徐 健 羅 賽

(重慶大學(xué)自動化學(xué)院，重慶400045)

三相異步電動機的節(jié)能改造

徐 健 羅 賽

(重慶大學(xué)自動化學(xué)院，重慶400045)

介紹了三相異步電動機的工作原理和節(jié)能方法。通過采用可控硅節(jié)能器，可以節(jié)約大量電能。

三相異步電機；節(jié)能；可控硅節(jié)能器

異步電機一般都作電動機用，因為異步發(fā)電機的性能較差。異步電動機有三相和單相兩種。異步電動機在工農(nóng)業(yè)、交通運輸、國防工業(yè)以及其他各行各業(yè)中應(yīng)用非常廣泛。和其他電動機比較，異步電動機具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、運行可靠和價格低廉等一系列優(yōu)點。特別是和同容量的直流電動機相比，異步電動機的重量約為直流電動機的一半，而其價格僅為直流電動機的1/3。但是，異步電動機也有一些缺點：不能經(jīng)濟地實現(xiàn)范圍較廣的平滑調(diào)速；必須從電網(wǎng)吸取滯后的勵磁電流，使電網(wǎng)功率因數(shù)變壞?？偟恼f來，由于大多數(shù)生產(chǎn)機械并不要求大范圍的平滑調(diào)速，而電網(wǎng)的功率因數(shù)又可以采取其他辦法來進行補償，因此，三相異步電動機仍不失為電力拖動系統(tǒng)中一個極為重要的元件。

1 三相異步電動機的工作原理

直流電動機的工作原理是通過一種靜止的磁場與以傳導(dǎo)方式通入電樞繞組中的電流相互作用而產(chǎn)生一種恒定方向的電磁轉(zhuǎn)矩，來實現(xiàn)拖動作用。三相異步電動機的工作原理就是通過一種旋轉(zhuǎn)磁場與由這種旋轉(zhuǎn)磁場借助于感應(yīng)作用在轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)所感應(yīng)的電流相互作用，以產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩來實現(xiàn)拖動作用。

三相異步電動機的定子鐵心上嵌有對稱三相繞組，在圓柱體的轉(zhuǎn)子鐵心上嵌有均勻分布的導(dǎo)條，導(dǎo)條兩端分別用銅環(huán)把它們連接成一個整體。當(dāng)對稱三相繞組接到對稱三相電源以后，即在定子、轉(zhuǎn)子之間的氣隙內(nèi)建立了以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場。由于轉(zhuǎn)子上的導(dǎo)條被這種旋轉(zhuǎn)磁場切割，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條內(nèi)會感應(yīng)產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，若旋轉(zhuǎn)磁場按逆時針方向旋轉(zhuǎn)，根據(jù)右手螺旋定則，可以判明轉(zhuǎn)子上半部導(dǎo)體中的電動勢方向，都是進入紙面的，下半部導(dǎo)體中的電動勢都從紙面出來的。因為轉(zhuǎn)子上導(dǎo)條已構(gòu)成閉合回路，所以轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中就有電流通過。如不考慮導(dǎo)條中電流與電動勢的相位差，則電動勢的瞬時方向就是電流的瞬時方向。根據(jù)安培定律，導(dǎo)條在旋轉(zhuǎn)磁場中，并載有由感應(yīng)作用所產(chǎn)生的電流，這樣導(dǎo)條必然會受到電磁力。電磁力的方向用左手定則決定。轉(zhuǎn)子上所有導(dǎo)條受到的電磁力會形成一個逆時針方向的電磁轉(zhuǎn)矩。于是轉(zhuǎn)子就跟著旋轉(zhuǎn)磁場逆時針方向旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速為n。如轉(zhuǎn)子與生產(chǎn)機械連接，則轉(zhuǎn)子上受到的電磁轉(zhuǎn)矩將克服負載轉(zhuǎn)矩而作功，從而實現(xiàn)了機電能量的的轉(zhuǎn)換。

2 三相異步電動機的運行效率與節(jié)能方法

2.1 三相異步電動機的運行效率

三相異步電動機是廣泛使用的一種動力機械，目前雖然我國的能源產(chǎn)量位于世界的前列，但單位能源創(chuàng)造的GDP卻不高，能源浪費相當(dāng)嚴重，三相異步電機每年的耗電量占我國總耗電量的50%以上。在滿負荷工況條件下，電機的效率一般較高，通常在80%左右。然而，一旦負荷下降，電機的效率便隨之顯著下降，其中很大一部分電機還常常處于空、輕載狀態(tài)。電機選型時是按最大可能負荷和最壞工況所需的功率而定的，多數(shù)電機在大部分運行時間的負荷率都在50%～60%，所以實際運行時的效率都是比較低的。因此，提高這部分電機的運行效率，有著巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。

2.2 三相異步電機的節(jié)能方法

下面介紹異步電機的四種主流節(jié)能方法。

2.2.1 并接電容器

電機可以被等效看成電感和一個電阻的串聯(lián)電路，在串聯(lián)的電路里面可以在兩端并接上一個電容C，此并聯(lián)電路等值輸入端復(fù)導(dǎo)納為：

(1)

(2)

式中，R是等效的電機電阻；ω是定子轉(zhuǎn)速；L是等效電感；C是并接電容。

當(dāng)式(1)虛部為零，即滿足式(2)時，電路就會發(fā)生諧振，這時候電路當(dāng)中的無功功率就會得到完全的補償，也可以減少對電網(wǎng)的沖擊，降低不必要的損害。電感中的滯后的無功功率與電容中超先的無功功率大小相等，彼此間進行能量的完全交換，此時功率因素最高。從節(jié)能的角度看，這個時候最好。但此時電路處于諧振狀態(tài)，其諧振頻率f0為：

(3)

諧振時由于電納等于零，所以輸入復(fù)導(dǎo)納只有實部，也就是電路相當(dāng)于一個電阻。并聯(lián)電路在諧振頻率附近呈現(xiàn)高的阻抗值，因為電路兩端必然會呈現(xiàn)出高電壓，使得三相異步電機發(fā)生損壞。例如，電流過大、溫度過高燒毀轉(zhuǎn)子，所以應(yīng)該避開諧振點。正確選擇C還應(yīng)考慮L和R隨負載的變化情況，因隨著負載的增加L基本不變，而R增大，相應(yīng)地C減小，所以可用來確定所并電容的最大值。如電容量過大，當(dāng)拉開開關(guān)時，電動機因與電容器并聯(lián)而得到勵磁，產(chǎn)生過電壓影響絕緣壽命。如立即合閘，更因相位差異的緣故，將產(chǎn)生極大的瞬時轉(zhuǎn)矩，在電動機轉(zhuǎn)子慣性大時，將使連軸器損壞。

并接電容可節(jié)約無功功率，從而提高功率因數(shù)，設(shè)備簡單。缺點是可能出現(xiàn)振蕩。要避免振蕩，C應(yīng)選大些。但C過大又將產(chǎn)生過電壓及過大的瞬時轉(zhuǎn)矩，且不便于隨負載的變化改變電容量。

2.2.2 同期補償器

采用同期補償器，可通過調(diào)節(jié)有功和無功的相角來達到提高功率因數(shù)的目的。它通常裝于大型區(qū)域變電所中，其最大的缺點就是具有旋轉(zhuǎn)部分。在轉(zhuǎn)動軸上有有功功率損耗。滿載時有功功率損耗占額定功率的1.8%～5.5%。在50%負載時，有功功率損耗占2.9%～8%。而在25%負載時，有功功率損耗則高達5%～15%。由于同期補償器僅在設(shè)備容量很大及其無功功率異常缺乏時才使用，所以這里不做過多的介紹。

以上兩種方法都是通過補償無功損耗來達到提高功率因數(shù)的目的。還可采用降低電動機端電壓的方法。降低電壓即節(jié)約了無功功率，也減少了有功功率的損耗。

2.2.3 空載限制器和調(diào)壓器

當(dāng)電機長期空載時，可采用空載限制器將電機自電路上切除。則線路上有功無功需要量顯著減少。其缺點是對電網(wǎng)沖擊極為嚴重。用調(diào)壓器可隨負載變化調(diào)壓，但不能實現(xiàn)自動控制。且調(diào)壓器容量必須大于電動機容量，其本身就要消耗大量功率，成本也太高。所以用調(diào)壓器不現(xiàn)實。

2.2.4 可控硅調(diào)壓裝置

該裝置可實現(xiàn)電機端電壓隨負載大小的變化自動調(diào)節(jié)。利用負載電流的大小來反應(yīng)電機的負載情況，取負載電流的指令用反饋控制可控硅導(dǎo)通角來達到隨電機負載變化調(diào)節(jié)端電壓的目的。

采用此方案的異步電動機等值電路是用可控硅降壓將正弦波切斷，導(dǎo)通角越小，可控硅輸出端電壓越低。因為當(dāng)改變電壓時機械損耗P0不變，鐵耗和附加損耗(PF0+PM)正比于V2。定子銅耗Pcu1，正比于I2。而電機輕載降壓時I下降，所以Pcu2下降。轉(zhuǎn)子銅耗Pcu2=SPM，降壓時S上升。但輕載時S變化很小，所以在輕載時電壓變化引起的Pcu2的變化可忽略不計。這樣，降壓的結(jié)果會使Pcu1和Pcu2大大降低。所節(jié)約的有功損耗就是這兩項損耗降低的結(jié)果。無功損耗Q近似與V2成正比，V下降會使Q大為降低，從而提高了電機的效率和功率因數(shù)。

用可控硅節(jié)能器調(diào)壓的優(yōu)點是無觸點，無噪音，體積小，損耗低，對電網(wǎng)無沖擊。電壓可隨負載變化隨時進行自動調(diào)節(jié)，電能在裝置跟隨良好的情況下基本上能得到充分利用。這是前三種方法所不及的，是一種很有發(fā)展前途的異步機節(jié)能方法，其缺點是主電流流經(jīng)可控硅節(jié)能器，影響裝置的運行。但隨著電子工業(yè)的發(fā)展，可控硅節(jié)能器的可靠性及成本問題都將得到解決。

3 節(jié)能器的原理與軟硬件設(shè)計

現(xiàn)階段最為可行的就是采用可控硅節(jié)能器，其應(yīng)用在我國比較廣泛。

3.1 節(jié)能原理

電機的效率是電機輸出功率與輸入功率比值的百分數(shù)。因此供給電機的電能(輸入功率)并不僅用來驅(qū)動電機(輸出功率)，還有一部分將成為電機固有的損耗。電機的主要損耗為銅耗和鐵損，其中銅耗是電流流過電機繞組而產(chǎn)生的，與電流的平方成正比；鐵損是由于定子和轉(zhuǎn)子鐵芯中的磁化電流而產(chǎn)生的，與供電電壓成正比。其它損耗很小可忽略。調(diào)壓節(jié)電原理是當(dāng)負荷下降時，可以適當(dāng)降低電源電壓以減少鐵損，同時電流也隨之下降，減少了銅損及無謂的浪費，此時電機的效率將得到改善。電機負荷的檢測通常采用功率因數(shù)法進行：電機負荷大，則它的功率因數(shù)大；電機負荷小，則它的功率因數(shù)小。

3.2 硬件設(shè)計

本控制器主要由三部分組成：一是可控硅及移相觸發(fā)電路部分，接收控制板的控制信號，實施交流電壓的調(diào)節(jié)；二是信號檢測板部分，接收傳感器的信號并進行處理，得到標準電壓和電流的有效值及功率因數(shù)；三是單片機控制板部分，接收信號檢測板的信號，通過控制運算發(fā)出控制信號到移相觸發(fā)電路，實施最佳功率因數(shù)控制。同時控制板還通過鍵盤顯示面板對控制器參數(shù)進行修改，并顯示控制器運行狀態(tài)。例如：從同步變壓器來的三相過零信號經(jīng)C1、C2、C3電容耦合到6V的直流信號上送入18、2、1腳。TC787對其進行過零檢測，經(jīng)積分電容C4、C5、C6形成以過零點為起點的三角波，與由VR引入的觸發(fā)控制信號比較，再經(jīng)C7調(diào)制成觸發(fā)脈沖，由12、9、10、7、8、11腳輸出，由脈沖變壓器驅(qū)動可控硅。此電路基于基絕對值電路，增加了濾波電容C1，將交流信號的絕對值變?yōu)槠骄?，合理設(shè)計R5的阻值，將平均值變?yōu)橛行е?。電壓信號VA和電流信號IA經(jīng)與微電平信號REF比較，取得電壓和電流半周，經(jīng)RC濾波后由信號“或”電路形成含有功率因數(shù)角的信號，由單片機去除其中的電壓半周期，即得功率因數(shù)角。TLC0834是4路8位D轉(zhuǎn)換器，采集1路電壓和3路電流信號，LC5615是10位串行D/A，將控制量變?yōu)槟M電壓信號去控制可控硅交流調(diào)壓，X25045是含WDT和EEPROM 的多功能電路，負責(zé)單片機系統(tǒng)的安全監(jiān)視和重要參數(shù)的保護，SN75176是RS485接口，實現(xiàn)連網(wǎng)監(jiān)控。

3.3 軟件設(shè)計

單片機軟件采用C51語言編程。C51與匯編語言相比，有編程效率高、代碼易維護等優(yōu)點。程序主要由鍵盤與顯示監(jiān)控部分、串行接口芯片驅(qū)動部分和信號采集與實時控制部分組成。串行接口芯片驅(qū)動部分，主要是根據(jù)芯片廠商時序圖，以單片機的I/0 口模擬串行口，以實現(xiàn)對串行芯片的讀寫操作。由于單片機l/0較多，各個芯片采用單獨的I/0信號。信號采集與實時控制部分，以實時時鐘為基準，采集電壓電流信號對系統(tǒng)的安全進行監(jiān)視。采集功率因數(shù)信號與最優(yōu)值比較，以PI控制算法進行運算，適時發(fā)出控制指令，對電動機進行調(diào)壓，使其運行于高效率。

4 技術(shù)難點及解決方法

4.1 功率因數(shù)角的檢測

通常情況下電流波形是完整的，通過檢測電壓和電流過零點獲得的相位差即是功率因數(shù)角。但本控制器由于采用了可控硅交流調(diào)壓，當(dāng)導(dǎo)通角較小時，電流波形出現(xiàn)斷續(xù)，使電流過零檢測失效。為此，我們采取電流與微電平比較來獲取其正半周連續(xù)波形的部分，進而取得近似的相位差。

4.2 電壓和電流有效值的檢測

一般按有效值的定義進行檢測的電路需要用到模擬乘法器，因而電路比較復(fù)雜，成本也高。由于有效值和絕對平均值之間存在一定的對應(yīng)關(guān)系，并且此處對檢測精度要求不高，故我們先檢測絕對平均值，再轉(zhuǎn)化為有效值。

4.3 強干擾下的系統(tǒng)加固

如果本電器工作在工廠的惡劣環(huán)境下，強電磁干擾會嚴重影響微機系統(tǒng)的正常工作，為此我們采取了多種保護措施：將數(shù)字電路部分單獨安裝在金屬機殼中，以屏蔽空間電磁干擾；選用優(yōu)質(zhì)開關(guān)電源和傳感器，以減少從線路串入的干擾；在微電路中廣泛采用串行接口芯片，以簡化電路板布線；采用廣泛使用的WDT電路，提高軟件抗干擾能力。

4.4 可控硅的移相觸發(fā)電路

在三相交流調(diào)壓電路中，一個很重要的指標是三相平衡問題。以前的三相交流調(diào)壓常采用3個單相移相觸發(fā)芯片設(shè)計(如TA785)，要細心調(diào)試才能達到三相平衡。我們采用最新推出的三相移相觸發(fā)芯片AT787，簡化了電路設(shè)計，使該電路免于繁雜的調(diào)試。同時還采用了可控硅的強觸發(fā)技術(shù)，使其觸發(fā)得更準確。

5 結(jié)語

變頻調(diào)速三相異步電機的調(diào)速技術(shù)用于風(fēng)機、水泵類機械，也用于機械加工行業(yè)和其他傳動裝置的電機調(diào)速。如將變頻器制成防爆型，來控制隔爆型變頻調(diào)速異步電動機，可以更廣泛的應(yīng)用在石油、化工和煤礦等行業(yè)。實踐證明，該項技術(shù)不僅提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)率和質(zhì)量，并且節(jié)約了大量能源。當(dāng)今社會倡導(dǎo)低碳節(jié)約，因此變頻調(diào)速三相異步電機有著廣泛的推廣和應(yīng)用價值。

[1] 蘇玉剛，陳渝光.電力電子技術(shù).重慶：重慶大學(xué)出版社，2003.

[2] 張連華，吳學(xué)會.變頻調(diào)速三相異步電動機.防爆電機.1998.

[3] 倪小敏.三相異步電動機節(jié)能器設(shè)計探討.節(jié)能.2005.

[4] 童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)(第四版).北京：高等教育出版社，2006.

[5] 潘松，黃繼業(yè). EDA技術(shù)實用教程(第三版).北京：科學(xué)出版社，2007.

[6] 顧繩谷.電機及拖動基礎(chǔ)(第四版).北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[7] 涂植英，陳今潤.自動控制原理.重慶：重慶大學(xué)出版社，2005.

[8] 胡壽松.自動控制原理.北京：科學(xué)出版社，2001.

[9] 于海生.計算機控制技術(shù). 北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[10] 陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)：運動控制系統(tǒng)(第三版).北京：機械工業(yè)出版社，2007.

[11] 李群芳，張士軍，黃建.單片微型計算機與接口技術(shù)(第三版).北京：電子工業(yè)出版社.

Energy Conservation Renovation for Three-phase Asynchronous Motor

XuJian,LuoSai

This paper introduces the working principle and energy conservation method of three-phase asynchronous motor. The controlled silicon economizer is applied to save a great amount of electric energy.

three-phase asynchronous motor; energy conservation; controlled silicon economizer

TM30

A

2010—06—02

編輯 杜青泉