（电力系统及其自动化专业论文）不均匀负荷电动机晶闸管调压装置的研究.pdf

摘要 风机、 水泵这类不均匀负荷的电动机使用面非常广， 仍然采用挡板、阀门控制流 量的方式多消耗大量电能。论文提出研究基于晶闸管控制的风机、水泵电动机调压调 速节能方法与技术，实现电动机节能控制、软启动、运行状态监视和电动机保护等功 能。因此，课题研究有重要学术意义和实用价值。 论文在分析了风机、水泵电 动机调压节能原理基础上，针对3 8 0 v / 3 7 k w 的异步电 动 机， 完成了 晶闸 管调压 装置的 主电 路 和 控制电 路设计; 提出 了以 功率因 数 和p 工 d 控制 为依据的调压算法:最后用m a t l a b 对设计的装置进行了仿真。结果表明，晶闸管调压 装置成本低、节电效果好，但存在谐波较大的不足。 【 关键词】 不均匀负荷;异步电动机;调压节能; 谐波分析;控制技术 t h e m o t o r s w i t h u n s y m m e t r i c a l l o a d s u c h a s f a n s a n d w a t e r p u m p s a r e u s e d w i d e l v . r n e y w t u c o n s u m e s a g r e a t cl e a t o f p o w e r e n e r g y , i f c o n t r o l l e d b y a c c o m m o d a t i n g t h e b a f fl e s a n d v a l v e s . i n t h i s p a p e r , a n e n e r g y - s a v i n g t e c h n o l o g y b a s e d o n t h y r i s t o r c o n t r o l l i n g i s a d v a n c e d , i n c l u d i n g t h e m o t o r s e n e r g y - s a v i n g , s o ft s t a r t u p , s c o u t i n g s t a t e , a n d s a f e g u a r d i n g m o t o r . t h e r e f o r e , t h e r e s e a r c h h a s n o t o n l y t h e i m p o r t a n t s c i e n c e m e a n i n g , b u t a l s o t h e u t i l i t y v a l u e . t h e a lt e rn a t in g - v o lt a g e t h e o ry o f t h e f a n s a n d w a t e r p u m p s i s a n a l y z e d i n t h i s p a p e r . t h e l o a d f o r t h e d e s i g n e d e q u i p m e n t i s t h e m o t o r , w h o s e v o l t a g e i s 3 8 0 v a n d p o w e r i s 3 7 k w . t h e m a i n c i r c u i t a n d t h e c o n t r o l l e r a r e d e s i g n e d . t h e n , t h e a lt e rn a t in g - v o lt a g e a r i t h m e t i c i s a l s o a d v a n c e d b a s e d o n t h e p o w e r f a c t o r a n d p i d c o n t r o l l i n g m e t h o d . f i n a l l y , t h e m o d e l i n g o f t h e wh o l e c i r c u i t i s e s t a b l i s h e d wi t h ma t l ab a n d t h e s i mu l a t i o n i s ma d e w h e n t h e t h y r i s t o r s a r e t r i g g e d a t d i f f e r e n t p h a s e - s h i f t a n g l e s . t h e r e s u l t s h o w s t h a t a l t e r n a t i n g v o l t a g e a d j u s t m e n t c o s t s l i t t l e a n d t a k e s e f f e c t e v i d e n t l y . b u t i t h a s t h e d i s a d v a n t a g e o f t h e a b u n d a n t h a r m o n i c s . ( k e y w o r d s u n s y m m e t r i c a l l o a d , a s y n c h r o n o u s m o t o r , v o l t a g e a l t e r n a t i n g a n d e n e r g y s a v in g , a n a l y z e o f t h e h a r m o n i c s , c o n t r o l l i n g m e t h o d .y 7 1 3 2 4 0 .d匕0口 尸a明 本人郑重声明: 此处所提交的硕士学位论文 不均匀负荷电 动机晶闸管调压 装置的研究 ，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间， 在导师指导下进行的 研究工作和取得的 研究成果。 据本人所知， 除了 文中 特别加以 标注和致谢之处外， 论文中不包含其他人己 经发表或撰写过的 研究成果， 也不包含为获得华北电力大 学或其他教育机构的学位或证书而使用过的 材料。 与我一同工作的同志对本研究 所做的 任何贡献均己 在论文中 作了明 确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名:期 :认 有 了 了成. 心 寸 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、 使用学位论文的规定，即: 学校有 权保管、 并向有关部门 送交学位论文的原件与复印件; 学校可以采用影印、 缩 印 或其它复制手段复制并保存学位论文; 学校可允许学位论文被查阅或借阅; 学校可以 学术交流为目 的， 复制赠送和交换学位论文; 同意学校可以 用不同 方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 1 密的 学位论文在解 密后 遵守 此规定 ) 储 签 名 二 i= jlicl -jlicl - 。 师 签 名 . 日 期 ; -y b c. 0 . v - t日 期 : 华北电力大学硕士学位论文 第一章绪论 1 . 1 课题的提出 风机、 水泵是量大面广的通用机械设备， 这类机械设备的年耗电 量占 全国发电量的 3 1 % ， 且实际运行中的不均匀负荷占 7 0 % ; 所以， 这类电 动机的节能问 题广为人们关注和 重视。在满负荷工况条件下，电机的效率一般较高，通常在8 0 % 左右;然而，一旦负荷 下降， 电 机的效率便随之显著下降。 由于风机、 水泵带负荷启动对电动机转矩要求较高， 因此在电 动机容量选择上， 往往追求有较大的安全余量， 结果导致电动机容量配置过大， 造成“ 大马拉小车” 的现象。因此，这种状况必然造成大量的、不必要的电能损失。 另外， 风机、 水泵多数是为工、 农业的某一生产过程或生产工艺服务的。由于这些 生产过程或生产工艺上的需要，因此风机、水泵机械运行中的供给量也需要经常调节。 比较传统的风机、 水泵调节控制方式包括: 用挡板的深度来调节风机的风量: 用阀门的 开度来调整水泵的水量: 运行实践表明， 这种方式不仅需要专门人员看管、 维护， 并且 操作不便、 效率不高、 浪费电能严重。 在常用的调速方式中， 如液力祸合器调速、 变极 对数调速和变频调速装置等， 由于存在着成本过高、 操作控制复杂等原因， 限制了这些 调速装置在一些场合的推广使用。 由于对能源的需求和人类的不断开采， 世界上的石油、 煤炭等有机能源面临枯竭的 危机， 新能源开发已经成为重要的研究课题， 而节能问题的研究与新能源开发具有同等 重要的地位。 我国石油资源缺乏、 煤炭资源也不富裕， 近两年负荷增长过快，电力供应 情况异常紧张; 所以， 从电力供应和电能使用角度来说， 研究电动机节电问题及开发风 机、水泵控制装置有重要意义。 因此，本课题提出针对风机、水泵电动机，研究采用晶闸管控制的调压调速节能 方法与技术， 实现对电动机节能控制、 软启动、 运行状态监视和保护， 所以课题研究有 重要学术意义和实用价值。 1 . 2 课题国内外研究现状 通过调研和收集资料表明，国内外对电动机节能方法与技术有大量、深入研究工 作。 其中，关于调压 方法与技术的 有以 下几种: 文献 1 按照最优功率因数原则设计了一种节能装置，该装置采用品闸管实现调 压控制， 提出了按功率因数实现调压控制的方法， 取晶闸管电流过零与晶m管承受的反 相电 压起始时刻差值来反映c o s 或负荷率的大小， 使取出时间差的电子线路变得较为 简单。 该方法与传统的取负载电 流相位和电 流电 压相位计算c o s rp 的方法相比较， 其电 华北电力大学硕士学位论文 第一章绪论 1 . 1 课题的提出 风机、 水泵是量大面广的通用机械设备， 这类机械设备的年耗电 量占 全国发电量的 3 1 % ， 且实际运行中的不均匀负荷占 7 0 % ; 所以， 这类电 动机的节能问 题广为人们关注和 重视。在满负荷工况条件下，电机的效率一般较高，通常在8 0 % 左右;然而，一旦负荷 下降， 电 机的效率便随之显著下降。 由于风机、 水泵带负荷启动对电动机转矩要求较高， 因此在电 动机容量选择上， 往往追求有较大的安全余量， 结果导致电动机容量配置过大， 造成“ 大马拉小车” 的现象。因此，这种状况必然造成大量的、不必要的电能损失。 另外， 风机、 水泵多数是为工、 农业的某一生产过程或生产工艺服务的。由于这些 生产过程或生产工艺上的需要，因此风机、水泵机械运行中的供给量也需要经常调节。 比较传统的风机、 水泵调节控制方式包括: 用挡板的深度来调节风机的风量: 用阀门的 开度来调整水泵的水量: 运行实践表明， 这种方式不仅需要专门人员看管、 维护， 并且 操作不便、 效率不高、 浪费电能严重。 在常用的调速方式中， 如液力祸合器调速、 变极 对数调速和变频调速装置等， 由于存在着成本过高、 操作控制复杂等原因， 限制了这些 调速装置在一些场合的推广使用。 由于对能源的需求和人类的不断开采， 世界上的石油、 煤炭等有机能源面临枯竭的 危机， 新能源开发已经成为重要的研究课题， 而节能问题的研究与新能源开发具有同等 重要的地位。 我国石油资源缺乏、 煤炭资源也不富裕， 近两年负荷增长过快，电力供应 情况异常紧张; 所以， 从电力供应和电能使用角度来说， 研究电动机节电问题及开发风 机、水泵控制装置有重要意义。 因此，本课题提出针对风机、水泵电动机，研究采用晶闸管控制的调压调速节能 方法与技术， 实现对电动机节能控制、 软启动、 运行状态监视和保护， 所以课题研究有 重要学术意义和实用价值。 1 . 2 课题国内外研究现状 通过调研和收集资料表明，国内外对电动机节能方法与技术有大量、深入研究工 作。 其中，关于调压 方法与技术的 有以 下几种: 文献 1 按照最优功率因数原则设计了一种节能装置，该装置采用品闸管实现调 压控制， 提出了按功率因数实现调压控制的方法， 取晶闸管电流过零与晶m管承受的反 相电 压起始时刻差值来反映c o s 或负荷率的大小， 使取出时间差的电子线路变得较为 简单。 该方法与传统的取负载电 流相位和电 流电 压相位计算c o s rp 的方法相比较， 其电 华北电 力大学硕士学位论 文 子线路比 较简单，成本也较低，装置的成本大大降低。但却没有实现电动机的软启动、 保护等功能。 按照功率因数进行调压控制的方法，还有恒功率因数、和随动功率因数的控制方 法。 其中，以恒功率因数控制方法的研究工作较早些， 理论的研究成果也较多， 采用恒 功率因 数进行控制时，电 动机具有比 较好的 节能效果(z l a l ， 但轻载节能效果不理想。 为 提高电动机轻载时的节能效果， 文献【 4 5 提出了随动功率因数控制方式， 即根据不同 负载条件计算、 确定功率因数， 实现电 动机调压控制， 并设计了节电 控制装置， 试验证 明具有更好的效果。 文献 6 提出了按最小输入功率法优化来实现调压节能的方案。 该方案思路是通过 检测来计算电动机的损耗实现自 动寻优，使电动机的铁耗和铜耗都维持在最低的水平， 实现最优节电的效果。因为，电动机损耗p s 包括铁耗与铜耗两部分: 其中铁耗与输入电 压的平方成正比， 而铜耗则与电 流的平方成正比; 只有在铜耗等于铁耗时， 电机的效率 最高， 总损耗p s 最小。 该方案虽然原理上没有问题， 但需要通过检测和计算来确定铁耗 与铜耗; 而铁耗与铜耗除与工作点电 压、电 流相关外， 还与铁心材料、电机新旧等因素 有关，因此方案在技术实现上存在困 难。 文献 8 应用最优调压函数对电动机进行调节。该文通过e m u l a r 方程，在保证输出 机械功率的前提下，以间断负荷下空载周期电 机损耗最小为目 标函数，调节定子电压， 得出 最佳调压函数，并通过仿真计算和动模实验，验证节能效果。 文献 9 提出了对突变负载控制的控制策略。当电动机的负载急剧上升时，能在短 时间内( l o o m s ) 将电压提升到额定值， 保证轴上有足够的功率输出。 这种方法要求微处 理器在进行输入功率优化控制的同时， 又能监视负载功率的变化率， 特别是当负载功率 的变化超过预先设定的阐值时，即判定为突加负载，需立即提升电机端电压，保证对负 载变化的快速响应能力，否则电机就会发生堵转现象。 文献 1 0 对星形一三角形变换这种传统的降压措施进行了深入分析。 星三角变换方 法虽不能实现电压跟踪调节，节能的效果不十分理想，但该方法在技术实现上最简单。 特别对要求启动转矩大， 正常负荷又较轻的工业负载，比如油田抽油机则是一种比较经 济的方法;但方法的技术含量不高，节电效果不是十分理想。 文献 1 1 提出了矩阵式变换器的调压方式。采用9 个双向可控开关组成3 3 的矩阵 式结构， 采用一定的开关控制策略， 可使输出电压为所需频率下的正弦调制电压，同时 可使输入电 流与输入电压同相。 该方法具有明显优点:功率因数高、可调频调幅、谐波 污染低、四 象限运行、 体积小且效率高; 主要缺点是电压传输比为0 . 8 6 6 , 需要的器件数 量多，在价格上处于劣势。 总之，通过收集、阅读大量的文献和资料表明，电动机节电问题的资料和文献非 常多， 研究， 提出的节能控制方法和技术也很多， 但其中一些偏重于电动机节能理论、 对实际问题考虑的不够充分。 但对不均匀负荷电动机的节电实现技术而言 2 方法的 ，根据 华北电力大学硕士学位论文 负荷功率因数变化来调节电压， 实现对电动机的节电控制是一种被普遍认可的方法。 尽 管如此，由于不同场合、 不同情况对电动机控制要求的差别，电动机调压节能控制方法 和技术还需要深入研究。因此，本论文主要针对风机、水泵等这类不均匀负荷电 动机， 研究晶闸管调压的控制技术和调压装置的谐波问题 1 . 3 论文的主要工 _ 作 本论文工作针对风机水泵电动机负载， 设计了一种晶闸管调压调速的装置， 并对这 种装置的问题进行了深入的研究，主要工作包括以下几个方面: 1 、论述了风机、水泵电动机调压节能的必要性，分析了风机、水泵这种不均匀负 荷电 动机的 运行特性， 指出 功率因数是调压控制的 理想参数;同时， 给出了 用晶闸管调 压的导通角控制范围，以及用宽脉冲或脉冲列实现对晶闸管的 触发控制。 2 、 以3 8 0 v / 3 7 e w 电动机为实例， 给出晶闸 管调压主电 路和控制电 路的设计， 内 容包 括晶闸管参数的选择、阻容吸收电路的设计和触发电路的设计，以及控制电路的同步电 路、功率因数检测电路、电动机故障检测及保护电路的设计等。 3 、 针对通常的功率因数位置p 工 d 算法中控制量容易进入饱和区的弊端， 提出了有抑 制积分饱和作用的位置p i d 控制算法， 对选用的单片机进行嵌入式实时操作系统n c / o s - i i 的 移值， 完成了 包括软起 动、 ip 检测、 c o s rp 计算、 b c d 码转换、 功率因 数 控制、电 动 机保护在内的应用程序设计。 4 、 用m a t l a b 对设计的 装置进行建模仿真， 给出 调压装置在不同触发角下的转速曲 线、电压电流波形、稳态时电流频谱和谐波干扰等分析结果;论文研究工作表明， 采用 晶闸管元件实现调压控制虽然有成本低、节电效果好的优点，但也存在谐波，对电网有 较大的污染。 华北电力大学硕士学位论文 负荷功率因数变化来调节电压， 实现对电动机的节电控制是一种被普遍认可的方法。 尽 管如此，由于不同场合、 不同情况对电动机控制要求的差别，电动机调压节能控制方法 和技术还需要深入研究。因此，本论文主要针对风机、水泵等这类不均匀负荷电 动机， 研究晶闸管调压的控制技术和调压装置的谐波问题 1 . 3 论文的主要工 _ 作 本论文工作针对风机水泵电动机负载， 设计了一种晶闸管调压调速的装置， 并对这 种装置的问题进行了深入的研究，主要工作包括以下几个方面: 1 、论述了风机、水泵电动机调压节能的必要性，分析了风机、水泵这种不均匀负 荷电 动机的 运行特性， 指出 功率因数是调压控制的 理想参数;同时， 给出了 用晶闸管调 压的导通角控制范围，以及用宽脉冲或脉冲列实现对晶闸管的 触发控制。 2 、 以3 8 0 v / 3 7 e w 电动机为实例， 给出晶闸 管调压主电 路和控制电 路的设计， 内 容包 括晶闸管参数的选择、阻容吸收电路的设计和触发电路的设计，以及控制电路的同步电 路、功率因数检测电路、电动机故障检测及保护电路的设计等。 3 、 针对通常的功率因数位置p 工 d 算法中控制量容易进入饱和区的弊端， 提出了有抑 制积分饱和作用的位置p i d 控制算法， 对选用的单片机进行嵌入式实时操作系统n c / o s - i i 的 移值， 完成了 包括软起 动、 ip 检测、 c o s rp 计算、 b c d 码转换、 功率因 数 控制、电 动 机保护在内的应用程序设计。 4 、 用m a t l a b 对设计的 装置进行建模仿真， 给出 调压装置在不同触发角下的转速曲 线、电压电流波形、稳态时电流频谱和谐波干扰等分析结果;论文研究工作表明， 采用 晶闸管元件实现调压控制虽然有成本低、节电效果好的优点，但也存在谐波，对电网有 较大的污染。 华北电力大学硕士学位论文 第二章电动机晶闸管调压节能原理 2 . 1 调节风机水泵调速控制的必要性 12 1 风机、 水泵有两种调节流量的 方式， 一种是调节转速改 变流量节电， 另一种是节流 调节 ( 控制挡板和阀门的开度) 则浪费电。下面以 风机为例说明 其原理。 风机的风量q 与转速n 成正比， 可写作 2 = k l n ( 2 - 1 ) 风压h与转速二 的平方成正比 h r = 凡n 2 ( 2 - 2 ) 电动机的 轴功率尸 同 刀 与q 的 积成正比，即同 转速犯 的 立方成正比 f = k 3 n 3 ( 2 - 3 ) 式中k , . k 2 . k 3 为常数。轴功率尸 还可表示为 f = ( 2 - 4 ) 了哎-叮 不上-卜日 门少-勺 式中 17 风机总效率 ( 包括风机与传动装置) 显然， 采用转速调节时，要求风量q 由1 减为1 / 2 ，只需使转速由1 降为1 / 2 即 可，而 轴功 率则由 1 减少为 ( 1 / 2 ) 3 即 节 约 7 / 8 的电 功 率， 效 果 非 常 显 著。 而采用传统的节流调节， 转速保持不变而使挡板开度减小，当q由1 减为1 / 2 时， 风压h变 化不 大， 多 数还略有 上升; 另 外， 随 着风量q的 减少， 风机的 效 率77 也降 低， 参见图2 - 1 中17 曲 线所示。 所以，由( 2 - 4 ) 式可见， 功率f 减少不明显，同 风量的 减少 不成比例， 因为此时功率尸中的大部分， 用来克服管道的通风阻力而白白浪费掉了。 还 要 说明 的 是， 即 使 将 风门 完 全关闭 ， 使 风 量q 和效 率77 皆 为 零， 轴功 率也 只 能减 少 到 全 开时的4 5 % - - 6 5 %a 上述效果也可由风机的风压一风量特性看出。图2 - 1 中曲线h为风机的风压特性曲 线，曲线r 为管道的风阻特性曲线，二者的交点 a 即为风机运行的工作点 ( 风机的压力 与 管 道的 通 风阻 力 大 小 相 等， 方向 相反， 处 于 稳 定 运转 状 态) 。 曲 线 h 的 位 置同 转 速有 关，随转速的降低而下移 ( 图2 - 2 a )，曲线r 则同挡板的开度有关，随着开度的减小而 变得陡峭 ( 图2 - 2 b )。如图3 所示，控制挡板开度，使风量减少为5 0 %时，风阻曲线r 变 为 r 5 o ( 曲 线h 不变， 为额定转速) ， 所需功率可用0 q 5 o a j h j 的 面积表示 ( 此面积等于q 与h的积，同功率p 成正比) ; 采用晶闸管调压装置降低转速使风量减为5 0 %时， 风机的 风压特性曲 线 h 变为 h 5 o ( 曲 线 r 不变， 仍为挡板全开) ， 功率可用。 q s a2 h 2 的面积表示， 显然， 阴影面积就代表二者之差， 即可以节约的功率值。 风量越小， 节约的功率就越大， 这两种方法所需功率的比较如图2 - 3 所示。 华北电力大学硕士学位论文 第二章电动机晶闸管调压节能原理 2 . 1 调节风机水泵调速控制的必要性 12 1 风机、 水泵有两种调节流量的 方式， 一种是调节转速改 变流量节电， 另一种是节流 调节 ( 控制挡板和阀门的开度) 则浪费电。下面以 风机为例说明 其原理。 风机的风量q 与转速n 成正比， 可写作 2 = k l n ( 2 - 1 ) 风压h与转速二 的平方成正比 h r = 凡n 2 ( 2 - 2 ) 电动机的 轴功率尸 同 刀 与q 的 积成正比，即同 转速犯 的 立方成正比 f = k 3 n 3 ( 2 - 3 ) 式中k , . k 2 . k 3 为常数。轴功率尸 还可表示为 f = ( 2 - 4 ) 了哎-叮 不上-卜日 门少-勺 式中 17 风机总效率 ( 包括风机与传动装置) 显然， 采用转速调节时，要求风量q 由1 减为1 / 2 ，只需使转速由1 降为1 / 2 即 可，而 轴功 率则由 1 减少为 ( 1 / 2 ) 3 即 节 约 7 / 8 的电 功 率， 效 果 非 常 显 著。 而采用传统的节流调节， 转速保持不变而使挡板开度减小，当q由1 减为1 / 2 时， 风压h变 化不 大， 多 数还略有 上升; 另 外， 随 着风量q的 减少， 风机的 效 率77 也降 低， 参见图2 - 1 中17 曲 线所示。 所以，由( 2 - 4 ) 式可见， 功率f 减少不明显，同 风量的 减少 不成比例， 因为此时功率尸中的大部分， 用来克服管道的通风阻力而白白浪费掉了。 还 要 说明 的 是， 即 使 将 风门 完 全关闭 ， 使 风 量q 和效 率77 皆 为 零， 轴功 率也 只 能减 少 到 全 开时的4 5 % - - 6 5 %a 上述效果也可由风机的风压一风量特性看出。图2 - 1 中曲线h为风机的风压特性曲 线，曲线r 为管道的风阻特性曲线，二者的交点 a 即为风机运行的工作点 ( 风机的压力 与 管 道的 通 风阻 力 大 小 相 等， 方向 相反， 处 于 稳 定 运转 状 态) 。 曲 线 h 的 位 置同 转 速有 关，随转速的降低而下移 ( 图2 - 2 a )，曲线r 则同挡板的开度有关，随着开度的减小而 变得陡峭 ( 图2 - 2 b )。如图3 所示，控制挡板开度，使风量减少为5 0 %时，风阻曲线r 变 为 r 5 o ( 曲 线h 不变， 为额定转速) ， 所需功率可用0 q 5 o a j h j 的 面积表示 ( 此面积等于q 与h的积，同功率p 成正比) ; 采用晶闸管调压装置降低转速使风量减为5 0 %时， 风机的 风压特性曲 线 h 变为 h 5 o ( 曲 线 r 不变， 仍为挡板全开) ， 功率可用。 q s a2 h 2 的面积表示， 显然， 阴影面积就代表二者之差， 即可以节约的功率值。 风量越小， 节约的功率就越大， 这两种方法所需功率的比较如图2 - 3 所示。 华北电力大学硕士学位论文 效率曲线 rs o i a 1 1 . 0 ( p . u . ) 卜 一o 伽件) 二 呀 ; 关冬- h -刀关 翔田叹 翔田区 b el t( 。 ) 1 .0 (p . u . ) 5 h - 一 一 水泵的扬程; 尸 水泵的轴功率。 因此，水泵的工作原理与风机类似。 对风机、水泵进行调速控制是非常必要的 所以，如果根据生产过程或生产工艺的需求， 华北电力大学硕士学位论文 2 . 2 异步电动机的节电原理 1 9 1 ) 从电 动机的 机械特性来看 忽略谐波影响、磁饱和、铁损及定子损耗时，电动机等效电路如图2 - 4 所示。 根据电机学理论，异步电动机的机械特性方程式是: r , _x , _r ; _ x 七 ) t ; 图2 - 4 电动机一相等效电路 3 n , 衅 r , / s 式中: co , k r i + 子i / s ) 2 + ( x i + x 2 ) 2 t ， 为 异步电 动 机的电 磁转 矩; n ， 电 机的 极 对 数 ( 2 - 8 ) u , 0) , 分别为定子供电电压 和供电 频率;ri r 2 分别为定子 每相电 组和折算到定 子侧的 转子每相电 阻;x , 棍 分别 为定子每相电抗和折算到定子侧的转子每相电抗;s 为转差率。 改变定子供电电压，可以得到不同的人为异步电动机机械特性曲线，如图 2 - 5 所示。图中 是u , x 为额定电 压。 图2 - 5异步电动机在不同定子供电电 压下的机械特性曲线 将对( 2 - 8 ) 式求导， 并令d t , / d s = 0 ， 计 算出 产生 最大转矩时的临界转差率和最 大转矩几 m ax ， 分别是 s , “ 骊不兀 歹 华北电力大学硕士学位论文 t m a . = 3n, 衅 2 w , r , + 对于风机、水泵， r ,z + ( x , + x 2 ) , 由于负载转矩与转速的平方成正比，采用调压调速可以得到 较宽的调速范围。 2 ) 从电动机的功率损耗上看 异步电动机调压调速属于转差功率消耗型的调速系统，调速过程中的转差功率 消耗在转子电阻或其外接电阻上，消耗功率的多少与系统的调速范围和所带负载的 性质有着密切的关系。 根据电机学原理，异步电动机的电磁功率为 p m e i o s t if) s = 二 n p _ t . i co n p ( 1 一 s ) ( 2 - 9 ) 电机的转差功率为 p s = s p . ( 2 - 1 0 ) 不同性质负载的转矩可用下式表示 兀= c c o , 式中c为常数，a = 0 0 , 1 , 2分别代表恒转矩负载、 平方成比例的负载( 风机、水泵) 。 ( 2 - 1 1 ) 与转速成比例的负载和与转速的 当t , = t . 时，转差功率为 p s = s p“ ca ) , 凡( 1 一 s ) 二 旦 s (1 一 : ). co , i n p ( 2 - 1 2 ) 而输出的机械功率为 p m 二 (i 一 : )p . 二二 三 (1 一 : )一 。 u+is n p ( 2 - 1 3 ) 当s = 0 时，电动机的输出功率最大，为 p m . . . =三 。 s n o ( 2 - 1 4 ) 以p ill . ， 为基准值， 转差功率损 耗系数k s 为 k s = 凡。 ax= s ( 1 一 s ) ( 2 - 1 5 ) 按( 2 - 1 5 ) 式可以得到不同类型负载所对应的转差功率消耗与转差率的关系曲线， 见图2 - 6 0 华北电力大学硕士学位论文 图2 - 6不同类型负载所对应的转差功率消耗与转差率的关系曲线 为了求得最大功率消耗及其对应的转差率，由式( 2 - 1 5 ) 对s 求导，并令此导数等 于零。 斌 _ ( 1 一 s ) 一 7s ( 1 一 s ) 。 一 ( 1 一 s ) “ 一 1 一 ( l + a ) s l = 0 ( 2 - 1 6 ) 则对应的转差率为 1 s m = 不飞 一) 对于不同 类型负载， a = 0 , 1 , 2 ， 代入式( 2 - 1 6 ) 和( 2 - 1 7 ) ( 2 - 1 7 ) ， 则 有 不 同 类 型 负 载 时 ， s 二 和k 的 值 ， 计 算 结 果 表2 - 1 0 表 2 一 1 不 同 类 型 负 载 时 的 s m 和 k gm 的 值 a012 s m 10 . 50 . 3 3 k 5m 10 . 2 50 . 1 4 8 根据以上分析可知，对于风机水泵类等不均匀负载电动机的转差消耗系数最小，因 此，调压调速对于风机水泵类负载比较适用。 3 ) 从电动机的基本耗损来看 电动机在工作过程中存在着3 种基本损耗: 定子的铜损，转子的铜损、铁损和机 械损耗。 异步电动机端电压变化时，铁耗与电压的平方成正比变化。设电动机的实际电 压u l 与额定电压之比为k u = u i l u n -， 则铁耗 p f e = ( p o 一 p ) k u ( 2 - 1 8 ) 式中 p o 额定电 压时的 空 载损耗 p 机械损耗 而铜耗则与电流的平方成正比，可以用下式计算 p c . = (典 )z p n ( 1 一 1) 一 p o i 1 u口 ( 2 - 1 9 ) 华北电力大学硕士学位论文 只 p=分 r n ( 2 - 2 0 ) 式中 a 电动机 的负载系数 p 2 电动机的输出功率 于是，异步电动机的总损耗 i 尸 一 p f e + p c . + p , 电机空载或轻载时， 由于定子转子的损耗所占比重较大， ( 2 - 2 1 ) 致使效率和功率因数 比较低。这是浪费电能的主要原因 的运行性能。 2 . 3 异步电动机运行特性分析 , 1 2 . 3 . 1 效率的分析研究 。要使电动机节电，就要改善其空载或轻载时 根据电机学理论，电动机的效率为 s ( 1 一 s ) r , s ( s r , + r 2 ) + 凡( s r , + r 2 ) + s ( x , + x 2 o ) 2 ( 2 - 2 2 ) 式 中 z , = 扩,(. + x. ), 由 ( 2 - 2 2 ) 可见， 当电 动机内 部参数不变时， 效率n 仅与转差率s 有关。 利用微分 关系可得到最大效率17 。对应的转差率为 s f v = - 1 士 4 1 + ( r, + r 2 + 虱 、 ) / 虱 r z ( + r 2 + 凡n ) / 虱r z ( 2 - 2 3 ) 式 中 n = 2 r 2 ( , + r 2 + x 2 , ) + ( r , + r 2 + x 2 , ) 2 ; w = ( , + r 2 + 凡n ) l 虱r 2z 上述结论是在一定的假设条件下得到的，实测结果与此结论相差很小。效率与 转差率的函数曲线如图2 - 7 所示。 2 . 3 . 2 负载与外部控制参量之间的关系 在电 机内 部参数不变的情况下，电动机的电磁转矩有以下关系: t e m = j ( u l , f l , s ) 。 又因为， p 2 p e m一t e m g l 0 -t e m 。故有: p 2 = j ( u, f i , s ) 。若 u 1 在整个控制过 程中 始 终保持不变， 那么p 2 就仅与f和s 有关。 对于一定的负载， 调 节为 ， 可使5 比较容易地调整到特征转差率，从而使效率或功率因数最优。通过调频，实现效率 或功率因数最优，方案可行，效果也不错，但变频线路复杂，成本较高;若f , 在整 华北电力大学硕士学位论文 只 p=分 r n ( 2 - 2 0 ) 式中 a 电动机 的负载系数 p 2 电动机的输出功率 于是，异步电动机的总损耗 i 尸 一 p f e + p c . + p , 电机空载或轻载时， 由于定子转子的损耗所占比重较大， ( 2 - 2 1 ) 致使效率和功率因数 比较低。这是浪费电能的主要原因 的运行性能。 2 . 3 异步电动机运行特性分析 , 1 2 . 3 . 1 效率的分析研究 。要使电动机节电，就要改善其空载或轻载时 根据电机学理论，电动机的效率为 s ( 1 一 s ) r , s ( s r , + r 2 ) + 凡( s r , + r 2 ) + s ( x , + x 2 o ) 2 ( 2 - 2 2 ) 式 中 z , = 扩,(. + x. ), 由 ( 2 - 2 2 ) 可见， 当电 动机内 部参数不变时， 效率n 仅与转差率s 有关。 利用微分 关系可得到最大效率17 。对应的转差率为 s f v = - 1 士 4 1 + ( r, + r 2 + 虱 、 ) / 虱 r z ( + r 2 + 凡n ) / 虱r z ( 2 - 2 3 ) 式 中 n = 2 r 2 ( , + r 2 + x 2 , ) + ( r , + r 2 + x 2 , ) 2 ; w = ( , + r 2 + 凡n ) l 虱r 2z 上述结论是在一定的假设条件下得到的，实测结果与此结论相差很小。效率与 转差率的函数曲线如图2 - 7 所示。 2 . 3 . 2 负载与外部控制参量之间的关系 在电 机内 部参数不变的情况下，电动机的电磁转矩有以下关系: t e m = j ( u l , f l , s ) 。 又因为， p 2 p e m一t e m g l 0 -t e m 。故有: p 2 = j ( u, f i , s ) 。若 u 1 在整个控制过 程中 始 终保持不变， 那么p 2 就仅与f和s 有关。 对于一定的负载， 调 节为 ， 可使5 比较容易地调整到特征转差率，从而使效率或功率因数最优。通过调频，实现效率 或功率因数最优，方案可行，效果也不错，但变频线路复杂，成本较高;若f , 在整 华北电力大学硕士学位论文 只 p=分 r n ( 2 - 2 0 ) 式中 a 电动机 的负载系数 p 2 电动机的输出功率 于是，异步电动机的总损耗 i 尸 一 p f e + p c . + p , 电机空载或轻载时， 由于定子转子的损耗所占比重较大， ( 2 - 2 1 ) 致使效率和功率因数 比较低。这是浪费电能的主要原因 的运行性能。 2 . 3 异步电动机运行特性分析 , 1 2 . 3 . 1 效率的分析研究 。要使电动机节电，就要改善其空载或轻载时 根据电机学理论，电动机的效率为 s ( 1 一 s ) r , s ( s r , + r 2 ) + 凡( s r , + r 2 ) + s ( x , + x 2 o ) 2 ( 2 - 2 2 ) 式 中 z , = 扩,(. + x. ), 由 ( 2 - 2 2 ) 可见， 当电 动机内 部参数不变时， 效率n 仅与转差率s 有关。 利用微分 关系可得到最大效率17 。对应的转差率为 s f v = - 1 士 4 1 + ( r, + r 2 + 虱 、 ) / 虱 r z ( + r 2 + 凡n ) / 虱r z ( 2 - 2 3 ) 式 中 n = 2 r 2 ( , + r 2 + x 2 , ) + ( r , + r 2 + x 2 , ) 2 ; w = ( , + r 2 + 凡n ) l 虱r 2z 上述结论是在一定的假设条件下得到的，实测结果与此结论相差很小。效率与 转差率的函数曲线如图2 - 7 所示。 2 . 3 . 2 负载与外部控制参量之间的关系 在电 机内 部参数不变的情况下，电动机的电磁转矩有以下关系: t e m = j ( u l , f l , s ) 。 又因为， p 2 p e m一t e m g l 0 -t e m 。故有: p 2 = j ( u, f i , s ) 。若 u 1 在整个控制过 程中 始 终保持不变， 那么p 2 就仅与f和s 有关。 对于一定的负载， 调 节为 ， 可使5 比较容易地调整到特征转差率，从而使效率或功率因数最优。通过调频，实现效率 或功率因数最优，方案可行，效果也不错，但变频线路复杂，成本较高;若f , 在整 华北电力大学硕士学位论文 个控制过程中始终保持不变，那么凡就仅与 u i 和s 有关。对于一定的负载，调节 u 1 ，也可使s 比较容易地调整到特征转差率，从而使效率或功率因数最优。为此， 以 下将在效率或功率因数最优时， 以f , 不变为条件， 对负载和电压的关系进行研究。 1 0 0 % 1 0 0 % 夕m - 1 /q=77 m e x 2 一 c o s cp 诬 c o s p _ l 1 0 0 % 图2 - 7效率和转差率的关系图2 - 8 电压与负载的关系 2 . 33 效率最优时，负载与电 压的关系 电动机的负载功率 p 2 ” 3 u , ( + r 2 / s ) 2 + ( x , + x 2 0 ) 2 s ( 2 - 2 4 ) 将s - s e v 代入上式，得到电压 u , 为 u , = ( r + r 2 / s e v ) 2 + ( x , + x 20 ) 2 3 r 2 s e v p 2 ( 2 - 2 5 ) 式( 2 - 2 5 ) 说明对于一定负载p z ，当转差率等于特征转差率时，只要控制电机定 子的电压为最佳值 . ，则效率最佳。效率最佳时，定子最佳控制电压与负载的函数曲 线如图2 - 8 的曲线 1 所示。 2 . 3 . 4 功率因数最优时，负载与电压的关系 将 。 二 二 w e 。 代入( 2 - 2 5 ) 式，得到电 动机定子电压的 表达式为 。 = 三 if . ( u 2 1,2 o m e v + r z ) 只 = 五 l m 丫3 r 2 0 0 ) e v一 l m 0) 0 l 2 ( a + 1 ) 石 3 几( 2 - 2 6 ) ( 2 - 2 6 ) 式表达了 对于一定负载这 p , ,当转差角频率调整到特征转差角频率时， 只要控制电动机定子电压为最佳值，功率因数就最佳。功率因数最佳时，电压与负 载的函数曲线如图2 - 8 的曲线2 所示。 从图2 - 8 所示的曲线 1 可看出，当异步电动机在不同负载时，通过调压可以改变其 1 0 华北电力大学硕士学位论文 个控制过程中始终保持不变，那么凡就仅与 u i 和s 有关。对于一定的负载，调节 u 1 ，也可使s 比较容易地调整到特征转差率，从而使效率或功率因数最优。为此， 以 下将在效率或功率因数最优时， 以f , 不变为条件， 对负载和电压的关系进行研究。 1 0 0 % 1 0 0 % 夕m - 1 /q=77 m e x 2 一 c o s cp 诬 c o s p _ l 1 0 0 % 图2 - 7效率和转差率的关系图2 - 8 电压与负载的关系 2 . 33 效率最优时，负载与电 压的关系 电动机的负载功率 p 2 ” 3 u , ( + r 2 / s ) 2 + ( x , + x 2 0 ) 2 s ( 2 - 2 4 ) 将s - s e v 代入上式，得到电压 u , 为 u , = ( r + r 2 / s e v ) 2 + ( x , + x 20 ) 2 3 r 2 s e v p 2 ( 2 - 2 5 ) 式( 2 - 2 5 ) 说明对于一定负载p z ，当转差率等于特征转差率时，只要控制电机定 子的电压为最佳值 . ，则效率最佳。效率最佳时，定子最佳控制电压与负载的函数曲 线如图2 - 8 的曲线 1 所示。 2 . 3 . 4 功率因数最优时，负载与电压的关系 将 。 二 二 w e