交流異步電機軟起動及優(yōu)化節(jié)能控制的技術(shù)研究

1前言

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

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

(2)在進行電動機容量選配時，往往片面追求大的安全余量，且層層加碼，結(jié)果使電動機容量過大，造成“大馬拉小車”的現(xiàn)象，導致電動機偏離最佳工況點，運行效率和功率因數(shù)降低;

(3)從電動機拖動的生產(chǎn)機械自身的運行經(jīng)濟性考慮，往往要求電力拖動系統(tǒng)具有變壓、變速調(diào)節(jié)能力，若用定速定壓拖動，勢必造成大量的額外電能損失。

電動機的非經(jīng)濟運行情況，早已引起國家有關(guān)部門的重視，并分別于1990年和1995年制定和修定了一個強制性的國家標準：(GB12497?1995)三相異步電動機經(jīng)濟運行。希望依此來規(guī)范三相異步電動機的經(jīng)濟運行，國標的發(fā)布對低壓電動機的經(jīng)濟運行起了很大的促進作用，但對中壓電動機則收效甚微。其原因是：

(1)中壓電動機一般容量較大，一旦發(fā)生故障，其影響也大，因此對節(jié)電措施的可靠性的要求就更高;

(2)中壓電動機節(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，國內(nèi)尚無定型的中壓電動機軟起動和節(jié)電運行的產(chǎn)品面市。

2異步電動機的軟起動

由于工業(yè)生產(chǎn)機械的不斷更新和發(fā)展，對電動機的起動性能提出了越來越高的要求，歸納起來有以下幾個方面：

(1)要求電動機有足夠大的，并且能平穩(wěn)提升的

起動轉(zhuǎn)矩和符合要求的機械特性曲線;

(2)盡可能小的起動電流;

(3)起動設(shè)備盡可能簡單、經(jīng)濟、可靠，起動操作

方便;

(4)起動過程中的功率損耗應盡可能的少。

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

2.1直接起動的危害

直接起動是最簡單的起動方式，起動時通過閘刀或接觸器將電動機直接接到電網(wǎng)上。直接起動的優(yōu)點是起動設(shè)備簡單，起動速度快，但是直接起動的危害很大：

(1)電網(wǎng)沖擊：過大的起動電流(空載起動電流可達額定電流的4～7倍，帶載起動時可達8～10倍或更大)，會造成電網(wǎng)電壓下降，影響其他用電設(shè)備的正常運行，還可能使欠壓保護動作，造成設(shè)備的有害跳閘。同時過大的起動電流會使電機繞組發(fā)熱，從而加速絕緣老化，影響電機壽命;

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

(3)對生產(chǎn)機械造成沖擊：起動過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;影響傳動精度，甚至影響正常的過程控制。

所有這些都給設(shè)備的安全可靠運行帶來威脅，同時也造成過大的起動能量損耗，尤其當頻繁起停時更是如此。因此對電動機直接起動有以下限制條件：(1)生產(chǎn)機械是否允許拖動電動機直接起動，這

是先決條件;

(2)電動機的容量應不大于供電變壓器容量的

10%～15%;

(3)起動過程中的電壓降△U應不大于額定電壓

的15%。對于中、大功率的電動機一般都不允許直接起動，而要求采用一定的起動設(shè)備，方可完成正常的起動工作。

2.2老式降壓起動方式的適用場合及性能比較

降壓起動的目的是減小起動電流，但它同時也使起動轉(zhuǎn)矩下降了。對于重載起動，帶有大的峰值負載的生產(chǎn)機械，就不能用這種方式起動。傳統(tǒng)的降壓起動有以下幾種方法：

(1)星形/三角形轉(zhuǎn)換器：這種方法適用于正常運行時定子繞組采用△接法的電動機。定子有六個接頭引出，接到轉(zhuǎn)換開關(guān)上，起動時采用星形接法，起動完畢后再切換成△接法。起動電壓為220V，運行電壓為380V。這種起動設(shè)備的優(yōu)點是起動設(shè)備簡單，起動過程中消耗能量少。缺點是有二次電流沖擊，設(shè)備故障率高，需要經(jīng)常維護，所以不宜使用在頻繁起動的設(shè)備上。在轉(zhuǎn)換過程中，由于瞬變電勢和電動機剩磁產(chǎn)生的電勢往往與電源電壓有相位差，嚴重時會產(chǎn)生電壓相加，引起過大的沖擊電流和電磁轉(zhuǎn)矩，因此大大地限制了它的使用。由于起動電壓為運行電壓的1/，故其起動轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的1/3，只能用在空載或輕載(負載率小于1/3)起動的設(shè)備。在電動機輕載或空載運行時，也可利用該起動設(shè)備作降壓運行，以提高電動機的功率因數(shù)和效率。

 

(2)自耦變壓器降壓起動：三相自耦變壓器(也稱補償器)高壓邊接電網(wǎng)，低壓邊接電動機，一般有幾個分接頭，可選擇不同的電壓比，相對于不同起動轉(zhuǎn)矩的負載。在電動機起動后再將其切除。其優(yōu)點是起動電壓可以選擇，如0.65、0.8或0.9UN，以適應不同負載的要求。缺點是體積大，重量重，且要消耗較多有色金屬，故障率高，維修費用高。

(3)磁控軟起動器：磁控軟起動器是利用控磁限幅調(diào)壓的原理，在電動機起動過程中電壓可由一個較低的值平滑地上升到全壓，使電動機軸上的轉(zhuǎn)矩勻速增加，起動特性變軟，并可實現(xiàn)軟停車。但其起控電壓在200V左右，用戶不可調(diào)整，會有較大的電流沖擊，且體積較大。

(4)串聯(lián)電抗器或水電阻：對于高壓電機，可在定子線路中串聯(lián)電抗器或水電阻實現(xiàn)降壓起動，待起動完成后再將其切除。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：對于繞線式異步電動機，可在轉(zhuǎn)子繞組串接頻敏變阻器或水電阻實現(xiàn)起動，待起動完成后再將其切除。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，定子串電阻起動等方法。

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

2.3新型的電子式軟起動器

隨著電力電子技術(shù)和微機控制技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外相繼開發(fā)出一系列電子式起動控制設(shè)備，用于異步電動機的起動控制，以取代傳統(tǒng)的降壓起動設(shè)備。新型的電子式軟起動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，串接于電動機的三相供電線路上。當起動器的微機控制系統(tǒng)接到起動指令后，便進行有關(guān)的計算，輸出晶閘管的觸發(fā)信號，通過控制晶閘管的導通角α,使起動器按所設(shè)計的模式調(diào)節(jié)輸出電壓,以控制電動機的起動過程。當起動過程完成后，一般起動器將旁路接觸器吸合，短路掉所有的晶閘管主電路，使電動機直接投入電網(wǎng)運行，以避免不必要的電能損耗，軟起動器的控制框圖如圖1所示。

所謂“軟起動”，實際上就是按照預先設(shè)定的控制模式進行的降壓起動過程。目前的軟起動器一般有以下幾種起動方式：

(1)限流軟起動：限流起動顧名思義就是在電動機的起動過程中限制其起動電流不超過某一設(shè)定值(Im)的軟起動方式。主要用在輕載起動的負載的降壓起動，其輸出電壓從零開始迅速增長，直到其輸出電流達到預先設(shè)定的電流限值Im，然后在保持輸出電流I這種起動方式的優(yōu)點是起動電流小，且可按需要調(diào)整，(起動電流的限值Im必須根據(jù)電動機的起動轉(zhuǎn)矩來設(shè)定，Im設(shè)置過小，將會使起動失敗或燒毀電機。)對電網(wǎng)電壓影響小。其缺點是在起動時難以知道起動壓降，不能充分利用壓降空間，損失起動轉(zhuǎn)矩，起動時間相對較長。

 

 

圖1軟起動器的控制框圖

 

 

圖2各種軟起動波形圖
 

(a)限流起動(b)電壓斜坡起動(c)轉(zhuǎn)矩控制起動

(d)轉(zhuǎn)矩加突跳控制起動(e)電壓控制起動

(2)電壓斜坡起動：輸出電壓由小到大斜坡線性上升，將傳統(tǒng)的降壓起動變有級為無級，主要用在重載起動。它的缺點是起動轉(zhuǎn)矩小，且轉(zhuǎn)矩特性呈拋物線型上升對起動不利，且起動時間長，對電機不利。改進的方法是采用雙斜坡起動：輸出電壓先迅速升至U1，U1為電動機起動所需的最小轉(zhuǎn)矩所對應的電壓值，然后按設(shè)定的速率逐漸升壓，直至達到額定電壓。初始電壓及電壓上升率可根據(jù)負載特性調(diào)整。這種起動方式的特點是起動電流相對較大，但起動時間相對較短，適用于重載起動的電機。

(3)轉(zhuǎn)矩控制起動：主要用在重載起動，它是按電動機的起動轉(zhuǎn)矩線性上升的規(guī)律控制輸出電壓，它的優(yōu)點是起動平滑、柔性好，對拖動系統(tǒng)有利，同時減少對電網(wǎng)的沖擊，是最優(yōu)的重載起動方式。它的缺點是起動時間較長。

(4)轉(zhuǎn)矩加突跳控制起動：轉(zhuǎn)矩加突跳控制起動與轉(zhuǎn)矩控制起動一樣也是用在重載起動的場合。所不同的是在起動的瞬間用突跳轉(zhuǎn)矩，克服拖動系統(tǒng)的靜轉(zhuǎn)矩，然后轉(zhuǎn)矩平滑上升，可縮短起動時間。但是，突跳會給電網(wǎng)發(fā)送尖脈沖，干擾其它負荷，使用時應特別注意。

(5)電壓控制起動：電壓控制起動是用在輕載起動的場合，在保證起動壓降的前提下使電動機獲得最大的起動轉(zhuǎn)矩，盡可能地縮短起動時間，是最優(yōu)的輕載軟起動方式。各種軟起動方式的相應起動曲線見圖2。

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

2.4軟起動器與傳統(tǒng)降壓起動器的比較

軟起動器與傳統(tǒng)降壓起動器的性能比較見表1。

2.5軟起動器的適用場合

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

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

起動特性軟特性：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

起動沖擊電流無1次，約為電機額定電流IN的6倍2次，約為電機額定電流IN的7倍

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

電機轉(zhuǎn)矩特性沒有沖擊轉(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

負載適應能力強一般較差

能否頻繁起動可以一般不能一般不能

起動方式限流軟起動或電壓斜坡起動任選區(qū)域恒流軟起動分段式恒壓起動

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位高性能單片計算機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

整機重量/體積輕/小較重/較大重/大

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

表1軟起動器與傳統(tǒng)降壓起動器的比較

容量加大的場合;

(3)對電網(wǎng)電壓波動要求嚴格，對壓降要求≤

10%UN的供電系統(tǒng);

(4)對起動轉(zhuǎn)矩要求不高，可進行空載或輕載起

動的設(shè)備。

嚴格地講，起動轉(zhuǎn)矩應當小于額定轉(zhuǎn)矩50%的拖動系統(tǒng)，才適合使用軟起動器解決起動沖擊問題。對于需重載或滿載起動的設(shè)備，若采用軟起動器起動，不但達不到減小起動電流的目的，反而會要求增加軟起動器晶閘管的容量，增加成本;若操作不當，還有可能燒毀晶閘管。此時只能采用變頻軟起動。因為軟起動器調(diào)壓不調(diào)頻，轉(zhuǎn)差功率始終存在，難免產(chǎn)生過大的起動電流;而變頻器采用調(diào)頻調(diào)壓方式，可實現(xiàn)無過流軟起動，且可提供1.2～2倍額定轉(zhuǎn)矩的起動轉(zhuǎn)矩，特別適用于重載起動的設(shè)備。但是變頻器的價格要比軟起動器的價格高得多了。

3異步電動機經(jīng)濟運行和優(yōu)化節(jié)電控制技術(shù)

3.1異步電動機降壓節(jié)電技術(shù)概述

對于滿載或重載運行的電動機，降低其端電壓將會造成嚴重后果，隨著端電壓的降低，電動機的磁通和電動勢隨之減小，鐵耗無疑將下降。但與此同時，隨電壓平方變化的電動機轉(zhuǎn)矩也迅速下降而小于負載轉(zhuǎn)矩，電動機只能依靠增大轉(zhuǎn)差率，提高電磁轉(zhuǎn)矩以達到與負載轉(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，同時引起定子和轉(zhuǎn)子電壓間的相角增大，導致定子電流增大，從而使定子和轉(zhuǎn)子銅耗增加值大大超過鐵耗的下降值，這時電動機繞組溫升將會增高，效率將會下降，甚至發(fā)生電動機燒毀事故。因而，一般規(guī)程都規(guī)定了電動機正常運行時電壓變化范圍不得超過額定電壓的95%～110%。

然而對于輕載運行的電動機，情況就截然不同，使供電電壓適當降低，在經(jīng)濟上是有利的。這是因為在輕載運行時，電動機的實際轉(zhuǎn)差率大大小于額定值，轉(zhuǎn)子電流并不大，在降壓運行時，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，電動機的總損耗就可降低，定子溫升，運行效率和功率因數(shù)同時得到改善。由此可見，電動機的運行經(jīng)濟性與電動機負載率同運行電壓是否合理匹配關(guān)系極大。理論分析表明電動機的力能指標(運行效率與功率因數(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為電動機額定工況和降壓運行的轉(zhuǎn)差率;cosφN和cosφ為電動機額定工況和降壓運行的功率因數(shù);

ηN和η為電動機額定工況和降壓運行的效率;

KU為電動機的調(diào)壓系數(shù)，KU=U/UN(UN和U為電動機額定電壓和降壓運行時的實際電壓);

KI為電動機的空載電流系數(shù)，KI=IO/IN(IN和

IO為電動機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到節(jié)電的目的，只有當電壓降低程度大于轉(zhuǎn)差率及功率因數(shù)上升程度時，才能使運行效率提高。實際上，電動機效率隨電壓降低而變化的關(guān)系呈馬鞍形曲線，對應于每一個輸出功率(或負載系數(shù))，必然存在一個最佳調(diào)壓系數(shù)KUm，當KU=KUm時，電動機的損耗最低，效率最高。KUm稱為電動機的最佳電壓調(diào)節(jié)系數(shù)。不同負載下最佳電壓調(diào)節(jié)系數(shù)KUm可按電動機的負載系數(shù)β由下式確定[1]：

KUm=(3)

 

式中：ΣPN為電動機額定負載時的有功損耗(kW);

PO為電動機的空載損耗(kW);

K為計算系數(shù)，K=(PO-Pfw)/ΣPN〔Pfw為電

動機的機械損耗(kW)〕;

β為電動機的負載系數(shù)，β=(P2/PN)·100%

(P2為電動機的輸出功率，PN為電動機的

額定功率)。

文獻[1]給出了輕載電動機采用降壓節(jié)電措施后，節(jié)約電能的計算公式為：

節(jié)約的有功功率ΔP為：

ΔP=(ΣPN-PO)β2(1-1/KU2)+ΣPN(1-KU2)(4)

節(jié)約的無功功率ΔQ為：

ΔQ=(QN-QO)β2(1-)+QO(1-KU2)(5)

 

式中：QN為電動機帶額定負載時的無功功率(kvar);

QO為電動機的空載無功功率(kvar)。

節(jié)約的電能ΔAC為：

ΔAC=Tec(ΔP+KQΔQ)(6)

式中：KQ為無功經(jīng)濟當量，當電動機直連電機母線

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為電動機年運行時間(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)的異步電機優(yōu)化節(jié)電器為Nolacosφ功率因數(shù)控制器,其原理是通過檢測電動機運行中的cosφ值，與預先設(shè)定的基準值比較，當實際值低于設(shè)定值時，說明電動機為輕載，通過降低電動機的端電壓來提高cosφ，直到實際的cosφ測量值達到設(shè)定值為止，實現(xiàn)了節(jié)電;cosφ數(shù)值高表明是重載，則升高電機端電壓，以保證軸上的輸出功率。這是一種間接節(jié)電法：控制對象是電動機的功率因數(shù)，而目的是節(jié)電。由于交流異步電機的最佳功率因數(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)格的異步電機的功率因數(shù)呈一定的離散性;同一臺電機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)計和調(diào)整帶來一定的困難。故這種方法不能達到最佳節(jié)電效果，并且理論與實踐都已證明，過高的功率因數(shù)值對于異步電機來說，并不節(jié)電。

(2)最小輸入功率法

交流異步電機工作時，從電網(wǎng)輸入的電功率P1，一部分轉(zhuǎn)換成電機軸上的機械功率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，電機的效率最高，損耗PS最小。最小輸入功率法的原理就是在電機工作的任一負載點上，在保證軸上機械功率輸出的前提下，通過降低電機的端電壓而減小電機自身的損耗，從而達到節(jié)能的目的。雖然降壓可以降低鐵耗，而當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。通過微機自動尋優(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——輸入的電功率達到最小值，實現(xiàn)最優(yōu)節(jié)電目的。
 

(3)突加負載控制

當電動機軸上的負載急劇上升時，又要能在極短的時間內(nèi)(<100ms)將電壓提升到額定值，保證軸上有足夠的功率輸出，否則電機就會發(fā)生堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象。所以微處理器在進行輸入功率優(yōu)化控制的同時，又監(jiān)視負載功率的變化率，一旦負載功率的變化率超過預先設(shè)定的閾值時，即判定為突加負載，立即提升電機端電壓，保證電機對負載變化的快速響應能力。

表2按最佳調(diào)壓系數(shù)進行降壓后節(jié)省的電量計算值 電動機負載系數(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時電機綜合功率損耗?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)電的適用對象

對于電機轉(zhuǎn)速無嚴格要求，及不需要調(diào)速運行的場合，特別是對于經(jīng)常大幅度變動的負載，或者長時間處于輕載或空載的電動機，例如軋鋼機、鍛壓機、抽油機等負載，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)電量視電動機的負載系數(shù)及輕載運行的時間長短而定。

3.4降壓起動優(yōu)化節(jié)電計算實例

為一臺輕載運行的Y1600—10/1730型6000V電動機配置一套優(yōu)化控制系統(tǒng)，著重計算其起動性能參數(shù)和節(jié)電效果。

Y1600—10/1730型電動機的原始數(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，起動電流倍數(shù)=堵轉(zhuǎn)電流/額定電流=5.53，起動轉(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。電動機額定負載時的有功損耗ΣPN=93.3kW，電動機的空載損耗PO=29.6kW，電動機的空載電流IO=46.25A，電動機帶額定負載時的無功功率QN=918kvar，電動機的空載無功功率QO=480.6kvar。

(1)輕載運行降壓節(jié)電效果計算

①不同負載系數(shù)下，電動機的最佳調(diào)壓系數(shù)KUm的計算按式(3)進行，計算結(jié)果示于表2：

②當U=UN時，不同負載系數(shù)下，電動機的綜合功率損耗ΣPC的計算按式(7)進行[1]，計算結(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)進行調(diào)壓后節(jié)省的電量計算按式(4)、式(5)和式(6)進行，計算結(jié)果示于表2。

(2)降壓起動時電動機起動特性估算

由電動機的原始數(shù)據(jù)得知，電動機直接起動時，起動參數(shù)如下：起動電流IK=5.53IN，起動轉(zhuǎn)矩MK=0.824MN。

①采用降壓起動時，調(diào)壓系數(shù)KU的確定：

KU=(8)

 

式中：Un為電動機電壓，V;

UN為電動機額定電壓，UN=6.0kV

Mn為生產(chǎn)機械要求的最小起動轉(zhuǎn)矩，當采用輕載起動方式時，Mn≥0.2MN。

代入有關(guān)數(shù)據(jù)，得KU==0.493。

 

②采用降壓起動時，起動參數(shù)計算

起動電流In=KU·IK=2.72IN

起動電壓Un=KU·UN=0.493UN=2960V

起動轉(zhuǎn)矩Mn=KU2·MK=0.2MN

③降壓起動的節(jié)電效果計算

直接起動時從電網(wǎng)吸收的無功功率QK為[1]

QK=(9)

 

代入相關(guān)數(shù)據(jù)，得

QK=

 

=10631.6kvar

降壓起動時從電網(wǎng)吸收的無功功率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

降壓起動的無功節(jié)電率λ為：

λ=×100%=×100%=75.7%

 

4異步電動機的調(diào)壓調(diào)速

異步電動機的調(diào)壓調(diào)速屬低效調(diào)速方式，因為在調(diào)速過程中始終存在轉(zhuǎn)差損耗，因此調(diào)壓調(diào)速有很大的限制，不是任何一臺普通的籠型電機加上一套晶閘管調(diào)壓裝置，就可以實現(xiàn)調(diào)壓調(diào)速的。

首先必須改變電動機的外特性，新的外特性必須使電動機有一個寬廣的穩(wěn)定的調(diào)速范圍。一般要采用高轉(zhuǎn)差率電機，交流力矩電機或在繞線式電機的轉(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，才能進行穩(wěn)定的調(diào)速。

其次是要將調(diào)速過程中由于轉(zhuǎn)差功率引起的轉(zhuǎn)子的溫升很好地導出機外，才能實現(xiàn)長期穩(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)速裝置的價格已不再昂貴的情況下，再考慮調(diào)壓調(diào)速，似乎已無多大的現(xiàn)實意義了。

5智能馬達優(yōu)化控制器(IMOC系列)

在對交流異步電動機軟起動和優(yōu)化節(jié)電技術(shù)長期深入研究的基礎(chǔ)上，研制成功了智能馬達優(yōu)化控制器(IMOC系列)，適配電機功率從5.5kW～110kW。

該控制器采用了16位馬達控制專用單片微處理器Intel80C196MC，具有完善的檢測控制功能;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，并大大突破國內(nèi)外同類產(chǎn)品的功能，除了起動保護，優(yōu)化節(jié)電外，還增加了風機、水泵類負載的調(diào)速功能，抽油機間歇工作節(jié)電功能，無功功率就地補償功能。尤其是完善的保護功能：過電流、過電壓、過負載、短路、接地、缺相、相間不平衡及功率模塊超溫和電機超溫保護等功能，是電機安全經(jīng)濟運行的保護神。該控制器具有以下功能特點：

(1)16位微電腦智能化控制，鍵盤設(shè)定，數(shù)碼顯

示，操作簡單直觀;

(2)軟起動，軟停車功能，有效減小起動沖擊;

(3)優(yōu)化馬達運行方式，節(jié)電、改善功率因數(shù);

(4)風機、水泵類負載的調(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;

(6)具有相平衡和電源電壓自動補償功能;

(7)具有完善的保護、報警功能;

(8)起動方式、起動電壓、起動電流、額定電流及

負載類型等參數(shù)均可設(shè)定;

(9)具有遠方控制及聯(lián)網(wǎng)通訊功能;

(10)自診斷功能。

經(jīng)過在不同工業(yè)現(xiàn)場的長期使用，取得了可觀的經(jīng)濟效益。

6結(jié)論

(1)電子式軟起動器結(jié)構(gòu)簡單，較之傳統(tǒng)的△/Y起動器，自耦變壓器起動器具有無觸點、無噪音、重量輕、體積小，起動電流及起動時間可控制，起動過程平滑等優(yōu)點，并且維護工作量小。當電動機空載或輕載時，節(jié)能效果顯著，特別適用于短時滿載，長時間空載的負載。

(2)對于高轉(zhuǎn)差電機，實心轉(zhuǎn)子電機，力矩電機等，尤其是在帶風機、水泵類負載時，有較好的調(diào)速性能，但不適用于普通的籠型電機調(diào)速。

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

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