铸工艺，降低转子损耗通过控制转子铸铝时的压力，温度以及气体排放路径等措施，减少转子导条中的气体，从而提高导电率，降低转子铝耗。近年美国已研制成功铸铜转子压铸设备及相应的工艺，目前正在进行小批试生产。计算表明,如以铸铜转子取代铸铝转子，转子损耗可下降38%。3.3.6应用计算机优化设计,降低损耗提高效率除了增加材料、提高材料性能以及改进工艺外，采用计算机优化设计，在满足成本、性能等约束条件下，合理确定各项参数，从而获得效率的最大可能提高。采用优化设计将可显著缩短电机设计的时间并可提高电机设计的质量。3.4总结降低电动机的各种损耗是使电动机经济运行的必要条件，在以节能为前提的情况下根据不同的实际要求对各种电动机损耗进行工艺改进、技术革新从而提高电动机的效率，达到节约电能的目的。4利用调压技术对电动机进行节能控制电动机，特别是三相异步电动机是现代工农业生产的主要动力设备，统计表明世界各国电动机的用电量占总发电量的50%～60%，因此，电动机及其拖动系统的节能具有十分重要的意义。由于电动机的效率与负载的大小有关，当电动机在额定负载附近运行时，其效率和功率因数都较高，但当负载系数较低时，其效率和功率因数都将急骤降低，如图4.1所示。图4.1异步电动机的效率和功率因数曲线据统计资料表明，我国中小型异步电动机大部分平均负载率在20%～65%之间,特别是机械、纺织等行业情况更为严重。若电动机处在空载或轻载运行时适当降低电源电压，使电动机运行在效率最佳状态，此时功率因数较高，具有显著的节能效采用单片机控制的轻载调压节电器可以将电动机的软起动和过载、短路、缺相等保护集中于一体，具有广泛应用前景。4.1合理选型在选择电动机时，应根据负载机械特性选择电动机额定容量；根据电源的情况选择电动机的额定电压；根据负载机械和传动设备对转速的要求选择电动机的极数；根据负载机械所处的工作环境选择电动机的机型等。4.2异步电动机的功率因数及其控制4.2.1异步电动机功率因数众所周知，异步电机是感性负载，其电压、电流间存在相位差。功率因数的大小实质上反映了电机实际的工作效率。根据电机理论，在忽略谐波影响、磁饱和、铁损及定子电阻后，我们可以推导出异步电动机的功率因数表达式=(36)式中=+；=+；=—漏感系数；=-—转差角频率；—子角频率；—定子每相；—折算到定子侧的转子每相漏抗。异步电动机的转矩表达式为：=(37)式中：U1—定子电压；ω1—定子角频率由式(36)可以看出异步电动机的功率因数仅和自身参数和转差角频率有关，如图4.2所示，控制转差角频率就可以控制异步电动机的功率因数。由式(37)可以看出在一定的转差角频率下，只要改变U1或ω1或同时改变这两个参数就可以改变转矩从而改变转速，使稳定在某个与较高功率因数值对应的位置上，从而实现了功率因数的自动调节。但从(36)式和(37)式可以看出和T都与之间存在着严重的非线性关系，不能用常用的线性控制方法。图4.2功率因数与转差角频率曲线图4.3电动机平均效率曲线(1800,B设计,防滴式)——1955年1956年电动机1975年标准商用电动机1976年高效率电动机由式(36)可以看出，对于某一固定电机来说，给定功率因数值就相当于给定了转差角频率值。又由于此系统同时要完成调速任务，所以电机的转速也应为一给定值，根据公式:=-，因此对应一定的，也为一固定值。由式(37)可知，这时只要调节定子电压U1就可达到控制电机转速和功率因数目的。4.2.2控制方案根据控制系统的要求，给出控制系统的结构图。系统的给定为和,反馈回路有转速反馈和功率因数反馈，下面对各部分功能作以介绍：(1)定子频率发生器，在功率因数给定的情况下，根据(36)式可以推出电机的转差角频率，再利用=-，推出此时电机的定子角频率值，此值加到SPWM逆变器的输入端，作为调制正弦波的频率给定值。(2)电压函数发生器，电压函数发生器的输入有两路，一路为给定功率因数与功率因数反馈值之差，另一路为给定转速和转速反馈值之差，输出为SPWM逆变器调制波电压幅值给定，函数发生器采用PI调节器，调节器的参数为，现在关键的一步是确定k1和k2的值。如果给定电机的功率因数值为A点，则此时电机的转差角频率为，转速为，功率因数为，如果电机检测的功率因数为，转速为，则会出现以下几种情况若＜，＜，则此时电机的转差角频率大于给定电机运行于曲线A′C′段，例如B′点，所以此时应增加定子电压，提高电机的转速以达到同时增加转差角频率和功率因数的目的，这时取，=（-）/，=（-）/=/若＜，＞，则此时电机运行于AOA′段，此时满足高功率因数的要求，但应提高电机的转速，以达到调速的目的，所以应该提高电机定子电压，取=（-）/，=0；若＞，＜，则电机运行于CA段，例如B点，此时应降低电机定子电压和转速，以增大转差角频率，达到同时满足高功率因数和调速的双重任务，取=-（-）/；=（-）/=/若＞，＞，此种情况不存在；若=，=，则取=0，=1电机保持原速运行。图4.4控制系统原理图(3)功率因数测量环节由于采用的双极性SPWM逆变器，定子电压由一系列的矩形脉冲组成，首先检测电压值和电流值，得到电压和电流的同步信号。电压过零时，启动单片机的定时器，电流过流时单片机的定时器工作结束，从而可以可以确定定子电压与电流过零点之间的时间差t，根据公式求出此时电机的功率因数角，再根据存储在单片机中的与对应表，求出此时电机的功率因数值。4.3异步电动机轻载调压节能原理对不需要调速的异步电动机，当负载减小时，定子铜损、转子铜损、杂散损耗减小，而铁芯损耗不变。对于铁芯损耗在损耗中占的比例较大的电动机，其效率可能降低，为保持电动机的高效率，可降低运行电压，此时定子铜损、铁芯损耗、杂散损耗会减小，转子铜损耗会增加。因此当负载减小时，只要将电动机的运行电压降低到一个合适的数值，就可能使电动机总损耗减小，使在该负载下获得实际运行的最高效率，达到节约用电的目的。首先铁芯损耗在总损耗中占的比重较大，其次无功电流分量在定子电流中占的比重较大，电动机负载减小程度比较多。对于小容量的电动机，上述前两个条件均能满足，因此电动机空载或轻载运行时，降低电源电压可节省有功功率和无功功率；对大中容量电动机，前两个条件不大可能满足，但在电动机空载或轻载时降压运行可节省无功功率，而有功功率几乎不变，因此就提高了电动机的功率因数。设电动机的实际电压U与额定电压之比为K=U/U，则铁耗P=(P-P)K(38)式中P——额定电压时的空载损耗P——机械损耗而铜耗则与电流的平方成正比,可以用下式计算P=[P(-1)-P]()(39)=P/P式中——电动机的负载系数，P——电动机的输出功率当负载系数一定时，若电动机的端电压降低，则铜耗和杂散损耗将按1/K增大，而铁耗将按K减小。在某一电压下运行时，必然有电动机总损耗最小。这一电压称为在该负载系数下的最佳运行电压U，其电压比称为最佳电压比K。设电动机额定电压下运行时的总损耗为，任意电压下运行时的总损耗为，则=P+[P(-1)-P](40)=(P+P)K+P+[P(-1)-P]()(41)定义效益系数K=(42)对于在某一负载系数下运行的电动机,只有当K<1时，改变运行电压才有节电意义，K值越小，节电效果越显著。令dK/dK=0，可求得该负载系数下的最佳电压比和最佳效益系数K=(43)K=(44)令a=[P(-1)-P]/(P-P)(45)b=P/(P-P)(46)则K=(47)K=(48)由以上分析可以得到如下结论：(1)最佳电压比K和最佳效益系数K都与电动机额定运行时的损耗分布情况有关。一般异步电动机有[P(-1)-P]>(P-P)，即a>1(额定运行时的铜耗大于铁耗),故电动机额定运行时并非在最佳效率状态。(2)当电动机满载运行时，其最佳电压比K=，但应使其值小于等于1.1。只有当负载系数<1/时，降低电压才有节电意义。负载系数越小，降压节电效果越显著。(3)a值越接近于1(额定运行时的铁耗越接近于铜耗)的异步电动机，采用调压节电的效果越好。4.4异步电动机轻载调压节能的实现4.4.1异步电动机重、轻载Δ/Y自动切换有些电动机重载运行的时间较短，而空载和轻载运行的时间较长。当电动机正常运行定子绕组为Δ接法时，在空载和轻载运行时最简单的降压方法是转换为Y接法。若电动机重、轻载交替工作,可采用Δ/Y自动切换。由Δ接法改为Y接法后，其相电压降低到原来的1/，即K=0.577。此时电动机的额定功率也变为Δ接法时的三分之一。如果Δ接法时的负载系数为33%，则改为Y接法时的负载系数将变为100%，其功率因数明显改善。但从电动机本身节电的角度出发，其最佳切换负载系数=1/3。只有当负载系数≤时才能节能。(1)与K的关系电动机的电流矢量关系为=式中：电动机空载电流，定子电流，转子电流，转子电流的折算值由电动机原理可知，空载情况下，Y接空载电流近似等于△接时空载电流的1/3，轻载时由于起主要作用，较小所以<随着K的增大，增大，逐渐接近，在K=70%左右时，开始大于(2)cos与K的关系因为Q=，又因空载或轻载时<，所以Y接运行时电动机从电网吸取的无功功率要小于△接时从电网吸取的无功功率。在电网输出有功功率一定情况下，Y接时电网的功率因数将高于△接时的功率因数。(3)与K的关系电动机的效率=式中：——电动机轴上输出的机械功率，——电动机总损耗功率,=++++其中，机械损耗，定子铁损PFe1，定子铜损，转子铜损，附加损耗随和负载的不同而不同。总的变化趋势如图4.5所示。从以上分析可见,对于经常处于空载或负载率于40%的轻载运行下的电动机,效率和功率因都比较低,如果将电动机由△接改为Y接,不仅可以提高cos,又可以在一定程度上提高,既能保证电动机正常运行,又有明显的节能效果。Δ/Y切换的优点是转换器结构简单、不消耗功率。但这一方案要求的电压值变动是一定的,不能适应各种负载的需要。理想的节电器是按负载的大小自动改变电源电压,使电动机在各种负载系数下均运行在最佳效率和较高功率因数状态。图4.5=f(K)4.4.2异步电动机轻载自动调压节电器按照式(48)给出的最佳电压比来调节电压,就可以使电动机始终处于最佳运行状态,达到节电的目的。这里的关键是电动机负载系数的测定,下面介绍负载系数的三种测定方法。(1)转差率法电机的负载系数可按下式计算===(49)式中s,s,U——电动机的转差率、额定转差率、额定电压测出运行时的电压U和转速n,就可以得到负载系数。(2)空载电流法设电动机在额定电压时的空载电流为I，测出电动机运行时的定子电压U和电流I，则负载系数==(50)式中U，I——电动机的额定电压、额定电流(3)功率法当采用调压节能运行时,电动机的效率一般均较高,可近似认为等于额定效率不变,测出电动机运行时的定子电压U、电流I和功率因数cos,则=≈=(51)(4)转差率s与定子电压U的关系当异步电动机带载并处于稳定运行时,其电磁转矩M的大小等于负载转矩,且两者的方向相反。当>M,电动机的转速n就要下降。如果电动机的电磁转矩M随着转速n的下降能自动增大,使得增大了的M又等于增大了的,则认为电机是能够稳定运行的。反之,如果电动机的负载转矩增大,电动机转速下降,电磁转矩反而减小,使>M,则电动机的转速就继续下降,直至停止转动,则认为电机是不稳定运行。用电机的电磁转矩与转差率的变化率表示为:当dM/dS>0,电机稳定运行;当dM/dS<0,电机不稳定运行。在0<s<s的范围内,dM/dS>0,所以电机稳定运行。在s<s<1的范围内,电机运行则是不稳定的;即在这个转差范围内,从理论分析来看,电机是可以运行的,但一旦出现了小的扰动,电动机的转速ｎ要么升速到0<s<s的范围内,要么停转。电磁转矩可表示为:=(52)式中:M=s=在上式中,ｍ、c1是常数,所以当忽略电机参数变化时,可近似地认为:M=cU;s=c为常数。将M代入式(52)可得：==cU(53)由式(53)可得:s=c(U-/2(54)其中:U=cU式(54)求导可以得到:<0(55)由式(55)可以知道,调节电机定子的端电压会引起转差率的变化:当升高U时,转差率s减小;反之,转差率s增大。研究表明,采用单片机控制的轻载调压节能器可以将电动机的软起动和过载、短路、缺相等保护集中于一体,具有广泛应用前景。图4.6为该节电器的电路原理示意图,图中电动机由三相交流电源经双向晶闸管调压供电,负载系数经电压、电流和相位检测后送入单片机按式(54)功率法计算,并求得最佳电压比,以控制晶闸管的导通,使电动机处于最佳运行状态。起动时为防止过大的起动电流冲击,采用降低电压,然后逐渐升高电压,即软起动方法,起动时间可以根据需要调整,起动结束后转入调压节能运行,端电压变化如图4.6所示。单片机控制系统根据电压、电流采集并且设有相序和缺相处理、过载和短路处理、漏电处理和自检处理等子程序，因而具有较完善保护功能。图4.6节电器的电路原理示意图图4.7节电器的端电压变化曲线4.5调压节电的方法调压节电的方法很适用于长期轻载或变化负载的工作情况，可采用降低电动机电源电压和改变电动机内部接线方式等类型。(1)降低电动机电源电压对于负载变化不大，轻负载也大致相同，并由专用变压器供电的多台异步电动机，可采用调节变压器分接头，加装降压自耦变压器、电抗器或电容器、可控硅调压器、电压自动调节装置来调节电源电压，以提高异步电动机的功率因数和效率。(2)改变电动机内部接线方式将定子绕组的接线加以改接，以达到其降压节电的目的。其方法为三角形——星形变换降压节电，双路并联绕组改接成单路串联三角形绕组节电，并联双路星形绕组改接成串联单路三角形绕组节电等方法。(3)晶闸管移相调压方法同晶闸管移相调压起动器，达到调节电压的目的。优点是可以跟踪电机的功率因数或输入功率，达到最佳节电效果，在负载突变时可得到及时的响应。缺点是造价较高，会产生大量的谐波,对电网和电机造成不良的影响。(4)最优治本的VV—VF综合控制方案由于变频器实际上是一种电压、频率控制装置(VVVF)其控制方式有电压、频率比例控制(VF)、空间电压食量控制和直接转矩控制(DTC)等。由于其在改变频率的同时，也按比例地改变电压的幅值，因而能实现无过流软起动及调速节能运行。由于变频器一般都采用交—直—交电压型逆变方式，因而可方便地实现自动能量优化(AEO)功能、自动电压调整(AVR)功能、自动电机适配(AMA)功能。这样对于不同运行方式的电机,都可采用同一控制设备来实现综合节能保护控制功能了,灵活采用VV—VF或VV—CF控制方式,实现一机多用。由于变频器的逆变器采用SPWM控制方式,使输出波形接近正弦波,从而克服了谐波问题。由于交—直—交电压型变频器的直流母线部分有大的滤波电容,使功率因数接近于1,因此省去了无功就地补偿电容器。4.6异步电动机调压节能综合控制研究提出了一种新的以异步电动机定子电压和定子电流的比值作为控制量的异步电动机轻载调压节能控制方案。仿真计算及实验结果表明该控制方案可以使异步电动机在不同的负载下均呈现出较高的效率,并且兼顾提高功率因数。同时分析了异步电动机的软起动和保护问题。在此基础上,研制成功了具备异步电动机节能运行、软起动和保护功能的异步电动机综合控制装置。4.6.1节能运行方案在电气传动中,许多异步电动机长期运行于空载或轻载状态,如果根据负载的变化相应调节异步电动机的定子电压,即可减小异步电动机的损耗,使其始终工作在高效状态。显然,问题的关键在于选取切实反映实际负载变化的控制量。在目前的异步电动机轻载调压节能控制方案中,采用较多的是以功率因数作为控制量,针对实际的负载相应调节定子电压,使异步电动机保持较高的功率因数。但是在实用中存在功率因数难以准确测量的缺点,而且在不同负载下并不一定能取得充分的节能效果。本文提出了选取异步电动机的定子电压与定子电流的比值作为控制量,根据该比值适当调节异步电动机的定子电压以实现其节能运行的方案,并对其可行性进行了论证。图4.8为异步电动机的简化等效电路。其中、分别为定、转子电阻;、分别为定、转子漏抗;为铁耗等效电阻;为激磁电抗;s为转差率;、分别为定子电压、电流。(56)(57)图4.8异步电动机简化等效电路由异步电动机简化等效电路可得:(58)其中,、分别为异步电动机的铁耗和铜耗。根据电机在铜耗等于铁耗时效率最高这一普遍规律,由式(57)、(58)可以推导出异步电动机呈现最高效率时的转差率为:(59)考虑到轻载调压节能原理,实现异步电动机节能运行时,其定子电压小于额定电压,因此异步电动机的磁路不饱和,式(59)中的参数均近似为常数。在这一前提下,可以认为异步电动机呈现最高效率时的转差率是一个恒值,因此由式(56)可知,异步电动机呈现最高效率时定子电压与定子电流的比值也是一个恒值。这就是选取异步电动机的定子电压与定子电流的比值作为控制量以实现其节能运行的基本原理。4.6.2软起动方案异步电动机直接起动时,起动电流可以达到额定电流的5～7倍。该起动电流会严重冲击电网,在输电线路上产生过大的电压降落,影响线路上其它用电设备的正常运行。因此有必要实现异步电动机的软起动,从而降低起动电流,以电流闭环方式实现异步电动机恒流软起动,是理想的软起动控制方案,它的实现仍然可以采用图4.9所示的三相晶管调压装置,而不必再进行额外的投资。图4.9三相晶闸管调压装置主回路为了抑制起动过程中的电流—转速振荡,可以采用比例—微分控制规律,(60)其中,△(n)为移相触发角从第n-1周期到第n周期的变化量;、分别为第n-1周期和第n周期定子电流的采样值;为定子电流的期望值;、分别为比例常数和微分时间常数;为采样周期。异步电动机恒流软起动的实现,不仅可以降低起动电流,而且可以降低主回路晶闸管的额定容量,从而降低控制装置的成本。4.6.3结论(1)提出了以异步电动机的定子电压与定子电流的比值作为控制量的轻载调压节能控制方案,并对其可行性进行了论证。与传统的以功率因数作为控制量的轻载调压节能控制方案相比较,该方案易于实现,而且可以使异步电动机在各种负载下均呈现较高效率,同时兼顾提高功率因数。值得指出,交流变频调速是目前最理想的异步电动机节能技术,但是其成本昂贵,因而本文采用晶闸管轻载调压方案。这将对电网造成高次谐波污染。对于三次谐波电压,由于异步电动机均采用星形或三角形接线,与电网之间不存在三次谐波电流通路,所以并没有三次谐波电流注入电网;而五、七次谐波电压的幅值又很小,故本文未考虑滤波问题。但若较大范围使用晶闸管调压装置,则必须增设滤波装置,以减小对电网的污染。(2)采用电流闭环控制，实现了异步电动机的恒流软启动。一方面可以降低启动电流，另一方面可以降低主回路晶闸管的额定容量,从而降低控制装置成本。(3)介绍了异步电动机断相、短路和过载故障保护方案。(4)异步电动机综合控制装置不仅实现了异步电动机的节能运行和恒流软启动，而且具备断相、短路和过载保护功能，因而它是一个高性能价格比的控制装置。4.7结论传统的降压起动设备，起动效果差，并且有二次电流冲击，故障率高、损耗大，但它也有投资省，不产生谐波的优点。电子式晶闸管降压起动器，有较好的起动性能，起动参数可调，起动性能较好，但会产生严重的谐波，其价格约为变频器的13左右，是一种过渡型产品。VVVF变频器以其优越的软起动、调速、节能保护功能，对电动机提供全方位的服务。从性价比来看，使用变频器是划算的。变频器的微电脑全数字智能化控制，是技术发展的必然趋势。5利用软起动控制方式进行电动机的调压节能5.1软起动及节能器的工业用途三相鼠笼式异步电动机全电压直接起动时，起动电流是额定电流的4～7倍。这种特性对于额定电流上百安培的中等容量及以上的电动机来说，有其难以克服的弊端:(1)直接起动电流可达上千安培。如果电网容量不十分大，线路又长，这么大的起动电流会造成很大的电压降，使同一线路上运行的其它电动机受到影响。当电动机的端电压下降到一定的数值时，欠压保护就会起动，造成电气设备误动作，影响正常工作。(2)过大的起动电流使起动电机本身的绕组因过热而加速绝缘老化，使电动机的使用寿命缩短。(3)如果电动机运用时，其端电压超过额定值将增大铁心损耗，而低于额定值电动机电流增大导致铜损上升。(4)在停车时，如果直接切断电源，拖动系统会突然失去转矩，依靠系统的摩擦转矩克服系统的惯性自由停车，将给拖动系统带来诸多问题。与此同时，软起动、软停车过程的控制也是生产工艺的要求，如印染机械以及类似的造纸、胶片、印刷机械、细纱机械，它们生产的产品都比较薄，为防止破断，这类设备起动时需使用软起动器，并要求起动时的斜坡电压不大，斜坡时间较长。再如泵类，控制软停车也是软起动器需考虑的控制项目，因为速停车会造成流体流速突变，引起压力骤变，俗称“水锤效应”。合适的软停车时间控制，对提高泵使用寿命,降低振动，特别是防止硬停车使管道阀门破裂、爆裂，减少维修量，都有很大好处。板材冷扎机械、重型机车制造厂，铁路列车段,直至最近许多城市出现的以燃气为能源的汽车加汽站，它们的共同特点是间隙负载，几乎带载时间与空转不带载时间相同，负载曲线的占空比接近一半，并且是属于一种长期工作制，通常是两台以上互为备用。因此，这些负载若采用具有自动能耗最优控制的软起动器在线运行，其节能效益将是显著的。5.2电子软起动器的起动方式5.2.1限电流软起动限流软起动：限流软起动顾名思义即在电动机的起动过程中限制其起动电流不超过某一设定值()的软起动方式。主要用在轻载起动负载的降压起动，其输出电压从零开始迅速增长，直到其输出电流达到预先设定的电流限值，然后在保持输出电流I<的条件下逐渐升高电压，直到额定电压使电动机转速逐渐升高，直到额定转速。这种起动方式的优点是起动电流小、对电网电压影响小，且可按需要进行调整(起动电流的限值必须根据电动机的起动转矩来设定,设置过小将会使起动失败或烧毁电机)，其缺点是在起动时难以知道起动压降，不能充分利用压降空间，损失起动转矩,起动时间相对较长。图5.1限电流软起动曲线5.2.2电压斜坡起动电压斜坡起动:输出电压由小到大斜坡线性上升,将传统的降压起动变有级为无级,主要用在重载起动中。它的缺点是起动转矩小,且转矩特性呈抛物线型上升,对起动不利,且起动时间长,对电机也不利。改进的方法是采用双斜坡起动:输出电压先迅速升至,为电动机起动所需最小转矩所对应的电压值,然后按设定的速率逐渐升压,直至达到额定电压。初始电压及电压上升率可根据负载特性调整。这种起动方式的特点是起动电流相对较大,但起动时间相对较短,适用于重载起动的电机。见图5.2。图5.2电压斜坡起动曲线5.2.3转矩控制起动选取控制量为电磁转矩T,并根据应用的要求在给定的区间内调节电动机的转矩,尤其是在起动、停止期间控制加速转矩,实现对电动机运行特性的控制,同时可以清除浪涌转矩以保护传动机械。如果转矩控制起动时间过长,可通过转矩突跳克服静转矩,加快起动周期。转矩控制起动曲线见图5.3。图5.3转矩控制起动曲线5.2.4转矩加突跳控制起动与转矩控制起动一样也是用在重载起动的场合。所不同的是,突跳控制在起动的瞬间用突跳转矩,克服拖动系统的静转矩,然后转矩平滑上升,可缩短起动时间。但是,突跳会给电网发送尖脉冲,干扰其它负荷,使用时应特别注意。图5.4转矩加突跳控制起动曲线5.2.5电压控制起动用在轻载起动的场合,在保证起动压降的前提下使电动机获得最大的起动转矩,尽可能地缩短起动时间,是最优的轻载软起动方式。5.3软起动技术的应用(1)软起动器适用于短期重复工作的机械,即短期空载、短期重载、频繁起停的机械,如起重机、皮带运输机、车床、刨床、剪床等。(2)有特殊技术要求(如平滑起动、加速、减速、快速停车或制动等)的生产机械,应该采用软起动器。(3)电动机长期空载或轻运行,且负载率在30%以下的,采用软起动器可降低定子端电压,节电效果比较明显。电动机软起动技术在工业生产中有着十分广阔的应用前景,特别是随着我国科学技术和经济建设的快速发展,对电动机的控制机理和技术指标的要求越来越高,而传统的降压起动设备由于其固有的特点,已无法满足现代工业自动化的需要,所以电动机软起动技术应用将会越来越广泛。图5.5电压控制起动曲线5.4软起动过程的控制算法5.4.1斜波电压软起动/软停车过程的控制算法设电动机正常运行电源电压为UC，斜波起动初始电压为Ust，分别对应的过零移相触发角为c和st，起动时间为tg1，设步距为h=0.02s。软起动过程进程值：起动每步距移相角：αy(61)起动电压斜波升压控制移相触发角：α(K)=α(K-1)–αy(62)设电动机正常运行电压为UC，软停下限电压为Uq，分别对应的过零移相触发角为αC和αq，停车时间为tg2，步距为h=0.02s。则软停车过程进程值：停车每步距移相角：αZ=(63)停车电压斜坡降压控制移相角度：α(K)=α(K-1)+αZ(64)假设使用单片机片内16位定时器，晶振频率为12Mhz，交流电源频率为50hz，将α(K)换算成定时器量化值：(65)图5.6软起动器主电路图5.4.2顺序触发控制逻辑矩阵图5.6软起动器主电路图软起动器主电路如图5.6所示，为使三相电流构成通路，任意时刻至少要有两个晶闸管同时导通。为此采用双脉冲触发方式，即在同一时刻发两相触发信号。设A相正负触发脉冲信号为Gka+Gka-，B相正负触发脉冲信号为Gkb+Gkb-，C相正负触发脉冲信号为Gkc+Gkc-。若以A相为同步电源，采用双脉冲输出的触发顺序为Gka+&Gkb-→Gka+&Gkc-→Gkb+&Gkc-→Gkb+&Gka-→Gkc+&Gka-→Gkc+&Gkb-，相临两个触发单元的间隔为600。设相对于A相同步电源正向过零信号的触发输出控制时间分别为：,,,,,。建立的顺序触发控制逻辑矩阵如下：(66)5.5节能运行原理及自动最小能耗最优控制（AEO）5.5.1节能运行原理将维持电机工作的电流分解为两个不同的部分：负载或阻性电流IR1以及感性或励磁电流IM1。感性电流依赖于电压和磁通密度，在额定转速下，磁场消耗的能量保持恒定，与负载所需的转矩无关。支持负载转矩的能量取决于转矩的大小，当负载转矩增加，转子转速会稍微下降，使得感应的转子电流上升以增加转矩。转子中增加的电流由定子线圈中增加的电流来平衡。相反，如果需要的负载转矩减少，转差率减少，转子电流下降，定子电流也相应下降。可见在满电压情况下负载转矩变化引起的定子电流变化实质是阻性电流IR1的变化，随着负载转矩的减小，功率因数角θPF随之增大。见图5.7（a）。图5.7负荷变化情况下定子电压与功率因数角间的关系若在负荷发生变化的同时，通过降低电机的供电电压而减少感性电流IM1，使功率因数角趋近原来的大小，减少气隙磁通，提高功率因数，进而降低了磁化电流及铜耗，也降低了铁耗，达到节能目的。见图5.7（b）。电动机轻载降压运行时的效率为：电动机轻载满压运行时的效率为：由于两种端电压下的负载不变，因此P2x=P2Nx，所以，由异步电动机等值电路得电机阻抗：则有，所以，即，(67)由此可见，轻载时不是所有的降低电压行为都能起到节能效果，只有当电压降低的幅度能补偿转差率变化和功率因数变化的幅度时，才有节电效果。5.5.2以为效率目标的最优预期调压值的确定最早出现的异步电机优化节电器为NoLacosφ功率因数控制器，其原理是通过检测电动机运行中的cosφ值,与预先设定的基准值比较,当实际值低于设定值时,说明电动机为轻载,通过降低电动机的端电压来提高cosφ,直到实际的cosφ测量值达到设定值为止,cosφ数值高表明是重载,则升高电机端电压,以保证轴上的输出功率。这是一种节电间接控制法。由于交流异步电机的最佳功率因数在全工作范围内呈曲线变化，不同制造厂生产的同一规格的异步电机的功率因数呈一定的离散性，同一台电机在其新旧寿命期,在同一工况下的功率因数也呈现一定的离散性,这就给设计和调整带来一定困难。故这种方法是不能达到最佳节电效果的,并且理论与实践都已证明,过高的功率因数值对于异步电机来说,并不节电。从节能运行的角度出发，根据上述理论分析得知，在轻载时调整电压存在一个最佳值，这个最佳值取决于系统追求的最佳效率ηj和最佳功率因数。在某一负荷下，。设负载率而在额定负载下，，所以，。由，得，设效率目标，则得某一负载率下最佳调整电压，βI1U1βI1U11αKU1j+u1U测量最佳调整电压计算电流测量i1负载率计算输出功率测量P2移相触发角置换电压调节器图5.8AEO控制系统图5.6总结影响三相异步电动机用电效率的三个关键因素：电压、转差和功率因数，轻载时当电压降低的幅度能补偿转差率变化和功率因数变化的幅度时，才有节电效果。从节能运行的角度出发，按目标用电效率、目标功率因数以及负载率β可确定最佳调整电压U1j。6利用调速技术对电动机节能控制目前，风机、泵类设备常用调节阀门或挡板开启度的方法来调节流量，电能浪费很大。而用电动机调速来调节流量，可使风机、泵长期在高效率状态运行，节电可达30%～60%。在工农业生产中可根据电机、场地、调速要求等情况选择调速方案。对于不同的负载类型选用不同类型的电动机，可以获得良好的节电效果。(1)可变转矩型异步电动机。其最大转矩和额定转矩都和转速成正比，故低速时最大转矩和额定转矩都只有高速时的一半（倍极比电动机），而额定功率只有高速额定功率的。这类电动机适合泵、风机使用，因它的特性基本上与负载特性配合。接线方式是：低速时为串联Y，高速时为并联Y。(2)恒转矩型异步电动机。其最大转矩和额定转矩近似地保持不变，额定功率正比于转速。这类电动机适合传送带、压缩机和机床进给机构使用。接线方式是：低速时为串联，高速时为并联Y。(3)恒功率型异步电动机。其最大转矩和额定转矩反比于转速。这类电动机适合于金属切削机床、卷扬机等。接线方式是：低速时为并联Y，高速时为串联。6.1电动机的调速节电根据被拖动机械负载的大小来调节异步电动机的转速，能使电动机运行效率显著提高，电动机的损耗近似与转差率成正比变化，显然变速调节负载的方法可有效节省电能。改变电动机转速的基本途径为改变磁极对数、电源频率和转差率。因此电动机调速方法为：(1)变极调速。通过改变电动机定子绕组的接线方式而改变磁极对数或安装不同磁极对数的多套定子绕组等方法，制成变极电动机能达到调节转速的目的，但仅能有限级数的调速。(2)变频调速。通过改变定子绕组电源频率的大小，从而改变电动机转速的方法。如果具有调节频率的供电设备，即可平滑地调节电动机的转速。变频装置可向电动机提供可变频率和可变电压的电源，当调节电源的电压和频率时，即可调节电动机的转速。该调速方式效率高，调速性能好，节电效果明显。(3)改变转差率调速。通过改变转差率的大小，改变电动机转速的方法，包括转子回路中串接电阻调速，改变定子电压调速，可控硅串级调速，电磁离合器调速等方法，但该调速方式经济性较差（串级调速除外）。6.2变频调速异步电动机的效率与损耗目前，提高变频调速异步电动机运行效率方面的工作可以归纳为以下三个方面：(1)改进电机本身和变频调速装置的设计。(2)研究异步电动机的效率优化控制策略。(3)从整个系统的角度，研究多台电机的协调运行优化控制策略。文中所讨论的效率优化控制，是以变频调速异步电动机的运行效率最优为目标，根据不同工况（和n）按一定规律来调节电机的某个或若干个控制量，如电压、电流、功率因数、转差频率等。电机的效率定义为输出功率与输入功率的比值(69)上式表明，当电机输出功率一定时，降低功率损耗是提高效率的唯一途径。异步电动机的损耗一般分为：①定转子铜损；②定转子铁损；③杂散损耗；④机械损耗。损耗的模型不但复杂，而且是非线性的。更为严重的是,由于温度和饱和效应的影响，定转子电阻、电感等参数在不同工况下变化明显，给效率优化控制带来了更大的困难。例如在某些情况下,转子的电阻值会比其标称值增加一倍以上。在这些损耗中，杂散损耗和机械损耗一般占总损耗的20%左右，其建模非常困难；铜损和铁损则与磁场和负载大小有关，是可控的，大约占总损耗的80%，对变频调速系统效率优化的研究通常以这部分可控损耗为主要研究对象。6.3异步电动机的调速节电电动机的调速的转速表达式为(70)式中:为定子频率;p为磁场极对数;ｓ为电机转差率;为旋转磁场的转速。由式(70)可知,改变电机电源的频率,可以改变电机的转速。根据电机理论,异步电机调速时,主磁通需保持不变,而电机的每极磁通由和共同决定,从而有不同方式/=常数,/=常数等来实现异步电机的调速运行。可见,可以通过下述三个途径实现异步电动机的调速:(1)改变电机定子绕组相对数p(变极调速)。(2)改变电动机的转差率s(滑差调速)。(3)改变供电电源的频率(变频调速)。根据在调速过程中对电机转差功率的处理方式,分为:转差功率消耗型、转差功率反馈型、转差功率不变型三种调速方式。液力耦合器、定子调压调速、电磁滑差离合器、绕线式电机转子串电阻调速等属于转差功率消耗型调速方式,由于这种方式中的转差功率变成热量消耗掉了,故又称为低效调速方式。转差功率反馈型和转差功率不变型属高效调速方式,变频调速一般采用VVVF控制方式,在调速过程中始终不产生额外的转差功率。电机调速节省的是拖动功率。例如风机水泵采用调速运行时,当生产过程需要多大流量,通过调节风机水泵的转速,就产生多大流量,这样减少了电机的功率,对于恒转矩负载,电动机的输入功率与其转速成线性关系,当其低速运行时,也有明显的节能效果。传统的降压起动设备,起动效果差,并且有二次电流冲击,故障率高、损耗大,但它也有投资省,不产生谐波的优点。电子式晶闸管降压起动器,有较好的起动性能,起动参数可调,起动性能较好,但会产生严重的谐波,其价格约为变频器的13左右,是一种过渡型产品。VVVF变频器以其优越的软起动、调速、节能保护功能,对电动机提供全方位的服务。从性价比来看,使用变频器是划算的。变频器的微电脑全数字智能化控制,是技术发展的必然趋势。6.4电动机调速节电的实质电动机通过调速的方法达到节电的目的，其节省的是拖动功率。如风机水泵采用定速拖动时，电机以额定功率工作，风机和水泵则产生额定的压头(扬程)和流量，而生产过程又不需要这么大的流量，所以就用节流的方式或用循环的方式将多余的流量消耗掉，这样就浪费了大量的电能。采用调速运行时，当生产过程需要多大流量，就产生多大流量(通过调节风机水泵的转速)，这样就大大减少了进人电动机的功率，达到大幅度节电的目的。对于恒转矩性负载，电动机的输人功率与其转速成线性关系，其低速运行时也有明显的节能效果。6.5电动机调速中的工作效率电动机在调速过程中,其工作效率不仅随负载大小而变化,而且与变频器输出的电源质量和被拖动生产机械的负载特性有关。具体分析如下。(1)受负载大小的影响。一般异步电动机中的损耗有不变损耗和可变损耗,前者有铁芯损耗和机械损耗,后者有定子铜耗、转子铜耗和杂散损耗;当电机的不变损耗与可变损耗相等时,电机效率最高。异步电机的最大效率一般在额定负载的3/4左右,负载实际大小高于或低于这个范围时,电机的效率都有所下降。这就要求我们在选择电动机的容量时要充分考虑到这个特点。(2)高次谐波的影响。变频器输出的高次谐波,在电动机内部,会增加电机定子损耗,在其转子回路中也会感应谐波电势而增加转子损耗;对电网的电源变压器也会增加损耗并加大噪音;对电流型变频器会因产生电流谐波,而引起电动机转矩脉动,影响调速精度;也可能使母线与补偿电容器和线路上的感抗元件发生共振,导致电容器过热;同时也对其他变频器和仪器仪表带来严重的电磁干扰,导致控制失调。(3)调速方式与电机负载特性匹配的影响。变频调速的基本控制方式有两种,一种是在基频(一般为电动机的额定效率)以下调速,在调速过程中,随着变频器输出频率(F)的降低,其输出电压(V)按一定比例(V/F为一常数)同步下降,其目的是维持磁通不变,实现恒转矩调速;另一种是在基频以上调速,在调速过程中,变频器的输出频率升高时,其输出电压不变,其目的是减弱磁道,维持功率不变,实现恒功率调速。电动机的负载特性常见的有恒转矩负载、恒功率负载、风机和泵类负载三大类。当调速方式与电机负载特性相匹配时,此时电机的负载电流较大,对应的工作效率较高;若不匹配,则有可能造成负载电流过小或过大,不仅工作效率低,而且有时还会烧毁电机。一般来说,对恒转矩负载采用恒转矩调速,对恒功率负载采用恒功率调速,对风机、泵类负载在额定转速下进行恒转矩调速,以实现较高的工作效率。在调速系统中匹配问题对系统效率的影响