建筑電氣工程中電動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析

侯春賢

（寧夏建工集團(tuán)，寧夏 銀川 750021）

0 引言

近年來(lái)，建筑用電節(jié)能技術(shù)在國(guó)內(nèi)外被廣泛采用，形成了一系列有特色的技術(shù)體系?？赏ㄟ^(guò)對(duì)建筑物的冷熱源系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、送排風(fēng)系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、電梯、照明等機(jī)電設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視和優(yōu)化管理，提高設(shè)備利用率和管理水平，使設(shè)備始終處于最佳運(yùn)行狀態(tài)，減少不必要的浪費(fèi)，從而達(dá)到有效節(jié)約電能的目的。

1 電動(dòng)機(jī)工作方式

電機(jī)啟動(dòng)方式、啟動(dòng)電流、功率因數(shù)不同直接影響其能量的消耗，合理、經(jīng)濟(jì)的啟動(dòng)方法既滿足工藝要求又具有節(jié)能的效果。

1.1 Y－△變換

對(duì)于定子繞組為△連接的三相鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)，為了減小啟動(dòng)電流，啟動(dòng)時(shí)，定子繞組Y連接，啟動(dòng)后轉(zhuǎn)換成△連接。根據(jù)計(jì)算得知，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩與其電流降低的倍數(shù)，都是直接啟動(dòng)時(shí)的33%。此法簡(jiǎn)單、設(shè)備少、價(jià)格低廉，同時(shí)節(jié)約電能。由于繞組有功功率減少，節(jié)約有功、無(wú)功功率分別達(dá)20%、50%。

1.2 交流調(diào)速技術(shù)

異步電動(dòng)機(jī)同步轉(zhuǎn)速n0基本關(guān)系為：

式中：f為電源頻率，我國(guó)工業(yè)頻率為50Hz；p為電機(jī)定子磁極對(duì)數(shù)。

轉(zhuǎn)差率s與轉(zhuǎn)速的關(guān)系：

電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速n為：

式中：電機(jī)定子繞組的磁極對(duì)數(shù)p一定，改變電源頻率f，即可改變電機(jī)同步轉(zhuǎn)速。電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速小于同步轉(zhuǎn)速，而且隨著同步轉(zhuǎn)速而變化。電源頻率增加，同步轉(zhuǎn)速n。增大，實(shí)際轉(zhuǎn)速也增加；電源頻率降低，電機(jī)轉(zhuǎn)速也下降-以上通過(guò)改變電源頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)速度的調(diào)節(jié)過(guò)程為變頻調(diào)速。

在工程中，鼠籠式電動(dòng)機(jī)在電機(jī)總數(shù)量中占主導(dǎo)部分，因此，對(duì)它的調(diào)速控制成為建筑領(lǐng)域中電機(jī)調(diào)速的主要部分。由于電子技術(shù)及電腦控制的迅速發(fā)展，變頻調(diào)速裝置的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。由于電動(dòng)機(jī)所消耗的功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比，因而變頻調(diào)速技術(shù)的采用可以獲得10%以上的節(jié)能效果，在國(guó)內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。在變頻調(diào)速技術(shù)中，向電機(jī)提供頻率可變的電源并控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速是由變頻器完成的。

2 變頻器

鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)的定子采用變頻器供電構(gòu)成的變頻調(diào)速系統(tǒng)具有高效率和高性能。通過(guò)改變定子供電頻率，電機(jī)轉(zhuǎn)速可得到寬范圍的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。對(duì)定子電壓及頻率按一定規(guī)律進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，可提高傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行特性。通過(guò)控制轉(zhuǎn)差(n0-n)/n0，電機(jī)可獲得較理想的快速響應(yīng)，一旦采用閉環(huán)控制系統(tǒng)，整個(gè)拖動(dòng)系統(tǒng)可獲得高精度、優(yōu)良的傳動(dòng)特性和節(jié)能經(jīng)濟(jì)效益。給電機(jī)定子提供頻率可變電源的設(shè)備就是變頻器，它是變頻調(diào)速系統(tǒng)的核心。變頻器與電機(jī)完美的配合，構(gòu)成了性能優(yōu)良的變頻調(diào)速系統(tǒng)。下面分析變頻器的工作情況。

2.1 異步電機(jī)特性

由于異步電機(jī)中轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于氣隙旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度，即同步轉(zhuǎn)速，故在轉(zhuǎn)子回路中，將產(chǎn)生轉(zhuǎn)差電動(dòng)勢(shì)，該電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)子電流，與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。

（1）工頻電源向異步電機(jī)供電：50Hz電源給異步機(jī)供電，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)矩M與轉(zhuǎn)速n之間的關(guān)系見(jiàn)圖1-a。從圖中看出，當(dāng)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩反向時(shí)，電機(jī)處于制動(dòng)區(qū)；當(dāng)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速同向時(shí)，電機(jī)處于電動(dòng)區(qū)；當(dāng)速度高于同步轉(zhuǎn)速后，電動(dòng)機(jī)進(jìn)入發(fā)電區(qū)，此時(shí)轉(zhuǎn)矩為負(fù)。定子電流I1與轉(zhuǎn)速n的關(guān)系如圖1-b所示。

圖1

將轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速關(guān)系，定子電流I1與轉(zhuǎn)速n之關(guān)系，負(fù)載轉(zhuǎn)矩M與轉(zhuǎn)速n之關(guān)系在一起畫(huà)出，如圖2所示。工頻電源供電時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)?開(kāi)始增加，轉(zhuǎn)矩也增加，到達(dá)最大轉(zhuǎn)矩后，又開(kāi)始下降，在下降段與隨速度增加而單調(diào)增加的負(fù)載轉(zhuǎn)矩曲線相交，相交點(diǎn)是穩(wěn)定點(diǎn)，此時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡，電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。

圖2 轉(zhuǎn)矩特性I1-n特性

（2）變頻器向電動(dòng)機(jī)供電：頻率在10-50Hz時(shí)的機(jī)械特性曲線如3所示。這組特性是在U1/f1=常數(shù)條件下做出的，即定子電壓U1與電流頻率f1的比值保持不變。從圖中看出，U1/f1=常數(shù)，調(diào)節(jié)f1，使轉(zhuǎn)速得到調(diào)節(jié)，在低速區(qū)（即低頻供電區(qū)），電磁轉(zhuǎn)矩明顯較正常速度下的轉(zhuǎn)矩小。出現(xiàn)這個(gè)問(wèn)題是由于電機(jī)定子電壓U1是定子繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E1與定子阻抗壓降之和。當(dāng)頻率較低時(shí)，定子阻抗電壓相對(duì)于定子電壓不能忽略，以致造成轉(zhuǎn)矩值下降。解決的方法是采用端電壓補(bǔ)償，即可補(bǔ)償?shù)皖l區(qū)或低頻區(qū)的轉(zhuǎn)矩?fù)p失，于是，得出用變頻器供電的電機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性隨頻率而變的規(guī)律。

圖3 不同頻率下轉(zhuǎn)矩一轉(zhuǎn)速特性

2.2 變頻器的結(jié)構(gòu)與控制

變頻器的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

（1）變頻器主回路。為異步電動(dòng)機(jī)提供調(diào)壓、調(diào)頻電源的電路為變頻器主回路。主回路由三部分構(gòu)成：將50Hz交流轉(zhuǎn)換為直流的變流器，吸收由變流器出來(lái)的直流電量中的脈沖成分的濾波器，將直流電量再轉(zhuǎn)換為交流輸出的逆變器。變流器是一個(gè)“交變直”的整流橋，濾波器是一個(gè)L、C混聯(lián)的脈沖成分吸收器。逆變器部分是“直變交”的電量變換部分，分電壓型與電流型逆變器。前者使用了大容量電容，抑制電壓脈動(dòng)，形成等效的電壓源；后者用晶閘管作開(kāi)關(guān)元件，選用平滑電抗器，使之具有很強(qiáng)的抑制電流波動(dòng)的能力，形成等效的電流源。逆變器的控制方式分電壓控制及電流控制。與輸出頻率成比例的控制輸出電壓，協(xié)調(diào)控制電壓及頻率，這一控制方式叫電壓控制；當(dāng)某些控制場(chǎng)合，需要電機(jī)具有快速響應(yīng)特性，此時(shí)可采用電流控制方式。

（2）變頻器控制回路。包括運(yùn)算、驅(qū)動(dòng)、保護(hù)電路、電壓和電流檢測(cè)、速度檢測(cè)單元。由圖4可見(jiàn)，控制回路的作用是向主回路提供和發(fā)出控制指令信號(hào)，控制主回路進(jìn)行調(diào)頻、調(diào)壓為異步電動(dòng)機(jī)供電。將電機(jī)速度、轉(zhuǎn)矩及系統(tǒng)中有關(guān)電壓、電流檢測(cè)量送到運(yùn)算單元，與設(shè)定參考值比較，按照一定協(xié)調(diào)規(guī)律來(lái)控制頻率、電壓。

主回路開(kāi)關(guān)元件需要控制信號(hào)指令去導(dǎo)通與關(guān)斷，驅(qū)動(dòng)單元即提供這樣的控制指令。為使系統(tǒng)主回路及整個(gè)逆變及調(diào)速系統(tǒng)不因過(guò)載、過(guò)流而損壞，還設(shè)置有自動(dòng)保護(hù)單元，在電路出現(xiàn)上述故障時(shí)，能夠?qū)φ麄€(gè)系統(tǒng)進(jìn)行安全保護(hù)，或停機(jī)、自動(dòng)消除、一減輕過(guò)載、過(guò)流、過(guò)壓等。

圖4 變頻器構(gòu)成框圖

2.3 變頻器與電機(jī)配套使用

單臺(tái)變頻器向單臺(tái)電機(jī)供電，系統(tǒng)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、應(yīng)用范圍廣，適用于容量較小電機(jī)的調(diào)速領(lǐng)域。低壓變頻器向高壓電機(jī)供電，采用降壓變壓器將高壓電源變成低壓電源，再向低壓變頻器供電，變頻器輸出向升壓變壓器供電，再向高壓電機(jī)提供頻率可變的高壓電源，適用于調(diào)速容量較大電動(dòng)機(jī)。高壓變頻器向高壓電機(jī)供電，接線簡(jiǎn)單、可靠性高，適用于容量較大電機(jī)的調(diào)速領(lǐng)域，但造價(jià)很高。

3 結(jié)束語(yǔ)

總之，采用變頻調(diào)速技術(shù)向鼠籠型電動(dòng)機(jī)供電，可避免全速運(yùn)行、借擋板調(diào)節(jié)水量、風(fēng)量造成的浪費(fèi)，節(jié)約大量電能，同時(shí)提高控制精度。

［1］朱曉峰.有關(guān)電氣節(jié)能設(shè)計(jì)的一些體會(huì)[J].工程技術(shù)，2008，（10）：77-78.

［2］李大慶.建筑電氣中的節(jié)能[J].科學(xué)之友，2008，14（5）：148-150.