三相异步电动机软启动与调压节能技术的分析

2018-11-28赵博宣

机械管理开发 2018年11期

赵博宣，李超

（山西潞安矿业（集团）有限责任公司铁路运营公司，山西长治 046031）

引言

三相异步电动机在机械生产领域得到了广泛应用，其不仅具有重量轻、体积小的优势，而且市场价格便宜，能够应用于各种高速高压场合。在对电动机进行应用时，满载运行和轻载运行会对电动机运行效果产生不同的影响，前者会导致电动机电压下降，有可能烧毁电动机，后者则能够降低运行消耗，改善电动机的功率因数和运行效率。

1 三相异步电动机软启动技术介绍

1.1 软启动原理

要对三相异步电动机的软启动技术进行研究，必须对电动机运行过程中产生的电流变化、电压变化进行分析，从而掌握电动机内部电路的构造结构，降低软启动技术原理的分析难度。就三相异步电动机的等效电路而言，主要包括并联和串联两个电路模式，因此等效关系比较明确，可应用于近似等效电路的分析研究中。在电动机运行启动时，电动机两端的电压与电流会呈现正向关系，即两端电压越大，电动机电流就越大，因此可以通过控制电压实现电流控制，这就是三相异步电动机软启动技术的核心原理。

1.2 损耗分析

三相异步电动机的损耗主要有三种类型，分别是恒定损耗、负载损耗和杂散损耗。就恒定损耗而言，可以分为铁耗和机械损耗两种类型。其中表示铁耗的近似公式可以表示为PFe≈kf1.3B2；有关通风系统机械损耗的近似公式可以表示为KV2∝KV2；有关轴承摩擦的机械损耗可以表示为PT≈9.81Gvsμ。在这几个公式中：H为电动机风扇的有效压力，η为电动机风扇的运转效率，V为气体的流量。就负载损耗而言，主要用以下公式表示铜耗，即PCu=mI2r，其中m为电动机的相数，I为每项的电流，r为每项的电阻；就杂散损耗而言，主要指的是铁心、导线等金属内部件损耗，由高次谐波造成，例如转子、定子、电子漏磁通等。

1.3 功率关系

1.3.1 当三相异步电动机的输入功率为P1时

假设三相异步电动机的输入功率为P1，则可以用以下公式表示电机的功率关系，即P1=3U1I1cosφ1；而由于高次谐波造成的定子边铜损耗和转子铁心损耗可分别用公式表示为PCu1=3I12r1和PFe=PFe1=3Im2rm。在这几个公式中，PFe为三相异步电动机的铁耗；PFe1为定子铁耗；Im为励磁电流；rm为励磁电阻。由此可以用T型等效电路图对三相异步电动机的耗能情况和功率关系进行分析。

1.3.2 当电动机的总输出功率为P1时

就三相异步电动机的耗能情况来看，电动机的总输出功率为P1，而电动机在运行过程中会因定子绕组和定子铁心产生部分铜耗和铁耗，其他的功率则由定子向转子传送，将排除消耗后的功率看作三相异步电动机的电磁功率，而电磁功率就相当于整个电动机的机械功率。

1.3.3 当电磁功率固定时

就三相异步电动机的功率关系来看，在电磁功率固定的情况下，电动机的转差率和转子回路的铜损耗之间呈正向关系，因此减小转差率能够降低转子回路的铜损耗，这时三相异步电动机的机械功率就会相应变大。具体如式（1）所示：

式中：PM为电磁功率，PCu2为转子回路铜损耗，PΩ为机械功率。

2 三相异步电动机调压节能技术介绍

2.1 调压节能原理

假设三相异步电动机的负载不变，在电动机定子电压下降的情况下，主要调节电磁转矩，才能够使电动机保持正常平稳运转。这种关系如式（2）所示：

式中：Te为电磁转矩，φm为主磁通，cosφ2为转子功率因数。

根据电磁转矩公式分析可得，主磁通与电动机电压之间呈正向关系，因此降低主磁通能够使电动机的电压下降。在转子功率因数不变的情况下，需要加大转子电流和定子电流，从而使负载转矩得到平衡。在转子电流和定子电流增大的情况下，铁耗降低，铜耗增大。当三相异步电动机处于重载状态时，电压降低会导致转子电流、定子电流增大，铜损耗显著增加，电动机存在烧毁风险；当三相异步电动机处于轻载状态时，电压适当降低，同时减少铁损耗和铜损耗，从而提高电动机的运行总功率，实现节能环保。这是因为三相异步电动机处于空载或者轻载的运行状态时，电动机的功率因数会随着运行效率下降，因此电动机的转子电流也会随着输出机械功率的减小而降低，由此降低铜损耗，由于主磁通稳定不变，因此铁损耗现象不会发生，由此使电动机的功率因数得到提升[1]。

2.2 恒转矩负载下的调压节能情况

要分析恒转矩负载下的调压节能情况，必须对调压节能技术的应用原理给予深入分析。三相异步电动机在实际应用过程中一般处于满载状态，其运行效率处于最佳状态，因此不需要调压节能，这主要是因为电压降低会直接导致电动机的电动势降低，因此存在电机烧毁的风险，但是当电动机处于轻载的状态时，电磁转矩与负载转矩之间呈现正向关系，因此负载转矩降低，电磁转矩也会相应下降，在主磁通不变的情况下，铁耗和铜耗都会大幅度降低，因此电动机的总消耗量会保持最低状态。在这一过程中，电压值必须处于最佳状态，才能够使总耗能处于最小状态。

2.3 功率因数与效率关系

要判断三相异步电动机的节能效果，就必须对电动机的运行效率进行研究，并且保证应用软启动和调压节能技术时，使电动机处于较高的运行效率。根据电力机械学的相关理论可知，电动机的运行效率就是输出功率与有效功率之比，但是在三相异步电动机的实际运行过程中，很难得到准确的输出功率值和有效功率值，因此需要对可替代的变量进行确认。已知电动机在额定条件下的输出机械效率、电动机运行效率和功率因数，由于电动机的运行效率和功率因数都与负载率有关，并且随着后者的变化趋势发生近似同步的变化，因此当电动机的运行效率和功率因数同时处于最大状态时，二者都在额定负载附近，由此可以得知功率因数与运行效率都能够对电动机的技能效果进行表现。

3 三相异步电动机软启动与调压节能技术仿真分析

3.1 软启动技术仿真分析

3.1.1 模型搭建

通过搭建模型对三相异步电动机的软启动技术应用进行模拟，着重选择三个单项交流电压源，将其作为模型电动机的电源。在电力系统附加模块库中选择触发电路，根据模型需要选择同步六脉冲发生器，并且输入电压信号，保证电源与脉冲保持同步状态。在设置调压电路时，主要选择晶闸管器件对交流调压电路进行控制，并利用积分模块、延时模块和限幅器模块构建限流软启动控制模块[2]。

3.1.2 仿真模型参数

本次三相异步电动机的模型参数如下所示：额定容量为2 238 VA；额定线电压为380 V；额定频率为50Hz；定子绕组电阻为0.435；定子漏感为0.002H；转子绕组电阻为0.816；转子绕组漏感为0.002 H；定转绕组互感为0.219 H；转动惯量为0.089 kg·m2。三相异步电动机的额定功率因数和额定转矩测量值分别为0.88和13 N·m，为了保障仿真结果的精确性，设置仿真时间为1 s。

3.1.3 仿真结果

根据仿真模型试验可知，三相异步电动机软启动主要有全压启动、斜坡软启动和限流软启动三种类型，其中全压启动的最大启动电流为140 A，稳定电流为6A，启动时间为0.2 s，转矩波动范围为-20～370N·m；斜坡软启动的最大启动电流为100A，稳定电流为6 A，启动时间为0.4 s，转矩波动范围为-50～220 N·m；限流软启动的最大启动电流为60 A，稳定电流为6 A，启动时间为1.2 s，转矩波动范围为-80～150 N·m。

3.2 调压节能技术仿真分析

三相异步电动机的调压节能技术仿真采用的模块设计与软启动技术仿真相同，但触发电路根据仿真模块进行自主搭建，不再使用同步六脉冲发生器。仿真试验主要分为未加装调压器和加装调压器两类，前者主要通过记录数据变化铺垫后续的调压节能实验，试验发现负载率为 0.1、0.2、0.4、0.6、0.8 和1.0 时，其功率因数分别为 0.20、0.37、0.62、0.79、0.84和0.88。最终对加装调压器和未加装调压器的仿真结果进行对比，发现前者的稳定功率因数、最小功率因数和调整时间分别为0.88、0.52和0.22 s，而后者为0.51、0.51和0.2 s，由此可见调压器会降低负载率，使电动机运行效率处于额定功率因数附近，从而提高运行效率，达到节能效果[3]。