張?zhí)煊?/p>

（濟(jì)寧市兗州區(qū)節(jié)能監(jiān)察大隊(duì)，山東 濟(jì)寧 272100）

在各類風(fēng)機(jī)調(diào)速方式中，變頻調(diào)速應(yīng)用廣泛，但是其本身效率較低，如何確保異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速范圍的優(yōu)化及運(yùn)行效率的提升是本文研究的重點(diǎn)，風(fēng)機(jī)功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，本文正是利用這種關(guān)系對異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的運(yùn)行效率進(jìn)行深入剖析，并基于此提出一種有效的異步電動(dòng)機(jī)高效運(yùn)行的方式。

1 電動(dòng)機(jī)高效節(jié)能運(yùn)行的可行性

電壓適當(dāng)降低有助于提高輕載運(yùn)行模式電動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性與適應(yīng)性，輕載運(yùn)行狀態(tài)的轉(zhuǎn)子電流較小，電壓降低運(yùn)行并不會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)能耗超出合理范圍，同時(shí)，降壓運(yùn)行后，空載電流和鐵耗都會(huì)隨之降低，定子電流將低于正常電壓，從而使電動(dòng)機(jī)總損耗降低、工作效率提升，定子溫升和功率因數(shù)大大優(yōu)化。

2 風(fēng)機(jī)、水泵類負(fù)載電動(dòng)機(jī)節(jié)能運(yùn)行模式

銅損、鐵損、機(jī)械損耗和雜散損耗等均屬于異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的損耗，由于其中機(jī)械損耗和雜散損耗數(shù)量較小且計(jì)算較難，可忽略不計(jì)，電動(dòng)機(jī)總損耗只包括銅損和鐵損。異步電動(dòng)機(jī)具有較勵(lì)磁阻抗小的漏阻抗，漏阻抗可以忽略不計(jì)，則電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電流與定子電流相等，且銅耗與電流平方成正比，計(jì)算公式為：

式（1）中：IrN為額定頻率下電動(dòng)機(jī)電流；PCuN為額定頻率下電動(dòng)機(jī)銅耗；Ir為負(fù)載相同而頻率不同時(shí)電動(dòng)機(jī)電流；PCu為負(fù)載相同而頻率不同時(shí)電動(dòng)機(jī)銅耗。

額定狀態(tài)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩為：

實(shí)際狀態(tài)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩為：

式（2）（3）中：m為電機(jī)相數(shù)；p為電機(jī)級(jí)數(shù)；Rτ為轉(zhuǎn)子電阻折算值；U1為任一狀態(tài)電動(dòng)機(jī)定子側(cè)電壓；U1N為額定狀態(tài)電機(jī)定子側(cè)電壓；f1為任一狀態(tài)電動(dòng)機(jī)定子側(cè)電源頻率；f1N為額定狀態(tài)電動(dòng)機(jī)定子側(cè)電源頻率；S為任一狀態(tài)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率；SN為額定狀態(tài)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率。

風(fēng)機(jī)類負(fù)載電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速平方成正比，則：

通過式（2）（3）（4）（5）可以概括出電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中電壓調(diào)節(jié)系數(shù)αu與頻率調(diào)節(jié)系數(shù)αf的函數(shù)關(guān)系，公式為：

電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)理論表明，電動(dòng)機(jī)鐵耗與磁冪平方與頻率的1.5次方之間均成正比，公式為：

式（7）中：PFe為任意頻率所對應(yīng)的鐵耗；PFeN為額定頻率所對應(yīng)的鐵耗。

電動(dòng)機(jī)端電壓與磁通和頻率之乘積成正比，公式如下：

結(jié)合式（7）（8），可以將電動(dòng)機(jī)額定電壓、額定頻率及額定負(fù)載所對應(yīng)的銅耗、鐵耗與任意電壓、任意頻率及任意負(fù)載所對應(yīng)的銅耗、鐵耗的數(shù)量關(guān)系表示為：

影響電動(dòng)機(jī)鐵耗的主要因素是磁冪和電源頻率，當(dāng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行于額定電壓和額定頻率下時(shí)，鐵耗將保持不變，由于電機(jī)轉(zhuǎn)矩T=kIrФm，轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)子電流Ir成正比，結(jié)合式（1）便可得到下列函數(shù)關(guān)系：

式（10）中：βN為額定電壓、額定頻率與額定負(fù)載所對應(yīng)的電動(dòng)機(jī)銅耗與鐵耗之比；β為實(shí)際電壓、實(shí)際頻率與實(shí)際負(fù)載所對應(yīng)的電機(jī)銅耗與鐵耗之比。

轉(zhuǎn)矩之比可以具體化為功率之比，所以，式（10）可以變形為：

式（11）中：Km為負(fù)載系數(shù)，表示實(shí)際負(fù)載對應(yīng)功率與額定負(fù)載對應(yīng)功率之比，即Km=P/Pm.

隨電壓變動(dòng)時(shí)受頻率協(xié)調(diào)調(diào)控的電機(jī)總能耗為：

對式（12）中調(diào)節(jié)系數(shù)αu求異，且令可將定頻降壓模式下電壓與頻率的數(shù)量關(guān)系表示如下：

式（13）中的電壓調(diào)節(jié)系數(shù)所對應(yīng)的是電機(jī)損耗最低的調(diào)控模式，在該控制模式下實(shí)際銅耗與鐵耗相等，且損耗最低。當(dāng)電機(jī)設(shè)計(jì)值βm∈（1.2，2.0）及電機(jī)負(fù)載系數(shù)Km已知的情況下，便可將定頻降壓控制下的電壓與頻率的函數(shù)關(guān)系表示出來，在定頻降壓調(diào)控模式下，則：

為了防止磁路飽和的發(fā)生，式（13）所給出的調(diào)控模式必須滿足αu≤αf，也即，所以可得：

由式（15）可以看出，在額定電壓和滿載負(fù)荷情況下，電動(dòng)機(jī)按照額定降壓調(diào)控模式運(yùn)行的過程中，電機(jī)在既定轉(zhuǎn)速的磁路上可能已達(dá)飽和狀態(tài)。所以，在定頻降壓控制模式運(yùn)用時(shí)，為了提高電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)效率，應(yīng)降低其負(fù)載系數(shù)，即Km≤1/，雖然電機(jī)容量并未充分利用，但運(yùn)行過程中損耗已降至最低，對于長期運(yùn)行的電機(jī)具有較大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。如果當(dāng)配套性機(jī)械設(shè)備的負(fù)載過大而導(dǎo)致電機(jī)負(fù)載系數(shù)Km在已知條件下難以變動(dòng)，則應(yīng)根據(jù)式（15）計(jì)算既定頻率以下電機(jī)的損耗量，并采取相應(yīng)措施在確保αu=αf條件下加以控制。如果Km=1和βN=2同時(shí)滿足，則認(rèn)為電機(jī)處于最惡劣運(yùn)行環(huán)境，在此種環(huán)境下αf所能達(dá)到的最小值αfmin=0.76，該值完全符合《中小型三相異步電動(dòng)機(jī)能效限定值及節(jié)能評價(jià)值》（GB 18613—2002）所給出的交-交變頻技術(shù)調(diào)速相關(guān)規(guī)定。

3 結(jié)論

變頻調(diào)速在風(fēng)機(jī)、水泵類負(fù)載電機(jī)節(jié)能運(yùn)行模式中效率最高，但在實(shí)際運(yùn)行過程中，變頻調(diào)速運(yùn)行模式并未使異步電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生同樣的高效率。

本文在研究電機(jī)電壓和頻率協(xié)調(diào)控制的基礎(chǔ)上，對風(fēng)機(jī)、水泵類負(fù)載電動(dòng)機(jī)定頻降壓及高效節(jié)能運(yùn)行模式進(jìn)行了定性評價(jià)與定量分析探討。研究結(jié)果表明，電動(dòng)機(jī)定頻降壓和節(jié)能降耗運(yùn)行是完全可能實(shí)現(xiàn)的，即頻率不變，通過降低電動(dòng)機(jī)輸入電壓而不斷提升其運(yùn)行效率，實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能運(yùn)行。本文的推導(dǎo)過程與結(jié)論如果能應(yīng)用于實(shí)際變頻器控制，將產(chǎn)生可觀的節(jié)能降耗效果。

［1］宋攀，劉緣豐.永磁同步電機(jī)在低速大轉(zhuǎn)矩設(shè)備上的直驅(qū)應(yīng)用及節(jié)能分析［J］.玻璃，2017，44（06）：27-30.

［2］林佑祥.高效節(jié)能電動(dòng)機(jī)的分析與研究［J］.電氣制造，2014（11）：93-94.