三相异步电动机节能技术

2021-11-20郭宇

电子技术与软件工程 2021年19期

郭宇

（海洋石油富岛有限公司海南省东方市 572600）

目前，电动机在将电能转化为机械能的领域应用最为广泛。我国各类电动机的年用电量约占全国用电总量的一半以上。其中，尤属三相异步电动机的应用最为广泛，尤其是鼠笼式三相异步电动机。其具有产业链完善、价格低廉、运行稳定、结构简单等优点，因而在各行业中得到了广泛的应用。近年来，另外一些新型高效的电动机如永磁同步电动机也逐渐在市场上得到了推广，但由于其成本较高，在实际应用中受到不同程度的限制。通常，电动机在额定负载附近运行，当负载下降时，电动机负载大幅下降。事实上，许多电动机的设计都是为了保持冗余，留有足够的安全运行空间，这最终导致了效率低下问题。在电动机起动和节能方面，众多研究人员做了大量的探索，并取得了可观的成果。然而，降低起动电流和充分发展电动机节能技术仍有很大的空间和现实意义。

1 三相异步电动机概述

三相异步电动机以其结构简单、运行可靠、重量轻、价格便宜、维护方便等优点在生产和生活中得到了广泛的应用。特别是在大容量、高电压、高速的应用中，应用率更是超过了66%，而且比例越来越大，其市场占有率一直是最高的。电动机的运行经济性和负荷率与工作电压相匹配，可通过控制电动机的起动过程，限制起动电流和转矩，使暂态功耗降低，为电动机保护和节能提供可行的条件。研究电动机节能技术，探索如何提高电动机运行效率，节约资源，对环境保护和国家可持续发展具有重要意义。

2 三相异步电动机在实际运行中存在的问题

三相异步电动机作为主要的工业负荷，其年能耗占工业总能耗的60%-70%，但绝大多数电动机在不经济的条件下运行，造成了很大的能源浪费。一方面，电动机安全裕度过大，轻载运行时间过长，导致运行效率低下，能源浪费现象严重。另一方面，若电动机采用直接起动，会导致起动电流过大，也会使起动功耗增加。

3 三相异步电动机节能原理

3.1 软起动节能原理

软起动器采用相应的节能控制算法可以达到一定的节能效果，特别是在低负荷运行时。实践表明，软起动器的节能效率已超过20%，尤其是当空载或轻载运行时间所占比例较大时，节能效果更加明显。具有节能功能的软起动器通过监控电动机电流和功率因数，进一步控制电动机端电压的变化，从而调整电动机负载或空载电压，降低励磁电流，最终达到节能的目的。

3.2 节能运行原理

三相异步电动机的能效是衡量其节能运行的重要指标。在相同负载功率下，电动机的有效功率越小，效率越高，能耗越低。电动机的电能是传递功率，它不仅用来驱动电动机和输出功率，而且是电动机固有损耗的一部分。电动机的主要损耗包括铜损和铁耗。铜损是由流过电动机绕组的电流引起的，铜损大小与电流的平方成正比。铁耗是由定子和转子铁心的磁化电流有关，与电源电压成正比，而其它方面的损耗可以忽略不计。节能运行控制的原理是当电压降低时，可以适当降低电源电流，降低铁损。采用功率因数法检测电动机负载。当电动机负载较大时，功率因数较大，低电动机负荷和低功率因数。

4 三相异步电动机软起动研究

近年来，为减小异步电动机直接起动带来的危害，国内外学者做了大量研究后提出了软起动的概念。三相异步电动机的起动性能有两方面要求：一是起动电流应尽可能小，以减少对电网的冲击。二是起动转矩应尽可能大，以加快起动过程，缩短起动时间。软起动的目的即在于不影响电动机正常起动的前提下，尽可能减小起动电流。基于电动机的基本原理，为实现软起动功能，通常采用降低定子电压，来减小起动电流。

4.1 异步电动机的传统起动措施

传统的软起动是在保持电动机输入电压维持在额定频率的基础上，将起动幅值提高到额定起动幅值。根据电压幅值是否连续可调，可分为电平电压调节和极电压调节。分阶段电压调节是将电压分为多个阶段。以较低的电压水平起动电动机，逐渐增大电压幅值，直到电动机起动。也就是说，当电动机在额定转速下达到额定电压时，最低电压水平的电压幅值至少应满足电动机起动的最低要求。同级电压幅值保持恒定，均压幅值可连续调节，均压幅值可在跳闸模式下调节。

4.1.1 有级调压软起动

（1）延边三角形起动法。扩展三角起动方式是在绕组处每相可以接一个抽头，将电源接在每相绕组的首端，而在绕组的后半段可以将其结为三角形。此种起动方式主要用于三角联结上，来保障电动机运行正常。不仅可以减少冲击振动，同时还可以在起动电流和起动转矩间进行调节，使电动机稳定运行。

（2）定子串电阻（电抗）起动法。起动定子串电阻的方法是将电源与电动机之间的串电阻或电阻分开，从而降低电动机的定子电压和电流，使起动过程相对平稳。起动后，电阻逐步消除。定子串联电阻或步进起动方式可以达到一定的效果。

（3）自耦变压器降压起动法。自耦变压器降压起动法是通过调节耦合变压器的变比来改变电动机的输入电压。起动后切断耦合变压器，通过设置不同的自耦变比来减小起动电流，可用于大负载转矩。该设备价格低廉，但缺点是电动机起动电压和转矩波动大，自耦变压器体积大，故障率高，无法很好的监控电动机的起动状态。

4.1.2 无级调压软启动

（1）频敏电阻器软启动。频敏电阻在转子电路中的应用可以降低起动电流，其工作原理是：电动机起动时，转子不转动。定子绕组产生高速磁场，而转子绕组是静止的。当主磁场被高速切断时，会产生一个高振幅和高频的感应电势。转子电路的频率偏移具有高阻抗，在起动电流降低方面效果明显。转子产生的感应电势的幅值和频率也同步降低，频率电阻呈现相对较低的阻抗。利用频敏电阻器软启动，从而保障电动机运行正常。

（2）液阻软起动。液体电阻是以电解质中的离子为导电通道的液体电阻。液体电阻与电解质电导率成反比，与极板间距成正比，液压电阻软起动器主要作用是控制电阻。此外，液压电阻具有成本低、热容量大的优点。这也为改善液压阻力软起动提供了有利条件，但由于液压阻力箱容量的限制，液压阻力值的设定范围较小。液阻箱容积越小，液阻温度越高，影响起动稳定性。

（3）磁控式软启动。在串联电抗器步进起动的基础上，对磁控软起动器进行了改进。其拓扑结构与串联电抗器相同。磁控软起动器具有有效调节电抗器的饱和程度的优点，其主要通过控制励磁电流来实现。它具有非接触、非机械控制方式、电动机电压无级调节、电动机控制精度高等优点。但也存在不足，例如电动机定子侧电流的电磁效应作用在电阻式直流励磁绕组上，感应电流影响直流励磁绕组的运行，导致磁控管软起动调速慢。

4.2 电子软起动

随着电力电子技术的飞速发展，为了取代传统的软起动设备，各种电力电子设备被开发出来用于异步电动机的软起动控制。常见的电子式软启动器主要是变频软启动和晶闸管调压软启动。

4.2.1 变频软起动

变频软起动器是通过改变电动机定子侧电源电压的频率，从而改变主磁场中同步旋转磁场的角速度，最终实现电动机的调速。变频技术被广泛应用于电动机的调速中，解决了电动机的起动问题。由于成本高，运行维护困难，可靠性低，仅用于软起动是不经济的。

4.2.2 晶闸管调压软起动器

晶闸管调压软起动器是通过调节晶闸管导通角的定子电压从而达到电动机软起动的目的。与其它软起动器相比，具有很好的实用性。直流调压软起动器具有以下优点：首先，晶闸管作为软起动器的主开关器件，具有可靠性高、结构简单、易于控制、性价比高等优点。其次，晶闸管调压器结构紧凑，体积小，安装维护方便。基于以上优点，晶闸管调压软启动器已经成为目前应用最广泛的软起动器。

5 三相异步电动机节能运行研究

5.1 异步电动机节能措施

目前实现电机节能运行主要通过以下三种方式：优化电动机结构设计、变频调速和调压节能。

5.1.1 电动机优化设计

优化电动机结构设计可以使其比普通电动机更有效，主要从电动机结构设计、材料利用和工艺优化设计等方面采取措施使电动机结构趋于合理化。通过改变绕组槽数，优化参数，或用低损耗钢板代替普通硅钢片，可以降低磁滞和涡流损耗，达到节能的目的。

5.1.2 变频调速

变频器可有效地调控电动机的转矩和转速，从而适应不同的运行工况，达到最佳的节能换流状态。许多异步电动机不使用变频器来节能，主要原因是许多电动机不需要变频器来控制速度。由于变频器成本较高，不利于综合效益的最大化。且国产变频器合格率低，维修难度大，导致变频器在电动机节能领域的应用并不广泛。

5.1.3 调压节能

电压调节和节能的目的是根据输出电压调整损耗分布和定子电压。电动机内部损耗主要有铜损和铁耗。电动机在轻载运行时，适当降低电压可有效降低铜损和铁耗，从而提高电动机的运行效率。在实际应用案例中，大量电动机仍处于非经济运行状态，因此降压步进节能技术具有很大的推广价值。

6 三相异步电动机调压节能控制方法

目前，影响三相异步电动机节能的控制因素有很多，包括功率因数、输入功率、定子电流和定子电压等。

6.1 恒定功率因数法

恒功率因数法以电动机功率因数为基础，其原理是通过检测电动机电压和电流的相角，实时获取功率因数。通过控制恒相角来控制电动机的功率因数。当电动机在轻载或空载时，功率因数可达到预定值，提高电动机的工作效率。

6.2 最小功率因数角法

最小功率因数角法可通过降低功率因数角实现。三相异步电动机在空载或轻载状态时，定子电流主要用来维持旋转磁场，通过降低电动机端电压来降低功率因数的无功分量，从而提高功率因数，可以在一定程度上改善电动机的功率因数角。

6.3 定子最小电流法

定子最小电流法是基于定子电流的。在某些工作条件下，电动机必须具有最小工作电流点。因此，当电动机输出电压发生变化时，定子最小电流法是以定子电流为基础，通过改变输入电压，将电动机定子电流的变化与最小工作点进行比较。定子最小电流法与功率因数法相比，控制精度更高，应用更为广泛。

6.4 最优电压法

最优电压法是以电动机输入电压为控制变量，来分析电动机的内部损耗，进而推导出总损耗与定子电压之间的变量关系，进行数学建模，进而得到总损耗最小的定子电压。控制电压调节器使电动机在该电压下稳定运行，提高电动机的效率。

7 三相异步电动机节能技术选择

在工程实践中，起动技术的选择不仅要考虑先进的技术，还要考虑经济性、使用的可靠性和维护的方便性。各种起动技术都有自己的市场，从长远来看，软起动无疑将成为主流。选择电子软起动方式，从根本上消除硬起动。在选择启动器时，不仅要考虑产品的品牌功能和技术参数，还应当依据不同工况下的负荷特性和起动要求，选择合适的电动机，确定额定功率和电流。软起动器的容量一般选择略大于电动机的额定电流。根据使用需要，可选择具有多种不同保护功能的启动器，如过流保护、过压保护、缺相保护、三相不平衡保护等。