三相异步电动机降压节能技术研究
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表２ 不同负载下的节能效果
排量 ｍ ／ｈ 最佳档位线电压（Ｖ） 有功功率节电率（％） 无功功率节电率（％） 节能后功率因素 每年综合节电量（ｋＷ． ｈ）
３
２０ ７５９ １４． ２ ５４． ０ ０． ８１３ ７４３６９
４０ ７９７ １０． １ ５１． ６ ０． ７９９ ５９３６２
表１ 电机参数
额定电压 额定电流 额定功率 额定排量 潜油电缆
９００Ｖ ３７Ａ ３７ｋＷ ２００ｍ ／ｄ ７００ｍ
３
其 中 ： Tmax — 三 相 异 步 电 机 的 最 大 转 矩 ；
Sm —三相异步电机最大转矩所对应的
转差率。 当三相异步电动机负载处于额定负载 状 态 时 ，异 步 电 机 处 于 如 式 （８） 的 状 态 下 ：
２ 三相异步电机节能技术概述［２］
２ ． １ 优化电机本身设计节能 这种节能技术主要是通过改变电机 本身构造实现电机的节能，优化的方法 主要有以下三种： 改变电机结构、 改变电 机零部件的制造工艺、 改进电机的制造材 料。 主要目的是通过优化电机的各类参 数，在电机制造时，采用更合理的正弦绕 组、 定转子槽数、 风扇等参数措施来降低
图２ 三相交流调压器
与电机的工作电压的平方成正比。 因此， 降低异步电机的工作端电压，可以有效 的降低电机的能耗。
３ 三相异步电动机降压节能模块设计
３ ． １ 异步电动机降压节能分析 可以根据异步电机的工作负载状态， 将电机分为：恒转负载和变转矩负载两
图３ 触发模块部分仿真图
类。 而所谓恒转负载是指负载与转速无
研 究 报 告
２０１２ ＮＯ．０５ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｈｅｒａｌｄ
科技创新导报
三相异步电动机降压节能技术研究
纪勇 摘 要 ： 交流异步电动机也是各类电动机中应用最广、 需求量最大的一种。 据统计， 全球每年５ ０ ％ 电量都是三相异步电机消耗的， 在我国， 这个比例可以达到６ ０ ％ ～７ ０ ％ 。 因此， 研究三相异步电机的节能技术， 对降低我国能耗， 实现低碳环保生活具有重要的意义。 关键词： 三相异步电机 降压节能 低碳 中图分类号： Ｔ Ｍ ３ ４ ３ 文献标识码 ： Ａ 文章编号：１６７４－０９８Ｘ（２０１２）０２（ｂ）－０００１－０３
２００ ９６１ ２． １１ １５． ２ ０． ７９４ １８４８８
２
科技创新导报 Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｈｅｒａｌｄ
研 究 报 告
表３ 不同负载下的节能效果
２０１２ ＮＯ．０５ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｈｅｒａｌｄ
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１
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２０１２ ＮＯ．０５ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｈｅｒａｌｄ
研 究 报 告
其中：
关，负载近似为常数。 通 常 用 TL 代 表 电 机 的负载，机床、 吊车、 传送机构都是这种 类型的电机。 变转矩负载通常是指异步电 动 机 的 转 速 与 阻 转 矩 TL 相 对 是 变 化 的 ， 风 机 和 水 泵 是 这 种 电 机 ， 而 阻 转 矩 TL 常 常可用以下公式表示
β s s = K 2 （１１） m u
因此，当异步电动机端子电压降低 时，相关电机转速也会降低，这使得转差 率ｓ 逐渐增大。 而处于降压工作状态下， 这 样异步电动机的负载率 β 也会相应的降 低，这样可以使异步电机的调压范围也 不断的变大。 因此，无论电机处于什么样 的工作状态，可以降低异步电机的铁耗 和铜耗，也可以降低异步电动机的输出 功率， 提出电机的工作效率。 ３ ． ２ 三相异步电动机降压节能模块设计 本文设计的异步电动机节能模块主要 是对三相异步电机的三相交流电压进行调 节，而本文设计的三相异步电机节能模块 主要功能是用于异步电动机电压的调制。 ３．２．１ 三相交流调压调压电路设计 常见的交流调压电路主要分为以下两 种： 斩 波 式 调 压 电 路 和 相 控 式 调 压 电 路 。 其 中相控式调压电路可以用改变控制角 α 实 现输出电压的变化。 相控式调压电路具有 结构简单， 响 应 速 度 快 的 特 点 。 而斩波调压 电路的主要作用是：将电路的正弦电压改 变成若干个脉冲电压，即利用电路之中的 全控型开关器件实现一个电源周期内的接 通和断开若干次。 这种电路的特点是可以 连续调节异步电机的输出电压，且响应速 度快，这里采用的是相控式调压电路。
６０ ７９５ １０ ５１ ０． ８０９ ５７４００
１００ ７９４ ８． ２６ ４９． ５ ０． ８１６ ５３４７５
１２０ ８４５ ８． １６ ４３． １ ０． ８１７ ５１５６０
１４５ ８４３ ７． ５２ ４２． ９ ０． ８３２ ４８４９１
１８２ ８８２ ４． ９８ ３２． ４ ０． ８２２ ３５１５４
科技创新导报
潜油电机的日常工作下，这里分别测试
３０ ３７１ ５． ６ ５３． ４ ０． ８４５ ４５６９８ ４０ ３７５ ４． ５６ ４０． ２ ０． ７６９ ５０２５１
排量 ｍ３／ｈ 最佳档位线电压（Ｖ） 有功功率节电率（％） 无功功率节电率（％） 节能后功率因素 每年综合节电量（ｋＷ． ｈ）
图１ 三相交流调压器原理图
电机的损耗。 ２ ． ２ 异步电动机变频节能 变频节能技术主要是通过改变电机转 速的方式，通过优化异步电机在不同工作 状 态 下 的 转 速， 实 现 电 机 的 节 能 。 一般是对 驱动电源的电压和频率进行优化，这样使 异步电动机的转速实现平滑地调节，这样 可以实现根据输出量的要求来改变输出功 率来达到节能。 ２ ． ３ 异步电动机降压节能 电机输出的机械损耗与输入的有功 电功率的差值是异步电动机损耗的定义。 而 “铁耗和铜耗” 是三相异步电动机主要 损耗“ ， 铁耗和铜耗” 的损失之和往往占 有电机总损耗的较大比例。 因此，要想实 现电机的节能就一定要减小电机损耗。 而 相关资料统计发现：电机的铜损耗与转 子电流的平方成正比，电子的铁损耗则
K
min
=
4
因此， 异步电动机处于恒转矩负载时， 减少异步电动机的铁耗和铜耗之和就可以 实现降压节能的效果。 ３．１．２ 对于变负载时的异步电动机节 能分析 处于变转矩负载工作状态时，异步电 动机的转速ｎ与阻转矩成正比的关系，因 此， TL 与 ｎ 也 存 在 一 定 的 关 系 。 通常可以用 如 下 公 式 表 示： TL = kn 2 ，在 式 中 ｋ 表 示 为 比 例系数。 而可以用如下式子表示异步电动机实 用 的 电 磁 转 矩 ，具 体 如 式 （ ７ ）所 示 。
2
sm — 最 大 转 矩 所 对 应 的 转 差 率 。 而 sm 可 用 式 （ ９ ）来 表 示 ：
sm =
' cR2 ' ) （９） R + ( X 1σ + cX 2 σ 2 1
：
2
TL = 0.15TN + 0.85(1 − s ) TN （１） 在 式 （ １ ）中 ， TN 代 表 着 异 步 电 动 机 的 额 定转矩，ｓ代表转差率。 ３．１．１ 对于恒负载时的异步电动机节 能分析 适当调整定子端的电压，电机转速变 化量很小。 而 对 于 异 步 电 机 来 说， 输出转矩 与输出的功率关系通常可以采用下式表示
2 ，而异步电机的铜损 耗 的 减 少 倍 数 为 Ku
TN T
max U
其中：三相异步电动机降压后对应的 最 大 电 磁 转 矩 可 以 用 Tmax 来 表 示 。 因此，通 过以上公式推导， 可 以 得 到 下 式：
。
60 P2 （３．２） T2 = 2πn
变化而变化，因此，可以用式（１０）代表式（８）。
P2 β = P 。 N
由式（３）可知，电 机 处 于 恒 转 矩 负 载 时 ， 输 出 功 率 P2 基 本 上 为 常 量 ， 因 此 ， 负 载 系数 β 通常为一定值。 因此， 如果减少异 步电动机的端电压，则异步电机的铁损
T 2 = s s T max + m （７） sm s
Pm — 异 步 电 动 机 的 机 械 损 耗 ；
Ku — 异 步 电 动 机 的 调 压 比 。
其 中 Ku 可 用 如 下 公 式 表 示 ， 具 体 如 式 （４）所示。
U1 K u = U （４） N
［３］
其中： U1 — 异 步 电 动 机 的 实 际 输 出 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 压 ；
UN —异步电动机的额定工作电压。
TN 2S = N （８） Tmax Sm
而异步电机的铜损可用如下公式表 示 ，具 体 如 式 （ ５ ） 所 示 ：
PCu = PN η − 1 − P0 K （５） N u 1 β
Ｔ２— 异 步 电 动 机 的 输 出 功 率 ； Ｎ—异步电动机的实际转速。 分析式（２）可知，电 动 机 的 输 出 功 率 不 受到转速 ｎ 的影响。 而分析异步电机的工作方式发现：异 步电机的铁耗与电机工作电压的平方是成 正比，而铜损与异步电动机工作电流的平 方成正比。 一 般 来 说， 异 步 电 机 的 铁 损 可 用 如 下 的 公 式 表 示 ［４］： PFe = (P0 − Pm )Ku2 （３） 其 中 ： P0 — 异 步 电 动 机 在 额 定 电 压 时 的 空 载损耗；
１０ ３５４ ８． ６ ６０． ２ ０． ７５６ ３５６２４
２０ ３６８ ９． ６ ５８． ５ ０． ７８９ ３９８５６
了在不同负载状态下的节能效果。 这里分 别记录了电机在排量２０，４０，６０，１００，１２０， １４５，１８２ 和 ２ ０ ０ m 3 / d 下 不 同 电 压 档 位 的 电 机节能率和节电量，如表２。 从表２可知，本 文设计的调压模块节能效果明显，具有 很好的工程应用前景。 ４ ． ２ 恒定负载 为了验证本文设计的降压节能模块 的可扩展性，即验证该模块可否广泛应 用的恒定负载３８０Ｖ电机之中，本文将调 压模块同样应用在这个单位的风机之中， 这个风机的恒定负载就是为３８０Ｖ，也取 得了较好的节电效果。 本文在排风量为 １ ０ ， ２ ０ ， ３ ０ ， ４ ０ m3 / h 的 工 作 状 态 下 不 同 电 压档位的电机节能率和节电量，如表３所 示。
１ 引言
在人们的日常生活，交流异步电动机 使用最广泛的电机。 交流异步电动机具 有价格低廉、 结构简单、 坚固耐用等特
点，且交流异步电动机还可以广泛的应 用于恶劣的工作环境之中。 因此， 交流异 步电动机也是各类电动机中应用最广、 需求量最大的一种。 根据相关文献统计，
全球每年５ ０ ％电量都是三相异步电机消 耗的，而我国由于电机节能技术落后，这 个 比 例 可 以 达 到 ６ ０ ％ ～ ７ ０ ％ ［１］ 。 因 此，研究 三相异步电机的节能技术，对降低我国 能耗，实现低碳环保生活具有非常重要 的意义。
［３］
其 中 ： PN — 异 步 电 动 机 的 额 定 功 率 ；
其中： 参 数 有 关，
ηN — 异 步 电 动 机 的 额 定 效 率 ；
β —异步电动机的负载系数。
sm 仅 仅 与 三 相 异 步 电 机 的 相 关 sm 值 不 随 着 异 步 电 机 端 电 压 的
= 2sN sm （１０）
耗 的 相 应 增 加 的 倍 数 为 1 / K u2 。 因此， 存在 一 个 最 佳 调 压 系 数 K min ， 在 这 个 系 数 下 异 步电动机的总损耗最小。
1 β 2 PN η − 1 − P0 （６） N P0 − Pm
排量 ｍ ／ｈ 最佳档位线电压（Ｖ） 有功功率节电率（％） 无功功率节电率（％） 节能后功率因素 每年综合节电量（ｋＷ． ｈ）
３
２０ ７５９ １４． ２ ５４． ０ ０． ８１３ ７４３６９
４０ ７９７ １０． １ ５１． ６ ０． ７９９ ５９３６２
表１ 电机参数
额定电压 额定电流 额定功率 额定排量 潜油电缆
９００Ｖ ３７Ａ ３７ｋＷ ２００ｍ ／ｄ ７００ｍ
３
其 中 ： Tmax — 三 相 异 步 电 机 的 最 大 转 矩 ；
Sm —三相异步电机最大转矩所对应的
转差率。 当三相异步电动机负载处于额定负载 状 态 时 ，异 步 电 机 处 于 如 式 （８） 的 状 态 下 ：
２ 三相异步电机节能技术概述［２］
２ ． １ 优化电机本身设计节能 这种节能技术主要是通过改变电机 本身构造实现电机的节能，优化的方法 主要有以下三种： 改变电机结构、 改变电 机零部件的制造工艺、 改进电机的制造材 料。 主要目的是通过优化电机的各类参 数，在电机制造时，采用更合理的正弦绕 组、 定转子槽数、 风扇等参数措施来降低
图２ 三相交流调压器
与电机的工作电压的平方成正比。 因此， 降低异步电机的工作端电压，可以有效 的降低电机的能耗。
３ 三相异步电动机降压节能模块设计
３ ． １ 异步电动机降压节能分析 可以根据异步电机的工作负载状态， 将电机分为：恒转负载和变转矩负载两
图３ 触发模块部分仿真图
类。 而所谓恒转负载是指负载与转速无
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２０１２ ＮＯ．０５ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｈｅｒａｌｄ
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三相异步电动机降压节能技术研究
纪勇 摘 要 ： 交流异步电动机也是各类电动机中应用最广、 需求量最大的一种。 据统计， 全球每年５ ０ ％ 电量都是三相异步电机消耗的， 在我国， 这个比例可以达到６ ０ ％ ～７ ０ ％ 。 因此， 研究三相异步电机的节能技术， 对降低我国能耗， 实现低碳环保生活具有重要的意义。 关键词： 三相异步电机 降压节能 低碳 中图分类号： Ｔ Ｍ ３ ４ ３ 文献标识码 ： Ａ 文章编号：１６７４－０９８Ｘ（２０１２）０２（ｂ）－０００１－０３
２００ ９６１ ２． １１ １５． ２ ０． ７９４ １８４８８
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表３ 不同负载下的节能效果
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其中：
关，负载近似为常数。 通 常 用 TL 代 表 电 机 的负载，机床、 吊车、 传送机构都是这种 类型的电机。 变转矩负载通常是指异步电 动 机 的 转 速 与 阻 转 矩 TL 相 对 是 变 化 的 ， 风 机 和 水 泵 是 这 种 电 机 ， 而 阻 转 矩 TL 常 常可用以下公式表示
β s s = K 2 （１１） m u
因此，当异步电动机端子电压降低 时，相关电机转速也会降低，这使得转差 率ｓ 逐渐增大。 而处于降压工作状态下， 这 样异步电动机的负载率 β 也会相应的降 低，这样可以使异步电机的调压范围也 不断的变大。 因此，无论电机处于什么样 的工作状态，可以降低异步电机的铁耗 和铜耗，也可以降低异步电动机的输出 功率， 提出电机的工作效率。 ３ ． ２ 三相异步电动机降压节能模块设计 本文设计的异步电动机节能模块主要 是对三相异步电机的三相交流电压进行调 节，而本文设计的三相异步电机节能模块 主要功能是用于异步电动机电压的调制。 ３．２．１ 三相交流调压调压电路设计 常见的交流调压电路主要分为以下两 种： 斩 波 式 调 压 电 路 和 相 控 式 调 压 电 路 。 其 中相控式调压电路可以用改变控制角 α 实 现输出电压的变化。 相控式调压电路具有 结构简单， 响 应 速 度 快 的 特 点 。 而斩波调压 电路的主要作用是：将电路的正弦电压改 变成若干个脉冲电压，即利用电路之中的 全控型开关器件实现一个电源周期内的接 通和断开若干次。 这种电路的特点是可以 连续调节异步电机的输出电压，且响应速 度快，这里采用的是相控式调压电路。
６０ ７９５ １０ ５１ ０． ８０９ ５７４００
１００ ７９４ ８． ２６ ４９． ５ ０． ８１６ ５３４７５
１２０ ８４５ ８． １６ ４３． １ ０． ８１７ ５１５６０
１４５ ８４３ ７． ５２ ４２． ９ ０． ８３２ ４８４９１
１８２ ８８２ ４． ９８ ３２． ４ ０． ８２２ ３５１５４
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潜油电机的日常工作下，这里分别测试
３０ ３７１ ５． ６ ５３． ４ ０． ８４５ ４５６９８ ４０ ３７５ ４． ５６ ４０． ２ ０． ７６９ ５０２５１
排量 ｍ３／ｈ 最佳档位线电压（Ｖ） 有功功率节电率（％） 无功功率节电率（％） 节能后功率因素 每年综合节电量（ｋＷ． ｈ）
图１ 三相交流调压器原理图
电机的损耗。 ２ ． ２ 异步电动机变频节能 变频节能技术主要是通过改变电机转 速的方式，通过优化异步电机在不同工作 状 态 下 的 转 速， 实 现 电 机 的 节 能 。 一般是对 驱动电源的电压和频率进行优化，这样使 异步电动机的转速实现平滑地调节，这样 可以实现根据输出量的要求来改变输出功 率来达到节能。 ２ ． ３ 异步电动机降压节能 电机输出的机械损耗与输入的有功 电功率的差值是异步电动机损耗的定义。 而 “铁耗和铜耗” 是三相异步电动机主要 损耗“ ， 铁耗和铜耗” 的损失之和往往占 有电机总损耗的较大比例。 因此，要想实 现电机的节能就一定要减小电机损耗。 而 相关资料统计发现：电机的铜损耗与转 子电流的平方成正比，电子的铁损耗则
K
min
=
4
因此， 异步电动机处于恒转矩负载时， 减少异步电动机的铁耗和铜耗之和就可以 实现降压节能的效果。 ３．１．２ 对于变负载时的异步电动机节 能分析 处于变转矩负载工作状态时，异步电 动机的转速ｎ与阻转矩成正比的关系，因 此， TL 与 ｎ 也 存 在 一 定 的 关 系 。 通常可以用 如 下 公 式 表 示： TL = kn 2 ，在 式 中 ｋ 表 示 为 比 例系数。 而可以用如下式子表示异步电动机实 用 的 电 磁 转 矩 ，具 体 如 式 （ ７ ）所 示 。
2
sm — 最 大 转 矩 所 对 应 的 转 差 率 。 而 sm 可 用 式 （ ９ ）来 表 示 ：
sm =
' cR2 ' ) （９） R + ( X 1σ + cX 2 σ 2 1
：
2
TL = 0.15TN + 0.85(1 − s ) TN （１） 在 式 （ １ ）中 ， TN 代 表 着 异 步 电 动 机 的 额 定转矩，ｓ代表转差率。 ３．１．１ 对于恒负载时的异步电动机节 能分析 适当调整定子端的电压，电机转速变 化量很小。 而 对 于 异 步 电 机 来 说， 输出转矩 与输出的功率关系通常可以采用下式表示
2 ，而异步电机的铜损 耗 的 减 少 倍 数 为 Ku
TN T
max U
其中：三相异步电动机降压后对应的 最 大 电 磁 转 矩 可 以 用 Tmax 来 表 示 。 因此，通 过以上公式推导， 可 以 得 到 下 式：
。
60 P2 （３．２） T2 = 2πn
变化而变化，因此，可以用式（１０）代表式（８）。
P2 β = P 。 N
由式（３）可知，电 机 处 于 恒 转 矩 负 载 时 ， 输 出 功 率 P2 基 本 上 为 常 量 ， 因 此 ， 负 载 系数 β 通常为一定值。 因此， 如果减少异 步电动机的端电压，则异步电机的铁损
T 2 = s s T max + m （７） sm s
Pm — 异 步 电 动 机 的 机 械 损 耗 ；
Ku — 异 步 电 动 机 的 调 压 比 。
其 中 Ku 可 用 如 下 公 式 表 示 ， 具 体 如 式 （４）所示。
U1 K u = U （４） N
［３］
其中： U1 — 异 步 电 动 机 的 实 际 输 出 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 压 ；
UN —异步电动机的额定工作电压。
TN 2S = N （８） Tmax Sm
而异步电机的铜损可用如下公式表 示 ，具 体 如 式 （ ５ ） 所 示 ：
PCu = PN η − 1 − P0 K （５） N u 1 β
Ｔ２— 异 步 电 动 机 的 输 出 功 率 ； Ｎ—异步电动机的实际转速。 分析式（２）可知，电 动 机 的 输 出 功 率 不 受到转速 ｎ 的影响。 而分析异步电机的工作方式发现：异 步电机的铁耗与电机工作电压的平方是成 正比，而铜损与异步电动机工作电流的平 方成正比。 一 般 来 说， 异 步 电 机 的 铁 损 可 用 如 下 的 公 式 表 示 ［４］： PFe = (P0 − Pm )Ku2 （３） 其 中 ： P0 — 异 步 电 动 机 在 额 定 电 压 时 的 空 载损耗；
１０ ３５４ ８． ６ ６０． ２ ０． ７５６ ３５６２４
２０ ３６８ ９． ６ ５８． ５ ０． ７８９ ３９８５６
了在不同负载状态下的节能效果。 这里分 别记录了电机在排量２０，４０，６０，１００，１２０， １４５，１８２ 和 ２ ０ ０ m 3 / d 下 不 同 电 压 档 位 的 电 机节能率和节电量，如表２。 从表２可知，本 文设计的调压模块节能效果明显，具有 很好的工程应用前景。 ４ ． ２ 恒定负载 为了验证本文设计的降压节能模块 的可扩展性，即验证该模块可否广泛应 用的恒定负载３８０Ｖ电机之中，本文将调 压模块同样应用在这个单位的风机之中， 这个风机的恒定负载就是为３８０Ｖ，也取 得了较好的节电效果。 本文在排风量为 １ ０ ， ２ ０ ， ３ ０ ， ４ ０ m3 / h 的 工 作 状 态 下 不 同 电 压档位的电机节能率和节电量，如表３所 示。
１ 引言
在人们的日常生活，交流异步电动机 使用最广泛的电机。 交流异步电动机具 有价格低廉、 结构简单、 坚固耐用等特
点，且交流异步电动机还可以广泛的应 用于恶劣的工作环境之中。 因此， 交流异 步电动机也是各类电动机中应用最广、 需求量最大的一种。 根据相关文献统计，
全球每年５ ０ ％电量都是三相异步电机消 耗的，而我国由于电机节能技术落后，这 个 比 例 可 以 达 到 ６ ０ ％ ～ ７ ０ ％ ［１］ 。 因 此，研究 三相异步电机的节能技术，对降低我国 能耗，实现低碳环保生活具有非常重要 的意义。
［３］
其 中 ： PN — 异 步 电 动 机 的 额 定 功 率 ；
其中： 参 数 有 关，
ηN — 异 步 电 动 机 的 额 定 效 率 ；
β —异步电动机的负载系数。
sm 仅 仅 与 三 相 异 步 电 机 的 相 关 sm 值 不 随 着 异 步 电 机 端 电 压 的
= 2sN sm （１０）
耗 的 相 应 增 加 的 倍 数 为 1 / K u2 。 因此， 存在 一 个 最 佳 调 压 系 数 K min ， 在 这 个 系 数 下 异 步电动机的总损耗最小。
1 β 2 PN η − 1 − P0 （６） N P0 − Pm