三相异步电动机最小输入功率节能装置的研究

覃桢桢，马新春，李 剑

（新疆企业资源计划生产力促进中心(有限公司)ERP中心，新疆 乌鲁木齐 830013）

目前，电动机的用电量平均占世界各国总用电量的50%以上，占工业用电量的70%以上。在满负荷工况下，电动机的效率较高，通常在80%左右；一旦负荷下降，电动机的效率将随之下降。多数电动机一般运行时间的负荷率在50%～60%，运行效率较低。因此，提高电动机的运行效率对于我国能源节约、环境保护及资金节约均具有重要意义。

1 三相异步电动机的能耗分析

1)电动机启动和运行过程中产生的能耗。

电动机的直接启动和工作过程中都存在耗能较大的情况。直接启动过程时，转子静止，输入电压产生的旋转磁场相对转子导体的转速较高，转子绕组的感应电动势较大，转子流过的电流大。高启动电流及它未能在启动和运行时将电机扭力配合负荷扭力，电机会产生150%～200%的扭力，方可于瞬间将转速提升至最高速，这样易导致电机受损[1]（见图1）。

当电机转矩满足负载要求后，电机进入轻负载运行状态，此时输入电压不变，电机绕组磁饱和，电机效率下降。在固定供电电压的情况下，电机的磁通是固定不变的，它亦是电机高能耗的因素之一（占30%～50%）。直接启动适用于小容量电动机带轻载的情况，起动时，将定子绕组直接接到额定电压的电网上，能否直接启动的判定依据为：对于经常起动的电动机，起动时引起母线压降不大于10%，对于偶尔起动的电动机，母线压降不大于15%[2]。

图1 三相异步电机的机械特性曲线Fig.1 Three-phase asynchronous motors mechanical characteristic curve

2)三相异步电动机的无功损耗

异步电动机在运行中产生的各种损耗，主要分为铁损耗（PFe）、机械损耗（Pm）、铜损耗（PCu）及杂散损耗（Ps）。 如表 1所示，铁损耗指主磁场在电动机铁芯中交变所引起的涡流损耗和磁滞损耗；机械损耗主要分为通风系统产生的损耗和轴承摩擦损耗，绕线式转子还有电刷摩擦损耗；铜损耗由定子、转子绕组通过的电流产生，分为定子铜损耗，转子铜损耗。杂散损耗可分为基频杂散损耗和高频杂散损耗。基频杂散损耗是由负载电流产生的槽漏磁及端部漏磁形成的损耗；高频杂散损耗是由气隙中谐波磁场产生的，谐波磁场切割定子、转子，在定子、转子表面感应电势，产生涡流，形成铜损耗[3]。

表1 电动机的主要损耗Tab.1 Main loss of three-phase asynchronous motors

2 异步电动机节电控制方法分析

图2所示的是不同负载调压后电动机的电流随转差率变化的轨迹，其中S(maxη)代表动机效率η最大时所对应的转差率，S(maxλ)代表功率因数λ最大时所对应的转差率。由图分析可知，负载增大的过程中，转差率从很小值S1到临界值Sm，电流先减小后增大。相反的，功率因数和效率先增大后减小，并且分别在 S(maxλ)和 S(maxη)处达到最大值。

图2 不同负载调压后电流变化曲线Fig.2 Current curve of various load when regulate voltage

异步电动机输入有功功率，轻载调节电压后，电机铜耗增加，铁耗减少，在某一电压时必然有电机总损耗最小、效率最高，此电压就是电动机运行的最佳电压。在此电压处运行，减小输入功率使之与负载相匹配，以达到节能降耗提高电动机效率的目的[4]。

3 系统硬件电路设计

STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机是宏晶科技生产的单时钟机器周期(1T)的单片机，是高速低功耗超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8～12倍。内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换(250K/S)，针对电机控制，强干扰场合[5]。

硬件电路由单片机最小系统、电流过零检测电路、电流采样电路、脉冲触发电路、键盘控制电路、显示电路、继电器控制电路、双向晶闸管电路等组成。系统工作过程为：启动时初始化，在电流过零检测电路检测到某一相电流过零后，起动电流采样电路进行信息采集，实时跟踪负载变化。同时单片机将采集到的数据进行计算处理，确定可控硅的导通角，单片机输出导通光耦，产生触发脉冲。触发脉冲电路工作，导通可控硅。硬件电路图如3所示。

图3 系统硬件电路图Fig.3 System hardware circuit

4 系统软件设计

系统设计部分主要有：初始化子程序、软起动与软停车功能子程序、电流电压计算子程序、控制、触发子程序、显示子程序、故障判断子程序、按键输入电路等。最小输入有功功率最优控制程序作为系统软件部分的核心，在硬件电路系统检测过零后，单片机产生中断。负载电压的平均值为Uo=为 V处于通态的时间，toff为V处于断态的时间，T为开关周期，α为导通占空比，简称占空比或导通比[6]。单片机通过对电流采样得到的数据进行处理，计算得出可控硅导通的占空比，输出使光耦产生触发脉冲，导通可控硅。

一般鼠笼式异步电机启动时，启动电流为正常启动电流的4~7倍，严重情况下可能达到10倍以上[7]。不仅对电机本身产生很大的冲击，降低电机寿命，同样也会造成干扰，影响电网。因此，就必须设计电机的软启动和软刹车程序。同时，在电机运行过程中，通过对三相电流的检测，还要设定过载、缺相、三相不平衡程序，避免电机因过流而烧毁。

5 结束语

实际应用中，使用节电装置后，电机[8-9]端电压及平均电流都有所降低，输入功率降低；功率因数及有功功率均有不同程度的改善。由于节电装置的节电率于电机负载密切相关，当电机负载增大时，节电率随之下降。因此较为适合负载经常变化及时常轻载状态的电机。

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