电机降压节能技术的研究及实现

黄燕琴



电机降压节能技术的研究及实现

黄燕琴

(漳州职业技术学院 电子工程系，福建 漳州 363000)

介绍可控硅在电机降压电路中的应用，分析了电机节电率与电机效率、负载的关系，可控硅的特性和降压电路原理图，论证了节电率的高低取决于电机的效率、及负载特性电机轻载时采取降压的幅度，电机轻载时采取降压节电是可行的。

电机；降压；可控硅

0 引言

三相异步电机，因其结构简单，价格低廉，运行可靠，工作效率高，成为机电设备的最重要的动力来源，应用十分广泛。据美国能源部统计，电动机所耗能占总电能的比重很大，每天有60%的电能消耗在电机的运行中，其中20%~40%的电能做了“无用”功。“气传动系统中，通常会遇到两种工作状态：一是转速不变，负载时变化；二是端电压部不变，转速瞬时变化。而电机的设计不能满足传动系统的要求，因此电机不能在既节能又高效率下正常运行，为此各种电机的机电技术应用而生”。[1]用可控硅在电机降压节能技术中的应用分析。

1 电机节能的原理分析

1.1 节电率的计算

中国节能产品认证管理委员会发布的《电力省电装置节能产品认证技术要求》中对电机轻载调压节电器节电率计算作了明确规定。如图1是试验接线原理，在接入节电器前后，必须保持负载电机转速不变。不接入节电器即闭合旁路开关K，旁路运行，记录时间1h电机的用电量W，时间的长短可根据负载的周期来确定。接入节电器即断开旁路开关K，电机进入节电状态，记录1h的用电量W`。

节电率计算公式为：

节电率=W –W`

有些厂家是将电度表安装在节电器后面进行测量，这样旁路时的负载的用量和电度表接在节电器的前端是一样的，但是计算节电率时却有区别，主要是将电度表安装在节电器后没有将节电器本身的损耗计入，从而计算的节电率偏高。

1.2 节电率与电机效率、负载

“电机效率越低、电机的耗电就越大，则电机的节电空间越大，电机从电网吸收的功率Ps，等于电机轴额定功率与总损耗∑Pn之和(效率η为额定输出功率是的电机效率，Pn为额定轴功率)”，[2]即

Pn=Ps×η (1)

Ps=Pn+∑Pn (2)

电机的总损耗与额定功率和效率的关系为

∑Pn=Ps – Pn=(1/η-1)×Pn (3)

同样功率的电机转速越低、效率越低，转速越高、效率越高。图2为电机功率与效率的关系曲线。从图可以看出，电机功率越小，效率越低，损耗越大。电机运行时的损耗，主要由以下几方面的损耗组成:铁损、铜损、机械损耗、杂散损耗（包括风损）等。由于采取轻载调压节电主要是减少电机在轻载时的功率损耗，从而提高电机效率。由此可见，效率越低，空载损耗越大的电机，采取调压节电的空间就越大。

1.3 节电率与负载率之间的关系

空载损耗在总损耗中所占比例较大造成的。空载损耗的主要成分是铁损和机械损耗，称为不变损耗。因为铜损和杂散损耗随电流的增加按平方关系增加，故称为可变损耗。“加电机输出功率的上升，效率最初明显呈上升趋势。负载率越低，空载损耗所占的比例就越大，调压节电率就越高”。[3]但要达到最好的节电率，还取决于调压幅度。虽然降压可以降低铁耗，而当电压降到一定程度之后，若继续下降，则电流又要增加，因而又增加了铜耗，因此要取得最好的节能效果，必须有一个合理的调压系数。

由于电压降低，电机负载不变，转差率增大，电动机输出功率也会有所减少，因此在实际测量过程中，节约的有功会比理论计算的要偏大。由于电动机的转矩与电压平方成正比，若电动机的转矩不变，则转差率近似地与电压的平方成正比。

从以上分析可看见，节电率的高低取决于电机的效率、及负载特性电机轻载时采取降压的幅度。因此在对电机进行降压节电改造时，认真分析电机的运行特性有利于估算节电率，并将有利于成本的控制和回收。

图1 试验接线示意图

图2 电机功率与效率的关系

2 可控硅降压电路分析

2.1 可控硅的特性

可控硅是一种新型的半导体器件，它具有体积小、质量轻、动作快、效率高、寿命长以及使用方便等优点。可控硅在建材工业自动控制系统中应用广泛，如在玻璃厂利用可控硅控制自动配料系统对电子秤给料机。

可控硅是P1、N1、P2、N2四层三端结构元件，共有3个PN节。其工作原理可以看作是由1个PNP管和1个NPN管所组成，其等效解如图3所示。

图3 可控硅等效图解

当A端加上正向电压时，从控制极G输入1个正向触发信号，可控硅则饱和导通。由于BG1和BG2所构成的正反馈作用，一旦可控硅导通后，即使控制极G的电流消失，可控硅仍然能够维持导通状态。可控硅正是利用它的导通和关断两种工作状态的特性来调压。

2.2 可控硅交流调压电路

可控硅控制电路由降压电阻和可控硅组成。抗干扰电路为普通电源抗干扰电路。可变电阻、冲放电电路由电阻及电容组成。整流电路采用桥式整流，将电网提供的220V、50Hz交流电变成单向的脉动电流;将单向脉动直流电送到可控硅，经电阻降压，作为触发电路的直流电源。调节电阻的阻值可以改变电容的冲放电时间，从而通过改变可控硅的导通时刻来改变输出电压。张弛振荡器由单结晶体管和电阻组成，形成一个尖脉冲送到可控硅的控制极，通过对电容的冲放电来控制张弛振荡器。电路图如图4。

图4 交流降压电路原理图

TVP抗干扰普通电源电路采用双向TVP管子，它对于电网的尖脉冲电压和雷电叠加电压等干扰超过额定的数值量都能有效地吸收。整流电路采用桥式整流，由D1、D2、D3、D4的二极管组成。双基极二极管组成张弛振荡器作为可控硅的同步触发电路。当调压器接入交流电时，经过负载电阻Rc、二极管D1到D4整流，并在可控硅SCH的A、K两极形成一个脉动的直流电压。该电压由电阻R1降压后作为触发电路的直流电源。在交流的正半周时，整流电路通过电阻R1、可变电阻W1对电容充电。当充电电压达到T1管的峰值电压时，T1管由截止变为导通。于是电容C通过T1管的e1、b1结和R2迅速放电，结果在R2上获得1个尖脉冲。这个脉冲作为控制信号送到可控硅SCR的控制极，使可控硅导通。可控硅导通后的管压降很低(一般<1V)，所以，张弛振荡器停止工作。当交流电通过0点时，可控硅自行关断。当交流电在负半周时，C又重新充电，如此周而复始。改变可变电阻的阻值也就改变电容的充放电时间，从而改变可控硅的导通时刻，来改变负载上的输出电压，实现调压功能。

负载率越低，空载损耗所占的比例就越大，调压节电率就越高。但要达到最好的节电率，还取决于调压幅度。虽然降压可以降低铁耗，而当电压降到一定程度之后，若继续下降，则电流又要增加，因而又增加了铜耗，因此要取得最好的节能效果，必须有一个合理的调压系数。不同负载率β下的调压系数由下式可以确定：

式中∑PN— 电动机额定负载时的有功损耗，kW;

P0— 电动机的空载损耗，kW;

K — 计算系数，K=( P0- PM) / 6 PN;

PM— 电动机的机械损耗，kW;

β— 电动机的负载系数，β=P2/PN×100%;

P2— 电动机的输出功率，kW;

PN— 电动机的额定功率，kW。

在电动机空载、轻载时降低电动机的端电压可使电动机的铁耗减少同时也减小电动机定子铜耗，从而减少了电动机空载和轻载时的输入功率，减少了电动机的有功损耗和无功损耗，提高了功率因数。“衡量电动机空载和轻载运行时节能性能的指标是其最低运行电压的大小；而衡量电动机动态响应性能的指标是在电动机空载运行于低电压，突加全负载时的响应速度”。[4]为了提高上述二个指标，提高电机节电器的性能，应用电动机模拟反电势信号，提高电动机在很低的电压时（接近临界失步电压）的工作稳定性和突加负载快速响应性能。

以上是采用可控硅主动降压法，判断依据来自对电网输入电压的检测，并与基准电压的比较得到误差电压，再通过分析计算得到导通角控制脉冲时间，从而产生对输出电压的降压控制。根据输入电压与基准电压比较得到误差电压ΔU（最大不超过5V），并导出触发时间ΔT，过零中断产生时，启动定时器倒计时ΔT，计数完成后发出触发脉冲。

3 结束语

主动降压法会产生比较大的正负误差电压，所以更加优质降压应该加入反馈调整。判断依据来自对负载端输出电压的检测，并与基准电压的比较得到具有正负的误差电压，每次误差电压加上原来的误差值，才是最终的导通角控制依据，通过分析计算得到导通角控制脉冲时间，从而产生对输出电压的降压控制。电动机的降压比较完善技术应该是把两者结合起来综合考虑，以方法一为主，兼监测输出电压的变化，以达到更精准的控制目的。这也是电机降压节能中一直还在努力的方向。

[1]徐志红，等.电机降压节电技术[J].节能与环保，2003（9）：40-41.

[2]陈增禄，等.异步电动机降压运行时的一种计算方法[J].电气传动自动化，2001（10）:7-10.

[3]周新朝.应用相控电机节电器的节电率计算[J].节能，2006（2）:57-60.

[4]陈国成.异步电机轻载调压节能优化控制的微型机实现[J].电工技术杂志.1998(10):13-16.

The SCR Application in the electric buck of Energy-saving technologies

HUANG Yan-qin

(Zhangzhou Institute of Technology,Zhangzhou 363000,China)

Saving rate of the motor and motor efficiency, load, demonstrating that the level of saving rate depends on the efficiency of motor and load characteristics of motor at light loads to take blood pressure levels. Analysis of the SCR characteristics and step-down circuit diagram, introduced the SCR step-down circuit in electrical applications, electrical light show set to take step-down power saving is possible.

Motor；Buck；SCR

2009－12－15

黄燕琴(1982－)，女，福建漳浦人，助教，学士，研究方向：电子信息技术。

TM 301.4

A

1673-1417（2010）01-0014-03

（责任编辑：季平）