交流異步電機(jī)軟起動(dòng)及其優(yōu)化節(jié)能控制技術(shù)介紹

1前言

目前在工礦企業(yè)中使用著大量的交流異步電動(dòng)機(jī)(包括380V/660V低壓電動(dòng)機(jī)和3kV/6kV中壓電動(dòng)機(jī))，有相當(dāng)多的異步電動(dòng)機(jī)及其拖動(dòng)系統(tǒng)還處于非經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的狀態(tài)，白白地浪費(fèi)掉大量的電能。究其原因，大致是由以下幾種情況造成的：

(1)由于大部分電機(jī)采用直接起動(dòng)方式，除了造成對(duì)電網(wǎng)及拖動(dòng)系統(tǒng)的沖擊和事故之外，8～10倍的起動(dòng)電流也造成巨大的能量損耗;

(2)在進(jìn)行電動(dòng)機(jī)容量選配時(shí)，往往片面追求大的安全余量，且層層加碼，結(jié)果使電動(dòng)機(jī)容量過(guò)大，造成“大馬拉小車”的現(xiàn)象，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)偏離最佳工況點(diǎn)，運(yùn)行效率和功率因數(shù)降低;

(3)從電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的生產(chǎn)機(jī)械自身的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性考慮，往往要求電力拖動(dòng)系統(tǒng)具有變壓、變速調(diào)節(jié)能力，若用定速定壓拖動(dòng)，勢(shì)必造成大量的額外電能損失。

電動(dòng)機(jī)的非經(jīng)濟(jì)運(yùn)行情況，早已引起國(guó)家有關(guān)部門的重視，并分別于1990年和1995年制定和修定了一個(gè)強(qiáng)制性的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)：(GB12497?1995)三相異步電動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。希望依此來(lái)規(guī)范三相異步電動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，國(guó)標(biāo)的發(fā)布對(duì)低壓電動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行起了很大的促進(jìn)作用，但對(duì)中壓電動(dòng)機(jī)則收效甚微。其原因是：

(1)中壓電動(dòng)機(jī)一般容量較大，一旦發(fā)生故障，其影響也大，因此對(duì)節(jié)電措施的可靠性的要求就更高;

(2)中壓電動(dòng)機(jī)節(jié)電措施受電力電子功率器件耐壓水平的限制，節(jié)電產(chǎn)品的開發(fā)在技術(shù)上難度更大一些。到目前為上，國(guó)內(nèi)尚無(wú)定型的中壓電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)和節(jié)電運(yùn)行的產(chǎn)品面市。

2異步電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)

由于工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械的不斷更新和發(fā)展，對(duì)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能提出了越來(lái)越高的要求，歸納起來(lái)有以下幾個(gè)方面：

(1)要求電動(dòng)機(jī)有足夠大的，并且能平穩(wěn)提升的

起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和符合要求的機(jī)械特性曲線;

(2)盡可能小的起動(dòng)電流;

(3)起動(dòng)設(shè)備盡可能簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、可靠，起動(dòng)操作

方便;

(4)起動(dòng)過(guò)程中的功率損耗應(yīng)盡可能的少。

根據(jù)以上相互矛盾的要求和電網(wǎng)的實(shí)際情況，通常采用的起動(dòng)方式有兩種：一種是在額定電壓下的直接起動(dòng)方式，另一種是降壓起動(dòng)方式。

2.1直接起動(dòng)的危害

直接起動(dòng)是最簡(jiǎn)單的起動(dòng)方式，起動(dòng)時(shí)通過(guò)閘刀或接觸器將電動(dòng)機(jī)直接接到電網(wǎng)上。直接起動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是起動(dòng)設(shè)備簡(jiǎn)單，起動(dòng)速度快，但是直接起動(dòng)的危害很大：

(1)電網(wǎng)沖擊：過(guò)大的起動(dòng)電流(空載起動(dòng)電流可達(dá)額定電流的4～7倍，帶載起動(dòng)時(shí)可達(dá)8～10倍或更大)，會(huì)造成電網(wǎng)電壓下降，影響其他用電設(shè)備的正常運(yùn)行，還可能使欠壓保護(hù)動(dòng)作，造成設(shè)備的有害跳閘。同時(shí)過(guò)大的起動(dòng)電流會(huì)使電機(jī)繞組發(fā)熱，從而加速絕緣老化，影響電機(jī)壽命;

(2)機(jī)械沖擊：過(guò)大的沖擊轉(zhuǎn)矩往往造成電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子籠條、端環(huán)斷裂和定子端部繞組絕緣磨損，導(dǎo)致?lián)舸龣C(jī)，轉(zhuǎn)軸扭曲，聯(lián)軸節(jié)、傳動(dòng)齒輪損傷和皮帶撕裂等;

(3)對(duì)生產(chǎn)機(jī)械造成沖擊：起動(dòng)過(guò)程中的壓力突變往往造成泵系統(tǒng)管道、閥門的損傷，縮短使用壽命;影響傳動(dòng)精度，甚至影響正常的過(guò)程控制。

所有這些都給設(shè)備的安全可靠運(yùn)行帶來(lái)威脅，同時(shí)也造成過(guò)大的起動(dòng)能量損耗，尤其當(dāng)頻繁起停時(shí)更是如此。因此對(duì)電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)有以下限制條件：(1)生產(chǎn)機(jī)械是否允許拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)，這

是先決條件;

(2)電動(dòng)機(jī)的容量應(yīng)不大于供電變壓器容量的

10%～15%;

(3)起動(dòng)過(guò)程中的電壓降△U應(yīng)不大于額定電壓

的15%。對(duì)于中、大功率的電動(dòng)機(jī)一般都不允許直接起動(dòng)，而要求采用一定的起動(dòng)設(shè)備，方可完成正常的起動(dòng)工作。

2.2老式降壓起動(dòng)方式的適用場(chǎng)合及性能比較

降壓起動(dòng)的目的是減小起動(dòng)電流，但它同時(shí)也使起動(dòng)轉(zhuǎn)矩下降了。對(duì)于重載起動(dòng)，帶有大的峰值負(fù)載的生產(chǎn)機(jī)械，就不能用這種方式起動(dòng)。傳統(tǒng)的降壓起動(dòng)有以下幾種方法：

(1)星形/三角形轉(zhuǎn)換器：這種方法適用于正常運(yùn)行時(shí)定子繞組采用△接法的電動(dòng)機(jī)。定子有六個(gè)接頭引出，接到轉(zhuǎn)換開關(guān)上，起動(dòng)時(shí)采用星形接法，起動(dòng)完畢后再切換成△接法。起動(dòng)電壓為220V，運(yùn)行電壓為380V。這種起動(dòng)設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)是起動(dòng)設(shè)備簡(jiǎn)單，起動(dòng)過(guò)程中消耗能量少。缺點(diǎn)是有二次電流沖擊，設(shè)備故障率高，需要經(jīng)常維護(hù)，所以不宜使用在頻繁起動(dòng)的設(shè)備上。在轉(zhuǎn)換過(guò)程中，由于瞬變電勢(shì)和電動(dòng)機(jī)剩磁產(chǎn)生的電勢(shì)往往與電源電壓有相位差，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生電壓相加，引起過(guò)大的沖擊電流和電磁轉(zhuǎn)矩，因此大大地限制了它的使用。由于起動(dòng)電壓為運(yùn)行電壓的1/，故其起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的1/3，只能用在空載或輕載(負(fù)載率小于1/3)起動(dòng)的設(shè)備。在電動(dòng)機(jī)輕載或空載運(yùn)行時(shí)，也可利用該起動(dòng)設(shè)備作降壓運(yùn)行，以提高電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)和效率。

(2)自耦變壓器降壓起動(dòng)：三相自耦變壓器(也稱補(bǔ)償器)高壓邊接電網(wǎng)，低壓邊接電動(dòng)機(jī)，一般有幾個(gè)分接頭，可選擇不同的電壓比，相對(duì)于不同起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的負(fù)載。在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)后再將其切除。其優(yōu)點(diǎn)是起動(dòng)電壓可以選擇，如0.65、0.8或0.9UN，以適應(yīng)不同負(fù)載的要求。缺點(diǎn)是體積大，重量重，且要消耗較多有色金屬，故障率高，維修費(fèi)用高。

(3)磁控軟起動(dòng)器：磁控軟起動(dòng)器是利用控磁限幅調(diào)壓的原理，在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中電壓可由一個(gè)較低的值平滑地上升到全壓，使電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩勻速增加，起動(dòng)特性變軟，并可實(shí)現(xiàn)軟停車。但其起控電壓在200V左右，用戶不可調(diào)整，會(huì)有較大的電流沖擊，且體積較大。

(4)串聯(lián)電抗器或水電阻：對(duì)于高壓電機(jī)，可在定子線路中串聯(lián)電抗器或水電阻實(shí)現(xiàn)降壓起動(dòng)，待起動(dòng)完成后再將其切除。但電抗器成本高，水電阻損耗又大。

(5)串接頻敏變阻器或水電阻：對(duì)于繞線式異步電動(dòng)機(jī)，可在轉(zhuǎn)子繞組串接頻敏變阻器或水電阻實(shí)現(xiàn)起動(dòng)，待起動(dòng)完成后再將其切除。但頻敏變阻器成本高，而水電阻損耗又大。其他還有延邊三角形起動(dòng)，定子串電阻起動(dòng)等方法。

值得指出的是：盡管各種老式降壓起動(dòng)方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)，但它們有一個(gè)共同的優(yōu)點(diǎn)：就是沒(méi)有諧波污染。

2.3新型的電子式軟起動(dòng)器

隨著電力電子技術(shù)和微機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外相繼開發(fā)出一系列電子式起動(dòng)控制設(shè)備，用于異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)控制，以取代傳統(tǒng)的降壓起動(dòng)設(shè)備。新型的電子式軟起動(dòng)器的主電路一般都采用晶閘管調(diào)壓電路，調(diào)壓電路由六只晶閘管兩兩反向并聯(lián)組成，串接于電動(dòng)機(jī)的三相供電線路上。當(dāng)起動(dòng)器的微機(jī)控制系統(tǒng)接到起動(dòng)指令后，便進(jìn)行有關(guān)的計(jì)算，輸出晶閘管的觸發(fā)信號(hào)，通過(guò)控制晶閘管的導(dǎo)通角α,使起動(dòng)器按所設(shè)計(jì)的模式調(diào)節(jié)輸出電壓,以控制電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過(guò)程。當(dāng)起動(dòng)過(guò)程完成后，一般起動(dòng)器將旁路接觸器吸合，短路掉所有的晶閘管主電路，使電動(dòng)機(jī)直接投入電網(wǎng)運(yùn)行，以避免不必要的電能損耗，軟起動(dòng)器的控制框圖如圖1所示。

所謂“軟起動(dòng)”，實(shí)際上就是按照預(yù)先設(shè)定的控制模式進(jìn)行的降壓起動(dòng)過(guò)程。目前的軟起動(dòng)器一般有以下幾種起動(dòng)方式：

(1)限流軟起動(dòng)：限流起動(dòng)顧名思義就是在電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過(guò)程中限制其起動(dòng)電流不超過(guò)某一設(shè)定值(Im)的軟起動(dòng)方式。主要用在輕載起動(dòng)的負(fù)載的降壓起動(dòng)，其輸出電壓從零開始迅速增長(zhǎng)，直到其輸出電流達(dá)到預(yù)先設(shè)定的電流限值Im，然后在保持輸出電流I這種起動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)是起動(dòng)電流小，且可按需要調(diào)整，(起動(dòng)電流的限值Im必須根據(jù)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩來(lái)設(shè)定，Im設(shè)置過(guò)小，將會(huì)使起動(dòng)失敗或燒毀電機(jī)。)對(duì)電網(wǎng)電壓影響小。其缺點(diǎn)是在起動(dòng)時(shí)難以知道起動(dòng)壓降，不能充分利用壓降空間，損失起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，起動(dòng)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。

圖1軟起動(dòng)器的控制框圖

圖2各種軟起動(dòng)波形圖
 

(a)限流起動(dòng)(b)電壓斜坡起動(dòng)(c)轉(zhuǎn)矩控制起動(dòng)

(d)轉(zhuǎn)矩加突跳控制起動(dòng)(e)電壓控制起動(dòng)

(2)電壓斜坡起動(dòng)：輸出電壓由小到大斜坡線性上升，將傳統(tǒng)的降壓起動(dòng)變有級(jí)為無(wú)級(jí)，主要用在重載起動(dòng)。它的缺點(diǎn)是起動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，且轉(zhuǎn)矩特性呈拋物線型上升對(duì)起動(dòng)不利，且起動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)電機(jī)不利。改進(jìn)的方法是采用雙斜坡起動(dòng)：輸出電壓先迅速升至U1，U1為電動(dòng)機(jī)起動(dòng)所需的最小轉(zhuǎn)矩所對(duì)應(yīng)的電壓值，然后按設(shè)定的速率逐漸升壓，直至達(dá)到額定電壓。初始電壓及電壓上升率可根據(jù)負(fù)載特性調(diào)整。這種起動(dòng)方式的特點(diǎn)是起動(dòng)電流相對(duì)較大，但起動(dòng)時(shí)間相對(duì)較短，適用于重載起動(dòng)的電機(jī)。

(3)轉(zhuǎn)矩控制起動(dòng)：主要用在重載起動(dòng)，它是按電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩線性上升的規(guī)律控制輸出電壓，它的優(yōu)點(diǎn)是起動(dòng)平滑、柔性好，對(duì)拖動(dòng)系統(tǒng)有利，同時(shí)減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊，是最優(yōu)的重載起動(dòng)方式。它的缺點(diǎn)是起動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)。

(4)轉(zhuǎn)矩加突跳控制起動(dòng)：轉(zhuǎn)矩加突跳控制起動(dòng)與轉(zhuǎn)矩控制起動(dòng)一樣也是用在重載起動(dòng)的場(chǎng)合。所不同的是在起動(dòng)的瞬間用突跳轉(zhuǎn)矩，克服拖動(dòng)系統(tǒng)的靜轉(zhuǎn)矩，然后轉(zhuǎn)矩平滑上升，可縮短起動(dòng)時(shí)間。但是，突跳會(huì)給電網(wǎng)發(fā)送尖脈沖，干擾其它負(fù)荷，使用時(shí)應(yīng)特別注意。

(5)電壓控制起動(dòng)：電壓控制起動(dòng)是用在輕載起動(dòng)的場(chǎng)合，在保證起動(dòng)壓降的前提下使電動(dòng)機(jī)獲得最大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，盡可能地縮短起動(dòng)時(shí)間，是最優(yōu)的輕載軟起動(dòng)方式。各種軟起動(dòng)方式的相應(yīng)起動(dòng)曲線見圖2。

停車方式有三種：一是自由停車，二是軟停車，三是制動(dòng)停車。軟起動(dòng)器帶來(lái)的最大好處是軟停車和制動(dòng)停車，軟停車消除了拖動(dòng)系統(tǒng)的反慣性沖擊，對(duì)于水泵就是“水錘”效應(yīng);制動(dòng)停車則在一定場(chǎng)合代替了反接制動(dòng)停車功能。

2.4軟起動(dòng)器與傳統(tǒng)降壓起動(dòng)器的比較

軟起動(dòng)器與傳統(tǒng)降壓起動(dòng)器的性能比較見表1。

2.5軟起動(dòng)器的適用場(chǎng)合

(1)生產(chǎn)設(shè)備精密，不允許起動(dòng)沖擊，否則會(huì)造成生產(chǎn)設(shè)備和產(chǎn)品不良后果的場(chǎng)合;

(2)電動(dòng)機(jī)功率較大，若直接起動(dòng)，要求主變壓器 產(chǎn)品主要性能數(shù)字式軟起動(dòng)器磁控降壓起動(dòng)器自耦降壓起動(dòng)器

起動(dòng)特性軟特性：用戶可以調(diào)整特性較硬：不能調(diào)整硬特性：不能調(diào)整

起動(dòng)電流特性曲線

起始電壓0～380V任意可調(diào)200V左右：用戶不能調(diào)整250V左右：用戶不能調(diào)整

起動(dòng)沖擊電流無(wú)1次，約為電機(jī)額定電流IN的6倍2次，約為電機(jī)額定電流IN的7倍

起動(dòng)電流(0.5～4)IN，用戶可視負(fù)載輕重調(diào)整(2～3)IN以上，不能調(diào)整(3～5)IN以上，不能調(diào)整

電機(jī)轉(zhuǎn)矩特性沒(méi)有沖擊轉(zhuǎn)矩，力矩勻速平滑上升1次沖擊轉(zhuǎn)矩后，力矩勻速平滑上升力矩跳躍上升，有2次沖擊轉(zhuǎn)矩

負(fù)載適應(yīng)能力強(qiáng)一般較差

能否頻繁起動(dòng)可以一般不能一般不能

起動(dòng)方式限流軟起動(dòng)或電壓斜坡起動(dòng)任選區(qū)域恒流軟起動(dòng)分段式恒壓起動(dòng)

執(zhí)行元件電力電子器件磁飽和電抗器(磁放大器)自耦變壓器

控制元件和控制方式16位高性能單片計(jì)算機(jī)模糊控制繼電器及普通電子元件繼電電子控制繼電器繼電控制

整機(jī)重量/體積輕/小較重/較大重/大

外接電纜數(shù)量6根(3進(jìn)、3出)6根或9根(130kW以上為：3進(jìn)、6出)6根(3進(jìn)、3出)

表1軟起動(dòng)器與傳統(tǒng)降壓起動(dòng)器的比較

容量加大的場(chǎng)合;

(3)對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)要求嚴(yán)格，對(duì)壓降要求≤

10%UN的供電系統(tǒng);

(4)對(duì)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩要求不高，可進(jìn)行空載或輕載起

動(dòng)的設(shè)備。

嚴(yán)格地講，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩應(yīng)當(dāng)小于額定轉(zhuǎn)矩50%的拖動(dòng)系統(tǒng)，才適合使用軟起動(dòng)器解決起動(dòng)沖擊問(wèn)題。對(duì)于需重載或滿載起動(dòng)的設(shè)備，若采用軟起動(dòng)器起動(dòng)，不但達(dá)不到減小起動(dòng)電流的目的，反而會(huì)要求增加軟起動(dòng)器晶閘管的容量，增加成本;若操作不當(dāng)，還有可能燒毀晶閘管。此時(shí)只能采用變頻軟起動(dòng)。因?yàn)檐浧饎?dòng)器調(diào)壓不調(diào)頻，轉(zhuǎn)差功率始終存在，難免產(chǎn)生過(guò)大的起動(dòng)電流;而變頻器采用調(diào)頻調(diào)壓方式，可實(shí)現(xiàn)無(wú)過(guò)流軟起動(dòng)，且可提供1.2～2倍額定轉(zhuǎn)矩的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，特別適用于重載起動(dòng)的設(shè)備。但是變頻器的價(jià)格要比軟起動(dòng)器的價(jià)格高得多了。

3異步電動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和優(yōu)化節(jié)電控制技術(shù)

3.1異步電動(dòng)機(jī)降壓節(jié)電技術(shù)概述

對(duì)于滿載或重載運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)，降低其端電壓將會(huì)造成嚴(yán)重后果，隨著端電壓的降低，電動(dòng)機(jī)的磁通和電動(dòng)勢(shì)隨之減小，鐵耗無(wú)疑將下降。但與此同時(shí)，隨電壓平方變化的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩也迅速下降而小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)只能依靠增大轉(zhuǎn)差率，提高電磁轉(zhuǎn)矩以達(dá)到與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡的狀態(tài)。轉(zhuǎn)差率的增大，引起轉(zhuǎn)子電流增大，同時(shí)引起定子和轉(zhuǎn)子電壓間的相角增大，導(dǎo)致定子電流增大，從而使定子和轉(zhuǎn)子銅耗增加值大大超過(guò)鐵耗的下降值，這時(shí)電動(dòng)機(jī)繞組溫升將會(huì)增高，效率將會(huì)下降，甚至發(fā)生電動(dòng)機(jī)燒毀事故。因而，一般規(guī)程都規(guī)定了電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)電壓變化范圍不得超過(guò)額定電壓的95%～110%。

然而對(duì)于輕載運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)，情況就截然不同，使供電電壓適當(dāng)降低，在經(jīng)濟(jì)上是有利的。這是因?yàn)樵谳p載運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)差率大大小于額定值，轉(zhuǎn)子電流并不大，在降壓運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子電流增加的數(shù)值有限。而另一方面，卻由于電壓的降低，使空載電流和鐵損大幅減少。在這種情況下，電動(dòng)機(jī)的總損耗就可降低，定子溫升，運(yùn)行效率和功率因數(shù)同時(shí)得到改善。由此可見，電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性與電動(dòng)機(jī)負(fù)載率同運(yùn)行電壓是否合理匹配關(guān)系極大。理論分析表明電動(dòng)機(jī)的力能指標(biāo)(運(yùn)行效率與功率因數(shù))與其端電壓之間存在如下的數(shù)量關(guān)系[2]：

cosφ=(1)

η=(2)

式中：SN和S為電動(dòng)機(jī)額定工況和降壓運(yùn)行的轉(zhuǎn)差率;cosφN和cosφ為電動(dòng)機(jī)額定工況和降壓運(yùn)行的功率因數(shù);

ηN和η為電動(dòng)機(jī)額定工況和降壓運(yùn)行的效率;

KU為電動(dòng)機(jī)的調(diào)壓系數(shù)，KU=U/UN(UN和U為電動(dòng)機(jī)額定電壓和降壓運(yùn)行時(shí)的實(shí)際電壓);

KI為電動(dòng)機(jī)的空載電流系數(shù)，KI=IO/IN(IN和

IO為電動(dòng)機(jī)的額定電流和空載電流)。

從式(2)不難看出：并不是所有的降壓行為都能達(dá)到節(jié)電的目的，只有當(dāng)電壓降低程度大于轉(zhuǎn)差率及功率因數(shù)上升程度時(shí)，才能使運(yùn)行效率提高。實(shí)際上，電動(dòng)機(jī)效率隨電壓降低而變化的關(guān)系呈馬鞍形曲線，對(duì)應(yīng)于每一個(gè)輸出功率(或負(fù)載系數(shù))，必然存在一個(gè)最佳調(diào)壓系數(shù)KUm，當(dāng)KU=KUm時(shí)，電動(dòng)機(jī)的損耗最低，效率最高。KUm稱為電動(dòng)機(jī)的最佳電壓調(diào)節(jié)系數(shù)。不同負(fù)載下最佳電壓調(diào)節(jié)系數(shù)KUm可按電動(dòng)機(jī)的負(fù)載系數(shù)β由下式確定[1]：

KUm=(3)

式中：ΣPN為電動(dòng)機(jī)額定負(fù)載時(shí)的有功損耗(kW);

PO為電動(dòng)機(jī)的空載損耗(kW);

K為計(jì)算系數(shù)，K=(PO-Pfw)/ΣPN〔Pfw為電

動(dòng)機(jī)的機(jī)械損耗(kW)〕;

β為電動(dòng)機(jī)的負(fù)載系數(shù)，β=(P2/PN)·100%

(P2為電動(dòng)機(jī)的輸出功率，PN為電動(dòng)機(jī)的

額定功率)。

文獻(xiàn)[1]給出了輕載電動(dòng)機(jī)采用降壓節(jié)電措施后，節(jié)約電能的計(jì)算公式為：

節(jié)約的有功功率ΔP為：

ΔP=(ΣPN-PO)β2(1-1/KU2)+ΣPN(1-KU2)(4)

節(jié)約的無(wú)功功率ΔQ為：

ΔQ=(QN-QO)β2(1-)+QO(1-KU2)(5)

式中：QN為電動(dòng)機(jī)帶額定負(fù)載時(shí)的無(wú)功功率(kvar);

QO為電動(dòng)機(jī)的空載無(wú)功功率(kvar)。

節(jié)約的電能ΔAC為：

ΔAC=Tec(ΔP+KQΔQ)(6)

式中：KQ為無(wú)功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量，當(dāng)電動(dòng)機(jī)直連電機(jī)母線

KQ=0.02～0.04，二次變壓取KQ=0.05～

0.07，三次變壓取KQ=0.08～0.10;

Tec為電動(dòng)機(jī)年運(yùn)行時(shí)間(h)。

3.2優(yōu)化節(jié)電的控制依據(jù)

(1)功率因數(shù)(cosφ)控制法

最早出現(xiàn)的異步電機(jī)優(yōu)化節(jié)電器為Nolacosφ功率因數(shù)控制器,其原理是通過(guò)檢測(cè)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中的cosφ值，與預(yù)先設(shè)定的基準(zhǔn)值比較，當(dāng)實(shí)際值低于設(shè)定值時(shí)，說(shuō)明電動(dòng)機(jī)為輕載，通過(guò)降低電動(dòng)機(jī)的端電壓來(lái)提高cosφ，直到實(shí)際的cosφ測(cè)量值達(dá)到設(shè)定值為止，實(shí)現(xiàn)了節(jié)電;cosφ數(shù)值高表明是重載，則升高電機(jī)端電壓，以保證軸上的輸出功率。這是一種間接節(jié)電法：控制對(duì)象是電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)，而目的是節(jié)電。由于交流異步電機(jī)的最佳功率因數(shù)在全工作范圍內(nèi)呈曲線變化;不同制造廠生產(chǎn)的同一規(guī)格的異步電機(jī)的功率因數(shù)呈一定的離散性;同一臺(tái)電機(jī)在其壽命期不同階段，在同一工況下的功率因數(shù)也呈現(xiàn)一定的離散性，這就給設(shè)計(jì)和調(diào)整帶來(lái)一定的困難。故這種方法不能達(dá)到最佳節(jié)電效果，并且理論與實(shí)踐都已證明，過(guò)高的功率因數(shù)值對(duì)于異步電機(jī)來(lái)說(shuō)，并不節(jié)電。

(2)最小輸入功率法

交流異步電機(jī)工作時(shí)，從電網(wǎng)輸入的電功率P1，一部分轉(zhuǎn)換成電機(jī)軸上的機(jī)械功率P2輸出，另一部分則是自身的損耗PS，包括鐵耗與銅耗兩部分。其中鐵耗與輸入電壓的平方成正比，而銅耗則與其電流的平方成正比，只有在銅耗等于鐵耗時(shí)，電機(jī)的效率最高，損耗PS最小。最小輸入功率法的原理就是在電機(jī)工作的任一負(fù)載點(diǎn)上，在保證軸上機(jī)械功率輸出的前提下，通過(guò)降低電機(jī)的端電壓而減小電機(jī)自身的損耗，從而達(dá)到節(jié)能的目的。雖然降壓可以降低鐵耗，而當(dāng)電壓降到一定程度之后，若繼續(xù)下降，則電流又要增加，因而又增加了銅耗。通過(guò)微機(jī)自動(dòng)尋優(yōu)，讓鐵耗和銅耗都維持在最低的水平，也即電壓與電流的乘積——輸入的電功率達(dá)到最小值，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)節(jié)電目的。
 

(3)突加負(fù)載控制

當(dāng)電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載急劇上升時(shí)，又要能在極短的時(shí)間內(nèi)(<100ms)將電壓提升到額定值，保證軸上有足夠的功率輸出，否則電機(jī)就會(huì)發(fā)生堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象。所以微處理器在進(jìn)行輸入功率優(yōu)化控制的同時(shí)，又監(jiān)視負(fù)載功率的變化率，一旦負(fù)載功率的變化率超過(guò)預(yù)先設(shè)定的閾值時(shí)，即判定為突加負(fù)載，立即提升電機(jī)端電壓，保證電機(jī)對(duì)負(fù)載變化的快速響應(yīng)能力。

表2按最佳調(diào)壓系數(shù)進(jìn)行降壓后節(jié)省的電量計(jì)算值 電動(dòng)機(jī)負(fù)載系數(shù)β0.10.20.30.40.50.6

最佳電壓調(diào)節(jié)系數(shù)KUm0.3740.530.6470.7470.8360.916

節(jié)省的有功功率ΔP(kW)24.217.011.06.43.00.86

節(jié)省的無(wú)功功率ΔQ(kvar)386.5300.8224.8157.097.647.2

節(jié)省的綜合有功功率ΔP+KqΔQ(kvar)47.435.0524.515.88.863.7

U=UN時(shí)電機(jī)綜合功率損耗?PC(kW)59.3462.0466.5372.8380.9390.82

節(jié)電率(%)79%56.4%36.8%21.7%11%4%

3.3優(yōu)化節(jié)電的適用對(duì)象

對(duì)于電機(jī)轉(zhuǎn)速無(wú)嚴(yán)格要求，及不需要調(diào)速運(yùn)行的場(chǎng)合，特別是對(duì)于經(jīng)常大幅度變動(dòng)的負(fù)載，或者長(zhǎng)時(shí)間處于輕載或空載的電動(dòng)機(jī)，例如軋鋼機(jī)、鍛壓機(jī)、抽油機(jī)等負(fù)載，使用優(yōu)化節(jié)電技術(shù)，可以收到明顯的節(jié)電效果。其節(jié)電量視電動(dòng)機(jī)的負(fù)載系數(shù)及輕載運(yùn)行的時(shí)間長(zhǎng)短而定。

3.4降壓起動(dòng)優(yōu)化節(jié)電計(jì)算實(shí)例

為一臺(tái)輕載運(yùn)行的Y1600—10/1730型6000V電動(dòng)機(jī)配置一套優(yōu)化控制系統(tǒng)，著重計(jì)算其起動(dòng)性能參數(shù)和節(jié)電效果。

Y1600—10/1730型電動(dòng)機(jī)的原始數(shù)據(jù)：額定功率PN=1600kW，額定電壓UN=6.0kV，額定電流IN=185A，額定轉(zhuǎn)速nN=595r/min;最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)=最大轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩=2.22，起動(dòng)電流倍數(shù)=堵轉(zhuǎn)電流/額定電流=5.53，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)=堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩=0.824，額定效率ηN=94.49%，額定功率因數(shù)cosφN=0.879。電動(dòng)機(jī)額定負(fù)載時(shí)的有功損耗ΣPN=93.3kW，電動(dòng)機(jī)的空載損耗PO=29.6kW，電動(dòng)機(jī)的空載電流IO=46.25A，電動(dòng)機(jī)帶額定負(fù)載時(shí)的無(wú)功功率QN=918kvar，電動(dòng)機(jī)的空載無(wú)功功率QO=480.6kvar。

(1)輕載運(yùn)行降壓節(jié)電效果計(jì)算

①不同負(fù)載系數(shù)下，電動(dòng)機(jī)的最佳調(diào)壓系數(shù)KUm的計(jì)算按式(3)進(jìn)行，計(jì)算結(jié)果示于表2：

②當(dāng)U=UN時(shí)，不同負(fù)載系數(shù)下，電動(dòng)機(jī)的綜合功率損耗ΣPC的計(jì)算按式(7)進(jìn)行[1]，計(jì)算結(jié)果示于表2。ΣPC=PO+β2(ΣPN-PO)+KQ[QO+β2(QN-QO)](7)

③按最佳電壓調(diào)節(jié)系數(shù)進(jìn)行調(diào)壓后節(jié)省的電量計(jì)算按式(4)、式(5)和式(6)進(jìn)行，計(jì)算結(jié)果示于表2。

(2)降壓起動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)特性估算

由電動(dòng)機(jī)的原始數(shù)據(jù)得知，電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)參數(shù)如下：起動(dòng)電流IK=5.53IN，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩MK=0.824MN。

①采用降壓起動(dòng)時(shí)，調(diào)壓系數(shù)KU的確定：

KU=(8)

式中：Un為電動(dòng)機(jī)電壓，V;

UN為電動(dòng)機(jī)額定電壓，UN=6.0kV

Mn為生產(chǎn)機(jī)械要求的最小起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，當(dāng)采用輕載起動(dòng)方式時(shí)，Mn≥0.2MN。

代入有關(guān)數(shù)據(jù)，得KU==0.493。

②采用降壓起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)參數(shù)計(jì)算

起動(dòng)電流In=KU·IK=2.72IN

起動(dòng)電壓Un=KU·UN=0.493UN=2960V

起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Mn=KU2·MK=0.2MN

③降壓起動(dòng)的節(jié)電效果計(jì)算

直接起動(dòng)時(shí)從電網(wǎng)吸收的無(wú)功功率QK為[1]

QK=(9)

代入相關(guān)數(shù)據(jù)，得

QK=

=10631.6kvar

降壓起動(dòng)時(shí)從電網(wǎng)吸收的無(wú)功功率Qn為[1]

Qn=(10)

代入相關(guān)數(shù)據(jù)，得

Qn=

=2579.7kvar

節(jié)約的無(wú)功功率△Qn為：

△Qn=QK-Qn=8052.1kvar

電網(wǎng)傳輸△Qn所消耗的有功功率△Pn為：

△Pn=KQ·△Qn=0.06×8052.1=483.1kW

降壓起動(dòng)的無(wú)功節(jié)電率λ為：

λ=×100%=×100%=75.7%

4異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)壓調(diào)速

異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)壓調(diào)速屬低效調(diào)速方式，因?yàn)樵谡{(diào)速過(guò)程中始終存在轉(zhuǎn)差損耗，因此調(diào)壓調(diào)速有很大的限制，不是任何一臺(tái)普通的籠型電機(jī)加上一套晶閘管調(diào)壓裝置，就可以實(shí)現(xiàn)調(diào)壓調(diào)速的。

首先必須改變電動(dòng)機(jī)的外特性，新的外特性必須使電動(dòng)機(jī)有一個(gè)寬廣的穩(wěn)定的調(diào)速范圍。一般要采用高轉(zhuǎn)差率電機(jī)，交流力矩電機(jī)或在繞線式電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組中串接電阻的方法，并且要加上轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，才能進(jìn)行穩(wěn)定的調(diào)速。

其次是要將調(diào)速過(guò)程中由于轉(zhuǎn)差功率引起的轉(zhuǎn)子的溫升很好地導(dǎo)出機(jī)外，才能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。這里可采取旋轉(zhuǎn)熱管結(jié)構(gòu)，也可采取特殊風(fēng)道冷卻結(jié)構(gòu)，都是行之有效的方法。

在電力電子技術(shù)高速發(fā)展的今天，變頻調(diào)速裝置的價(jià)格已不再昂貴的情況下，再考慮調(diào)壓調(diào)速，似乎已無(wú)多大的現(xiàn)實(shí)意義了。

5智能馬達(dá)優(yōu)化控制器(IMOC系列)

在對(duì)交流異步電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)和優(yōu)化節(jié)電技術(shù)長(zhǎng)期深入研究的基礎(chǔ)上，研制成功了智能馬達(dá)優(yōu)化控制器(IMOC系列)，適配電機(jī)功率從5.5kW～110kW。

該控制器采用了16位馬達(dá)控制專用單片微處理器Intel80C196MC，具有完善的檢測(cè)控制功能;主功率器件則采用具有世界高技術(shù)水平的專利產(chǎn)品——集成移相調(diào)控晶閘管模塊，該模塊突破以往晶閘管模塊的概念，將復(fù)雜的移相控制電路與晶閘管管芯創(chuàng)造性地集成為一體，組成一個(gè)完整的電力移相調(diào)控的開環(huán)系統(tǒng)。用它組成的控制器，不但使體積大大縮小，而且增加了設(shè)備的可靠性和抗干擾的能力。

在技術(shù)上更是集眾家之長(zhǎng)，并大大突破國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品的功能，除了起動(dòng)保護(hù)，優(yōu)化節(jié)電外，還增加了風(fēng)機(jī)、水泵類負(fù)載的調(diào)速功能，抽油機(jī)間歇工作節(jié)電功能，無(wú)功功率就地補(bǔ)償功能。尤其是完善的保護(hù)功能：過(guò)電流、過(guò)電壓、過(guò)負(fù)載、短路、接地、缺相、相間不平衡及功率模塊超溫和電機(jī)超溫保護(hù)等功能，是電機(jī)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的保護(hù)神。該控制器具有以下功能特點(diǎn)：

(1)16位微電腦智能化控制，鍵盤設(shè)定，數(shù)碼顯

示，操作簡(jiǎn)單直觀;

(2)軟起動(dòng)，軟停車功能，有效減小起動(dòng)沖擊;

(3)優(yōu)化馬達(dá)運(yùn)行方式，節(jié)電、改善功率因數(shù);

(4)風(fēng)機(jī)、水泵類負(fù)載的調(diào)壓調(diào)速閉環(huán)控制功能;

(5)具有泵控制功能，可避免或減小液流喘振和

“水錘”效應(yīng);

(6)具有相平衡和電源電壓自動(dòng)補(bǔ)償功能;

(7)具有完善的保護(hù)、報(bào)警功能;

(8)起動(dòng)方式、起動(dòng)電壓、起動(dòng)電流、額定電流及

負(fù)載類型等參數(shù)均可設(shè)定;

(9)具有遠(yuǎn)方控制及聯(lián)網(wǎng)通訊功能;

(10)自診斷功能。

經(jīng)過(guò)在不同工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的長(zhǎng)期使用，取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

6結(jié)論

(1)電子式軟起動(dòng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，較之傳統(tǒng)的△/Y起動(dòng)器，自耦變壓器起動(dòng)器具有無(wú)觸點(diǎn)、無(wú)噪音、重量輕、體積小，起動(dòng)電流及起動(dòng)時(shí)間可控制，起動(dòng)過(guò)程平滑等優(yōu)點(diǎn)，并且維護(hù)工作量小。當(dāng)電動(dòng)機(jī)空載或輕載時(shí)，節(jié)能效果顯著，特別適用于短時(shí)滿載，長(zhǎng)時(shí)間空載的負(fù)載。

(2)對(duì)于高轉(zhuǎn)差電機(jī)，實(shí)心轉(zhuǎn)子電機(jī)，力矩電機(jī)等，尤其是在帶風(fēng)機(jī)、水泵類負(fù)載時(shí)，有較好的調(diào)速性能，但不適用于普通的籠型電機(jī)調(diào)速。

(3)采用智能控制器，具有完善的電機(jī)保護(hù)功能，保護(hù)整定值設(shè)置方便，保護(hù)性能可靠。

(4)其最大缺點(diǎn)是由于采用晶閘管移相控制，故對(duì)電網(wǎng)及電機(jī)均存在諧波干擾。