异步电动机节能运行控制器设计

1绪论

1.1异步电动机节能控制的意义

随着我国工农业生产的迅速发展，电能的需求量越来越大，开发和节约能源已成当务之急。作为一种重要的动力设备，异步电动机的用电量是非常大的。这些异步电动机一般都是按照设计的负载进行选择的，但在实际使用中，大都经常处在轻载，甚至在空载下运行。因此，“大马拉小车”的现象几乎是很普通的，如煤矿常用的胶带输送机、刮板机、绞车、压风机、机床等设备在大部分运行时间中，电动机的负荷变动都较大，其平均输出功率与最高输出功率之比一般为0.3～0.4，有的还更低。电动机的负载率低，效率不高，电能的浪费现象十分严重。1996年国家统计局统计数字表明，我国全国年发电量的60％为各种电机设备所消耗，其中90kW以内的中小功率异步电动机耗能占总电机耗能的70%，即消耗了4200亿度电。按我国今年国家规定0.5元/kWh的电价计算，其折合人民币210亿元。如果这些异步电动机能够节电10%，就可节约21亿元人民币。2002年国家电力部统计数字表明，火力发电每kWh需投资约1元；三峡水电每kWh需投资约1.13元，建设周期13~17年；核电每kWh需投资2~3元；其他能源（太阳能、风能、海洋能等）每kWh需投资3~5元。若仅按中小功率异步电动机节电10%计算，其年节电量相当于三峡电站的半年发电量，可节约国家投入电站建设资金50亿元左右，为国家节约大量能源和费用。

因此在目前我国工业生产不断发展，能源日趋紧张，环保要求日趋高涨的情况下，提高电机运行效率可以极大缓解能源紧张状况，提高国民经济效益，具有十分重要的现实意义。

1.2 异步电动机节能控制器的国内外研究现状和发展趋势

为了提高电机的工作效率，多年来世界各国从电机的设计制造、电机的选择使用、电网供电管理等几个方面入手，作了大量研究工作，取得了较好的成果。其中从电机的设计制造方面人手，开发出了高效节能电动机，使效率显著提高，可大量节能。但这种电机造价较高，而且经济效果较大地取决于负载的情况，即对于长期工作于额定负载、连续运行的应用场合，其节能效果能达到最佳。但对大多数电机用户来说，怎样使现有设备上的电机工作于效率较高的状态显得更为现实。

国外从六、七十年代就开始了中小型异步电动机的节能研究，1975年美国宇航局工程师Frank Nola为减少航天飞机上泵和风扇能耗而研制的功率因数控制器，通过后面第二章的分析可以得出：即在定子电压一定的情况下，只要负载率小于额定负载率，交流异步电动机的功率因数基本是和它的负载率成一一对应的关系。这种装置的工作原理是通过检测功率因数作为控制输入电压信号，并通过该类装置控制定子端电压来调节输入功率，使其随负载的变化而变化。该类装置空载时节电率为40％左右，总节电率大致为20％左右，功率因数有一定改善，但并未超过0.5。

利用晶闸管交流调压技术研制的软起动器是从70年代开始应用的，以后美国宇航局工程师诺瓦又把功率因数控制技术结合进去，以及采用微电脑代替模拟控制电路，发展成现在的智能化电机节能控制器。

目前，世界上有许多公司都生产软起动器，例如：美国Allen-Bradley公司在90年代初期推出了系列的智能控制器（SMC-Smart Motor Controller）；GE公司生产的软起动器最大功率为850KW，额定电压500V，额定电流1.18KA，最大起动电流为5.9KA；在欧洲，德国的金钟默勒公司的Softpact系列起动器在欧洲销售得较好；意大利SIEI公司生产的软起动器额定电压达到690V，额定电流达到1.6KA。以上的电机控制器都有优良的性能。它们集软起动、节能、电机保护于一体，并且有良好的用户界面，通过键盘和液晶显示器可以方便的设置系统参数和得到控制器运行状态。

由于能源紧缺我国也从七十年代开展了大规模节能装置的研究。据国家第七批节能产品推广项目介绍，研制出了ID，DJZ，XSZ等等一大批系列节电器。其空载节电率大于30%左右，轻载（小于30%负载率）为33~43%左右。与国外相比，国内集软起动、节能、保护于一体的电机节能控制器的研制起步较晚，但发展很快。目前市场上已有天津、上海、西安等多家企业的产品，系列产品达到320KW。但这些产品功能还不完善，性能不稳定，界面不友好，同国外产品比较还有很大差距。而国外产品价格昂贵，操作复杂，对使用人员要求高，限制了在国内的推广。在应用上，国内使用智能型电机节能控制器的场所还很少，传统的交流电动机起动器仍继续占领市场，所以目前研究智能型电机节能控制器这种产品有非常广阔的市场前景。

因此，有必要自行研制适合我国国情的国产节电器以满足市场对节电产品的迫切要求。研制中除了借鉴国外产品成功经验外，还要针对其不足和我国电网不稳，负载波动大，电动机空载率高等具体情况，利用先进的人工智能技术和微处理技术，开发出具有

特色的中国人自己的节电产品来[1]。

1.3异步电动机节能控制的基本方法

异步电动机运行时，一般有四种方式可以达到节能的目的：

(1) 调压节能

调压节能是利用异步电动机轻载时效率很低,降低输入电机的端电压以降低空载损耗来提高效率。电机端电压降低后,气隙主磁通也成正比下降,由Φ∝E2∝U2;电机定子电流中的励磁分量I0也会随着下降。但Φ 下降时,如果电机的负载转矩不变,则转子电流I2将上升,有I2∝ 1 /Φ∝ 1 /E2。这些变化对电机损耗产生影响，电压下降适当时, 电流I1可以减小, 铜耗也相应减小。机械损耗则一般变化不大,杂散损耗随定转子电流而变。当电机轻载或空载时, I1中I0分量所占比例较大, I2分量所占比例较小,定子电流是能够减小的,降压运行可以达到降压节能的目的。

(2) 变频节能

变频节能是对变频器供电的异步电动机实现功率因数自动控制, 使电动机一直处于较高功率因数下运行, 减少无功能量的损耗,根据实际需要, 设计一带有转速反馈的高功率因数异步电动机变频调速系统, 从而达到节能的目的。

(3) 软启动节能

异步电机的启动性能较差, 全压启动电流约为额定电流的8～10 倍, 对于大功率电机, 将对电网产生很大冲击, 影响同一电网中其他用电设备的正常工作。这样，全压启动对电机的机械部分也产生大的冲击, 缩短机械部分使用寿命，若采用软启动措施,平稳升高启动电压, 直至正常工作, 这样既改善了电机启动对电网的冲击, 同时也减小了机械部分承受的冲击，通过设计异步电机软启动节能控制器, 用于电机的节能、软启动。

(4) 单片机控制异步电动机Y/D转换节能

通过单片机控制的三相异步电动机Y/D转换节能器，可对电动机的Y，D之间的转换临界负载率电流值分别进行设定，并可加入一定的回差值，从而解决了接触器频繁转换的问题，对于变载工作的电动机可取得较好的节能效果[2]。

本论文将重点研究电机轻载时降低定子电压提高功率因数的电机节能方式。调压节能的主回路一般都采用晶闸管调压电路由六只两两反并联的晶闸管组成，串接于电动机的三相供电线路上，用单片机控制晶闸管触发角α的大小，调节交流电动机定子电压以减少电机的铁损及励磁电流，从而提高功率因数及运行效率。