（电力电子与电力传动专业论文）交流异步电动机节能控制仿真研究.pdf

垂藏童监丈擎磋圭掌穗论文攮要 a b s t r a c t t h ec o n s u m i n go fe n e r g yi na s y n c h r o n o u sm a c h i n ei sv e r yh u g e a n d4 0 t o5 0 o f p o w e r i no n ey e a ri no u r c o u n t r y t h es t u d y o f s a v i n g e n e r g y i n a s y n c h r o n o u sm a c h i n e i s v e r yi m p o r t a n tt oe c o n o m ya n d s o c i e t y t h ea n a l y s i sa n dd e s i g no f s i m u l a t i o ni ns a v i n ge n e r g ys y s t e m t h i n ko v e rt h ee f f e c to fa l lf a c t o r si nq u a l i t yo f s a v i n ge n e r g ya p p l i a n c e ， t h i si sb e n e f i tt os h o r t e nt h ep e r i o do fd e v e l o p ，d e c r e a s et h ec o s t i n go f d e v e l o p a n d o p t i m i z e t h ec o n t r o lp r o j e c t t h ea r t i c l ea n a l y s e st h es a v i n ge n e r g yo f a s y n c h r o n o u s m a c h i n ei n t h e o r y , s t u d i e sf u z z y c o n t r o lt h a tw ei m p r o v e p o w e r - f a c t o rt h r o u g h e x a m i n i n gp o w e r - f a c t o r , a c h i e v e s t h ep r o j e c td e s i g no ft h es a v i n ge n e r g y c o n t r o ls y s t e mi na s y n c h r o n o u sm a c h i n ea n d a c c o m p l i s h e s t h es i m u l a t i o n d e s i g n a n de x a m i n a t i o n 。t h er e s u l to f s i m u l a t i o ns h o w st h e s a v i n ge n e m y s y s t e m a c h i e v e da g o o d e f f e c t t h ea r t i c l er a i s e st h ea d v a n c e dv i e wi nt h e c o n t r o ls y s t e mo fs a v i n ge n e r g yi na s y n c h r o n o u sm a c h i n ea n dt h eo t h e r v i e wi nt h ea p p l i a n c eo ff u z z ys e l f - a d a p t e da n dn e p a ln e t w o r k si nt h e c o n t r o ls y s t e mo f s a v i n ge n e r g y i na s y n c h r o n o u sm a c h i n e i ti sb e t t e rt os o l v et h ep r o b l e m t h a th o wt od e f i n i t et h ef a c t o ro f c u t t i n gd o w nv o l t a g e ，t h es t a b i l i z a t i o no fs a v i n ge n e r g y c o n t r o ls y s t e m a n ds oo ni nt h ea r t i c l e t h r o u g hs i m u l a t i o nd e s i g n ，w ec a ns i m u l a t et h e s a v i n ge n e r g ys y s t e m o fal o to f a s y n c h r o n o u sm a c h i n ei fw er e - m o d i f y s o m ef a c t o r so f s i m u l a t i o n m o d e l 。 西北工业太学磺士学位论文摘要 w ec a l l g e tt h e c o n c l u s i o nt h r o u g ht h ed e s i g na n da n a l y s i so f s i m u l a t i o n t h es a v i n ge n e r g ys y s t e mo f f u z z y c o n t r o lt h r o u g h e x a m i n i n g p o w e r - f a c t o rh a s t h ef a s tr e s p o n s es p e e d ，t h es t r o n g e rr o b u s t ，t h es t r o n g a n t i - p o u n d i n g - l o a da b i l i t ya n d t h eg o o de f f e c to f s a v i n ge n e r g y w ec a l l o p t i m i z et h ee l e c t r i cc i r c u i tt h r o u g hs i m u l a t i o n a tl a s t ，w ec a ni m p r o v e t h ep o w e r - f a c t o ri na s y n c h r o n o u sm a c h i n e + t h ea r t i c l ei sb e n e f i tt ot h e d e s i g no f f a c te l e c t r i cc i r c u i t k e yw o r d s ：a s y n c h r o n o u sm a c h i n e ；s a v i n ge n e r g y ； p o w e r - f a c t o r ；f u z z yc o n t r o l ； s i m u l a t i o nd e s i g n 西北工业大学硕士学位论文第一章概连 第一章概述 1 1我国能源形势及电动机耗能概况 1 9 9 6 年国家统计局统计数字表明，我国全国年发电量的6 0 为各种电机设备 所消耗，其中9 0 k w 以内的中小功率异步电动机耗能占总电机耗能的7 0 ，即消 耗了4 2 0 0 亿度电，按我国今年国家规定每度电0 5 元的电价计算，其折合人民 币2 1 0 0 亿元。如果这些异步电动机能够节电1 0 ，就可节约2 1 0 亿元人民币。 2 0 0 2 年国家电力部统计数字表明，火力发电每k w h 需投资约1 元；三峡水电每 k w h 需投资约1 13 元，建设周期13 1 7 年；核电每k w h 需投资2 - 3 元；其他能 源( 太阳能、风能、海洋能等) 每k w h 需投资3 - 5 元。若仅按中小功率异步电动 机节电1 0 计算，其年节电量相当于三峡电站的半年发电量，可节约国家投入电 站建设资金50 0 亿元左右，为国家节约大量能源和费用。因此，电动机的节能控 制研究将产生巨大的经济效益和社会效益。 1 2 交流异步电动机节能装置国内外研究情况 国外从六、七十年代就开始了中小型异步电动机的节能研究，19 7 5 年美国 宇航局工程师f r a n kn o l a 为减少航天飞机上泵和风扇能耗而研制的功率因数控 制器，通过后面第二章的分析可以得出：即在定子电压一定的情况下，只要负载 率小于额定负载率，交流异步电动机的功率因数基本是和它的负载率成一一对应 的关系。这种装置的工作原理是通过检测功率因数作为控制输入电压信号，并通 过该类装置控制定子端电压来调节输入功率，使其随负载变化而变化。该类装置 空载时节电率为4 0 左右，总节电率大致为2 0 ，功率因数有一定改善，但并来 超过0 5 。鉴于当时电力电子器件的生产水平，功率开关采用的是双向可控硅， 因此产生大量谐波，对电网造成严重污染。 由于能源紧缺，我国也从七十年代开展了大规模节能装置的研究。据国家 第七批节能产品推广项目介绍，研制出了1 1 ) ，d j z ，x s z 等一大批系列节电器。其 空载节电率大于3 0 左右，轻载( 小于3 0 负载率) 为33 - 4 3 左右。 随着电力电子器件的发展以及电力电子技术的进步，国内外在中小型交流异 步电动机节能装置上普遍采用i g b t 、i p m 等第三、第四代电力电子器件以及s p w m 西北工业大学硕士学位论文 第一章概述 技术，将功率因数控制器作为一个附加装置寄生在交流异步电动机变频调速系统 上。经检索三菱、日立等公司的产品，其异步电动机节能控制可达到：在空载时， 节电率大于4 0 ，电动机功率因数大于0 6 ；当负载率小于3 0 时，可节电4 0 - - 3 5 ，系统功率因数大于9 5 ；且各次谐波都很小，不会对电网安全运行造成 影响。 在交流异步电动机节能运行控制装置上，日前为止做的比较成功的是日立 公司的j3 0 0 系列的变频调逮器，该变频器能够自动搜索节能运行时定子电压需 要的最佳工作点，使交流异步电动机总是在最佳工作点上运行，从而实现了最佳 节能运行。 但该变频器在节能运行时，存在以下两个问题： 第一个问题是：变频器在搜索最佳工作点时，需要结合交流异步电动机 的参数来进行。变频器在出厂时，已经将它所配用的标准电动机的参数设定 好。因此，只有当变频器的设定的参数和电动机的参数相吻合时，搜索的结 果才是比较准确的。当电动机的参数和变频器设定的参数不吻合时，必须从 新设定变频器的有关参数，才能进行节能运行，否则达不到应有效果。所以， 这种工作方式第一个缺点是变频器节能装置对电动机的适应性比较差。 第二个问题是：当电动机的工作点偏离最佳工作点时，变频器采用的是 逐次逼近的方法，印进行一次搜索，调整一个规定的电压增量或减量，稍作 等待后再进行下一次搜索，再调整一个电压增量或减量，一直调整到超过最 佳工作点一步，再返回一步才能找到这个最佳工作点。因此，其搜索周期不 可能很短( 通常都大于1 0 秒，在电动机工作点远离最佳工作点时，有时调 整时间可达十几分钟) 。如果负载处在频繁波动时，系统处于不停寻找最佳 工作点的状态，这样系统就很难达到一个稳定状态。所以，当变频器在节能 方式下运行时，其动态性能比较差。当突加负载时，拖动系统可能因电压来 不及增加到必要的值而堵转。因此，这种节能运行方法主要适用于负载转矩 较恒定的场合。 。 除此之外，国内外还有采用经验公式和简化的理想公式进行节能控制的 变频器，其对电动机的参数依赖性更大，该控制方法将在第二章有简要介绍。 由于电动机各型号之间及同型号电动机生产工艺上都存在差异，电动机的参 2 西北工业大学硕士学位论文第一章概述 数很难做到一致，就是同一台电动机运行一段时间后参数也可能发生改变。 因此，采用这种节能控制方法产生的节能效果不尽如人意。 1 3 课题背景及目的 交流异步电动机电动运行时一般有三种方式可以达到节能的目的：一是变频 节能，二是降低定子电压节能，三是优化电动机本体设计节能。本论文将研究降 低定子电压节能方式，在以后的工作和论述中只考虑降低定予电压节能方式，其 它两种节能方式就不在涉及。 目前，在节能控制方面，由i g b t 、i p m 等第三、第四代电力电子器件和s p w m 技术构成的功率电路已经做的比较完美，改进的余地不大。但是，根据电动机的 负载率确定定子电压的最佳工作点，进而快速、有效、准确的提供电动机定子的 降压系数，目前还有很大的改进余地，其主要问题是电动机节能装置对电动机的 适应能力不强，对负载的适应能力也不强，有的节能装置动态响应差且不易收敛。 任何控制系统都存在着快速性、稳定陛和准确性之间的矛盾。因此，本论 文需要找到一种方法，使系统兼顾快速性、稳定性和准确性，达到较佳工作点， 并保证电动机节能控制装置运行时的收敛性。 本论文研究的目的和研究的主要内容有以下三点： 一、异步电动机满载起动时，起动电流为额定电流的5 到7 倍，而起动转 矩却小于额定转矩，一般功率逆变器设计的最大工作电流( 考虑安全裕量) 为额 定电流的3 倍左右，因此本系统的设计应将起动电流限制在其额定电流的两倍半 以内，并且起动转矩要大于额定转矩的1 2 0 。这样做有两个好处：一是改善了 电动机的起动性能，二是使电动机从起动就处于节能运行的状态。 二、交流异步电动机节能运行一般是采用降低定子端电压的方式，最早的调 压方案大多采用双向晶闸管调节电压波形的相位，当然这样做会大大降低整个节 能装置的成本，但会产生大量的高次谐波。电压越低谐波影响就越厉害，对电网 带来的污染越大。因此，消除或削弱谐波带来的危害也是本论文需要研究的内容 之一。 三、根据不同的负载率确定合适的降压系数是本论文研究的重点。在额定电 压或输入电压一定情况下，负载越大，转差越大，功率因数越高。降压节能运行时， 西北工业大学硕士学位论文 第一章概述 由于输入电压降低，在一定负载下，其转差率加大，但应该保证其转羞率不能大于 额定电压下满载时的转差率，否则不能满足正常工作时转速要求，而且还不能节 能，目前所能找到的公式大多是经验公式和简化公式，降压系数严重依赖电动机 参数。而电动机参数与电动机型号、加工工艺和电动机老化都有关系，因此采用 传统的数学解析式方法很难达到满意效果。本章第二节已分析了日立等公司采用 的逐次逼近的方法也有诸多问题。因此，本文将采用模糊控制技术等人工智能控 制技术寻找解决问题的突破口。 1 4 主要工作 本论文主要完成了以下工作： 交流异步电动机的原理、d q o 坐标系的分析，交流异步电动机运行时各种能 耗分析。 交流异步电动机定子降电压节能原理的分析。 s p w m 技术和i p m 等器件构成的主电路的简单设计。 使用模糊控制技术完成单片机节能控制装置的设计，加快节能控制装置的 动态响应速度，可在1 s 之内完成电压调节，且在任意负载率下功率因数都大于 0 6 。 解决模糊控制系统不易收敛的问题，使功率因数的控制达到了准闭环状态。 解决出现冲击负载时，功率逆变系统提供给电动机的定子电压来不及增加到必要 的值而出现堵转的问题。 完成主电路和节能控制装置的仿真设计，并进行了仿真实验，达到了满意 效果。 给出了功率因数检测方案，使节能控制装置可单独构成一个系统，也可以 寄生在其他的变频器上，作为一个附加装置提供给用户。 西北工业大学硕士学位论文第二章异步电动机功耗分析及降定子电压节能分析 第二章异步电动机功耗分析及降定子电压节能分析 2 1异步电动机电动运行状态下的功耗分析 两种我国目前大量使用的y 系列和j 0 2 系列小型交流异步电动机的功耗情况 见表2 - 1 和表2 - 2 。 表2 - 1j 0 2 - 2 1 - 2 型电动机功耗表 额定功率：1 5k w额定电流：3 2 3 a 负载率输出输入效率综合功率电流 运行区 ( )功率功率( )效率因数( a ) ( k w )( k w )( ) 000 12 5000 15 81 2 0 0 50 0 7 50 2 0 13 7 3 93 3 4 40 2 5 21 20 9 100 15 00 2 7 75 4 104 9 3 80 3 4 l1 23 7 1 50 2 2 50 3 5 56 3 3 659 3 70 4 2 11 2 8 2 非 2 00 3 0 00 43 46 9 1 16 5 4 90 4 9 l1 3 4 2 经 2 50 3 7 50 5 1 47 2 9 36 9 6 60 5 5 21 4 1 6 济 3 00 4 5 00 5 9 57 5 5 87 2 6 00 6 0 31 50 1 3 50 5 2 50 6 7 87 7 4 67 4 7 40 6 4 6l5 9 5 4 00 6 0 0o 7 6 l7 8 8 l7 6 3 l0 6 8 1l 6 9 8 4 50 6 7 50 8 4 67 9 7 97 7 4 80 7 1 i1 80 7 有功经济运行区 4 7 6 10 7 1 4o 8 9 l8 0 1 07 7 9 60 7 2 51 8 6 7 般 5 00 7 5 00 93 28 0 5 07 8 3 4o 7 3 61 9 2 2 综合经济运行区 5 3 8 90 8 0 80 9 9 98 0 9 07 8 0 8 5o 7 5 42 0 1 5 5 50 8 2 51 0 1 98 0 9 97 80 9 70 7 5 82 0 4 2 有效经济运行区 5 5 1 00 8 2 71 0 2 08 1 - 0 07 8 9 80 7582 0 4 l 6 00 9 0 01 _ 1 0 78 1 3 37 9 4 20 77 72 1 6 5 理想经济运行区 6 1 6 20 9 2 41 13 58 1 4 07 9 5 40 7 8 22 20 6 有效综合经济运行 6 3 3 70 9 5 11 1 6 78 1 4 87 9 5 50 7 8 82 2 5 0 经 区 6 50 9 7 51 1 9 88 1 5 37 9 7 30 7 93 2 29 1 济7 01 0 5 01 2 8 68 1 _ 6 47 9 9 3 0 8 0 72 4 2 1 最高效率区 7 4 2 31 1 131 3 6 38 1 _ 6 58 0 0 2o 8 l82 53 2 7 51 - 1 2 51 _ 3 7 88 1 6 68 0 0 30 8 2 0 2 5 5 2 理想综合经济运行 7 6 0 51 1 4 11 3 9 78 1 6 68 0 0 40 8 232 5 80 区 5 酉北工业大学硕士学位论文第二章异步电动机功耗分析及降定子电压节能分析 续表2 - 1j 0 2 2 卜2 型电动机功耗表 负载率输出输入效率综合功率电流 运行区 ( )功率功率( )效率因数( a ) ( k w )( k w )( ) 最高综合效率区 7 9 6 11 19 4 11 4 6 38 1 6 38 0 0 60 83 12 6 7 5 8 01 2 0 01 4 7 0 8 1 6 28 0 0 60 83 22 6 8 6 经 8 51 2 7 51 56 48 l5 38 0 0 30 8 4 22 8 2 1 济 9 01 3 5 01 6 5 98 1 _ 3 97 9 9 40 8 5 22 9 5 7 9 51 _ 4 2 51 7 5 58 1 2 l7 9 8 l0 8 6 13 0 9 5 1 0 01 5 0 01 - 8 5 28 1 0 07 9 6 5o 8 7 03 2 3 4 表2 - 2y 1 3 2 s 2 - 2 型电动机功耗表 额定功率：7 5 k w额定电流：1 5 a 负载率输出输入效率综合功率电流 运行区( )功率功率 ( )效率因数( a ) ( 1 ( v )( i ( w )( ) 非 000 3 0 0000 1 1 44 0 0 0 5o 3 7 50 6 7 75 5 3 74 9 5 80 2 5 34 ，0 6 5 经 100 7 5 01 0 5 97 0 8 26 5 8 70 3 7 84 2 5 4 l51 1 2 51 4 4 57 7 8 47 3 7 40 4 8 24 5 5 2 济 2 01 5 0 01 83 68 1 707 8 2 30 5 5 5 4 9 3 8 2 51 8 7 52 23 18 4 0 38 1 0 20 6 2 85 3 9 5 有功经济运行区 2 9 2 72 19 52 5 7 28 5 3 48 2 6 3o 6 7 l5 8 2 8 般 3 02 2 5 02 6 3 18 5 5 28 2 8 50 6 775 9 0 8 综合经济运行区 3 4 4 92 5 8 72 9 9 18 6 4 083 9 80 7 1 16 3 9 8 3 52 6 2 53 0 3 58 6 4 88 4 0 80 7 1 46 4 5 8 理想经济运行区 3 6 0 12 7 0 13 1 1 88 6 638 4 2 80 7 2 16 5 7 2 有效综合经济运行区 3 9 3 72 9 5 33 3 9 28 7 0 48 4 8 30 7 4 06 9 6 1 4 03 0 0 03 4 4 48 7 1 l8 4 9 10 7 43 7 0 3 9 理想综合经济运行区 4 2 7 93 2 0 93 6 7 48 7 3 58 5 2 50 7 5 77 7 3 5 4 53 3 7 53 8 5 78 7 4 98 5 4 70 7 6 77 6 4 6 5 03 7 5 04 2 7 58 7 7 28 5 8 20 7 8 58 2 7 l 5 54 1 2 54 6 9 78 7 8 18 6 0 20 8 0 18 9 l2 6 西北工业大学硕士学位论支第二章异步电动机功耗分析及降定子电压节能分析 续表2 - 2 y 13 2 s 2 - 2 型电动机功耗表 负载率输出输入效率综合功率电流 运行区 ( )功率功率( )效率 因数( a ) ( k w )( k w )( ) 最高效率区 57 5 14 3 1 34 9 1 18 7 8 38 6 0 8o 8 0 89 2 3 8 6 04 50 05 1 2 48 7 8 28 6 1 20 8 1 49 5 6 4 最高综合效率区 6 2 7 54 7 0 65 3 6 18 7 7 98 6 130 8 209 9 27 经 6 64 8 7 55 6 6 68 7 7 58 6 1 20 8 2 51 0 23 705 5 205 9 9 18 7 ，6 38 6 0 60 8 3 510 9 0 7 55 6 2 56 4 3 28 7 4 68 5 9 40 8 4 41 1 5 7 济 8 06 0 0 06 8 7 68 7 258 5 7 8o 8 53122 6 8 56 3 7 57 3 2 68 7 0 28 5 5 80 8 6 012 9 4 9 06 7 5o7 7 8 08 6 7 78 5 3 50 8 6 713 6 3 9 57 1 258 2 3 8 8 6 4 98 5 1 00 8 7 414 3 3 1 0 07 50 08 7 0 18 6 2 08 4 8 30 8 8 01 5 0 2 从表2 - 1 和表2 - 2 中可以看出，中小型交流异步电动机满载时，效率为8 0 左右，功率因数为0 85 左右，随着负载率的下降，效率和功率因数逐渐下降，在 负载率小于4 5 时，下降趋势更为明显，空载时，效率为零，功率因数仅为0 1 5 左右，空载电流几乎全为无功电流。另据电力部门的有关统计，我国中小型异步 电动机太部分工作时的负载率为o 一6 0 ，在这个负载率的工作段，电机效率从 o 一7 6 左右，功率因数从0 1 5 - 0 7 3 左右，大量功率都被浪费掉，主要是无功功 率。根据电力法有关规定，功率因数小于0 5 时，电力部门将拉闸停电，可见小 功率异步电动机轻载和空载时将对电网产生了巨大污染，大量电力资源未被充分 利用。 2 2 异步电动机的损耗 三相异步电动机在运行中产生的各种损耗，根据g b 7 55 电机基本技术要求 中规定，将三相异步电动机损耗划分为恒定损耗、负载损耗及杂散损耗。 2 2 1 恒定损耗 恒定损耗是指三相异步电动机运行时固有损耗，它与电动机材料、制造工艺、 结构设计、转速等参数有关，而与负载大小无关。恒定损耗包括铁心损耗( 含空 载杂散损耗) 及机械损耗。 ( 1 )铁心损耗 铁心损耗( 含空载杂散损耗) 亦称铁耗，指主磁场在电动机铁心中交变所 西北工业大学硕士学位论文第s - 章异步电动机功耗分析及降定子电压节能分析 引起的涡流损耗和磁滞损耗。异步电动机在正常运行时，转差率很小，转子铁心 中磁通变化的频率很小，一般仅为每秒1 3 周，所以异步电动机铁耗主要为定子 铁心损耗。 铁耗大小取决于组成电动机铁心材料性能、频率及磁通密度，近似公式 = 矿1 3 b 2 k 为系数，b 为磁通密度，厂为转子磁通变化的频率。 空载杂散损耗圪是指空载电流通过定子绕组的漏磁通在定子机座、端盖等金 属中产生的损耗，如果空载电流近似不变，因此这些损耗也是恒定的。 铁耗一般占异步电动机总损耗的2 0 2 5 。 ( 2 )机械损耗 机械损耗匕通常包括轴承摩擦损耗及通风系统损耗，绕线式转子还有电刷摩 擦损耗。轴承摩擦损耗主要与轴承型号，装配水平，润滑脂有关。通风系统的风 摩损耗主要取决于冷却风扇所用材料、风机效率、风道设计合理性。机械损耗还 与异步电动机转速有关，轴承摩擦损耗正比于转速的平方，风摩损耗与转速三次 方成正比。机械损耗一般占总损耗的1 0 一5 0 * * ，电动机容量越大，由于风摩损耗 变大，在总损耗中比重也增大。 2 2 2 负载损耗 负载损耗主要是指电动机运行时，定子、转子绕组通过电流而引起的损耗，亦 称铜耗。 负载损耗( 铜耗) 大小取决于负载电流大小及绕组中的电阻值。 铜耗约占总损耗的2 0 7 0 ，电动机容量越大，铜耗占比例越小。 2 2 3 杂散损耗( 附加损耗) 杂散损耗只主要由定子漏磁通和定子、转子的各种高次谐波在导线、铁心及其 他金属部件内所引起的损耗。这些损耗约占总损耗的1 0 1 5 。 y ( 1 p ) 系列及，0 2 系列异步电动机中各种损耗比例分配数据如表2 - 3 所示。 西北工业大学硕士学位论文第二章异步电动机功耗分析及降定子电压节能分析 表2 - 3 y ( 1 p 4 4 ) 、j 0 2 系列2 级、4 级电动机损耗分布 系列y ( i p 4 4 )j 0 2 功率范围( k w )o 5 5 5 57 5 2 23 0 9 006 5 57 5 2 23 0 l o o 导p 畅)6 0 7 0 3 0 5 02 0 3 06 0 7 03 0 5 02 0 3 0 v 吖 参( ) 2 02 02 02 02 02 0 长( ) 1 0 2 02 0 3 54 0 5 05 1 01 5 2 53 0 5 0 参( ) 5 1 01 0 1 51 5 2 05 1 01 0 1 51 5 2 0 2 3 异步电动机功率计算 当三相异步电动机以转速n 稳定运行时，输入功率为p 1 ： p ，= 3 u - i c o s 仍 ( 2 - 1 ) 式中：u 一一定子相电压 一一定子相电流 c o s t f l l 一一定子边功率因数 定子铜损耗为 吃i2 3 i i ( 2 - 2 ) 式中： 一一定子相电阻 正常运行情况下的异步电动机，由于转子转速接近于同步转速、气隙旋转磁 场与转子铁心的相对转速很小，故磁滞损耗小。转子铁心和定子铁心同样是用 0 5 m m 厚的硅钢片( 大、中型异步电动机还涂漆) 叠压而成，故涡流损耗也不大。 因此转子铁损耗很小，所以电动机的铁损耗主要为定子铁损耗，即7 p f c - 5 3 巧o ( 2 - 3 ) 式中：只。一一电动机铁损 亘些三些查堂塑曼! 堡望文第二章异步电动机功耗分析及降定予电压节能分析 如。一一定子铁损 ，。一一励磁电流 _ 一一励磁电阻 三相异步电动机t 型等效电路为 图中：五一一定子电抗 一一转子电阻 ，z 一一转子电流 s 一一转差率 图2 - 1交流异步电动机t 型等效电路图 异步电动机电磁功率为： = 只屯。一 电磁功率也可表示为 p m = 3 e ：i ：c o s 仍= m 1 e 2 i2 c o s 妒2 式中：c o s 妒：转子边功率因数 川：一一转子鼠笼条数目 ，：一一转子相电流 转子铜损耗p 。：为 气：= 3 ，? = j 1 0 半“ 西北工业大学硕士学位论文 第二章异步电动机功耗分析及降定子电压节能分析 电磁功率 减去转子绕组的铜耗气：就是传输给异步电动机转轴上的机械功 率，用p - 表示。它是转子绕组中电流与气隙旋转磁密共同作用产生的电磁转矩， 带动转子以转速n 旋转所对应功率。 匕= 一气2 = ( 1 一s ) ( 2 - 7 ) 异步电动机在运行时，会产生轴承以及风阻等摩擦阻转矩，这也要损耗一部 分功率，把这部分功率叫做机械损耗，用心表示。 在异步电动机中，除了上述各部分损耗外，由于定、转子磁通势中含有谐波 磁通势，还要产生一些附加损耗，用p s 表示。一般不易计算，往往根据经验估算， 在大型异步电动机中，p 。约为输出额定功率的0 5 ；而在小型异步电动机中，满 载时，p 。可达输出额定功率( 1 3 ) 或更大些。 转子的机械功率只减去机械损耗和附加损耗p s ，才是转轴上真正输出的 功率，用p ，表示 b = 己一一只 ( 2 - 8 ) 可见异步电动机运行时，从电源输入电功率到转轴上输出功率的全过程为 b = 只一。一如一只。2 一p 加一只 ( 2 - 9 ) 异步电动机功率流程图如图2 - 2 所示。 o返 与与 图2 - 2交流异步电动机功率流程图 从以上功率关系定量分析中看出，异步电动机运行时电磁功率，转子回路铜 损耗和机械功率三者之间的定量关系是 西北工业大学硕士学位论文第二章异步电动机功耗坌堑垦堕塞量皇墨堇堂坌堑 p m ：p c ”2 ：p 。= 1 ：s ：( 1 - s ) ( 2 - 1 0 ) 式2 1 0 说明，若电磁功率一定，转差率s 越小，转子回路铜损耗越小，机械 功率越大。异步电动机运行时，如果定子电压为额定电压且拖动额定负载，若s 大，效率一定不高。 2 4 交流异步电动机各种损耗随电压变化的规律 2 4 1运行电压对电动机铁损的影响 电动机定子绕组相电势为 e 1 = 4 4 4 f l v i k l 九x l o 8 ( 2 11 ) 式中：e ，一一定子相电势( v ) 妒。一一每级磁通 形一一定子绕组每相匝数 k ，一一定子绕组系数 每极磁通为： 。= e 1 ( 4 4 4 形蜀1 0 8 ) 对同一台电动机，其铁损与磁密b 的平方成正比 比。对应于运行相电压u x 的电机铁损为 只。= 只。( u l u l ) 2 式中：u 。一一电动机的额定相电压( v ) 因而与相电压的平方成正 u 。一一电动机的实际运行电压( v ) p f e n 一一电动机在额定电压下的铁损( k w ) 对应于运行电压的铁损与对应于额定电压的铁损之差为 哦母= 一，h 铡 显然，定予相电压上升时，a 0 ；定子相电压下降时，a 气 0 。 型l s - , & 大学硕士学位论文第二章异步电动机功耗分析及降定子电压节能分析 2 4 2 定子电压与定子、转子铜损 额定负载时的定子铜损： 吃l = 3 i z r l 1 0 = 气l ( l i 。) 2 ( 2 - 1 4 ) 式中：，。一一电动机在额定负载额定电压时的定子电流( a ) ，一一电动机在额定负载对应于运行电压的定予电流( a ) r 一一定子绕组电阻( o ) 耳。一一电动机对应于额定负载额定电压的定子铜损( k w ) 。 在满载情况下对应于运行电压的转子铜损为 p c 2 = 3 1 2 z r z xx 1 0 - 3 = 式中：j ：。一一对应于额定负载额定电压的转子电流( a ) ，：一一在额定负载状态下对应于运行电压的转子电流( a ) b 。：。一一对应于额定负载额定电压的转子铜损( k w ) 对于额定的恒转矩负载，运行电压降低，电动机的定予电流，。和转子电流1 2 均 将增加。反之亦然。 对于风机水泵负载，电压下降导致转矩下降，进而使送风送水量下降，有可 能使工作电流下降，电机定转子铜损下降。 在满载情况下，对应于运行电压的定、转子铜损与对应于额定电压的定转子 铜损之差为 足。= ( 最。+ 足。：) 一( p c 。+ 曼。：。) ( 2 1 6 ) 显然，对于额定的恒转矩负载，运行电压高于额定电压，峨。 0 。 2 4 3杂散损耗随电压变化的规律 根据国家g b 7 55 规定的算式，杂散损耗为： e s = o 5 r ( ，t i l ) 2 ( 2 - 17 ) 西北工业大学硕士学位论文第二章异步电动机功耗分析及降定子电压节能分析 式中：r 一一电机额定功率( k w ) ，。一一电机定子额定电流( a ) ，一一电机运行电流( a ) 在满载情况下，对应于运行电压的杂散损耗与对应于额定电压的杂散损耗之 差为峨= o 5 0 o e , , ( 1 i 。) 2 0 5 p u 。 显然，对于额定的恒转矩负载，运行电压高于额定电压时，蝇 0 。 2 4 4 风摩损耗随电压变化的规律 在电压不变的情况下，对已制造好的电动机而言，风摩损耗是常量。当运行 电压偏离额定电压时，对风机负载，将影响电动机转速总之，电压高，风摩损耗 增大，电压低，风摩耗减小。 2 5电动机的经济运行电压及其对损耗的影晌因素 根据前面分析，可以得出以下几点结论： ( 1 ) 电压下降，电机的铁损与电压平方成正比关系下降；风摩损耗有可能下 降( 风机负载) ；定、转子铜损上升还是下降与负载性质有关，对恒转矩负载，定 转子铜损几乎与电压平方成反比关系上升，上升的量取决于满载满压时的定转子 铜损和负载率的平方( 卢2 ) 二个因素；杂散损耗上升。 ( 2 ) 电压上升，铁损t ；z - 与电压平方成正比关系上升；风摩损耗上升；对恒转 矩负载，定转子铜损几乎以与电压平方成反比关系下降，下降的量值取决于满载 满压时的定转子铜损和2 二种因素；杂散损耗下降。 ( 3 ) 在拖动同一个恒转矩负载的情况下，电压不同，电动机消耗的功率也将 不同。消耗功率与电压的关系如图2 3 所示。 1 4 西北工业大学硕士学位论文 第二章异步电动机功耗分析及降定子电压节能分析 图2 3异步电动机的功耗随电压而变化的曲线 由图中曲线可以得出以下几点： ( 1 ) 电压不同，异步电动机总损耗也不同，功率消耗最低点也就是功率损耗 最低点，对应的电压u 就是经济运行电压。 ( 2 ) 电压高于u 。时，由于铁损增加量超过铜损和杂散损耗的减少量，使总损 耗增大进而使功率消耗增大；电压低于u 1 时，由于铜损和杂散损耗增加量超过铁 损减少量，使总损耗增大，进而使功率消耗增大。 ( 3 ) 对同一台异步电动机而言，u ，的大小与异步电动机的负载率有关。负载 率高，u 较大；负载率低，u 。较小。 2 6 交流异步电动机输入电压、电流之间的关系 当异步电动机以某一转速n 。( 给定频率为正) 拖动某一负载瓦时，定子电压 u ，的大小对定- - 7 - 电流，的影响，即，= 厂( u 。) 。 首先假定： ( 1 ) 异步电动机的给定频率正不变； ( 2 ) 负载转矩瓦不变。 2 6 1 恒定时的充要条件 = k r 丸，2c o s p 2 ( 2 - 1 8 ) 式中：一一电动机产生的电磁转矩 九一一电动机的磁通 耍型望兰些查兰墨兰! ! 苎堕奎 篁三主墨生皇垫垫垫堑坌堑墨堕塞量皇垦堇些坌堑 如忽略c o s 妒：的微小变化不计，则保持= c o n s t 的充分和必要条件是 “，2 = c o n s l( 2 - 1 9 ) 九由励磁电流i o 产生，可以粗略的认为，只要九小于铁心饱和点时的磁通 ，的增大或减小，将同时引起，0 和i ：的变化，从而也必将影响i 。的大小 i i = 一1 2 + ，o 。 2 6 2 磁通九与电流，i 、i o 和j 。的关系分析 ( 1 ) 九对t 的影响 设吼为磁通变化系数，则有 九2 4 d ( 2 - 2 0 ) 磁通的变化量a 九为 九= 吩虬一= “h 一1 )( 2 - 2 1 ) 九厶= c o n s t( 2 - 2 2 ) 由式2 2 2 推得，这时的j ，为 ，2 = ，2 月a d( 2 - 23 ) 式中：。一一转子电流( 在丸= 九时) 转子电流，：的变化量a j ：为 ：= ，：。d 一，：= 丘。( 1 一口。) 口。( 2 - 2 4 ) ( 2 ) 丸对，。的影响 一般认为，九是和i o 成正比的，所以，。= 吼，。a 变化量 a o = l o t , 乜一1 j( 2 - 2 5 ) 式中：，。一励磁电流( 在九= 时) 1 6 西北工业大学硕士学位论文第二章异步电动机功耗分析及降定子电压节能分析 当铁心饱和后，当“增加a 九时，。的变化量，。将是很大的。 ( 3 ) 九对的影响 “减小( 九 1 铁心饱和。 一方面，由武2 - 2 1 和武2 - 2 4 可知，这时， a 2 的减小比例比钆的增大比 例为小。 另一方面， “将增加很多，当加较大时，有 l i l a o ( 2 - 2 7 ) 由式j 1 = 一1 2 + l o ，j 也将增加。 ( 4 ) ，。= ，妙。) 曲线 以上的分析表明，电动机在运行过程中，如能保持九= = c o n s t ，则所需 的1 。最小。由式九“k u 。f , 知，在一定频率下，虬的大小取决于u 。所以， 得到的，。一u 。曲线如图2 - 4 所示。由图2 - 4 可知存在着使电动机的定子电流i ，为最 小的最佳工作点。在这一点上，电动机的损耗也最小，故最节能。事实上，该最 佳工作点就是与九= 对应的工作点。 如负载的大小发生变化，最佳工作点的位置也将发生变化。图2 - 4 中a 、b 、c 点即为不同负载时的最佳工作点，卢。( 卢。( 屏。 7 西北工业大学硕士学位论文 第二章异步电动机功耗分折及降定子电压节能分析 v 图2 - 4 不同负载时的最佳工作点 2 7 交流异步电动机效率与功率因数 电动机的功率因数是电动机的有功功率除以输入电动机的总功率，如果电动 机的有功功率不变，而功率因数上升，这说明电动机的总功率下降，也就是无功 功率减少，因此研究减少无功功率也可以通过研究增加功率因数来实现，所以本 节需要探讨功率因数的问题。 2 7 1 交流异步电动机效率 电动机效率刁= b e , x 1 0 0 ，其中e 为输入功率、b 为输出功率，只一只之 差是电动机的损耗。电动机损耗有铁耗只扩铜损耗吃= 尼。+ 只。； 机械损耗 及杂散损耗b 。这些损耗可以按g b l0 3 2 三相异步电动机试验方法通过实测和 计算求得。但这些方法要求较高、技术难度大对于运行的电动机及一般的技术条 件而言是很难得到的。为了使电动机经济运行测试便于计算、贯彻。g b l 2 4 9 7 中把 异步电动机的有功功率损耗用下列形式表达； p = r + 2 【( 1 ，乳一1 ) r r 】 ( 2 - 2 8 ) 式中：r 一一电动机的额定功率( k w ) ； 玑一一电动机的额定效率； 1 o 一一电动机空载时输入功率，亦称空载损耗( k w ) ； 西北工业大学硕士学位论文第s - 章异步电动机功耗分析及降定子电压节能分析 1 3 一一电动机负载率，= 马p v 1 0 0 。 这样我们可以把效率公式改写成： 叩= 最他x 1 0 0 = 熙( 解+ z p ) = 届p e 岛p v + r + 2 ( 1 叩。一1 ) 一只】 ( 2 - 2 9 ) 从式2 - 2 9 可见，电动机效率与电动机r 。、p 0 及d 有关。叮。、e 0 是电动机本 身特性所决定，即对- t - c - 台电动机而言，r 。、p 0 是一个固定值。因此可阻说电 动机的效率取决于电动机的负载率b 。 2 7 2 交流异步电动机的功率因数 c o s = 只3 c ，i ，l ( 2 - 3 0 ) e = 最+ p = 矾+ 异+ 2 【( 1 刁。一1 ) p u p o 】 ( 2 - 3 1 ) 电动机的无功功率计算公式为 q = q o + 卢2 b 。留妒。q 。一a o 】 ( 2 - 3 2 ) 式中：q o 一一电动机空载时无功功率( k v