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异步电动机的节能方法分析


论文题目:异步电动机的节能方法分析 摘要:当今,节能行动进行得如火如荼,工农业生产中大量使用 异步电动机,针对异步电动机的特点、结构、以及新技术的应用,本 文从提高电动机的利用率,降低电能的损耗方面分析异步电动机的节 能方法和原理。 关键词:异步电动机 论文内容: 电动机的应用在我们生活中已成为必需,电动机的用电总量也越 来越多,约占我国用电总量的 70%以上,其中中小型异步电动

机的用 电量约占总用电量的 30% ,而电动机的损耗约占额定输出功率的 6.5%~23%,如何减少这一部分损耗是攻克电动机节能的主要课题。下 面就异步电动机的几种节能方法及原理做些浅要的分析。 一)适当选择电动机的容量 用电设备选择不当,造成“大马拉小车”或“小马拉大车”的现 象,无疑会造成对电能的浪费。比如某水泵的实际功率只有 12KW, 若采用 JQ2—72—4 型电动机, 其功率为 30KW, 则其负荷率仅为 40%, 明显是“大马拉小车”了;若改用 JQ2—61—4,13KW 的电动机,则 大大减少了浮装容量,功率因数、负载率均得到了提高,功率损耗减 少节省了电能。实用中若负载率经常低于 60%的电动机,应改用适当 的小容量的电动机。 二)采用 Y/△自动转换装置 很多设备的负载不均衡,且运行时负载功率较大,重载时负载率 达到 70%以上,如车床、冲床、皮带运输机等,因其重载时输出功率 大,故而不能象上面将大电动机改换成小容量电动机。然而这些设备 上的电动机轻载时间长,其轻载时负载率也只有 10%~40%,为了解决 轻载时对电能的浪费现象,在不更换电动机的前提下,我们可以采用 Y/△自动转换装置以达到节电的目的。 因为三相交流电网中,负载的不同接法所获取的电压是不同的, 因而从电网中吸取的能量也就不同。
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节能方法

当电动机做 Y 形接法时,流过电动机绕组的电流 IY 为: IY =
U 3Z

当电动机做△形接法时,流过电动机绕组的电流 I△为: I△ = 3
U Z

从上两式不难看出, 当电网的电压不变时, 电动机做△形接法和 Y 形接法时的电流之比为 I△:IY=3:1。也就是电动机 Y 形接法与△形 接法相比,前者的线电流只有后者的 1/3,因而 Y 形接法可使电动机的 铜损、铁损降低,电动机效率提高。 因为 Y 形接法时电动机绕组电压较低,在同样负载下,Y 形接法 时的转子电流比△形接法时大,而转子电流受额定值的限制不能过大, 这就限制了 Y 形接法时不能带较大的负载,需要在负荷较大时自动切 换到△形接法。电动机由△形接法改为 Y 形接法后,其极限容许负载 率大致为铭牌容量 38—45%左右,在不同负载率 β 情况下 Y 形接法 与△形接法的电动机效率比 YY/Y△见表 1。
负 载 率 0.1 β 1.2 YY/Y△ 7 4 0 6 4 2 1 5 5 1.1 0 1.1 5 1.0 0 1.0 5 1.0 1.0 1.00 1 0.1 0.2 0.2 0.3 0.3 0.4 0.45 5 0.

表1 由表可知,在负载率 β 为 0.5 时 Y 形接法与△形接法电动机的效 率相等,所以在负载率 0.5 以上时,将△形接法转换为 Y 形接法没获 多大经济效果,只有在 β ∠0.3 时效果才明显。 Y/△自动转换装置是在一定程度上使电动机运行状态处于最佳状 态(或范围)以达到节约电能的节电装置。该装置设计为当 β ∠0.45
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时,通过取样电路把反馈的电流信号放大送入控制电路,并通过控制 电路执行把绕组由△形接法转为 Y 形接法,当负载率 β >0.45 时,该 装置又将绕组由 Y 形接法转换成△形接法。从而达到了节能的目的。 三)开口槽异步电动机采用磁性槽楔可实现节能 中、小型排灌水泵用异步电动机大多采用开口槽异步电动机,由 于电动机定子槽采用开口槽,因此整个圆周内气隙磁阻不相同,出现 齿部磁阻小,槽部磁阻大。由于齿部磁阻小,磁通密度大,槽部磁阻 大,磁通密度小,这样在定子与转子之间的气隙磁场产生了畸变。通 过傅里叶级数分解可得到基波分量和谐波分量,谐波分量在转子中造 成了附加铁损耗和附加铜损耗。此谐波产生的铁损耗一般占电动机整 个铁损耗的 30%左右, 为了降低这一部分损耗电动机可采用磁性槽楔。 所谓磁性槽楔就是能够导磁的槽楔。普通槽楔是不导磁的,如常 见的竹楔,用环氧玻璃丝布层压板制作的槽楔。在制造槽楔的材料中 加入导磁的材料(如钢丝、薄钢板、铁粉等导磁金属材料) ,均能构成 磁性槽楔。磁性槽楔主要降低异步电动机中的空载铁损耗,空载附加 铁损耗是由齿槽效应在电机内引起的谐波磁通而在定子、转子铁芯中 产生的。定子、转子在铁心内感生的高频附加铁损耗称为脉振损耗。 另外,定子、转子齿部时而对正、时而错开,齿面齿簇磁通发生变动, 可在齿面线层感生涡流,产生表面损耗。脉振损耗和表面损耗合称高 频附加损耗,它们占电机杂散损耗的 70%~90%,另外的 10%~30% 称为负载附加损耗,是由漏磁通产生的。 采用磁性槽楔的电动机比采用普通槽楔的电动机的铁损耗可降低 6%, 因中、 小型异步电动机的铁芯损耗约占其额定容量的 1.32%~3%, 所以中小型异步电动机采用磁性槽楔后其铁损耗可降低 0.78%~1.8 %。 四)采用电容补偿法对电动机做无功补偿 有关资料表明:0.4KV 低压配电网络中的无功损耗约占全电网损 耗的 50%。因此,仅仅对高压输配电网络的无功补偿是远远不够的, 只有在低压配电网络中合理实施无功补偿,才能使电网运行在最佳的 经济状态。中、小型电动机则是无功消耗的主要设备,因此必须对这
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些使用电动机的电网进行无功补偿。常采用补偿电容法对电动机进行 无功补偿。 提高功率因数,减少功率损耗是无功补偿的主要目的。当输送有 功功率不变,功率因数从 cos? 1 提高到 cos? 2 时,电网中各串接元件的 有功负载损耗降低百分率为⊿P%=(1- cos2? 2/ cos2? 1)×100%。当功率 因数从 0.6 提高到 0.95 时有功功率损耗将降低 53.2%,可见降损效果 显著。 五)采用周期制动装置 在实践中,有些设备在运行过程中不是连续工作的,而是时断时 续或是周期性运作。为了消除空载功耗和发电回馈造成的浪费,我们 可以利用一种周期制动装置控制电动机的供电,直接节电率可达到 10%~25%。 该周期性制动装置通过在电动机供电线路中接入数据处理和控制 单元、负载率检测单元、同步信号检测单元以及供电执行单元对周期 制动异步电动机进行节能控制。其特征在于:当电动机的实测负载率 大于零时,供给电动机按实测负载率大小计算出的最佳电压值,以输 入最小电功率适应电动机负载的变化,提高电动机的效率和功率因数; 而在电动机实测负载率小于或等于零时关断供电回路停止供电,消除 空载功耗和发电回馈浪费。该装置的控制步骤如下: a、通过负载率检测单元连续测量电动机供电回路中的工作电压和 电流,并将测量数据传输给数据处理和控制单元。 b、通过同步信号检测单元连续检测电动机电压信号,在电压出现 过零点时向数据处理和控制单元发出同步脉冲信号。 c、数据处理和控制单元用获得的电流、电压数据计算电动机的实 际负载率,并根据计算结果自动选择后面的控制步骤:若电动机实际 负载率大于零,则执行下述从 d 至 g 的步骤。 d、根据电动机的实际负载率,计算出电动机在此负载率下能够获 得最高效率的最佳供电电压。 e、根据最佳供电电压计算出供电执行单元应该获得的控制数据。
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f、用同步信号检测单元发来的同步脉冲信号作为时间基准,由数 据处理和控制单元控制供电执行单元按计算的控制数据导通,从而使 电动机获得最佳的供电电压。 g、 返回上述步骤 a 循环执行; 若电动机实际负载率等于或小于零, 则执行下述从 h 至 k 的步骤。 h、数据处理和控制单元停止为供电执行单元提供控制信号,使其 处于截止状态,从而关断电动机的供电回路,同时也切断了电动机被 负载拖动发电向电网回馈的回路。 i、继续通过负载率检测单元以及数据处理和控制单元检测电动机 的负载率。 j、 当负载率数值重新大于零时, 按软启动方式恢复电动机的供电。 k、返回上述步骤 a 循环执行。 该周期制动装置的控制流程图如下:
手动 闭合供电电源 工作电源

电机

负载率检测

同步信号检测 RL>0 数据处理 U 电压调整

RL≤0 RL 控制执行

供电执行

U

手动 切断电源

电机停转

六)采用变频调速异步电动机
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异步电动机的转速表达式为:
60 f 1 (1-s)=n0(1-s) p

n=

当极对数 p 不变时,均匀地改变定子供电电源频率 f,则可连续地 改变异步电动机的同步转速 n0,因为稳态时转差率很小(s=0.03~0.05) , 所以可连续改变 n0,达到平滑调节电动机实际运行转速的目的。这就 是所谓的变频调速。 通常变频调速电动机拖动负载多采用 U/f 控制方式, 即频率下调, 电压也随之下调,U/f 的比值保持常数(在保持电动机磁路不过饱和 时,也可接近常数)。U/f 控制方式是变频调速电机控制方式中最简单 的控制方式,只能控制转速,但不能对转矩进行控制。在实用中,可 以采用定子压降补偿,适当地提高电压,以增强负载能力。 U/f 控制方式有多种模式, 即有多种电压随频率变化的曲线模式, 在变频器使用说明书里能查到,选定后,给变频器设定即可。下图提 供几种曲线模式供参考。

U/f 模式
异步电动机进行电力拖动在各领域的应用非常广泛,而且消耗的 电量相当可观。近些年来由于交流变频技术的发展,变频器从技术水
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平、实用性、制造成本的降低均取得可喜的成果,广泛被用作变频电 动机的电源,取得了在经济性、运行性能等多方面效益。 变频调速异步电动机就是普通异步电动机,用变频器做电源,在 无特殊情况下,就可以达到调速的目的。 变频调速异步电动机拖动的特点:①节能效果好;②起动电流小 而变压器容量可减小;③由于是鼠笼型电机,故障点少了,维修方便, 减少了停工时间;④可以连续调速,可选择最佳应用速度;⑤最高速 度不受电压影响;⑥电机可高速化,小型化;⑦可以调节加减速度大 小。 变频调速异步电动机通常拖动风机、水泵类只需调节速度的负载。 左图绘出了阀门 控 制调节 和变频调 速 控 制两种 状态下的 水 泵 功率消 耗——流 量 关系曲线。 该图显示了变频 器 控制和 阀门控制 水 泵所消耗的不同功率, 从 图上我 们可以清 楚 的 看出在 水泵流量 为 额定的 60%时, 变频器 控制与阀门控制相比, 功率下降了 60%;所以水泵仅仅依靠阀门控制是远远不够的,进行变 频器控制的节能改造是相当必要的。 对于水泵来说,流量 Q 与转速 N 成正比,扬程 H 与转速 N 的二 次方成正比,而轴功率 P 与转速 N 的三次方成正比,表 2 列出了它们 之间的关系变化:

表2
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水泵转速 N% 100 90 80 70 60

运行频率 F(Hz) 50 45 40 35 30

水泵扬程 H% 100 81 64 49 36

轴功率 P% 100 72.9 51.2 34.3 21.6

节电率 % 0 27.1 48.8 65.7 78.4

从上表可见用变频器调速的方法来减少水泵流量进行节能改造的 经济效益是十分显著的,当所需流量减少,水泵转速降低时,其电动 机的所需功率按转速的三次方下降。 当水泵转速下降到额定转速的 10%即 F=45Hz 时, 其电动机轴功率 下降了 27.1%,水泵节电率为 27.1%; 当水泵转速下降到额定转速的 20%即 F=40Hz 时, 其电动机轴功率 下降了 48.8%,水泵节电率为 48.8%; 当水泵转速下降到额定转速的 30%即 F=35Hz 时, 其电动机轴功率 下降了 65.7%,水泵节电率为 65.7%; 当水泵转速下降到额定转速的 60%即 F=30Hz 时, 其电动机轴功率 下降了 78.4%,水泵节电率为 78.4% ; 从以上分析可归纳出水泵节电率的计算为:

冷冻和冷却水泵节电率=[1-(变频器运行频率÷50Hz)3]×100%
可见采用交流变频技术以变频器作为异步电动机的电源实现对电 动机的调速控制,在节电节能效果上是很明显的。但不是选变频调速 电动机就能达到较好地节能目的,必须根据负载情况精心计算出最佳 使用速度,才能达到最佳节能效果。 结束语 异步电动机的节能方法多种多样,现今市面上形形色色的节能器, 在不同程度上都能达到节能的目的,选择何种节能方法或节能装置则 要根据电动机使用的场合以及产生的经济效益等多方面考量,才能真
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正达到节能增效的目的。 参考文献 [1]梁学造,蔡泽发《异步电动机的降损节能方法》 湖南省电 力工业局 [2]赵家礼, 《电机节能技术问答-磁性槽楔与磁性槽泥的应用》 水利电力出版社 1994 [3]李光浩,刘传广《标准变频调速异步电动机的节能应用与控 制》大庆油田化工有限公司 [4]张占松,杨宜民,许立梓《现代电工手册》 (修订本)广东 科技出版社 1993 [5]梁耀光,余文杰 主编 《现代电工新技术教程》 广东省职 业技能鉴定中心 2005

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