三相異步電動(dòng)機(jī)節(jié)能技術(shù)

郭宇

（海洋石油富島有限公司 海南省東方市 572600）

目前，電動(dòng)機(jī)在將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛。我國(guó)各類電動(dòng)機(jī)的年用電量約占全國(guó)用電總量的一半以上。其中，尤屬三相異步電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用最為廣泛，尤其是鼠籠式三相異步電動(dòng)機(jī)。其具有產(chǎn)業(yè)鏈完善、價(jià)格低廉、運(yùn)行穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，因而在各行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)，另外一些新型高效的電動(dòng)機(jī)如永磁同步電動(dòng)機(jī)也逐漸在市場(chǎng)上得到了推廣，但由于其成本較高，在實(shí)際應(yīng)用中受到不同程度的限制。通常，電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載附近運(yùn)行，當(dāng)負(fù)載下降時(shí)，電動(dòng)機(jī)負(fù)載大幅下降。事實(shí)上，許多電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)都是為了保持冗余，留有足夠的安全運(yùn)行空間，這最終導(dǎo)致了效率低下問(wèn)題。在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)和節(jié)能方面，眾多研究人員做了大量的探索，并取得了可觀的成果。然而，降低起動(dòng)電流和充分發(fā)展電動(dòng)機(jī)節(jié)能技術(shù)仍有很大的空間和現(xiàn)實(shí)意義。

1 三相異步電動(dòng)機(jī)概述

三相異步電動(dòng)機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、重量輕、價(jià)格便宜、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)在生產(chǎn)和生活中得到了廣泛的應(yīng)用。特別是在大容量、高電壓、高速的應(yīng)用中，應(yīng)用率更是超過(guò)了66%，而且比例越來(lái)越大，其市場(chǎng)占有率一直是最高的。電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和負(fù)荷率與工作電壓相匹配，可通過(guò)控制電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過(guò)程，限制起動(dòng)電流和轉(zhuǎn)矩，使暫態(tài)功耗降低，為電動(dòng)機(jī)保護(hù)和節(jié)能提供可行的條件。研究電動(dòng)機(jī)節(jié)能技術(shù)，探索如何提高電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率，節(jié)約資源，對(duì)環(huán)境保護(hù)和國(guó)家可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

2 三相異步電動(dòng)機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中存在的問(wèn)題

三相異步電動(dòng)機(jī)作為主要的工業(yè)負(fù)荷，其年能耗占工業(yè)總能耗的60%-70%，但絕大多數(shù)電動(dòng)機(jī)在不經(jīng)濟(jì)的條件下運(yùn)行，造成了很大的能源浪費(fèi)。一方面，電動(dòng)機(jī)安全裕度過(guò)大，輕載運(yùn)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致運(yùn)行效率低下，能源浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重。另一方面，若電動(dòng)機(jī)采用直接起動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致起動(dòng)電流過(guò)大，也會(huì)使起動(dòng)功耗增加。

3 三相異步電動(dòng)機(jī)節(jié)能原理

3.1 軟起動(dòng)節(jié)能原理

軟起動(dòng)器采用相應(yīng)的節(jié)能控制算法可以達(dá)到一定的節(jié)能效果，特別是在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)。實(shí)踐表明，軟起動(dòng)器的節(jié)能效率已超過(guò)20%，尤其是當(dāng)空載或輕載運(yùn)行時(shí)間所占比例較大時(shí)，節(jié)能效果更加明顯。具有節(jié)能功能的軟起動(dòng)器通過(guò)監(jiān)控電動(dòng)機(jī)電流和功率因數(shù)，進(jìn)一步控制電動(dòng)機(jī)端電壓的變化，從而調(diào)整電動(dòng)機(jī)負(fù)載或空載電壓，降低勵(lì)磁電流，最終達(dá)到節(jié)能的目的。

3.2 節(jié)能運(yùn)行原理

三相異步電動(dòng)機(jī)的能效是衡量其節(jié)能運(yùn)行的重要指標(biāo)。在相同負(fù)載功率下，電動(dòng)機(jī)的有效功率越小，效率越高，能耗越低。電動(dòng)機(jī)的電能是傳遞功率，它不僅用來(lái)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)和輸出功率，而且是電動(dòng)機(jī)固有損耗的一部分。電動(dòng)機(jī)的主要損耗包括銅損和鐵耗。銅損是由流過(guò)電動(dòng)機(jī)繞組的電流引起的，銅損大小與電流的平方成正比。鐵耗是由定子和轉(zhuǎn)子鐵心的磁化電流有關(guān)，與電源電壓成正比，而其它方面的損耗可以忽略不計(jì)。節(jié)能運(yùn)行控制的原理是當(dāng)電壓降低時(shí)，可以適當(dāng)降低電源電流，降低鐵損。采用功率因數(shù)法檢測(cè)電動(dòng)機(jī)負(fù)載。當(dāng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載較大時(shí)，功率因數(shù)較大，低電動(dòng)機(jī)負(fù)荷和低功率因數(shù)。

4 三相異步電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)研究

近年來(lái)，為減小異步電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)帶來(lái)的危害，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量研究后提出了軟起動(dòng)的概念。三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能有兩方面要求：一是起動(dòng)電流應(yīng)盡可能小，以減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊。二是起動(dòng)轉(zhuǎn)矩應(yīng)盡可能大，以加快起動(dòng)過(guò)程，縮短起動(dòng)時(shí)間。軟起動(dòng)的目的即在于不影響電動(dòng)機(jī)正常起動(dòng)的前提下，盡可能減小起動(dòng)電流。基于電動(dòng)機(jī)的基本原理，為實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)功能，通常采用降低定子電壓，來(lái)減小起動(dòng)電流。

4.1 異步電動(dòng)機(jī)的傳統(tǒng)起動(dòng)措施

傳統(tǒng)的軟起動(dòng)是在保持電動(dòng)機(jī)輸入電壓維持在額定頻率的基礎(chǔ)上，將起動(dòng)幅值提高到額定起動(dòng)幅值。根據(jù)電壓幅值是否連續(xù)可調(diào)，可分為電平電壓調(diào)節(jié)和極電壓調(diào)節(jié)。分階段電壓調(diào)節(jié)是將電壓分為多個(gè)階段。以較低的電壓水平起動(dòng)電動(dòng)機(jī)，逐漸增大電壓幅值，直到電動(dòng)機(jī)起動(dòng)。也就是說(shuō)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下達(dá)到額定電壓時(shí)，最低電壓水平的電壓幅值至少應(yīng)滿足電動(dòng)機(jī)起動(dòng)的最低要求。同級(jí)電壓幅值保持恒定，均壓幅值可連續(xù)調(diào)節(jié)，均壓幅值可在跳閘模式下調(diào)節(jié)。

4.1.1 有級(jí)調(diào)壓軟起動(dòng)

（1）延邊三角形起動(dòng)法。擴(kuò)展三角起動(dòng)方式是在繞組處每相可以接一個(gè)抽頭，將電源接在每相繞組的首端，而在繞組的后半段可以將其結(jié)為三角形。此種起動(dòng)方式主要用于三角聯(lián)結(jié)上，來(lái)保障電動(dòng)機(jī)運(yùn)行正常。不僅可以減少?zèng)_擊振動(dòng)，同時(shí)還可以在起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩間進(jìn)行調(diào)節(jié)，使電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。

（2）定子串電阻（電抗）起動(dòng)法。起動(dòng)定子串電阻的方法是將電源與電動(dòng)機(jī)之間的串電阻或電阻分開，從而降低電動(dòng)機(jī)的定子電壓和電流，使起動(dòng)過(guò)程相對(duì)平穩(wěn)。起動(dòng)后，電阻逐步消除。定子串聯(lián)電阻或步進(jìn)起動(dòng)方式可以達(dá)到一定的效果。

（3）自耦變壓器降壓起動(dòng)法。自耦變壓器降壓起動(dòng)法是通過(guò)調(diào)節(jié)耦合變壓器的變比來(lái)改變電動(dòng)機(jī)的輸入電壓。起動(dòng)后切斷耦合變壓器，通過(guò)設(shè)置不同的自耦變比來(lái)減小起動(dòng)電流，可用于大負(fù)載轉(zhuǎn)矩。該設(shè)備價(jià)格低廉，但缺點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電壓和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大，自耦變壓器體積大，故障率高，無(wú)法很好的監(jiān)控電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)狀態(tài)。

4.1.2 無(wú)級(jí)調(diào)壓軟啟動(dòng)

（1）頻敏電阻器軟啟動(dòng)。頻敏電阻在轉(zhuǎn)子電路中的應(yīng)用可以降低起動(dòng)電流，其工作原理是：電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)動(dòng)。定子繞組產(chǎn)生高速磁場(chǎng)，而轉(zhuǎn)子繞組是靜止的。當(dāng)主磁場(chǎng)被高速切斷時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)高振幅和高頻的感應(yīng)電勢(shì)。轉(zhuǎn)子電路的頻率偏移具有高阻抗，在起動(dòng)電流降低方面效果明顯。轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)的幅值和頻率也同步降低，頻率電阻呈現(xiàn)相對(duì)較低的阻抗。利用頻敏電阻器軟啟動(dòng)，從而保障電動(dòng)機(jī)運(yùn)行正常。

（2）液阻軟起動(dòng)。液體電阻是以電解質(zhì)中的離子為導(dǎo)電通道的液體電阻。液體電阻與電解質(zhì)電導(dǎo)率成反比，與極板間距成正比，液壓電阻軟起動(dòng)器主要作用是控制電阻。此外，液壓電阻具有成本低、熱容量大的優(yōu)點(diǎn)。這也為改善液壓阻力軟起動(dòng)提供了有利條件，但由于液壓阻力箱容量的限制，液壓阻力值的設(shè)定范圍較小。液阻箱容積越小，液阻溫度越高，影響起動(dòng)穩(wěn)定性。

（3）磁控式軟啟動(dòng)。在串聯(lián)電抗器步進(jìn)起動(dòng)的基礎(chǔ)上，對(duì)磁控軟起動(dòng)器進(jìn)行了改進(jìn)。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與串聯(lián)電抗器相同。磁控軟起動(dòng)器具有有效調(diào)節(jié)電抗器的飽和程度的優(yōu)點(diǎn)，其主要通過(guò)控制勵(lì)磁電流來(lái)實(shí)現(xiàn)。它具有非接觸、非機(jī)械控制方式、電動(dòng)機(jī)電壓無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)、電動(dòng)機(jī)控制精度高等優(yōu)點(diǎn)。但也存在不足，例如電動(dòng)機(jī)定子側(cè)電流的電磁效應(yīng)作用在電阻式直流勵(lì)磁繞組上，感應(yīng)電流影響直流勵(lì)磁繞組的運(yùn)行，導(dǎo)致磁控管軟起動(dòng)調(diào)速慢。

4.2 電子軟起動(dòng)

隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，為了取代傳統(tǒng)的軟起動(dòng)設(shè)備，各種電力電子設(shè)備被開發(fā)出來(lái)用于異步電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)控制。常見的電子式軟啟動(dòng)器主要是變頻軟啟動(dòng)和晶閘管調(diào)壓軟啟動(dòng)。

4.2.1 變頻軟起動(dòng)

變頻軟起動(dòng)器是通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)定子側(cè)電源電壓的頻率，從而改變主磁場(chǎng)中同步旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的角速度，最終實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。變頻技術(shù)被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)機(jī)的調(diào)速中，解決了電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)問(wèn)題。由于成本高，運(yùn)行維護(hù)困難，可靠性低，僅用于軟起動(dòng)是不經(jīng)濟(jì)的。

4.2.2 晶閘管調(diào)壓軟起動(dòng)器

晶閘管調(diào)壓軟起動(dòng)器是通過(guò)調(diào)節(jié)晶閘管導(dǎo)通角的定子電壓從而達(dá)到電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)的目的。與其它軟起動(dòng)器相比，具有很好的實(shí)用性。直流調(diào)壓軟起動(dòng)器具有以下優(yōu)點(diǎn)：首先，晶閘管作為軟起動(dòng)器的主開關(guān)器件，具有可靠性高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于控制、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。其次，晶閘管調(diào)壓器結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，安裝維護(hù)方便?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，晶閘管調(diào)壓軟啟動(dòng)器已經(jīng)成為目前應(yīng)用最廣泛的軟起動(dòng)器。

5 三相異步電動(dòng)機(jī)節(jié)能運(yùn)行研究

5.1 異步電動(dòng)機(jī)節(jié)能措施

目前實(shí)現(xiàn)電機(jī)節(jié)能運(yùn)行主要通過(guò)以下三種方式：優(yōu)化電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、變頻調(diào)速和調(diào)壓節(jié)能。

5.1.1 電動(dòng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)

優(yōu)化電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以使其比普通電動(dòng)機(jī)更有效，主要從電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料利用和工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面采取措施使電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)趨于合理化。通過(guò)改變繞組槽數(shù)，優(yōu)化參數(shù)，或用低損耗鋼板代替普通硅鋼片，可以降低磁滯和渦流損耗，達(dá)到節(jié)能的目的。

5.1.2 變頻調(diào)速

變頻器可有效地調(diào)控電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，從而適應(yīng)不同的運(yùn)行工況，達(dá)到最佳的節(jié)能換流狀態(tài)。許多異步電動(dòng)機(jī)不使用變頻器來(lái)節(jié)能，主要原因是許多電動(dòng)機(jī)不需要變頻器來(lái)控制速度。由于變頻器成本較高，不利于綜合效益的最大化。且國(guó)產(chǎn)變頻器合格率低，維修難度大，導(dǎo)致變頻器在電動(dòng)機(jī)節(jié)能領(lǐng)域的應(yīng)用并不廣泛。

5.1.3 調(diào)壓節(jié)能

電壓調(diào)節(jié)和節(jié)能的目的是根據(jù)輸出電壓調(diào)整損耗分布和定子電壓。電動(dòng)機(jī)內(nèi)部損耗主要有銅損和鐵耗。電動(dòng)機(jī)在輕載運(yùn)行時(shí)，適當(dāng)降低電壓可有效降低銅損和鐵耗，從而提高電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率。在實(shí)際應(yīng)用案例中，大量電動(dòng)機(jī)仍處于非經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)，因此降壓步進(jìn)節(jié)能技術(shù)具有很大的推廣價(jià)值。

6 三相異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓節(jié)能控制方法

目前，影響三相異步電動(dòng)機(jī)節(jié)能的控制因素有很多，包括功率因數(shù)、輸入功率、定子電流和定子電壓等。

6.1 恒定功率因數(shù)法

恒功率因數(shù)法以電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)為基礎(chǔ)，其原理是通過(guò)檢測(cè)電動(dòng)機(jī)電壓和電流的相角，實(shí)時(shí)獲取功率因數(shù)。通過(guò)控制恒相角來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)在輕載或空載時(shí)，功率因數(shù)可達(dá)到預(yù)定值，提高電動(dòng)機(jī)的工作效率。

6.2 最小功率因數(shù)角法

最小功率因數(shù)角法可通過(guò)降低功率因數(shù)角實(shí)現(xiàn)。三相異步電動(dòng)機(jī)在空載或輕載狀態(tài)時(shí)，定子電流主要用來(lái)維持旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，通過(guò)降低電動(dòng)機(jī)端電壓來(lái)降低功率因數(shù)的無(wú)功分量，從而提高功率因數(shù)，可以在一定程度上改善電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)角。

6.3 定子最小電流法

定子最小電流法是基于定子電流的。在某些工作條件下，電動(dòng)機(jī)必須具有最小工作電流點(diǎn)。因此，當(dāng)電動(dòng)機(jī)輸出電壓發(fā)生變化時(shí)，定子最小電流法是以定子電流為基礎(chǔ)，通過(guò)改變輸入電壓，將電動(dòng)機(jī)定子電流的變化與最小工作點(diǎn)進(jìn)行比較。定子最小電流法與功率因數(shù)法相比，控制精度更高，應(yīng)用更為廣泛。

6.4 最優(yōu)電壓法

最優(yōu)電壓法是以電動(dòng)機(jī)輸入電壓為控制變量，來(lái)分析電動(dòng)機(jī)的內(nèi)部損耗，進(jìn)而推導(dǎo)出總損耗與定子電壓之間的變量關(guān)系，進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，進(jìn)而得到總損耗最小的定子電壓?？刂齐妷赫{(diào)節(jié)器使電動(dòng)機(jī)在該電壓下穩(wěn)定運(yùn)行，提高電動(dòng)機(jī)的效率。

7 三相異步電動(dòng)機(jī)節(jié)能技術(shù)選擇

在工程實(shí)踐中，起動(dòng)技術(shù)的選擇不僅要考慮先進(jìn)的技術(shù)，還要考慮經(jīng)濟(jì)性、使用的可靠性和維護(hù)的方便性。各種起動(dòng)技術(shù)都有自己的市場(chǎng)，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，軟起動(dòng)無(wú)疑將成為主流。選擇電子軟起動(dòng)方式，從根本上消除硬起動(dòng)。在選擇啟動(dòng)器時(shí)，不僅要考慮產(chǎn)品的品牌功能和技術(shù)參數(shù)，還應(yīng)當(dāng)依據(jù)不同工況下的負(fù)荷特性和起動(dòng)要求，選擇合適的電動(dòng)機(jī)，確定額定功率和電流。軟起動(dòng)器的容量一般選擇略大于電動(dòng)機(jī)的額定電流。根據(jù)使用需要，可選擇具有多種不同保護(hù)功能的啟動(dòng)器，如過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、缺相保護(hù)、三相不平衡保護(hù)等。

8 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，三相異步電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代制造業(yè)，其節(jié)能技術(shù)對(duì)促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)、節(jié)能減排具有重要意義。調(diào)壓節(jié)能技術(shù)、變頻節(jié)能技術(shù)和智能節(jié)能技術(shù)都比較成熟，三相異步電動(dòng)機(jī)節(jié)能技術(shù)還需要進(jìn)一步深化，技術(shù)人員要不斷進(jìn)行探索和研究。不斷完善三相異步電動(dòng)機(jī)節(jié)能技術(shù)，為經(jīng)濟(jì)發(fā)展服務(wù)。